干河矿带压开采设计与安全技术研究

任海波

（山西焦煤霍州煤电干河矿，山西 霍州 031400）

0 引 言

带压开采因其危险性、突发性和破坏性而对煤矿正常的安全生产带来巨大的隐患，严重威胁着井下现场作业人的生命安全，是制约矿井实现安全高效生产的重要因素。根据干河矿地质报告，太灰水和奥灰水均具有潜在的突水威胁性，特别是断裂构造附近。因此，本文据此对干河矿带压开采进行设计，并在此基础上对其带压开采安全技术进行研究。

1 矿井基本情况

干河矿地处山西省洪洞县，采用立井开拓方式，有主、副、回风3 个立井井筒。井田范围内断层、无炭柱等构造发育，其地质构造类型、水温地质类型分别为中等、复杂类型，矿井瓦斯的绝对涌出量、相对涌出量分别为2.99 m3/min、0.53 m3/t，属低瓦斯矿井。核定产能为1.80 Mt/a，目前开采煤层为2 号煤层。表1 所示为可采煤层煤特征表。

根据干河矿地质报告，太灰水最大突水系数：1号煤层为0.077 MPa/m，2 号煤层为0.081 MPa/m。奥灰水突水系数：1 号煤层为 0.019～0.056 MPa/m，2 号煤层为0.022～0.059 MPa/m。由此可见，太原组太灰水的突水系数比较大，尽管其富水性不强，突水量预测值也不大，但由于其工作面近些年在断裂构造附近已发生数次突水情况，加之井田内断裂构造较为发育，2 个煤层最大突出系数处在临界突水系数附近。综上所述，必须针对干河矿带压情况进行开采设计并提出相应的安全技术措施。

表1 可采煤层煤特征表

2 采区开采情况

矿井现开采+80 水平一采区、二采区，准备采区为三采区。采煤工作面布置：2-118D 回采，1-203 回撤；衔接面 3 个，分别为 2-116、1-218、2-126 工作面。2 个开拓巷道掘进工作面，分别为+80 西翼变电所正掘工作面，+80 西翼变电所反掘工作面；1 个准备巷道掘进面为三采区皮带巷，5 个回采巷道掘进面分别为 2-1161 巷、2-116 切巷、1-2181 巷、1-2182 巷、2-1262 巷。

根据初步设计批复及未来5 年该矿的采掘衔接情况，矿井现正在开采井田内带压较为严重的区域进行回采，即将开采的三采区处于整个井田范围内的煤层的最高处，虽然处于带压开采威胁区，但是带压系数较小，突水危险性较低，对矿井开拓、开采影响较小。不过还是要注意对隐伏构造的探查，防治构造导水导致安全事故的发生。

本矿井煤层采用下行式开采顺序，综采工作面采用倾斜长壁后退式采煤方法。

3 工作面带压开采设计

一般来说，承压水上采煤工作面的底板破坏深度与工作面斜长呈正相关关系，而底板突水机率与隔水层厚度、含水层水压有很大关系。因此有必要从防治水的角度控制工作面斜长，以减小底板隔水层的破坏深度，降低底板突水机率，保证矿井生产安全。

计算工作面斜长的方法有很多，从减小煤层底板破坏深度的角度考虑，2 号煤工作面的斜长可采用突水系数法进行计算。

根据突水系数与底板破坏深度的计算公式：

式中：P为承压含水层水压；M为隔水层厚度；Ldp为底板导水破坏带深度；d为承压水原始导高。

随着带压开采技术的发展，对底板导水破坏深度及承压水原始导高的研究不断深入，取得了很多底板破坏深度的经验公式和经验系数。根据底板导水破坏深度和工作面斜长作两者的相关曲线图，通过回归分析，得到正常情况下工作面底板导水破坏深度的经验公式为：

将式2 带入式1，通过整理可得：

式中：TS为临界突水系数。

根据《煤矿防治水细则》，正常块段临界突水系数取0.06 MPa /m，M 取2 号煤底板隔水层平均厚度117.50 m，井田范围内奥灰对煤层底板隔水层水压平均为4.85 MPa。

