带压开采煤层底板突水性分析与突水防治措施研究

徐念庭

（晋城泽祥勘探测绘有限公司，山西 晋城 048000）

近些年来，水害问题在我国的发生率越来越高，这一事故对人们的安全及社会的发展均会产生极大的危害，因此，煤矿必须给予高度重视。目前，华北地区的大部分煤矿的煤炭开采工作均进行到了石炭系下层，与奥陶系石灰岩十分接近，该煤层有着较为发育的融水，其含水层的水头压力极大。因此，在进行开采作业之时，底板极易出现突水问题。晋能控股装备制造企业在开采A煤层的时候，其操作均为带压操作，为了保证安全高效开采，企业必须对突水问题进行详细分析，明确导致其形成的原因，并进行评估。同时详细分析该问题所造成的危险性，明确突水问题对开采工作的危害[1]。

1 工程概况

晋能控股装备制造集团公司A 矿，面积30.1km2，在进行开采工作的时候，该企业主要采取斜井结合竖井的形式来进行，采取走向长壁后退式法来进行开采。该矿井之内所包含的煤层主要有两种：一是石炭系上统太原组，其中只有8-2、9、14、15 号煤层可以开采；二是二叠系下统山西组，只有3号煤层可以开采，其余所有的煤层均不可开采。下面针对3号煤层进行介绍，该煤层的厚度为3.27～7.95m。平均达到6.02m，其构造详见表1。在该煤矿中，3号煤层是其主煤层，与下部的奥陶系之中的石灰岩岩溶裂隙的含水层较为相近，是一个强富水性的含水层。在煤矿之中的各个含水层之间存在一定的隔水层，在某种程度之上可以将各个含水层之间存在的水力关联进行阻隔，具有较高的隔水效果[2]。

表1 3号煤层岩层情况表

2 底板突水影响因素分析

（1）含水层富水性。奥陶系石灰岩的富水性较强，是一个承压性较强的含水层，该煤层所具有的富水性对其是否会出现突水问题有着直接的影响，并且对突水的水量及该点是否会发生涌水有着较大的影响。

（2）隔水层。该层的作业在于阻隔水，这一功能的形成主要取决于隔水层所具有的厚度及其岩体具有的岩性，并且隔水性会伴随着厚度的增加而不断提升。

（3）含水层承压水水压。当隔水层保持一定的厚度，其突水事故的发生率会随着水压的降低而降低，只有当水头达到了一定的压力之后，突水事故才会发生[3]。

（4）地质构造。由于裂隙发育，断层及陷落柱等地质构造是一个较好的导水通道，对突水问题产生了较大的影响：

①水源对上述地质构造有着较强的浸泡崩解作用，促使岩石维持一种饱和水状态，强度减小，进而形成一种有效的突水通道。

②完成作业面的回采作业后，采空区底板会受到均匀的岩层应力，这就导致承压水会逐渐渗入到以往的闭合断层面之中，进而导致承压水不断向上升。

③由于存在地质构造，其常常会造成隔水层之内出现裂隙，可显著降低隔水层的性能。

④断层、陷落柱等一些地质结构之间相互影响，对含水层产生影响，使其持续扩大，进而对底板岩层产生严重的破坏，导致其无法保持完整性。

⑤地质构造由于作业面所进行的采动工作，而受到更深入地活化，使得底板的隔水层不断扩展，从而使底板存在较大的突水风险性。

（5）煤层开采。作业面进行的回采工作将会对上覆岩受到的应力产生影响，使其发生改变，随着底板破坏深度的持续增加，裂隙也不断发育，增加其发生突水问题的可能性。

3 底板突水评价分析

为了确保底板带压开采的安全性，需要对其突水问题进行准确预报，本文利用突水系数的计算公式来对其进行计算，公式如下：

式中:T——相对应的突水系数，MPa/m；

P——相对应的隔水层所受到的水源压力，MPa；

M——所对应的隔水层厚度，m；

CP——相应的采动对底板的扰动深度，m。

3.1 突水系数计算相关参数选取

（1）底板隔水层厚度M：

式中:H煤——煤层底板的标高，m；

h——奥灰岩层中顶面的标高，m。

（2）底板隔水层承受的水头压力P：在实际开采的过程中，太灰和奥灰两个岩层的溶水性是导致底板发生突水问题的核心因素。在确定了水头的压力之后，在奥陶系之中可以通过岩溶水的水位标高与顶面的标高进行计算，以此差值来作为底板所承受的奥灰水的压力，同时利用太灰水水位的标高与其顶面的标高进行计算，以其差值来作为底板所承受的太灰水的压力[4]。计算式子如下：

