潘西煤矿19煤开采徐奥灰水害综合防治方案

赵鹏

(新汶矿业集团公司，山东新泰271233)

   潘西煤矿位于莱芜市境内，2006年核定生产能力为0．95Mt／a。主采煤层19层煤全部受底板高承压奥灰水的威胁，自1985年以来，19层煤先后发生中等以上底板突水22次，突水量从162 m³／h至1020 m³／h，随着开采水平的加深，突水频率增大，突水量也迅速增加。

1  徐、奥灰水文地质特征

    19煤下距徐灰9．50～30．Om，平均19．05m；距奥灰41．2～78．6m，平均60．16m ，现矿井开采水平已达-740m，开采深度近千米，19煤开采受徐灰、奥灰承压水严重威胁。19煤底板主要由粘土岩、石灰岩和砂岩等组成。虽然隔水性能良好，但由于开采深度大，徐奥灰水压大，隔水层隔水能力难以抵抗徐奥灰水压，存在严重底板突水威胁。

1．1   徐灰水文地质特征

    井田徐灰厚1．82～17．10m，平均8．17m，质较纯，岩溶裂隙不甚发育，随埋藏深度的增加，富水性减弱。草灰厚2.13～12.58m，平均6．89m，质不纯，岩溶裂隙不甚发育。二者相距0．23～lO．84m，平均6．32m，间夹20煤(厚O～O．28m)。由于徐灰、草灰间距较小，可视为一综合含水层，平均总厚度15．06too徐灰上距19煤9．50～30．Om，平均19．05m；草灰下距奥灰10．85～24．50n1，平均16．6m 。露头位于工业广场以东，接受大气降水补给。原始静水位标高+217～+225m，现动水位标高约-200m。

1．2   奥灰水文地质特征

    奥灰厚800m左右，以质纯石灰岩为主，间夹数层白云质及泥质灰岩，露头位于东泉庄至小里辛庄以南，出露面积约15km²。奥灰除接受大气降水补给外，在东泉庄至里辛庄一带被第四系砂砾层所覆盖，接受大汶河第四系潜水补给，补给条件较好，原始静水位标高+206m。，水力坡度0．93～1．61％，水位年度变化幅度一般9～20m．现矿井奥灰疏水漏斗动水位标高-120～-250m。

1．3   边界条件分析

    潘西煤矿位于山前平原区水文地质单元，矿井西南部为颜庄断层(F2)，西部为付家村断层与秦家洼断层，北部为梁坡断层，东南为F6断层，矿井属于断层交切的构造断块，总体为一地垒构造。

    井田内奥灰含水层属半封闭型有限补给边界块段，矿井总体上属于一个相对比较独立、封闭的水文地质单元，井田东南部F2断层与北部梁坡断层都具有良好的阻水性质，西南部颜家断层存在两处导水通道，西部的付家村断层和秦家洼断层在断层交汇处为导水通道。井田内部的奥灰含水层在上述几处通道将接受边界外奥灰或煤系上覆地层中含水层水的补给，但矿井涌水资料表明，其补给量有限。总体上，井田处于一个相对独立、封闭的块段，井田内奥灰含水层接受外界补给的水量不大。

2  徐奥灰水害防治技术可行性分析

2．1  底板注浆改造技术可行性分析

  潘西煤矿19煤距奥灰含水层60m，岩性主要为泥岩、粉砂岩、粘土岩和石灰岩。中夹徐、草灰，徐草灰总厚度在15m左右，其间为6m左右粘土岩。因此，潘西煤矿19煤底板具备“中间层”。但根据勘探钻孔及井下钻孔揭露资料，该灰岩在300m以下岩溶裂隙不发育，在后四采区，井下已经施工探放水钻孔40余个，未发现有较明显的岩溶，裂隙发育程度较差；钻孔涌水量小，一般在10m3／h以下；与奥灰水位差别较大，一般在数百米，表明徐灰本身富水性较差，在正常地段，徐奥灰水力联系不强。因此，改造徐灰意义不大。

