任海波

（山西焦煤霍州煤電干河礦，山西 霍州 031400）

0 引 言

帶壓開采因其危險性、突發(fā)性和破壞性而對煤礦正常的安全生產(chǎn)帶來巨大的隱患，嚴重威脅著井下現(xiàn)場作業(yè)人的生命安全，是制約礦井實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)的重要因素。根據(jù)干河礦地質報告，太灰水和奧灰水均具有潛在的突水威脅性，特別是斷裂構造附近。因此，本文據(jù)此對干河礦帶壓開采進行設計，并在此基礎上對其帶壓開采安全技術進行研究。

1 礦井基本情況

干河礦地處山西省洪洞縣，采用立井開拓方式，有主、副、回風3 個立井井筒。井田范圍內斷層、無炭柱等構造發(fā)育，其地質構造類型、水溫地質類型分別為中等、復雜類型，礦井瓦斯的絕對涌出量、相對涌出量分別為2.99 m3/min、0.53 m3/t，屬低瓦斯礦井。核定產(chǎn)能為1.80 Mt/a，目前開采煤層為2 號煤層。表1 所示為可采煤層煤特征表。

根據(jù)干河礦地質報告，太灰水最大突水系數(shù)：1號煤層為0.077 MPa/m，2 號煤層為0.081 MPa/m。奧灰水突水系數(shù)：1 號煤層為 0.019～0.056 MPa/m，2 號煤層為0.022～0.059 MPa/m。由此可見，太原組太灰水的突水系數(shù)比較大，盡管其富水性不強，突水量預測值也不大，但由于其工作面近些年在斷裂構造附近已發(fā)生數(shù)次突水情況，加之井田內斷裂構造較為發(fā)育，2 個煤層最大突出系數(shù)處在臨界突水系數(shù)附近。綜上所述，必須針對干河礦帶壓情況進行開采設計并提出相應的安全技術措施。

表1 可采煤層煤特征表

2 采區(qū)開采情況

礦井現(xiàn)開采+80 水平一采區(qū)、二采區(qū)，準備采區(qū)為三采區(qū)。采煤工作面布置：2-118D 回采，1-203 回撤；銜接面 3 個，分別為 2-116、1-218、2-126 工作面。2 個開拓巷道掘進工作面，分別為+80 西翼變電所正掘工作面，+80 西翼變電所反掘工作面；1 個準備巷道掘進面為三采區(qū)皮帶巷，5 個回采巷道掘進面分別為 2-1161 巷、2-116 切巷、1-2181 巷、1-2182 巷、2-1262 巷。

根據(jù)初步設計批復及未來5 年該礦的采掘銜接情況，礦井現(xiàn)正在開采井田內帶壓較為嚴重的區(qū)域進行回采，即將開采的三采區(qū)處于整個井田范圍內的煤層的最高處，雖然處于帶壓開采威脅區(qū)，但是帶壓系數(shù)較小，突水危險性較低，對礦井開拓、開采影響較小。不過還是要注意對隱伏構造的探查，防治構造導水導致安全事故的發(fā)生。

本礦井煤層采用下行式開采順序，綜采工作面采用傾斜長壁后退式采煤方法。

3 工作面帶壓開采設計

一般來說，承壓水上采煤工作面的底板破壞深度與工作面斜長呈正相關關系，而底板突水機率與隔水層厚度、含水層水壓有很大關系。因此有必要從防治水的角度控制工作面斜長，以減小底板隔水層的破壞深度，降低底板突水機率，保證礦井生產(chǎn)安全。

計算工作面斜長的方法有很多，從減小煤層底板破壞深度的角度考慮，2 號煤工作面的斜長可采用突水系數(shù)法進行計算。

根據(jù)突水系數(shù)與底板破壞深度的計算公式：

式中：P為承壓含水層水壓；M為隔水層厚度；Ldp為底板導水破壞帶深度；d為承壓水原始導高。

隨著帶壓開采技術的發(fā)展，對底板導水破壞深度及承壓水原始導高的研究不斷深入，取得了很多底板破壞深度的經(jīng)驗公式和經(jīng)驗系數(shù)。根據(jù)底板導水破壞深度和工作面斜長作兩者的相關曲線圖，通過回歸分析，得到正常情況下工作面底板導水破壞深度的經(jīng)驗公式為：

將式2 帶入式1，通過整理可得：

式中：TS為臨界突水系數(shù)。

根據(jù)《煤礦防治水細則》，正常塊段臨界突水系數(shù)取0.06 MPa /m，M 取2 號煤底板隔水層平均厚度117.50 m，井田范圍內奧灰對煤層底板隔水層水壓平均為4.85 MPa。

