带压开采煤层底板突水危险性评价及防治措施研究

2023-03-25常旺盛

山西化工 2023年2期

常旺盛

（山西煤炭运销集团新工煤业有限公司，山西吕梁 033200）

引言

最近几年以来，我国浅层煤炭资源开采量逐渐减少，深部开采逐渐成为我国煤炭产业发展的核心趋势，在煤炭深部开采环节，由于承压水上开采作业面的逐渐增多，特别容易引发底板突水危险，为减小带压开采煤层底板突水带来的危害，本文重点探讨带压开采煤层底板突水危险性评价和具体防治措施，内容如下。

1 背景分析

通过对带压开采煤层底板突水危险性评价及防治要点进行研究，开展模拟试验，有效分析固液耦合对煤矿回采作业带来的影响，进而对煤矿底板原始状态到裂隙生成、裂隙发育贯通，一直到导水通道全程观测，更好揭示出煤矿底板突水产生的具体原因，并采取科学的防治措施，确保承压水上部的回采更加安全[1]。

2 危险性评价和防治措施

2.1 带压开采煤层底板突水产生原因

2.1.1 含水层具有较强的富水性

一般来讲，奥陶系石灰岩属于含水较为丰富的高承压含水层，其实际富水性，主要由底板突水的实际水量大小，以及突水点能够否持续涌水作为核心条件。

2.1.2 隔水层

隔水层可以起到阻隔水的作用，阻水能力主要取决于隔水层实际厚度、隔水层岩体岩性等，若隔水层厚度大，则表明其隔水效果好。

2.1.3 含水层承压水的水压过高

在一定的隔水层厚度条件之下，如果水压比较小，出现底板突水现象的概率比较低，只有具备一定的水头压力，才能够引起突水事故[2]。

2.1.4 地质构造

在断层与陷落柱地质构造当中，因为裂隙发育速度比较快，是一种较好的导水通道，会给底板突水带来较大影响。例如，水源针对断层和陷落柱岩石，容易出现浸泡崩解现象，让岩石长时间处于饱和水的状态，其强度比较低，故容易出现有利于导升突水通道。工作面回采之后，采空区周围底板岩层应力会重新分布，使得承压水快速渗入到原来处于闭合状态的断层面之内，导致承压水快速上升。

受地质构造作用的影响，使得隔水层内部容易出现较多裂隙，对底板隔水层自身的隔水能力起到削弱作用。与此同时，断层和陷落柱等不同地质构造之间互相作用、连通，使得底板的含水层范围不断扩大，会影响底板岩层的稳定性与完整性[3]。地质构造受工作面开采的影响，越来越活化，使得煤矿底板隔水层裂隙逐渐扩展，增加底板突水现象的发生概率。

2.1.5 煤层开采带来的影响

工作面回采可能会引起底板上部覆岩层应力发生明显变化，煤矿底板扰动破坏深度逐渐增加，裂隙会快速发育，增加突水风险发生率。

2.2 危险性评价

煤矿底板突水的合理预测，是确保带压安全开采的重要基础，故有关人员需要采取突水系数计算公式，有效评价煤层存在的突水危险性，例如，在某煤层当中，有关人员结合突水系数计算公式，能够合理评价出煤层存在突水危险性，具体如式（1）如所示：

式中：T 为突水系数；P 为隔水层所承受的实际水压；M 为底板隔水层的实际厚度；Cp为煤矿开采对底板扰动深度；该公式的计算示意图，如下页图1 所示。

图1 公式计算示意图

在计算此煤层突水系数的过程当中，具体计算结果，如下页表1 所示。

表1 某煤层突水系数计算结果

2.3 防治措施

2.3.1 制定完善的防治计划

相关人员在具体工作当中，结合矿井的中长期防治水要求，同时根据矿井内部中长期采掘接替计划，总结以往工作经验，编制年度防治水计划，采取科学的防治水安全措施，经过审批达标后，进行全方面落实。

此外，相关人员还要全方面掌握该地区断层地质构造的实际分布情况，以及其具体导水性能，包括隔水层的隔水性、含水层富水性与导水性等，结合大量的水文地质调查数据，对原有的带压开采煤层底板突水防治方案进行优化，进而取得较好效果。

2.3.2 建立井上下水位监测系统

在上述工作的基础上，构建并完善井上下水位监测系统，结合具体需求，适当增加观测孔数量，对原有的水位动态监测管控机制进行完善，并安排专业人员，按时收集、整理水位观测数据，针对带压开采煤层底板突水的实际水位进行动态化监测，更好掌握水位与水量的实际变化情况。在实际采掘期间，有效落实“预测预报、先掘后探”原则，取得较好的带压开采煤层底板突水防治效果。

在掘进期间，相关人员需要特别注意以下几个问题：

第一，针对已经探明的断裂构造，需要先进行防治，然后掘进。

第二，在实际掘进期间，可以采取物探与钻探有效结合的方式，先探后掘进，通过采取物探方法开展超前探测，如果发现低阻异常区域，需要立即开展钻探验证，经过验证无任何疑问之后，才能够开展后续掘进，如果钻探验证之后发现存在断层等一系列导水构造，需要采取超前预注浆方式，采用先治后掘方法[4]。

第三，认真按照设计要求进行施工，严禁随意破坏断层煤柱与防隔水煤柱，不能擅自更改设计方位与坡度。

第四，在实际回采过程当中，针对回采作业面，需要采取直流电法物探，针对突水系数在0.06 到1 区段，显示为物探低阻异常区，构造较为发育的地段，需要进行科学的钻探验证，加强预注浆改造，符合有关要求之后，才能够进行回采工作。对于突水系数超过0.1 的区域，无论阻值高或者低，均需要对其实施底板预注浆加固改造处理。经过底板预注浆加固的区域，需要具备验证孔，确保其验证结果符合规定要求，同时，超前预注浆实际加固距离和回采切巷之间的距离不宜小于300 m。

第五，全部采掘作业面，在实际施工之前，均需要按照规定要求开展水害评价，并有效落实具体整改措施，然后开工生产。针对采掘期间发现的水害安全隐患，相关人员需要认真按照规定要求，合理划分等级，采取闭环管理模式。

2.3.3 定期检查矿井防排水系统

在日常工作当中，相关人员需要对各类排水设备和设施进行有效管理，确保排水设备与设施能够稳定运行，按照规定要求，组织水泵进行联合试运转，不断提升矿井的抗灾能力。针对既有的采掘工作面排水系统，进行全面优化，确保排水线路能够更加畅通。针对井底水仓淤泥进行有效清除，确保井底水仓具备足够容积，对于井底各类排水设备，需要加强日常的检修与管理，确保涌水可以快速排出。在排水性能允许的条件下，采取巷道排水系统，针对地板含水层实施疏水降压，可以取得较好效果。

除此之外，在矿井水平设计工作中，合理控制下山巷道揭露的最低层位，以防误揭灰岩含水层，或者破坏原有的隔水层。如果煤矿断层比较多，水量较大，工作人员可采取三维地震与直流电法等先进物探技术，合理确定出防水煤柱的具体位置，取得较好防水效果。如果巷道内部的断层比较多，可以适当减少巷道的交叉点数量，减小巷道的实际交叉点面积，通常来讲，巷道交叉点与采煤作业面的上下出口，尽可能避开小断层，若无法避开，需要对小断层进行加固处理[5]。作业面在正常生产环节，需要逐渐加快作业面的推进速度，减小作业面回采对煤层底板带来的破坏。