2．2   疏水降压开采可行性分析

    矿井水文地质条件分析表明，井田内奥灰含水层为一半封闭型有限补给边界块段。南部徐草灰和奥灰露头是各含水层的补给边界；东部F6断层浅部虽有一定的导水性，但物探资料表明，深部无明显的补给通道，属弱透水．隔水边界；北部梁坡断层与对盘前震旦系片麻岩接触，应属隔水边界；西部F2断层落差与对盘J3红砂岩接触，也属相对隔水边界，但在井田西部局部地段存在补给通道，属局部导水边界。因此，这类补给边界条件奥灰水补给量较小，具备一定的疏水降压的条件。

    矿井-200m以深开采时，由于水压值已超过安全水压3．6MPa，大部分工作面均发生过底鼓突水，至今已开采至-740m，共有13个工作面发生了突水。工作面突水和钻孔疏放水，使奥灰水位大幅度下降。从矿井涌水量与87—1水位变化(表1)可以明显看出两者之间具有正相关关系。说明奥灰水是可以疏降的。

表1  矿井涌水量和87一l水位变化简表

   随着矿井开采深度的增加，矿井涌水量会急剧增大，疏水降压的难度也会越来越大，存在矿井现有排水系统能力限制、在目前深度下疏水降压能否凑效、是否经济等问题。

2．3  疏降开采最低水平的确定

   以潘西矿为例：通过对矿井涌水量和87—1奥灰观测钻孔水位下降曲线的对比分析，获得了奥灰在不同水位降深情况下的补给量。奥灰水位变化与矿井水补给量之间存在如下关系：

式中：—矿井稳定涌水量(m3／h)；

      —87-1钻孔水位降。

    根据以上关系，可以获得不同水位降深条件下的矿井稳定涌水量(表2)。

表2  不同水位降深条件下的矿井稳定涌水量

   据上式推算，在开采水平为-740m时，矿井稳定涌水量约25m³／min；开采水平-800m，稳定涌水量约28m³／min；开采水平-850m，稳定涌水量约31．3m³／min；开采水平-900m，稳定涌水量约35m³／min；开采水平-1000m，稳定涌水量约43m³／minc，目前-740m水平最大排水能力为52m³／min，考虑其他水平正常涌水量为5m³／mln，按矿井最大涌水量为正常涌水量的1．28倍(根据地质报告)计算，则在现有排水系统条件下，采用疏水降压方式允许开采的最深水平应为-900m。

2．4  -900m以深开采方案

    在不增大矿井排水能力的情况下，-900m以下不宜再进行疏水降压开采，借鉴相邻矿区开采经验，-900m以下可以采取条带开采。

3  综合防治水方案

3．1   水害防治总体思路

    对徐奥灰水害，在未查边界水文地质条件前，以“防水”为主，增大排水能力，工作面采取大流量疏水降压和带压开采的措施，防止淹面或淹井事故发生。在“防水”同时，对边界条件进行探查，查明过水通道，并结合放水试验或连通试验，查清矿井主径流带的位置。采取“外堵内降”的方式，减少补给量，降低工作面水压，达到减少突水规模和矿井涌水量的目的。

3．2   继续完善矿井水文地质观测系统

    目前，井田范围内保留下来可用于观测的奥灰孔有4个，分布在一、二、五、七采区。已经基本形成了一套较为完整的观测系统。但接续的六采区观测孔尚未完成。已经计划在六采区-740m水平西大巷施工l～2个奥灰和徐灰水文观测孔，六采区西部的地面水文观测孔也在施工中。届时将在井田范围内形成一套完整的水文地质观测网，对奥灰水动态进行实时观测。

3．3   疏水降压开采

    -900m以上仍可继续采用疏水降压开采的方法，因潘西矿边界补给量有限，可在-740m水平施工一条集中疏水巷，通过施工疏水钻孔或将巷道直接施工在奥灰含水层中，尽可能将奥灰水向深部的补给量从-740m水平疏出，以减小深部水平的排水负担和钻探工程量。在开采-900m水平以下时，需要进行安全与经济效益的充分论证，可采取条带式开采，以避免突水。

