二1煤層“帶壓開采”安全技術(shù)措施

　　一、概況

　　昌華煤礦主要開采煤層為二疊系山西組二1煤層，煤層平均厚度約5.07米，其充水承壓含水層為L7-8、L1-4和O2灰?guī)r含水層，其中L7-8灰?guī)r含水層為礦井直接充水含水層，L1-4和O2灰?guī)r含水層為礦井間接充水含水層。

　　L7-8灰?guī)r含水層：厚度1～22米，平均厚度14.5米，距二1煤底板平均為9.5米，其巖溶裂隙發(fā)育，但極不均一。據(jù)周邊礦井鉆孔抽水試驗資料，單位涌水量為0.00131～0.01L/s·m，滲透系數(shù)為0.0262～2.4876m/d，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg水，溶解性固體為0.387～0.5g/L，受鄭煤集團米村煤礦、王莊煤礦等長期疏放，靜水位已降低至±0m水平左右，低于本礦開采最低標高+50m，對礦井開采已無影響。

　　L1-3灰?guī)r含水層，厚度3.2~23.60米，平均厚度13.34米，距二1煤底板平均為53.6米，據(jù)鉆孔抽水試驗資料，單位涌水量0.00491～1.65L/s·m，滲透系數(shù)10.2～15.1m/d，現(xiàn)靜止水位標高+118m。該含水層是二l煤層下伏第一個間接充水含水層，其富水性、導(dǎo)水性極不均一。該含水層為二1煤層的底板間接充水含水層，它與二1煤之間有太原組中、上段的存在，一般情況下對礦井的開采影響不大。

　　根據(jù)目前我礦水位觀測資料： O2水位標高為+16.6米，礦開采標高為-544.40~ -109.07米，低于O2灰?guī)r含水層水位。為保證礦井正常安全“帶壓開采”，制定以下安全技術(shù)措施。

　　二、二1 煤層“帶壓開采”可行性計算

　　根據(jù)上述水文地質(zhì)條件的分析,下面主要針對L1-4灰和O2含水層進行帶壓開采評價

　　1、根據(jù)斯列沙列夫公式：

　　計算公式：H臨=2Kpt實2/L2+rt實 (1)

　　t臨=

(2)

 

　　式中：t臨—臨界隔水厚度(m);

　　t實—實際隔水厚度(m);

　　Kp—煤層底板隔水層抗張強度(t/m2);

　　L—巷道寬度或回采工作面最大控頂距(m);

　　H實—作用于二1煤底板的實際水壓值(t/m2);

　　H臨—隔水層底板的臨界水壓值(t/m2);

　　R—底板隔水層巖石容重(t/m3)。

　　根據(jù)以上兩式計算出的臨界值，與礦井實際水壓值及隔水層厚度比較：

　?、?、作用于隔水層底板的實際水壓值小于H臨，實際的底板隔水層厚度大于t 臨，則可認為底板是穩(wěn)定的，一般可正常采掘;

　?、?、作用于隔水層底板的實際水壓值小于H臨，實際的底板隔水層厚度小于t 臨，則可認為底板不穩(wěn)定的，要保證安全生產(chǎn)，必須采取安全措施;

　　⑶、作用于隔水層底板的實際水壓值大于H臨，而實際的底板隔水層厚度也大于t 臨，則可認為底板基本是穩(wěn)定的，但在巖石破碎地段，要采取一定的安全措施;

　?、?、作用于隔水層底板的實際水壓值大于H臨，而實際的底板隔水層厚度小于t 臨，則可認為底板極不穩(wěn)定的，必須采取安全措施。

　　2、突水系數(shù)計算：

　　計算公式：

　　ts= P/M (3)

　　式中：ts—突水系數(shù)(kg/cm2.m);

　　P—隔水層底板承受的水壓值(kg/cm2);

　　M—底板隔水層實際厚度(m);

　　計算實際突水系數(shù)值與本礦區(qū)臨界突水系數(shù)值ts臨比較，若ts>ts臨，則工作面回采嚴重受水害威脅。根據(jù)《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》和鄭州礦區(qū)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，富水區(qū)或底板受構(gòu)造破壞塊段臨界突水系數(shù)值ts臨取0.6kg/(cm2.m)，正常塊段ts臨取1.0kg/(cm2.m)。

