許海濤吳新慶丁順華

（1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，河北省三河市，065201；2.山東能源淄博礦業(yè)集團(tuán)許廠煤礦，山東省濟(jì)寧市，272173）

許廠煤礦11603工作面帶壓開采安全性評價*

許海濤1吳新慶2丁順華2

（1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，河北省三河市，065201；2.山東能源淄博礦業(yè)集團(tuán)許廠煤礦，山東省濟(jì)寧市，272173）

針對許廠煤礦11603工作面受底板十三灰、奧灰含水層威脅問題，開展了工作面帶壓開采安全性評價。分析了帶壓開采影響因素，并對工作面防治水工程效果進(jìn)行了評價。采用突水系數(shù)法對十三灰、奧灰突水危險性進(jìn)行了預(yù)測與評價，按疏降試驗(yàn)方案，十三灰疏降至安全水頭情況下，對11603工作面安全開采影響較??；奧灰含水層突水系數(shù)小于臨界值0.1 MPa/m，但已接近臨界值，開采過程中應(yīng)加強(qiáng)奧灰含水層的監(jiān)測。

帶壓開采 疏水降壓 突水系數(shù) 安全性評價

華北型煤田中下組煤基本都位于含水豐富的奧灰?guī)r溶含水層之上，雖然二者之間存在厚度不等的隔水層，但在開采過程中仍然會受到底板水害威脅。引起煤層底板突水的因素極其復(fù)雜，通過對煤層底板突水機(jī)理研究，認(rèn)為影響煤層底板突水的基本因素可以用若干物理、力學(xué)指標(biāo)來表征。帶壓開采技術(shù)是指當(dāng)煤層底板隔水層承受較高水壓時，在不降低或少降低含水層水頭壓力的情況下確保安全采煤的技術(shù)。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性、賦水條件的多樣性和開采技術(shù)條件、排水能力的差異性，致使帶壓開采安全評價問題相對復(fù)雜。目前，帶壓開采工作面安全性評價方法主要有突水系數(shù)法、脆弱性指數(shù)法、五圖雙系數(shù)法、突水概率指數(shù)法等，但應(yīng)用最為廣泛、簡便的方法為突水系數(shù)法，且突水系數(shù)法為 《煤礦防治水規(guī)定》中主要采用的預(yù)測評價方法。

1　11603工作面概況

11603工作面為許廠煤礦下組16上煤層首采工作面，走向長度1080 m，傾斜長度53 m，煤厚平均1.1 m，傾角0°～11°，平均3°。該區(qū)域構(gòu)造類型為中等，主要表現(xiàn)為褶曲和斷層，影響工作面回采斷層15條，為工作面帶壓開采的突水危險薄弱區(qū)。工作面水文地質(zhì)條件復(fù)雜，影響回采安全的含水層主要為底板十三灰含水層和奧灰含水層。十三灰含水層富水性中等、側(cè)向補(bǔ)給條件好，為16上煤層的直接充水含水層。根據(jù)十三灰的15個鉆孔數(shù)據(jù)，十三灰水壓最大為3.61 MPa，多數(shù)鉆孔突水系數(shù)大于0.1 MPa/m，十三灰是給工作面帶壓開采造成突水威脅的主要含水層。16上煤層下距奧灰含水層50 m左右，為帶壓開采間接充水含水層。

2　帶壓開采影響因素分析

2.1十三灰含水層影響分析

十三灰含水層厚3.80～9.35 m，平均7.02 m，裂隙較發(fā)育，部分被方解石充填，局部巖芯破碎。根據(jù)11603工作面十三灰含水層疏放鉆孔及監(jiān)測鉆孔的統(tǒng)計(jì)分析，見表1，在疏降試驗(yàn)之前，14個鉆孔涌水量在2.70～129.0 m3/h之間變化，16上煤層與十三灰含水層間距等值線見圖1，水壓在1.30～3.61 MPa之間變化，突水系數(shù)為0.057～0.149 MPa/m，且其中10個鉆孔突水系數(shù)大于0.1 MPa/m。該含水層對11603工作面回采期間將造成一定突水威脅，若煤層底板裂隙發(fā)育或出現(xiàn)導(dǎo)水構(gòu)造將引發(fā)該含水層的突水，該含水層為11603工作面重點(diǎn)防治對象。