3．4  条带开采

    将矿井以往传统的大面长壁采煤方法改变为短面条带式开采。通过缩短面长和留设煤柱来减小矿压作用的强度和规模，相应地减小顶板来压对煤层底板隔水岩层的破坏深度及诱发断层重新活动的机会，达到控制底板突水的目的。

3．4．1  开采宽度的确定

    按理论公式进行计算，确定合理的采宽。

    (1)工作面底板破坏深度的计算

    按《三下采煤规程》，有

式中：一采场底板破坏深度，m；

    一采深，m；

    一岩层倾角，度；

    一工作面斜长，m。

    根据此公式，计算一般情况下不同工作面斜长情况下的底板破坏深度。已知工作面的参数如下：

    将以上参数代人上式，得不同采深、不同工作面斜

长情况下的底板破坏深度，如表3所示。

表3  不同采深、不同工作面斜长采场底板破坏深度

   由此可见，在相同采深条件下，工作面斜长越大，底板破坏深度越大；在同样工作面尺寸条件下，采深越大，底板破坏深度也越大。

    (2)安全隔水层厚度计算

    采用斯沙廖夫公式计算，即

式中：—安全隔水层厚度，m；

    —条带采宽，m；

    —隔水层岩石容重，t／m³；

    一隔水层岩石的抗张强度,t/m²；

    一隔水层底板承受的水头压力，tf／m²。

    式中各项参数采用以下数据：

    =20，30，40，50，60(m)

    =2．5

    =4．5

    =55，65，75(采深1000，1100，1200)

   由此可计算出不同开采宽度，不同水压条件下所需安全隔水层厚度(表4)。

表4  安全隔水层厚度计算表

   (3)开采宽度的确定

   开采宽度取决于隔水层真实厚度(M)，安全隔水层厚度(t)和底板破坏深度(z)。在正常情况下，只要有：M≥f+z则可以认为开采是安全的。

    但考虑到煤层底板为损伤岩体，可增加一个系数值，据研究，损伤系数可取K=0．7；则上式变为：

    M≥(t+Z)／K

    按19层煤～奥灰间距为60m考虑，根据表3和表4，可以确定不同采深条件下的开采宽度，见表5。

表5  不同采深条件下安全开采宽度

3．4．2煤柱留设宽度的确定

  煤柱留设宽度，应考虑如何设计在开采新工作面(开采条带)时，避开上一个工作面(开采条带)的矿山压力影响。根据矿山压力理论，矿山压力影响范围与煤厚、开采深度的关系如图l所示。

图1  支承压力分布范围曲线

    由上图可求得不同采深条件下工作面采场应力分布范围。

    煤层采厚h=3m，采深1000—1200rnc，首先求非弹性区X₀距离：

    X₀=(2～3)h

    式中，h一实际开采厚度，取1．5m，则：

    X₀=3×3=9m

    根据图l，可求出支承压力分布范围X₂。取采深1000～1200m，采厚3．0m，计算在内，可得到不同采深条件下支承压力分布范围(宽度)约为90me，

    根据相关研究，自煤壁向内的弹性区，支承压力分布范围内三分之二的支承压力分布在三分之一的弹性区内，因此，取支承压力分布范围的三分之一作为煤柱留设宽度；同时考虑到煤柱两侧均为采空区情况，非弹性区在煤柱两侧都有分布，因此煤柱的留设宽度可按下式确定：

    X= X₂+ 2X₀

    据上式可得采深在1000～1200m条件下煤柱的留设宽度，约为48mo不同采深条件下的采留比见表6。

表6  不同采深条件下安全开采宽度

4  结语

   随着矿井开采深度的增加，许多煤矿都面临着大采深、高承压水上开采问题。针对不同的水文地质条件，制定针对性的防治水方案，对于解放受水威胁储量，保证矿井安全开采和正常接续具有非常重要的意义。

作者简介：赵鹏(1973一)，男，山东泰安人，高级工程师，1994年毕业于中国矿业大学煤田地质系，现从事矿井防治水技术管理工作。