根據(jù)地質資料顯示，該礦隔水層由致密的泥巖、粉砂巖、砂質泥巖組成，其隔水性能較好，為此本次設計正常塊段奧灰原始導高為0。將以上數(shù)據(jù)帶入式2，計算求得臨界工作面斜長L＝291 m。根據(jù)計算結果并結合礦井剩余儲量分布情況，設備配備情況，近年來礦井實際組織生產(chǎn)情況等諸多因素，本次設計2 號煤工作面斜長取200～230 m。

4 礦井涌水量預測

干河礦現(xiàn)跳采2 號煤層，已經(jīng)歷3 次突水事故，其礦井下涌水量構成主要為巷道涌水量、工作面涌水量和井筒殘留水量、采空區(qū)來水量。在采掘過程中對井下出水點進行觀測記錄，主要包括：出水點位置、水量和水質變化規(guī)律等方面。通過上述排水觀測資料分析，礦井回采2 號煤層生產(chǎn)期間正常用涌水量1 302 m3/d （58.33 m3/h），最大涌水量 1 909 m3/d（79.5m3/h）。根據(jù)目前干河礦生產(chǎn)能力，從井田采掘分布及排水系統(tǒng)布置看，2 號煤層屬全排型，排水量可視為礦井涌水量。

目前礦井涌水量，并未考慮斷層或陷落柱的影響，當導水斷層或陷落柱溝通了奧灰水時，礦井涌水量會突然增大。2019 年9 月，計劃203 回采工作面施工擋水墻進行封閉，2020 年底一采區(qū)施工擋水墻進行封閉，這2 處擋水墻封閉完成后預計礦井涌水量會發(fā)生變化。因此必須在大巷或工作面推進至斷層及陷落柱附近時應采取相應措施，堅持“預測預報、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則，防治水害發(fā)生。

5 排水系統(tǒng)能力情況

中央水泵房安裝 5 臺多級離心水泵，3 臺MD280-65×8 離心水泵，2 臺 MD500-57×9 離心水泵，2 臺應急直排泵，工作3 臺、備用檢修各1 臺。中央水倉設內倉（700 m3）、中倉（1 600 m3）、外倉（3 700 m3），總容量為 6 000 m3，副井井筒安裝了 3 趟φ325 mm 和 2 趟φ273 mm 管路，其中 2 趟φ273mm 管路供 3 臺 710 kW 水泵，2 趟φ325 mm管路供2 臺 1 400 kW 水泵和 1 臺 1 400 kW 應急強排泵，另1 趟φ325 mm 管路專供1 臺1 400 kW 應急強排泵進行排水。采掘工作面通過水溝將涌水排水至中央水倉。

為增加礦井抗水災能力，中央水泵房增加應急排水系統(tǒng)，增加地面深井潛水泵BQ550-536/14-1400/W-S（2 臺），電機型號：YBQ1800/4-S，應急排水時，3趟φ325 mm 管路、2 趟φ273 mm 管路同時排水，最大排水能力可達到2 000 m3/h。2 臺應急直排泵采用獨立供電方式。利用已有的臥泵房6 號吸水井并進行擴巷，作為應急強排系統(tǒng)的潛水泵井，潛水泵在泵井內沿巷道底板水平布置。采區(qū)水倉設有內、外2 個倉，水倉總容量為3 500 m3，其中，內倉1 500 m3，外倉2 000 m3，水泵房安裝4 臺水泵，型號為：MD650－80×3（3 臺），水泵流量為 650 m3/h，揚程為 240 m，4 臺水泵交替運轉，分別與377 排水管路（3 趟）連接。

中央水泵房水泵、管路及水倉能力：

工作水泵20 h 排水量：

10 916 m3＞24 h×58.33 m3/h=1 400 m3。

工作和備用水泵20 h 總排水量：

19 680 m3＞24 h×79.5 m3/h=1 908 m3。

水倉容量：6 000 m3＞8 h×58.33 m3/h=467 m3。

由此可得，水泵、管路及水倉能力均滿足要求。

6 帶壓開采水患防治措施

6.1 水患防治措施

按照上述帶壓開采分析結果，針對斷層、無炭柱等斷裂構造造成底板導通奧灰水的水害事故隱患，確定本礦井下各煤層開采采用綜合防治、帶壓開采方案，即：對于導水地質構造，留設防隔水煤（巖）柱；對于開采無法避開的導水通道，采用注漿封堵的方法，對導水通道進行改造；對于未進行隱伏構造以及地層含水層富水性分布探查的區(qū)域，采用物探、鉆探和化探方法查明構造及富水區(qū)分布情況。