根据地质资料显示，该矿隔水层由致密的泥岩、粉砂岩、砂质泥岩组成，其隔水性能较好，为此本次设计正常块段奥灰原始导高为0。将以上数据带入式2，计算求得临界工作面斜长L＝291 m。根据计算结果并结合矿井剩余储量分布情况，设备配备情况，近年来矿井实际组织生产情况等诸多因素，本次设计2 号煤工作面斜长取200～230 m。

4 矿井涌水量预测

干河矿现跳采2 号煤层，已经历3 次突水事故，其矿井下涌水量构成主要为巷道涌水量、工作面涌水量和井筒残留水量、采空区来水量。在采掘过程中对井下出水点进行观测记录，主要包括：出水点位置、水量和水质变化规律等方面。通过上述排水观测资料分析，矿井回采2 号煤层生产期间正常用涌水量1 302 m3/d （58.33 m3/h），最大涌水量 1 909 m3/d（79.5m3/h）。根据目前干河矿生产能力，从井田采掘分布及排水系统布置看，2 号煤层属全排型，排水量可视为矿井涌水量。

目前矿井涌水量，并未考虑断层或陷落柱的影响，当导水断层或陷落柱沟通了奥灰水时，矿井涌水量会突然增大。2019 年9 月，计划203 回采工作面施工挡水墙进行封闭，2020 年底一采区施工挡水墙进行封闭，这2 处挡水墙封闭完成后预计矿井涌水量会发生变化。因此必须在大巷或工作面推进至断层及陷落柱附近时应采取相应措施，坚持“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原则，防治水害发生。

5 排水系统能力情况

中央水泵房安装 5 台多级离心水泵，3 台MD280-65×8 离心水泵，2 台 MD500-57×9 离心水泵，2 台应急直排泵，工作3 台、备用检修各1 台。中央水仓设内仓（700 m3）、中仓（1 600 m3）、外仓（3 700 m3），总容量为 6 000 m3，副井井筒安装了 3 趟φ325 mm 和 2 趟φ273 mm 管路，其中 2 趟φ273mm 管路供 3 台 710 kW 水泵，2 趟φ325 mm管路供2 台 1 400 kW 水泵和 1 台 1 400 kW 应急强排泵，另1 趟φ325 mm 管路专供1 台1 400 kW 应急强排泵进行排水。采掘工作面通过水沟将涌水排水至中央水仓。

为增加矿井抗水灾能力，中央水泵房增加应急排水系统，增加地面深井潜水泵BQ550-536/14-1400/W-S（2 台），电机型号：YBQ1800/4-S，应急排水时，3趟φ325 mm 管路、2 趟φ273 mm 管路同时排水，最大排水能力可达到2 000 m3/h。2 台应急直排泵采用独立供电方式。利用已有的卧泵房6 号吸水井并进行扩巷，作为应急强排系统的潜水泵井，潜水泵在泵井内沿巷道底板水平布置。采区水仓设有内、外2 个仓，水仓总容量为3 500 m3，其中，内仓1 500 m3，外仓2 000 m3，水泵房安装4 台水泵，型号为：MD650－80×3（3 台），水泵流量为 650 m3/h，扬程为 240 m，4 台水泵交替运转，分别与377 排水管路（3 趟）连接。

中央水泵房水泵、管路及水仓能力：

工作水泵20 h 排水量：

10 916 m3＞24 h×58.33 m3/h=1 400 m3。

工作和备用水泵20 h 总排水量：

19 680 m3＞24 h×79.5 m3/h=1 908 m3。

水仓容量：6 000 m3＞8 h×58.33 m3/h=467 m3。

由此可得，水泵、管路及水仓能力均满足要求。

6 带压开采水患防治措施

6.1 水患防治措施

按照上述带压开采分析结果，针对断层、无炭柱等断裂构造造成底板导通奥灰水的水害事故隐患，确定本矿井下各煤层开采采用综合防治、带压开采方案，即：对于导水地质构造，留设防隔水煤（岩）柱；对于开采无法避开的导水通道，采用注浆封堵的方法，对导水通道进行改造；对于未进行隐伏构造以及地层含水层富水性分布探查的区域，采用物探、钻探和化探方法查明构造及富水区分布情况。