　　3、根據(jù)以上公式分別計算H臨、t臨、ts

　　二1煤底板以下主要隔水巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖及砂巖，結(jié)合現(xiàn)有開采情況，公式中主要參數(shù)分別為：

　　t實：實際隔水層厚度為65m;

　　Kp：煤層底板隔水層抗張強度42.6t/m2;

　　L：分別為5m(巷道寬度)和15m(工作面最大控頂距);

　　H實：取544.4+16.6+65=626t/m2;(礦井開采的最低標高-544.40)

　　r：取底板隔水層巖石平均容重2.6t/m3。

　?、?掘進巷道：

　?、?當在二1煤層中掘進時，L取5.0m，H實取626t/m2，t實= 65m代入公式(1)、(2)分別計算得:

　　H臨=14567.8t/m2>H實(626t/m2)

　　t臨=13.18m

　?、?當在L7-8灰?guī)r中掘進時，L取5.0m，H實取6264t/m2，t實= 51.48m代入公式(1)、(2)分別計算得:

　　H臨=9165.7t/m2>H實(626t/m2)

　　t臨=13.56m

　　符合第⑴種情況，即巷道掘進是安全的。

　?、?采煤工作面：

　　回采工作面最大控頂距L=15m， H實取626t/m2，t實=65m代入公式(1)、(2)分別計算得:

　　H臨=1768.9t/m2>H實(626t/m2)

　　t臨=37.4m

　　符合第⑴種情況，即工作面回采時是安全的。

　?、?突水系數(shù)計算

　　該面開采最低標高為-544.4m，P取62.6kg/cm2 ，M=65m，Cp根據(jù)經(jīng)驗取15m，MI取5m，代入公式(3)計算得:

　　ts=1.39kg/cm2.m

　　根據(jù)《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》，該系數(shù)大于1.0，存在突水危險。

　　再根據(jù)公式(3)進行反算，結(jié)果如下：

　?、舤s= 0.6kg/cm2.m時，P=27kg/cm2，根據(jù)《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》，即開采-188.4m標高以上的二1煤層，基本不受底板水的威脅。

　?、苩s=1.0kg/cm2.m時，P=45kg/cm2，根據(jù)《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》，在-368.4～-188.4m標高之間的富水區(qū)或底板受構(gòu)造破壞塊段開采二1煤層時，存在底板突水危險;在-368.4～-188.4m標高之間的正常塊段開采二1煤層時，受突水威脅不嚴重。

　?、?ts>1.0kg/cm2.m時，P>45kg/cm2，開采-368.4m標高以下二1煤層時，嚴重受水害威脅。

　　三、結(jié)論：

　　通過斯列沙列夫公式計算，承壓含水層與開采煤層之間的隔水層能承受的水頭值大于實際水頭值。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》269條規(guī)定，昌華煤礦可以“帶水壓開采”，但必須制訂安全措施。

　　根據(jù)突水系數(shù)公式計算后得知，昌華煤礦開采標高部分在-355.1以下的，屬嚴重受水害威脅。必須制訂并嚴格落實“帶壓開采”安全措施。

　　四、承壓水體上開采技術(shù)方案

　　1、深降強排

　　采用疏水井巷、疏水鉆孔，將含水層水位降低至開采水平以下難度大，但可以適當降低水位標高，以保證安全開采。但疏水工程量大，設(shè)備多，電耗大，投資大;若井田內(nèi)有奧灰，水量大、補給充足，難以實現(xiàn)深降強排方案。

　　2、外截內(nèi)排

　　先采用帷幕注漿，截堵補給水源。再疏干降壓，將承壓水水位降至開采水平以下。要求水文地質(zhì)條件清楚，補給徑流集中，帷幕截流工程易施工。

　　3、帶壓開采

　　在開采過程中利用隔水層阻力，防止底板突水。承壓水水位高于開采水平，底板要有足夠的強度能承受承壓水的壓力。帶壓開采方案經(jīng)濟，但要探明水文地質(zhì)條件，進行論證，并采取安全措施。