圖1　16上煤層與十三灰層間距等值線圖

表1　疏降前十三灰含水層鉆孔參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2奧灰含水層影響分析

奧灰含水層平均厚度713.20 m，巖溶裂隙發(fā)育，裂隙寬達(dá)2～5 mm，沿裂隙發(fā)展成小溶洞，一般2～5 mm，最大可達(dá)50～100 mm。井田內(nèi)奧灰一方面接受區(qū)外強(qiáng)富水區(qū)補(bǔ)給，另一方面又通過導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造向各含水層提供水源。在11603工作面回采過程中不能完全排除奧灰含水層突水的可能性，尤其是斷層等破碎薄弱帶。在工作面回采前，應(yīng)加強(qiáng)奧灰含水層的監(jiān)測與防治工作，尤其應(yīng)通過含水層疏降試驗(yàn)確定奧灰與十三灰水力聯(lián)系程度，以確保工作面回采安全。

2.3斷層含導(dǎo)水性影響分析

該區(qū)域構(gòu)造類型為中等，主要表現(xiàn)為褶曲和斷層。依據(jù)工作面軌道巷、運(yùn)輸巷施工揭露分析，影響工作面回采斷層15條。其中孫氏店支1-2斷層，落差0～20 m，11603工作面切眼距離該斷層僅有70 m左右，為避免工作面采掘擾動引起突水災(zāi)害，需要對該斷層帶進(jìn)行含導(dǎo)水性探查。其余14條斷層為巷道掘進(jìn)揭露斷層，在揭露過程中可以判斷其導(dǎo)富水性。斷層的出現(xiàn)破壞了煤層的完整性和連續(xù)性，使煤層變軟、煤質(zhì)變差，造成頂?shù)装逯ёo(hù)困難，產(chǎn)生割頂、割底現(xiàn)象，且易導(dǎo)致底板承壓水沿?cái)鄬恿严队砍鲈斐伤κ鹿剩诨夭汕皯?yīng)探明斷層的含導(dǎo)水性。

3　工作面防治水工程評價

3.1物探工程

采用礦井全方位探測儀探查11603工作面內(nèi)部煤層底板下0～20 m層段、20～40 m層段含水層中含水性異常的分布范圍及其含水性的相對強(qiáng)弱等情況，探測長度1050 m。根據(jù)探測成果，工作面內(nèi)劃分出3個富水異常區(qū)。1號異常區(qū)位于切眼以外260～330 m范圍，2號異常區(qū)位于切眼以外780～950 m范圍，3號異常區(qū)位于切眼以外1000～1050 m范圍。3個富水異常區(qū)在水平范圍內(nèi)連續(xù)性較好。1號異常區(qū)在垂深上具有一定導(dǎo)通性，2、3號異常區(qū)范圍從淺部向深部富水性有所減弱，連通性相對較弱。在回采前應(yīng)對富水異常區(qū)進(jìn)行探放水驗(yàn)證，以排除工作面回采期間異常區(qū)突水風(fēng)險。

