張旭慶

(西山煤電集團(tuán)公司，山西 太原 030053)

1 概述

山西西山煤電股份公司馬蘭礦是我國(guó)“七五”期間建設(shè)的國(guó)有重點(diǎn)煤礦。1983年建礦，1990年投產(chǎn)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力400萬(wàn)t/年，服務(wù)年限107年。礦井現(xiàn)開(kāi)采+910 m水平，現(xiàn)生產(chǎn)8#煤層采區(qū)為南一下組煤和北三下組煤采區(qū)。

馬蘭礦井田水文地質(zhì)條件為復(fù)雜型(Ⅲ)，充水水源主要為奧灰?guī)r溶裂隙水、松撒沖積層及基巖風(fēng)化裂隙水、山西組砂巖裂隙水、太原組灰?guī)r裂隙巖溶水以及小窯采空水。其中，8#煤層受奧灰?guī)r溶水影響較大。奧灰?guī)r溶含水巖組是一組從寒武系至中奧陶系地層，對(duì)礦床具有充水危害的主要是O2f、O2s巖溶含水巖組。井田內(nèi)揭露奧灰水文勘探孔地層厚度及水壓統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1.

表1 井田揭露奧灰鉆孔地層厚度及水壓標(biāo)高統(tǒng)計(jì)表

2 8#煤層帶壓開(kāi)采現(xiàn)狀

馬蘭井田以547鉆孔O2f+O2s混合水位923.25 m為最高水位，主采8#煤層(最低標(biāo)高為+680 m)帶壓開(kāi)采面積約93.2 km2.隨礦井采掘向中部及東部轉(zhuǎn)移，以及北三采區(qū)8#煤的采掘，礦井生產(chǎn)受奧灰水的影響將越來(lái)越大，但嚴(yán)重不足的是:

1)無(wú)定量資料，即不能從水量、水位的定量關(guān)系上推斷各含水層間的聯(lián)系及分隔程度，以及峰峰組含水層的分塊性。

2)隔水層勘探程度不足，即太原組晉祠段及本溪組厚度在井田內(nèi)的變化趨勢(shì)不明，尤其鋁土巖段的厚度變化趨勢(shì)，峰峰組上部古風(fēng)化殼的裂隙充填、膠結(jié)程度。

3 帶壓開(kāi)采分析

3.1 安全隔水層厚度計(jì)算

依《煤礦防治水規(guī)定》中計(jì)算公式:

式中:

t—安全隔水層厚度，m;

r—采掘工作面底板最大寬度，m;

L—隔水層巖石的容重，t/m3;

Kp—隔水層抗張強(qiáng)度，t/m2;

H—隔水層底板承受的水頭壓力，tf/m3.

奧灰水靜水位依547孔取951.25 m，+910水平8#煤層的最低標(biāo)高是680 m，8#煤層工作面底板最大寬度為20 m，隔水層的平均容重取2.2 t/m3，隔水層抗張強(qiáng)度取20 t/m2，8#煤層底板至奧灰頂界面的隔水層平均厚度為74 m，代入公式，則8#煤層安全隔水層厚度:

由此可知，910水平8#煤層底板隔水層在不受構(gòu)造破壞及不出現(xiàn)大的異常的情況下，帶壓開(kāi)采是可行的。

3.2 8#煤層底板突水系數(shù)計(jì)算

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》有關(guān)要求，突水系數(shù)計(jì)算采用以下公式:

式中:

T—突水系數(shù)，MPa/m;

P—8#煤底板隔水層壓強(qiáng)，MPa;

M—8#煤底板底板無(wú)破碎隔水層總厚度，m.

就8#煤來(lái)講，威脅煤層開(kāi)采的底板水源主要來(lái)自?shī)W陶系巖溶水。因此，在確定水頭壓力時(shí)，采用奧陶系巖溶水的水壓標(biāo)高減去相應(yīng)的奧陶系頂面標(biāo)高值作為煤層底板承受的水壓力。

式中:

H—奧灰?guī)r溶水壓標(biāo)高，m;

h—奧灰頂面標(biāo)高，m.

