坪上煤矿15号煤层带压开采安全性评价及治理

2022-07-09张慕宇

西部探矿工程 2022年6期

张慕宇

（晋煤集团坪上煤业有限公司，山西晋城 048203）

煤炭资源在开采过程中由于受到周边水资源的威胁，如果缺乏妥善的治理措施则会有发生矿井水害事故的可能。分析研究发现，引起矿井水灾的因素十分复杂。行业专家根据对突水机理的研究，对矿井水灾的主要致因元素进行了定量的标准表征[1]。并在煤层底板的标高低于奥灰水位的标高时，提出了带压开采的技术工艺。带压开采属于特殊开采技术，是解决煤层底板隔水层承受压的有效方法，在不降低或少降低含水层水头压力的情况下如何确保安全采煤是带压开采技术的重点。

带压开采技术同样适用于地质条件复杂、煤层赋水丰富的矿井，但在确定实施带压开采之前，需要对煤层带压开采的条件进行判断和分析。目前，我国最常见的带压开采工作面安全性评价方法包括突水系数法、脆弱性指数法和突水概率指数法等，其中应用最广泛的方法为突水系数法，即通过对煤层突水系数的计算判断[2]。

1 15号煤层概况

坪上煤矿位于山西六大煤田之一的沁水煤田南部，15号煤层底板标高仅为230m左右，远低于500m的奥灰水位标高。矿井由东南至西北奥灰含水层埋深逐渐变大，岩溶水径流条件变差。同时井田北部由于寺头断层的存在，形成岩溶水的阻水边界，因此需要进行带压开采。在此之前，笔者将对15号煤层的带压开采的难点与安全性进行重点论述。

1.1 15号煤层开采顶板充水水源

1.1.1 顶板充水水源

直接充水水源方面：15号煤层导水裂缝带发育高度达到63.7m，该位置可以沟通石炭系砂岩，因此判断顶板直接充水水源为太原组K5灰岩。当开采后，主要以释放含水层静储量为主，正常地段涌水量有限，容易控制。

间接充水水源方面：超过导水裂缝带高度的含水层是15号煤层的间接水源，该区域主要包括二叠系砂岩裂隙含水层、第四系松散层含水层及地表水。由于此含水层总体富水性差，并距15号煤层距离较远，总体影响不大，仅构造部位受采动影响时有对煤层充水的可能。

1.1.2 底板充水水源

15号煤层全区的底板标高低于奥陶系中统岩溶水水位标高，即全煤层属与带压开采矿床。虽然与15号煤层底部之间的隔水层厚度仅25m 左右，甚至在部分区域刚过10m，隔水底板承受的水压力水大，但富水性弱，补给条件差，对矿井15号煤层开采威胁有限，仅在断裂构造发育区段存在充水的可能。

1.1.3 采空区积水

坪上煤矿为新建矿井，井田内煤层埋藏深，周边并无老废矿井，并且在已开采的3号煤层也无积水存在。根据对导水裂缝带的计算分析，在15号煤层开采后，形成的导水裂缝带高度依然没有发育到3号煤底板，因此采空区积水对防治水的影响有限。

1.2 15号煤层地质条件对防治水的影响

1.2.1 断层、陷落柱

根据坪上煤矿地质资料勘察分析，井下分别揭露了17条断层与6个陷落柱。在采掘过程中，涌水量并无明显增大和突水现象，说明其为非导水断层，富水性不强。巷道掘进过程中一旦揭露导水断层或陷落柱，煤层底板奥灰水有可能通过这些导水构造进入巷道，在防治水工作中需要在断层附近作业时做好一定的防治水措施。

1.2.2 顶板导水裂缝带

经勘察，坪上煤矿15号煤层的直接顶和老顶均为石灰岩，属坚硬岩石。根据《煤矿防治水细则》中相关规定，需要进行打孔钻探，对导水裂缝带的高度进行计算。笔者结合钻孔资料来计算并分析除15煤层可采范围内垮落带与导水裂隙带发育高度及其导通情况，见表1。

如表1所示，当15号煤层开采后，垮落带高度介于12.79 ～16.58m 之间，导水裂缝带高度介于55.36～63.69m 之间。该距离大于可采煤层的相邻间距，局部深度可达K5石灰岩。因此，9号煤层的采空积水区存在经15号煤层顶板导水裂缝对煤层开采构成潜在威胁的可能。

表1 15号煤层垮落带与导水裂缝带高度计算表

1.2.3 其他地质采动影响

由于受到采动的影响，在巷道掘进过程中会连通临近含水层，当封闭止水不良时，将导致浅部孔隙水渗入井下，矿井巷道的出水点漏水，长期下去会导致巷道顶板淋水和渗水。

2 带压开采可行性的分析

根据对坪上煤矿充水水源、地质构造的分析来看，坪上煤矿虽部分区域处于带压区，但涌水量有限、大体可控，重点的治理工作在于对采动过程引起的水害治理，因此可以实施带压开采技术。

2.1 突水系数的计算

经计算，15号煤层安全隔水层厚度小于矿井实际隔水层厚度，在对15号煤层进行奥灰水防治时，决定将峰峰组上部35m作为相对隔水层，并对15号煤层各区域进行钻孔勘查，再根据勘查数据经公式（1）计算突水系数[3]：

式中：T——突水系数，MPa/m；

P——隔水层承受的水压，MPa；

M——底板隔水层的厚度，m。

1～4 号钻孔分别代表本煤层东西南北四个方向，总体上突水系数由井田西北向东南方向逐渐变小，具体计算结果如表2 所示：15 号煤层各方位的突水系数介于0.060～0.073MPa/m 之间，均小于临界突水系数0.1MPa/m。

表2 15号煤层突水系数计算结果统计表

2.2 带压开采安全性分区

根据对15号煤层水源分析和突水系数的计算可以看出，井田大部分区域富水性较弱，突水量有限，对矿井生产的安全威胁较小。但井田西北部区域存在构造较发育的情况，富水性较强，并且有通过断裂构造与下部含水层发生水力联系的可能，因此突水系数较大。井田内靠近断层、陷落柱发育的区域内，会对带压开采造成一定影响，在矿压、水压的破坏下，存在发生突水的可能在带压开采的防治过程中因对该区域进行重点的治理。

3 防治水措施

3.1 水害隐患的探测预报

通过对坪上煤矿水害特征的分析可以看出，15号煤层充水的主要途径是断裂构造导水，并且不排除底板奥灰岩溶水突水的可能。目前坪上煤矿3号煤层已经广泛开采，主体断层和构造带得到了有效控制。但由于煤层底板隐伏导水构造由于具有潜藏隐蔽性，需要依托采掘巷道对隐伏断裂和断裂富水性采取物探探查。必须指出的是，虽然峰峰组含水层富水性一般较弱、岩溶裂隙不发育，但必须要重视底板薄弱区的勘查治理，断层、陷落柱不发育地段的底板薄弱区也存在突水威胁。

3.2 井下防水煤（岩）柱留设

当对近水体进行采煤时，必须严格观测采动对水体的影响，按水体的类型、规模、赋存状况进行等级划分，并对不同等级的水体采用留设安全煤岩柱的措施进行防治水[4]。

3.3 优化工作面

带压开采设计关键的部分在于对工作面采掘的优化、开采方法的选择和参数的设定。如何尽可能减小采动的影响，对坪上煤矿的带压开采的安全十分关键。针对于此，笔者建议在井下采用对拉工作面采煤，以减小工作面的暴露面，控制采动破坏深度。为了避免工作面底板突水，实际生产中该矿采用60～80m 的对拉工作面开采，从而保证了工作面的安全生产。