　　4、綜合治理、帶壓開采

　　帶壓開采，開采前，堵截地下水補給水源并進行疏水降壓，開采期間可以對部分低阻異常區(qū)進行底板改造，增加隔水層厚度，保證正常安全開采，該方案既安全又經(jīng)濟。

　　五、安全技術(shù)措施

　　根據(jù)以上方案對比，綜合治理、帶壓開采較為可行，具體措施如下：

　　1、防治水安全技術(shù)措施

　　(1)做好水文地質(zhì)及構(gòu)造地質(zhì)工作：了解含水層、隔水層、巖溶、斷層、裂隙分布、承壓水賦存徑流、補給水源通路等情況。地質(zhì)構(gòu)造方面尤其要盡量查明井田內(nèi)落差大于5 米斷層的水文情況，并按規(guī)定留設(shè)防水煤(巖)柱。必須揭露時，要采取預(yù)注漿封堵加固等安全技術(shù)措施。

　　(2)加強防探水工作：超前探明底板隔水層厚度、底板含水層含水性能、地下水導(dǎo)升高度、斷層含水性能及裂隙富水程度，要查明各采掘工作面煤層與承壓含水層之間的隔水層厚度變化情況，以及臨界隔水層厚度變化情況，以便及時為生產(chǎn)提供安全保證。當局部區(qū)域煤層底板隔水層厚度小于臨界隔水層厚度時應(yīng)制定特殊措施或禁止開采。

　　(3)建立井上下水位水量實時監(jiān)測系統(tǒng)，繼續(xù)增加井上下水文觀測孔的數(shù)量，分別形成O2和L1-4水位觀測系統(tǒng),設(shè)置井下水量觀測站，建立水文觀測制度，及時收集和整理水文觀測資料，及時掌握水位水量變化情況。

　　(4)對于查明的底板較為破碎的地段以及低阻異常區(qū)，要對其進行注漿加固處理后，確保安全生產(chǎn)。

　　(5)嚴格執(zhí)行"工作面在投產(chǎn)前必須進行物探"制度和底板注漿加固改造的有關(guān)規(guī)定，對物探出的底板富水低阻異常區(qū)，提前打鉆對低阻異常富水區(qū)注漿改造加固。

　　(6)在采掘過程中，嚴格執(zhí)行“預(yù)測預(yù)報，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原則和“防、堵、疏、截、排”的防治水方針。

　　(7)井下主排水設(shè)備和各地點排水設(shè)備經(jīng)常處于完好狀態(tài)，特別是在雨季前要組織一次試運轉(zhuǎn)，增加排水設(shè)備，提高排水能力，確保各設(shè)備能正常投入使用。

　　(8)必要時設(shè)置專門的疏水巷道和疏水鉆孔，對局部塊段降壓疏干，降低高承壓含水層水壓至安全水頭值以下。

　　(9)完善排水系統(tǒng)，保證排水線路暢通，掘進過程中，在巷道的低洼處施工泵坑，建立臨時的排水陣地。

　　(10)加強井底水倉清淤工作，保證有足夠的容積。加強井底排水設(shè)備的檢修和管理，保證涌水及時排出。

　　(11)每年要編制年度及中長期防治水工作計劃，并對上年度防治水工作進行總結(jié)，完善防治水措施。

　　2、開采安全技術(shù)措施

　　(1)選擇開采：按先易后難、由淺入深、先簡單后復(fù)雜的原則進行開采;對條件相同的煤層，先進行試采，總結(jié)經(jīng)驗，找出規(guī)律，再逐步推廣應(yīng)用。

　　(2)改革采區(qū)巷道布置：減少過斷層，減少巷道交叉點數(shù)目，縮小巷道交叉點面積，巷道交叉點和采煤工作面上下出口要盡量避開小斷層，無法避開時要對小斷層進行加固。

　　(3)布置工作面時，盡量縮短工作面斜長，提高工作面推進速度，正確確定工作面推進方向，降低工作面回采時對煤層底板的破壞深度。