底板隔水層厚度(M)是指主采煤層底板至下伏對(duì)煤層開(kāi)發(fā)有水壓力嚴(yán)重威脅的含水層頂面之間的完整隔水巖層總厚度，即:

式中:

H煤—煤層底板標(biāo)高，m;

h—奧灰頂面標(biāo)高，m.

結(jié)合式(1)中有關(guān)數(shù)據(jù)，完整隔水巖層總厚度取8#煤層底板至奧灰頂界面的隔水層平均厚度74 m，參考全國(guó)的平均系數(shù)0.06 MPa/m，經(jīng)計(jì)算，8#煤最大突水系數(shù)為:

可見(jiàn)，+910水平8#煤層帶壓開(kāi)采是可行的。

4 地質(zhì)構(gòu)造破壞區(qū)奧灰突水可能性分析

4.1 陷落柱因素

截止2013年，井田內(nèi)共發(fā)現(xiàn)陷落柱147個(gè)，其中地表出露8個(gè)，鉆孔揭露5個(gè)，井巷揭露117個(gè)。僅17個(gè)陷落柱時(shí)有淋水、滴水現(xiàn)象，最大突水量達(dá)14 m3/h，一般在2.5 ～4 m3/h，1 ～2 天即疏干，補(bǔ)給水源有限，為煤系圍巖水特征，應(yīng)是賦存的構(gòu)造水。而在南一8#下組煤18306工作面揭露S71導(dǎo)水陷落柱，突水量7～12 m3/h，水源為奧陶系巖溶水?？梢耘袛嘤袏W灰?guī)r溶水的混合補(bǔ)給。由以上事實(shí)得出，如果陷落柱發(fā)育至8#煤以下，由于陷落柱的未膠結(jié)帶、空洞帶、陷落柱冒落裂隙帶的存在，將大大減少有效隔水層厚度，增大了突水的可能性。

4.2 斷層因素

馬蘭井田內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，主要受壓扭應(yīng)力的作用，斷層面緊密，破碎帶不大，且發(fā)育有斷層泥。截止2013年7月底，馬蘭井田共揭露5 m以上斷層96條，多屬高角度正斷層。礦井內(nèi)斷層雖然較多，對(duì)井下采煤及工作面布置影響較大，但據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告井田內(nèi)落差＞20 m的斷層并不發(fā)育，落差較小的斷層一般不會(huì)造成有效隔水層厚度的大幅減小，但較大正斷層往往使煤層與奧灰水體間距縮小，增大突水的可能性。另外，根據(jù)勘探，斷層附近富水性一般較強(qiáng)，在掘進(jìn)中揭露斷層時(shí)沒(méi)有發(fā)生突水，隨著采動(dòng)而發(fā)生應(yīng)力重新分布，也可能使底板及斷層帶遭受異常的破壞，變不導(dǎo)水為導(dǎo)水。

綜上所述，帶壓開(kāi)采是可行的，但應(yīng)預(yù)防構(gòu)造破壞區(qū)發(fā)生奧灰水突水的可能性。

5 奧灰水防治措施

5.1 全面強(qiáng)化水文地質(zhì)勘查工作

1)加快水文地質(zhì)補(bǔ)勘進(jìn)度，并建立針對(duì)奧灰水的水文動(dòng)態(tài)觀測(cè)網(wǎng)，為防治奧灰水及定量分析奧灰水提供依據(jù)。

2)加強(qiáng)煤層底板隔水層的巖性組合、厚度、力學(xué)性質(zhì)的勘探及實(shí)驗(yàn)工作，為防治奧灰水提供基礎(chǔ)資料。

3)積極采用新技術(shù)、新經(jīng)驗(yàn)加強(qiáng)對(duì)充水、導(dǎo)水因素的探測(cè)研究工作，采取有效防突水措施。

5.2 防突水安全措施

1)在8#煤層回采過(guò)程中應(yīng)采用水文地質(zhì)物探方法，包括采用直流電法超前探測(cè)或井下瞬變電磁法超前探測(cè)掘進(jìn)迎頭前方富水異常區(qū)。其中瞬變電磁法對(duì)含水體更為敏感，可以用來(lái)查找探測(cè)含水層及富水區(qū)范圍，也可以進(jìn)行探查斷裂構(gòu)造及陷落柱的導(dǎo)水性情況。對(duì)探測(cè)異常區(qū)應(yīng)該按照要求建設(shè)防水設(shè)施。

因此，在近5年的時(shí)間里需要進(jìn)行的物探工程量和費(fèi)用見(jiàn)表2.