3.2斷層導(dǎo)富水性探查

影響11603工作面回采的斷層共15條，其中較大斷層為孫氏店支1-2斷層，且靠近11603軌道巷切眼區(qū)域。根據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局 《防治水管理規(guī)定》要求，在11603軌道巷、11601軌道巷對孫氏店支1-2斷層進(jìn)行了鉆探探查，探明孫氏店支1-2斷層的位置、落差、傾角破碎帶寬度及含（導(dǎo)）水性情況。根據(jù)鉆探結(jié)果分析計(jì)算，孫氏店支1-2斷層破碎帶寬度3.7～4.0 m，斷層傾角82°，斷層落差26 m，孫氏店支1-2斷層在鉆探區(qū)域?qū)俨缓?、不?dǎo)水?dāng)鄬印?1603工作面軌道巷及運(yùn)輸巷掘進(jìn)共揭露14條斷層，根據(jù)實(shí)際揭露情況14條斷層不（含）導(dǎo)水。

3.3十三灰含水層疏水降壓試驗(yàn)

（1）疏降試驗(yàn)?zāi)康?。通過疏降試驗(yàn)對11603工作面區(qū)域的水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，主要分析十三灰疏降條件下與奧灰含水層的水力聯(lián)系程度。通過疏降試驗(yàn)查明十三灰突水系數(shù)是否能降至0.1 MPa/m以下，能否達(dá)到安全回采條件。以施工疏放水工程為基礎(chǔ)，調(diào)整疏降工程規(guī)模或增補(bǔ)其它防治水措施。

（2）疏降試驗(yàn)方法。根據(jù)疏降試驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)，疏降的層位為16上煤層底板十三灰含水層。由于其屬高承壓含水層，井下已具備足夠的排水能力和完備的測流、測壓裝置，疏降試驗(yàn)按照非穩(wěn)定流方法，采用井下放水，井上、下同步觀測的方法。利用井上、下已完成的21個十下灰、十三灰和奧灰孔所形成的水文地質(zhì)觀測網(wǎng)進(jìn)行疏降試驗(yàn)，其中奧灰觀測孔4個，十三灰孔15個，十下灰孔2個。為充分暴露水文地質(zhì)條件，又采用分階段疏降試驗(yàn)，從而達(dá)到評價11603工作面水文地質(zhì)條件的目的，并為下一步開采防治水方案確定提供依據(jù)。

（3）疏降試驗(yàn)成果。從放水試驗(yàn)資料來看，11603工作面十三灰疏降效果較好，除L13監(jiān)-6突水系數(shù)略高于0.1 MPa/m，其余各孔均降至0.1 MPa/m之下。從十三灰疏降試驗(yàn)結(jié)果看，11603工作面中部OX觀-3孔奧灰水位沒有明顯降深，基本判斷工作面內(nèi)部沒有奧灰與十三灰水力聯(lián)系密切的大的垂直導(dǎo)水通道，在十三灰疏降至安全水頭情況下，可基本保證工作面安全開采。

4　帶壓開采安全性評價

影響工作面帶壓開采含水層主要包括十三灰和奧灰，安全性評價主要針對疏降試驗(yàn)后十三灰與奧灰含水層，采用 《煤礦防治水規(guī)定》中的突水系數(shù)法進(jìn)行評價。

4.1十三灰突水系數(shù)法評價

表2為評價區(qū)十三灰在經(jīng)過疏降試驗(yàn)后鉆孔參數(shù)統(tǒng)計(jì)表，根據(jù)鉆孔相關(guān)參數(shù)，繪制了16上煤層與十三灰層間距等值線圖（圖1）、十三灰水壓等值線圖，見圖2。按照 《煤礦防治水規(guī)定》對十三灰含水層突水系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，各鉆孔突水系數(shù)值見表2，并繪制了十三灰突水系數(shù)等值線，見圖3。根據(jù)表2和圖3可以看出，在評價區(qū)內(nèi)7個鉆孔的突水系數(shù)值差別不是很大，變化范圍在0.010～0.060 MPa/m，平均為0.041 MPa/m，最大為0.060 MPa/m，最小為0.010 MPa/m，按照《煤礦防治水規(guī)定》要求，在正常地段及構(gòu)造發(fā)育地段，十三灰對工作面安全回采影響較小。

表2　疏降后十三灰含水層鉆孔參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖2　十三灰疏降后水壓等值線圖

