鑫黔煤矿21203采面带压开采可行性评价研究

（贵州职业技术学院机电与能源工程学院，贵州 贵阳 550023）

1 概述

贵州煤炭资源丰富，煤种较多，地质和水文条件比较复杂，煤炭开采受水文地质条件的影响较大，煤矿水害事故时有发生，其中煤层底板承压水突出是发生水害事故的原因之一[1]。矿井底板突水对于煤炭资源开采影响较为严重，不仅影响矿山资源开采，而且也造成水资源的极大浪费[2]。底板突水发生过程具有较强的隐蔽性，这使得对其防范难度更大[3]。而煤层要实施带压开采必须对开采煤层的水文地质条件、底板隔水层性能等一系列条件进行分析，提出行之有效的底板防治水措施[4]。一般情况煤层底板具有承压含水层，当隔水层厚度大于临界隔水层厚度，或水压值小于临界水压值时，带压开采可不采取疏降措施，但要对承压含水层的赋存情况、富水性及可能存在的导水通道等情况探查清楚，对突水的危险性进行准确评价，才能保证安全回采。本文针对21203工作面的地质条件，利用理论计算突水系数结合探钻实测隔水层厚度，综合分析研究，确定21203工作面带压开采是可行的，为鑫黔煤矿提高煤炭资源开采率和矿井安全生产提供了理论依据。

2 矿井条件

鑫黔煤矿位于黔西县花溪乡。矿区范围内无大的河流经过，区内地表水主要为沟谷季节性小溪流。矿区位于黔中断裂北盘，黔西向斜南东区，地层产状井田东部及东南部倾向东南，井田北部地层倾向东偏北。该矿生产规模0.3 Mt/a，矿井布置一个回采工作面，二个掘进面。矿区共有8、11、12 三个主要可采煤层，煤层结构均趋于稳定和较稳定。12煤层位于龙潭组下段下部，全层厚度0.90～3.40m，平均2.13m，底板以细砂岩为主，含少量泥岩。12煤层底板的岩层中有茅口组灰岩，在贵州地区茅口组灰岩一般为强含水地层。21202工作面切眼已贯通并形成生产系统，巷道布置见图1。工作面采煤方法采用分段开采，即21202联络巷以下段，采用倾斜长壁采煤；回采至21202联络巷时，将21202工作面切眼作为上段工作面运输巷，上段采用走向长壁采煤方法，采煤工艺采用炮采工艺。

图1 21202采煤工作面巷道布置

图2 21202采煤工作面电法勘探推断水患区分布

3 可行性评价分析

3.1 地质报告

兖矿集团东华建设有限公司地矿建设分公司2008年4月向煤矿提交了《黔西县鑫黔煤矿勘探地质报告》，12煤层位于龙潭组下段下部，全层厚度0.90～3.40m，平均2.13 m。地质报告提供井田内有6个勘探钻孔揭露茅口灰岩，揭露厚度＜10m的2个孔，10～50m的3个孔，＞50m的1个孔。6个勘探孔中，只有C1-1和C2-1 孔离采面较近，直线距离分别为50 m和70 m。C1-1孔揭露12煤层与茅口灰岩间距为17m，C2-1孔揭露12煤层与茅口灰岩间距为27m，两个钻孔揭露茅口灰岩均未见岩溶水。矿区最低侵蚀基准面标高+1405m，茅口组静止水位标高+1427.9 m。开采12煤层时，直接充水含水层为顶板“十二灰”、11煤层老窑水和底板茅口灰岩岩溶裂隙水层。茅口灰岩厚度大，为承压水，富水性较强，但要求不均一。矿井水文地质类型为顶、底板进水的岩溶裂隙的类型，有一定的补给水源，补给条件一般，属中等型。揭露茅口灰岩的六个勘探钻孔中仅有一个孔漏水，说明其顶部富水性不均一。该段勘探抽水试验获取水文参数：Q为0.009722 L/s，q为0.000178 L/s.m，K值为0.000504 m/d，水质类型为HCO3-SO4-2-K+·Na+型。该层灰岩在井田东北侧出露，含少量承压水。