表2 礦井物探工程量及費(fèi)用表

同時(shí)要采取進(jìn)一步的鉆探方法驗(yàn)證探測(cè)情況。根據(jù)馬蘭礦2015—2019年的開(kāi)采規(guī)劃，礦井計(jì)劃總掘進(jìn)長(zhǎng)度29 659 m.近5年施工探放水鉆孔累深達(dá)到98 280 m，總施工鉆孔數(shù)為1 944個(gè)。鉆探工程量見(jiàn)表3.

表3 礦井掘進(jìn)鉆探工程量及費(fèi)用表

2)加強(qiáng)排水系統(tǒng)建設(shè)。首先應(yīng)在南五下組煤采區(qū)最低點(diǎn)施工直排水系統(tǒng)，在南五下組煤正前與南五進(jìn)風(fēng)大巷間施工110 m垂深的管道井，使南五下組煤采區(qū)涌水可以沿管道井將水通過(guò)麻家口立井直接排至地面，同時(shí)實(shí)現(xiàn)水泵遠(yuǎn)控管理，可以有效解決南五下組煤采區(qū)和未來(lái)南八下組煤采區(qū)水害事故發(fā)生時(shí)的抗災(zāi)應(yīng)急排水。具體施工工程量及設(shè)備見(jiàn)表4.

表4 南五下組煤采取排水系統(tǒng)施工工程量及設(shè)備表

北三下組煤采區(qū)為防止采區(qū)開(kāi)采過(guò)程中突發(fā)水患造成重大事故，應(yīng)在北三下組煤采區(qū)最低點(diǎn)施工盤區(qū)集中水倉(cāng)，安裝防爆潛水電泵，在水倉(cāng)合適位置處施工管道立井敷設(shè)排水管路，通過(guò)管道立井將水直接排至地面。立井地面標(biāo)高+1 275 mm，距礦地面北二35 kV變電站2 300 m.地面建一配電室放置供電及電氣控制系統(tǒng)設(shè)備。具體工程量及設(shè)備見(jiàn)表5.

3)加強(qiáng)礦井防治水工程建設(shè)。a)在南二下組煤需施工一個(gè)專門的水文觀測(cè)孔，對(duì)奧灰水水位、水壓等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。b) 在18305、18306、18308、18303 工作面回采結(jié)束后應(yīng)設(shè)計(jì)施工專門防水閘墻，進(jìn)行封閉隔離，防止采動(dòng)影響造成的奧灰水害事故。c)升級(jí)改造中央井底變電所、主斜井底通道的5道防水防火密閉門，使之成為可遠(yuǎn)控自動(dòng)關(guān)閉的電動(dòng)防水防火設(shè)施。d)升級(jí)改造礦井水文觀測(cè)系統(tǒng)，在南、北大巷及南一下組煤水溝增加3處明渠觀測(cè)站點(diǎn)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要水文孔奧灰水位以及水倉(cāng)水位的變化情況。

表5 北三下組煤采區(qū)排水系統(tǒng)施工工程量及設(shè)備表

6 結(jié)論

馬蘭礦8#煤層南五下組煤采區(qū)和北三下組煤采區(qū)帶壓開(kāi)采可行，但在斷層構(gòu)造和陷落柱影響下具有奧灰水突出的可能性。按照本質(zhì)安全型礦井建設(shè)要求，要加強(qiáng)兩個(gè)采區(qū)防治水工程的施工和建設(shè)，制定并建立完善的防治水措施，確保礦井安全生產(chǎn)。

［1］李文生.論馬蘭礦煤層開(kāi)采“三帶”發(fā)育高度研究［J］.山西焦煤科技，2007(5):4－5.

［2］張榮華.兩種突水系數(shù)計(jì)算公式的比較［J］.中國(guó)煤炭地質(zhì)，2012(7):44－47.