式中：H——奥灰岩的融水标高，m；

h——奥灰顶面的标高，m。

（3）底板采动破坏带深度值CP：对于采动深度的最大值可利用土力学之中的地基计算方法来进行计算，其结果如下：

式中:Dmax——底板破坏最大深度，m；

φ——内摩擦角，（°）；

a——r与r0之间存在的夹角，（°）；

r——借助a、b来分别表示相对应的原点与r0成a角部位存在的螺线半径，m；

r0——ab之间存在的长度，m；

L——支撑压力作用范围，m。

3.2 煤层底板突水分析

通过以上计算方式来获取突水系数，3号煤层突水性计算结果如表2、表3所示，其中表2为奥灰水突水系数情况表，表3为太灰水突水系数情况表。

表2 奥灰水突水系数情况表

根据表2、表3 的数据可知，该煤层奥灰水所具有突水系数的最小值为0.015MPa/m，最大值为0.027MPa/m；太灰水所具有的突水系数的最小值为0.018MPa/m，最大值为0.032MPa/m。基于相关规定，对于底板因结构问题而受到破坏的区域，其突水系数一般都小于0.06MPa/m 以下，隔水层的结构基本完整，并没有出现断裂问题，其突水系数一般小于0.01MPa，带压区所具有的突水系数一般低于0.06MPa/m，这一个区域基本是安全区。但是由于该部位存在相对发育的岩溶陷落柱，其底板必定会发生突水问题[5]。

表3 太灰水突水系统情况表

基于上述分析结果可以发现，当采动作业的破坏深度、隔水层的厚度和含水层的标高均保持一定数值的时候，这一煤层所具有的突水系数基本需要可借助岩溶水的水压来进行明确。

4 带压开采底板突水防治措施

3号煤层尽管属于一个安全区，但是依旧存在发生突水问题的可能性，并且在西北方向的岩溶陷落柱相对发育，因此，需要对隐伏陷落柱进行探测，为预留防水煤柱提供支持，同时密切观察矿井下水量的实际变化问题[6]。3 号煤层在进行带压开采的时候，需要持续加强防治水工作，因此，对其制定了以下几点措施：

（1）为了避免底板因断层因素而发生突水问题，需要详细判断其水质条件，并基于此来预先设置防水柱。

（2）通过严格控制开采作业的长度，采取小条带或者持续性的开采方式来降低开采工作中底板受破坏的深度及发生突水问题的风险性，此外，也可有效避免断层受到采动影响。

（3）煤矿需要详细调查水文地质条件，及时找出其中的问题，并进行及时处理。

（4）建立健全的动态监测系统来实时监测地下水，对水害进行及时预报。

（5）在实施开采作业的时候，通过运用超前探查的形式来对作业面前侧与底板承压水层的地质状况及构造进行确定，基于这一资料来完成作业面的安全设计。通过采取探放水钻孔，确定作业面之间是否存在底板承压含水层的倒水构造，并基于此来提高其安全性。在开展回采作业的时候，需要判断底板承压水层的地质条件，并针对一些异常区域实施钻探，以此来提升回采作业的高效性和安全性[7]。

（6）通过疏水来降低压力或者将有害含水层进行疏干，预先设置各种类型的防水煤柱，以有效阻隔有害水源，完成水口的封堵，或者增强裂隙带，并对含水层进行相应的填充，加固底板[5]。

（7）建立完善的排水系统，做好预防，加强管理，确保其人员的责任意识得到提升。在实际工作的过程中，积极采取有效的预防措施，避免回采过程发生突水问题，保证涌水量维持在安全范围。

5 结论

（1）分析导致突水事故发生的各个因素及其机制。通过计算奥灰岩和太灰岩含水层的影响之下3号煤层的突水系数，明确其是否属于稳定区，计算结果显示，该煤层属于一个稳定区，基本不会发生突水事故，同时突水系数与岩溶水压之间存在的关系为正比。

（2）制定完善的措施来预防突水问题，如设置防水煤柱子、降低作业面的长度等等，同时采取防结合探的形式来加强管理。在进行回采的过程中，可对底板突水进行较好的防治，确保矿井生产的安全高效。