3.2 矿井物探

贵州煤田地球物理勘探有限责任公司2018年5月提交的《黔西县鑫黔煤矿富水区探测电法勘探报告》，共推断中度水患区13个，轻度水患区9个。根据水文地质调查及物探勘测成果，推断该矿区的水文地质条件复杂程度为中等。21202采煤工作面大部分位于中度水患区，少部分位于轻度水患区，见图2。一般情况中度水患区在安全防范措施及抽水条件具备时可开采；轻度水患区因部分存在岩体破碎及采空区三带发育，在开采过程中也应该采取相应的防水措施。巷道掘进和采煤过程中对电法推断的低阻异常区和高阻异常区均应采取相应的防水措施。因采空区在未充填或半充填状态下均可能表现为视电阻率相对高阻形态，且地质目标体的富水性是动态变化的，尤其是采空区三带区域与其垮落状态是相关的，故其富水性也是不断变化的。矿井在生产过程中亦应对相邻矿井的开采情况及井下水文地质情况进行监测，预防矿区及周边采空区老窑积水，特别是雨季更随时引起注意。

21202运输巷掘进过程中，物理勘探公司对工作面开展了探测工作，并于2019年2月提交了《黔西县花溪乡鑫黔煤矿21202运输巷物探报告》，探测成果见图3。

图3 21202运输巷掘进工作面物探成果

图3中的横坐标以0点为中心，探测点为间距为1m，对掘进工作面左右及纵向100m范围为深度进行扇形探测，电阻值低于4以下的深蓝色显示区为低阻异常区。探测成果显示：掘进工作面前方100m范围内无明显低阻异常区。根据物探结果分析，在21202运输巷掘进工作面距开口0～100 m所探测的100m范围内，在掘进方向顶板向上30°方向、底板向下30°方向及正前方100m范围内无积水可疑区。

3.3 巷道揭露及探水钻

煤矿在开拓及准备巷道施工过程中，曾揭露过茅口灰岩：井底车场附近茅口灰岩距12煤层底板层间距都在6 m以上，一采区外水仓进入茅口灰岩约2m，二采区外水仓进入茅口灰岩约3m，水仓掘进时未见岩溶，未出现涌水现象。21202工作面已形成系统，工作面实测最低标高为+1325.7 m。煤矿已在21202采面运输巷和回风巷中下部往12煤层底板侧各施工2个探水钻孔，从21202切眼最低标高处往12煤层底板侧施工1个探水钻，其中运输巷和回风巷施工探水钻孔孔深平均25m，21202切眼施工探水钻孔孔深35 m。通过巷道揭露和探孔资料分析，计算出21202工作面范围12煤层距茅口灰岩的最小间距为13 m。

综合上述资料分析认为，12煤层尽管距离茅口组较近，但前期在12煤层中进行的掘进与回采均未受到茅口组的影响；21202采面巷道已形成、二采区水仓已揭露茅口组，均未受茅口组的影响；通过巷道揭露和地勘钻孔以及后来实施的探水钻孔，说明工作面范围的茅口灰岩富水性较差。

3.4 突水系数法计算

按《煤矿防治水细则》（2018）附录四计算突水系数，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa/m，正常块段不大于0.1MPa/m。该矿21202采面在顺槽、切眼掘进期间未发现构造破碎带，按正常块段突水系数一般不大于0.1MPa/m进行计算验证，计算公式：

式中：T为突水系数，MPa/m；p为底板隔水层承受的水压，MPa；M为底板隔水层厚度，m。

12煤层底板以细砂岩为主，含少量泥岩，地质报告提供矿井岩层分布较为稳定，岩石裂隙不发育，完整性较好，含水条件差，经过实地走访，邻近矿井采用该岩层作为隔水层开采12煤层具有成功的经验，因此鑫黔煤矿12煤层，底板细砂岩岩层能构成良好的隔水层，具有较好的隔水效果。在21202采面区域施工的5个钻孔和巷道揭露资料推算出12煤层距茅口灰岩层最小间距为13m，距工作面最近的C1-1勘探孔揭露12煤层与茅口灰岩间距为17m，勘探钻孔揭露茅口灰岩未见岩溶水涌出。鉴于工作面系统形成后施工的探孔在采面范围内，数据可靠性相对较高，隔水层厚度按钻孔和巷道揭露的13 m进行取值计算。