井田內共發(fā)育大小斷層116 條，大部分斷層均在采掘過程中揭露，根據(jù)該礦多年實際揭露斷層情況及回采經(jīng)驗并結合礦井實際的采掘工程平面圖，小于15 m 斷距的斷層不會導通相關含水層，對礦井開采并無突水影響，為此本次設計原則上斷距在15 m 以下的斷層不考慮留設防隔水煤柱，大于15 m 的斷層需要根據(jù)實際情況，補充相關斷層煤柱的留設。

根據(jù)礦井井田邊界、煤層可采范圍，對礦井開采區(qū)內有影響的構造有F14 斷層、下張端斷層、F1 斷層。其中F14 斷層在可采區(qū)域內最大的斷距為40 m，斷層附近最小隔水層厚度為126.02 m，未與奧灰接觸；下張端斷層在可采區(qū)域內最大的斷距為120 m，因該斷層為正斷層，且可采范圍正好在斷層的下盤，為此斷層附近最小隔水層厚度為117.6 m，未與奧灰接觸；F1 斷層斷層在可采區(qū)域內最大的斷距為90 m，斷層附近最小隔水層厚度為145.28 m，未與奧灰接觸，為此，本次采用經(jīng)驗公式對這3 個斷層的煤柱留設進行計算。

式中:M為煤層厚度；p為隔水層承受的水壓；Kp為煤的抗拉強度；K為安全系數(shù)，一般取5。各斷層煤柱計算詳見表2。

表2 2 號煤層各斷層煤柱計算表

6.2 帶壓區(qū)內采掘布署及防治奧灰水措施

6.2.1 帶壓區(qū)內采掘布署

根據(jù)礦井實際采掘布置及相關設計情況、井田內煤層賦存情況，該礦采區(qū)巷道布置及工作面如下：

以井底煤倉為中心以北偏西120°的方位布置+80 西軌道巷、+80 西皮帶巷、+80 西回風巷至 B3-5鉆孔附近，然后轉向北偏東150°布置三采區(qū)皮帶巷、三采區(qū)輔助運輸巷、三采區(qū)回風巷至井田2-118工作面采空區(qū)。礦井利用這2 組巷道對井田內1、2 號煤層剩余資源進行回采。

根據(jù)相關地質報告及實際揭露情況，該礦現(xiàn)有及規(guī)劃巷道、工作面均位于帶壓開采威脅區(qū)，且隔水層平均為117.50 m，突水危險性較低，可以安全的進行采掘作業(yè)。

根據(jù)該礦實際采掘安排及已批復的初步設計，工作面長度均在200～230 m，小于計算的最大工作面長度291 m，工作面布置較為合理，突水危險性較小。

另外根據(jù)煤層底板等高線及礦井實際揭露的煤層賦存情況，整個井田呈現(xiàn)西高東低的趨勢，也就是說在剩余的煤層可采范圍內副立井井底為整個儲量的最低位置，為此設計利用已有的副立井井底的主排水及強排水系統(tǒng)是合理可行的。

6.2.2 帶壓區(qū)巷道掘進防治奧灰水措施

1）掘進工作面掘進時必須堅持“預測預報、探掘分離、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則。嚴格按照規(guī)定采取探放水措施。

2）探放水前必須編制專項探放水設計，由專業(yè)探放水隊伍依據(jù)相關規(guī)程規(guī)范進行超前探放水工作。放水時嚴格控制放水量，嚴防失控。

3）采用瞬變電磁法或直流電法超前物探，探測工作面內、巷道頂?shù)装寮熬蜻M頭前方巖層內的富水區(qū)或導水構造，并根據(jù)超前物探報告成果，嚴格按照探放水設計進行鉆探驗證。

4）帶壓區(qū)內加強對隱伏導水構造的探查，查明其導水性，留設相應的防水煤柱。

5）巷道過斷層時，要采用封閉支護或及時加強支護，嚴防冒頂。

6）完善工作面排水系統(tǒng)，保證足夠排水能力。6.2.3 帶壓區(qū)開采防治奧灰水措施

1）運輸順槽、回風順槽、切眼貫通后對工作面構造發(fā)育情況進行探測。

2）工作面回采前進行坑透探查工作。

3）回采工作面遇斷層時應與斷層垂直穿過，盡量避免與斷層走向平行。

采掘過程中要時刻關注工作面情況，發(fā)現(xiàn)異常應立即撤離工作面，及時上報，并發(fā)出警報。待探明情況或采取有效措施后方可恢復生產(chǎn)。

7 結束語

在分析礦井水文地質及采區(qū)開采現(xiàn)狀的基礎上，對工作面帶壓開采進行設計，并預測礦井涌出量情況、驗算礦井排水系統(tǒng)能力，最后針對斷層等斷裂構造提出帶壓開采水患防治措施，保證了礦井的安全高效生產(chǎn)，為該礦區(qū)同類型礦井的帶壓開采設計及安全技術提供了參考。