井田内共发育大小断层116 条，大部分断层均在采掘过程中揭露，根据该矿多年实际揭露断层情况及回采经验并结合矿井实际的采掘工程平面图，小于15 m 断距的断层不会导通相关含水层，对矿井开采并无突水影响，为此本次设计原则上断距在15 m 以下的断层不考虑留设防隔水煤柱，大于15 m 的断层需要根据实际情况，补充相关断层煤柱的留设。

根据矿井井田边界、煤层可采范围，对矿井开采区内有影响的构造有F14 断层、下张端断层、F1 断层。其中F14 断层在可采区域内最大的断距为40 m，断层附近最小隔水层厚度为126.02 m，未与奥灰接触；下张端断层在可采区域内最大的断距为120 m，因该断层为正断层，且可采范围正好在断层的下盘，为此断层附近最小隔水层厚度为117.6 m，未与奥灰接触；F1 断层断层在可采区域内最大的断距为90 m，断层附近最小隔水层厚度为145.28 m，未与奥灰接触，为此，本次采用经验公式对这3 个断层的煤柱留设进行计算。

式中:M为煤层厚度；p为隔水层承受的水压；Kp为煤的抗拉强度；K为安全系数，一般取5。各断层煤柱计算详见表2。

表2 2 号煤层各断层煤柱计算表

6.2 带压区内采掘布署及防治奥灰水措施

6.2.1 带压区内采掘布署

根据矿井实际采掘布置及相关设计情况、井田内煤层赋存情况，该矿采区巷道布置及工作面如下：

以井底煤仓为中心以北偏西120°的方位布置+80 西轨道巷、+80 西皮带巷、+80 西回风巷至 B3-5钻孔附近，然后转向北偏东150°布置三采区皮带巷、三采区辅助运输巷、三采区回风巷至井田2-118工作面采空区。矿井利用这2 组巷道对井田内1、2 号煤层剩余资源进行回采。

根据相关地质报告及实际揭露情况，该矿现有及规划巷道、工作面均位于带压开采威胁区，且隔水层平均为117.50 m，突水危险性较低，可以安全的进行采掘作业。

根据该矿实际采掘安排及已批复的初步设计，工作面长度均在200～230 m，小于计算的最大工作面长度291 m，工作面布置较为合理，突水危险性较小。

另外根据煤层底板等高线及矿井实际揭露的煤层赋存情况，整个井田呈现西高东低的趋势，也就是说在剩余的煤层可采范围内副立井井底为整个储量的最低位置，为此设计利用已有的副立井井底的主排水及强排水系统是合理可行的。

6.2.2 带压区巷道掘进防治奥灰水措施

1）掘进工作面掘进时必须坚持“预测预报、探掘分离、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原则。严格按照规定采取探放水措施。

2）探放水前必须编制专项探放水设计，由专业探放水队伍依据相关规程规范进行超前探放水工作。放水时严格控制放水量，严防失控。

3）采用瞬变电磁法或直流电法超前物探，探测工作面内、巷道顶底板及掘进头前方岩层内的富水区或导水构造，并根据超前物探报告成果，严格按照探放水设计进行钻探验证。

4）带压区内加强对隐伏导水构造的探查，查明其导水性，留设相应的防水煤柱。

5）巷道过断层时，要采用封闭支护或及时加强支护，严防冒顶。

6）完善工作面排水系统，保证足够排水能力。6.2.3 带压区开采防治奥灰水措施

1）运输顺槽、回风顺槽、切眼贯通后对工作面构造发育情况进行探测。

2）工作面回采前进行坑透探查工作。

3）回采工作面遇断层时应与断层垂直穿过，尽量避免与断层走向平行。

采掘过程中要时刻关注工作面情况，发现异常应立即撤离工作面，及时上报，并发出警报。待探明情况或采取有效措施后方可恢复生产。

7 结束语

在分析矿井水文地质及采区开采现状的基础上，对工作面带压开采进行设计，并预测矿井涌出量情况、验算矿井排水系统能力，最后针对断层等断裂构造提出带压开采水患防治措施，保证了矿井的安全高效生产，为该矿区同类型矿井的带压开采设计及安全技术提供了参考。