圖3　十三灰突水系數(shù)等值線圖

4.2奧灰突水系數(shù)法評價

表3統(tǒng)計(jì)了工作面附近2個奧灰鉆孔參數(shù)，根據(jù) 《煤礦防治水規(guī)定》對奧灰突水系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，兩個鉆孔突水系數(shù)分別為0.086 MPa/m、 0.083 MPa/m，突水系數(shù)比較接近。雖然滿足在正常塊段突水系數(shù)小于臨界值0.1 MPa/m的要求，但突水系數(shù)值接近臨界條件，仍存在一定的威脅，在開采過程中應(yīng)加強(qiáng)對奧灰含水層的監(jiān)測與防治。

表3　奧灰突水系數(shù)

5　結(jié)論

以許廠煤礦下組煤首采11603帶壓開采工作面為研究對象，采用突水系數(shù)法對十三灰、奧灰突水危險性進(jìn)行了預(yù)測與評價，按疏降試驗(yàn)的疏降方案，十三灰疏降至安全水頭情況下，十三灰對11603工作面安全開采影響較小。奧灰含水層滿足在正常塊段突水系數(shù)小于臨界值0.1 MPa/m的要求，但突水系數(shù)值接近臨界條件，尤其是斷層等破碎薄弱帶，應(yīng)加強(qiáng)奧灰含水層的監(jiān)測與防治工作，以確保工作面回采安全。

［1］ 郗寶華.龐龐塔擴(kuò)區(qū)主采煤層帶壓開采安全性分析［J］.中國煤炭，2015（3）

［2］ 趙慶彪.帶壓開采防治水技術(shù)保障體系建設(shè) ［J］.中國煤炭，2010（1）

［3］ 王社平.邢臺礦區(qū)下組煤帶壓開采水害防治技術(shù)的探討［J］.中國煤炭，2006（5）

［4］ 王潤紅，郭聯(lián)宏，朱文勝等.突水系數(shù)法在華晟榮煤礦水上帶壓開采安全評價中的應(yīng)用 ［J］.煤礦安全，2012（10）

［5］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定 ［S］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2009

［6］ 武強(qiáng)，張志龍，張生元等.煤層底板突水評價的新型實(shí)用方法II——脆弱性指數(shù)法 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007（11）

［7］ 施龍青，韓進(jìn)，宋揚(yáng)等.用突水概率指數(shù)法預(yù)測采場底板突水［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（5）

Safety evaluation for mining above aquifer in No.11603 face of Xuchang Coal Mine

Xu Haitao1，Wu Xinqing2，Ding Shunhua2
（1.Safety Engineering College，North China Institute of Science and Technology，Sanhe，Hebei 065201，China；2.Xuchang Coal Mine，Shandong Energy Zibo Mining Group Co.，Ltd.，Jining，Shandong 272173，China）

The No.11603 face of Xuchang Coal Mine was threatened by the No.13 limestone and Ordovician limestone under floor，aiming at the problem，the safety evaluation for mining above aquifer was carried out.Firstly，the influence factors of mining above aquifer were analyzed，and the effect of water control projects was evaluated.Then the water inrush dangers of No.13 limestone and Ordovician limestone were predicted and evaluated by using water bursting coefficient method.According to the dewatering and depressurizing test scheme，the water level of No.13 limestone dropped to secure hydraulic head，safety mining of No.11603 face would be little influenced.The water bursting coefficient of Ordovician limestone aquifer was less than the critical value 0.1 MPa/m，but it was close to the critical value，so the monitoring of the Ordovician limestone aquifer should be strengthened during the exploitation.

mining above aquifer，dewatering and depressurizing，water bursting coefficient，safety evaluation

TD823.8

A

許海濤（1979-），男，山東菏澤人，講師，碩士，主要從事特殊開采、礦井水害防治及相關(guān)領(lǐng)域理論與技術(shù)研究工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）

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