牛山煤业工作面带压开采分析及防治措施

王晋茂

（山西高平科兴牛山煤业有限公司，山西 高平048400）

煤矿安全生产主要受瓦斯、水害以及工作面支护效果等方面的影响。其中，煤矿生产的水害威胁主要可以分为三类：工作面地表含水层对煤层开采的威胁、煤层顶板强含水层的威胁以及底板带压含水层对煤层开采的威胁[1]。目前，针对前两种水害威胁的治理工作已初步成熟。而针对底板带压含水层对工作面煤层开采的威胁一般采用“深降强排”或“带压开采”两种方式，但对其底板水的防治水处理还缺乏经验。本文着重对带压开采的安全性进行分析，并对防治水工作提出相应的措施。

1 工程概况

本文以山西高平科兴牛山煤业有限公司为例开展研究，该矿共有三个可开采煤层，分别为3号、9号和15号。目前，矿井有三个井筒，分别为主斜井、副斜井和回风立井。矿井各个煤层的涌水量和对应排水量如表1所示。

表1 矿井各煤层涌水量及排水能力统计 m3/h

矿井各个煤层的地质、煤层情况具体总结如下：

1）3号煤层的平均厚度为5.71 m，煤层结构相对简单，属于稳定可开采煤层，顶板的主要成分为砂岩和砂质泥岩，底板的主要成分为砂质泥岩。

2）9号煤层的平均厚度为1.74 m，煤层顶板主要成分为中粗砂岩，底板主要成分为砂质泥岩，属于区内稳定的可采煤层。

3）15号煤层的平均厚度为4.29 m，煤层顶板的主要成分为泥岩和石灰岩，底板主要成分为泥岩，属于全区稳定可采煤层。

2 矿井带压开采安全性分析

2.1 奥灰含水层的水文地质特征分析

该组含水层由峰峰组、上马家沟组和下马家沟组石灰岩、泥质灰岩、白云岩及薄层泥灰岩等组成。井田内ZK302水文孔揭露本统厚度251.80 m，裂隙、岩溶较为发育，分别揭露峰峰组、上马家沟组及下马家沟组含水层，主要含水层位于下马家沟组中[2]。井田内部施工有1个水文孔，同时工业广场有水源井资料，具体如表2所示。

表2 奥灰孔资料统计表

3号煤层最低标高为+670 m，9号煤层最低标高为+620 m，15号煤层最低标高为+570 m，3号、9号煤层最低标高高于奥灰水水位，不存在奥灰水带压开采问题。15号煤层最低标高低于奥灰水水位，井田西部中间地带存在奥灰水带压开采问题。故本文着重针对15号煤层带压开采安全性进行分析。

2.2 15号煤层隔水层性能分析

根据带压开采区及周边施工至奥灰顶界以下钻孔的数据统计，15号煤层隔水层厚度为15.023 m（ZK202号孔）～4.24 m（牛D号孔）。结合本矿区钻孔资料综合分析，15号煤层底板岩性包括铝土泥岩、泥岩、砂质泥岩等。该组地层阻隔了其上覆与下伏含水层的水力联系，是良好的隔水层。柔性岩层占主导地位，其次为脆性岩层。无论从厚度上还是岩性上看，该岩柱均具有良好的隔水性能[3]。再结合本矿区钻孔资料综合分析，由于褶曲的存在，区内隔水岩柱的空间分布形态在厚度上一般为不均匀分布，厚度变化较大，从隔水层等厚线图可看出，15号煤层带压开采区隔水层厚度从四周往中间逐步变薄，隔水层厚度相差5.76 m。

2.3 15号煤层突水系数的计算

按《煤矿防治水细则》附录五的公式，计算井田奥灰带压开采区15号煤层底板突水系数公式如式（1）所示：

式中：T为突水系数，MPa/m；P为隔水层底板承受的水压，MPa，P=0.099～0.473 MPa；M为底板隔水岩柱厚度，m，M=4.24～15.02 m。

经计算可得：15号煤层突水系数在0.011～0.065MPa/m之间。

结合从15号煤层底板突水系数等值线图（如图1所示）可以看出突水系数从带压区周边往带压区中间由低到高呈递增趋势，其中G钻孔处突水系数较大，为0.065 MPa/m。

图1 15号煤层底板突水系数等值线

2.4 安全性分析

2.4.1 掘进工作面的安全性分析

根据《煤矿防治水细则》附录五掘进工作面底板隔水层安全水头压力值的计算公式如式（2）所示。

式中：t为安全隔水层厚度；L为巷道底板宽度，取L=7m；Kp为底板隔水层的平均抗拉强度，取Kp=1.02MPa；P为底板隔水层承受的水头压力，取P=7.26 MPa。

经计算可得：15号煤层的安全隔水层厚度为：3.11 m，而矿井带压区的最小隔水层厚度4.24 m，因此工作面掘进不会受到底板奥灰水的威胁。

2.4.2 采煤工作面的安全性分析

按《煤矿防治水细则》附录四的公式，计算井田奥灰带压开采区15号煤层采煤工作面底板隔水层安全水头值，计算公式如式（3）所示。

式中：M为底板隔水层隔水层厚度，取M=4.24～9.47m；Ts为临界突水系数，取Ts=0.1 MPa/m；Ps为底板隔水层安全水头压力，MPa。

计算结果如表3所示。

表3 采煤工作面底板隔水层安全水头值计算表

如表3所示，不同隔水岩柱厚度对应的实际水头压力值均小于安全水头值，即说明在正常情况下采煤工作面不会受到底板奥灰水的威胁。

3 工作面带压开采防治措施研究

牛山煤业具备带压开采的条件，但在实际掘进和开采过程中由于对隐伏导水构造探查不清的问题，可能存在奥灰突水的现象[4]。因此，需加强对隐伏导水构造的探查和治理，根据牛山煤业的实际生产情况，从探查、预防以及治理三方面开采带压开采的防治水工作，具体措施如下：

1）采用物探、钻探以及化探等手段实现对煤层底板岩层水文地质特征进行探查，并着重对距离带压区较近的X1、X2陷落柱进行专项探查。

2）因本矿井15号煤层开采时隐伏断层、陷落柱是奥灰突水的重要通道。因此，必须对导水断层留设防水煤柱。

3）本矿井陷落柱不太发育，15号煤层带压区没有发现陷落柱，但带压区东边有两个陷落柱距离带压区较近，为防止陷落柱突水事故，确保矿井安全生产，必要时对导水陷落柱必须留设防水煤柱[5]。

此外，还需为牛山煤业建立全套的防排水系统、突水水源快速判别系统以及水害应急措救援措施和应急预案。

4 结论

牛山煤业井田西部中部的15号煤层奥灰水带压开采区全部为安全区，且为保证实际掘进或开采的安全性，从探查、预防以及治理三个方面提出防治水措施：

1）15号煤层的安全隔水层厚度为3.11 m，而矿井带压区的最小隔水层厚度4.24 m，因此工作面掘进不会受到底板奥灰水的威胁。

2）不同隔水岩柱厚度对应的实际水头压力值均小于安全水头值，即说明在正常情况下采煤工作面不会受到底板奥灰水的威胁。

3）需对X1、X2陷落柱进行专项探查，并为导水断层和陷落柱分别设防水煤柱。