以茅口组静止水位标高+1427.9 m计算静水压力。P=（1427.9-1325.5）/100=1.024MPa

则：

结合上述计算采用突水系数法进行带压开采安全评价[5]，可得出21202采面带压开采是安全的。

4 带压开采安全措施

矿井应建立健全防治水各项制度，成立防洪抢险队伍，装备必要的防治水抢险救灾设备。应加强收集掘进过程中井巷揭露的主要出水点和水温、水量、水质等资料，并定期收集、调查和核对相邻煤矿茅口组灰岩岩溶裂缝含水层资料及茅口组对12煤层开采影响方面的资料。企业应建立地下水动态观测系统，进行地下水动态观测和水害预报，并制定相应的“探、防、堵、疏、截、排、监”综合防治措施。在每年雨季前对矿井防治水工作进行一次全面检查，并储备足够的防洪抢险物资。21202采面回采前，必须配备工作面水位观察专项人员，进行地下水动态观测，在未掌握地下水的动态规律前，每隔5～7日观测一次；地下水动态规律掌握清楚后，每月观测3～5次；雨季或遇异常情况时，适当增加观测次数。井下和地面排水设施必须随时保证完好、排水系统畅通。工作面推进期间，应当采用物探方法查清工作面内断层、陷落柱和含水层（体）的富水性。发现断层、裂隙等构造充水的，应当采取注浆加固或者留设防隔水煤（岩）柱等安全措施。采面在推进过程中发现承压含水层水压超过煤层开采安全临界水压或有突水威胁时，建议在采空区下方的回采巷道中，采取疏水降压的方法，把承压含水层的水头值降到隔水层能承受的安全水头值以下，并制订安全措施；当承压含水层不具备疏水降压条件时，必须采取注浆加固底板，留设防水煤柱，增建抗灾强排能力等防水措施，必要时停止工作面回采。采面或上下巷发现有挂红、挂汗、空气变冷、出现雾气、水叫、顶板淋水加大、顶板来压、底板鼓起或产生裂隙出现渗水、水色发浑、有臭味等突出预兆时，必须停止作业，发出警报，撤出所有受水害威胁地点的人员，立即报告矿调度室，然后制定方案和措施进行处理。

5 结语

21202工作面已形成，工作面巷道工程掘进期间未受茅口组岩溶水的影响；采区水仓已揭露茅口组，但水泵房及水仓都没有受茅口组岩溶水的影响；在21202采面区域施工的5个钻孔揭露12煤层距茅口灰岩层最小间距为8m，勘探钻孔揭露12煤与茅口灰岩层间距约16～31m，钻孔未见岩溶水涌出。将茅口组顶部17～27 m段灰岩视为隔水层，按《煤矿防治水细则》（2018）附录五计算突水系数0.078＜0.1MPa/m。通过上述定性分析和定量计算结果，综合分析论证得出下列结论和建议：

1）21203工作面通过采用物探、钻探资料以及地勘报告分析研究得出带压开采是可行的。

2）工作面推进过程中必须严格执行“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”规定，在工作面回采前进一步分块段完善物探工作，并编制科学可靠的物探报告，根据物探报告完善带压开采的具体措施，进一步提高带压开采的安全可靠性。

3）本次可行性论证突水性系数是以茅口组静水位标高计算的结果，矿井应进一步查清采面及其周围区域茅口组含水层水位，制定更为可靠的疏水措施。

4）工作面推进前及回采过程中，需进一步增加探水钻孔密度，做到煤层与茅口组的间距准确，层位可控，规避安全风险。