二1煤层“带压开采”安全技术措施

　　一、概况

　　昌华煤矿主要开采煤层为二叠系山西组二1煤层，煤层平均厚度约5.07米，其充水承压含水层为L7-8、L1-4和O2灰岩含水层，其中L7-8灰岩含水层为矿井直接充水含水层，L1-4和O2灰岩含水层为矿井间接充水含水层。

　　L7-8灰岩含水层：厚度1～22米，平均厚度14.5米，距二1煤底板平均为9.5米，其岩溶裂隙发育，但极不均一。据周边矿井钻孔抽水试验资料，单位涌水量为0.00131～0.01L/s·m，渗透系数为0.0262～2.4876m/d，水化学类型为HCO3-Ca·Mg水，溶解性固体为0.387～0.5g/L，受郑煤集团米村煤矿、王庄煤矿等长期疏放，静水位已降低至±0m水平左右，低于本矿开采最低标高+50m，对矿井开采已无影响。

　　L1-3灰岩含水层，厚度3.2~23.60米，平均厚度13.34米，距二1煤底板平均为53.6米，据钻孔抽水试验资料，单位涌水量0.00491～1.65L/s·m，渗透系数10.2～15.1m/d，现静止水位标高+118m。该含水层是二l煤层下伏第一个间接充水含水层，其富水性、导水性极不均一。该含水层为二1煤层的底板间接充水含水层，它与二1煤之间有太原组中、上段的存在，一般情况下对矿井的开采影响不大。

　　根据目前我矿水位观测资料： O2水位标高为+16.6米，矿开采标高为-544.40~ -109.07米，低于O2灰岩含水层水位。为保证矿井正常安全“带压开采”，制定以下安全技术措施。

　　二、二1 煤层“带压开采”可行性计算

　　根据上述水文地质条件的分析,下面主要针对L1-4灰和O2含水层进行带压开采评价

　　1、根据斯列沙列夫公式：

　　计算公式：H临=2Kpt实2/L2+rt实 (1)

　　t临=

　　(2)

　　式中：t临—临界隔水厚度(m);

　　t实—实际隔水厚度(m);

　　Kp—煤层底板隔水层抗张强度(t/m2);

　　L—巷道宽度或回采工作面最大控顶距(m);

　　H实—作用于二1煤底板的实际水压值(t/m2);

　　H临—隔水层底板的临界水压值(t/m2);

　　R—底板隔水层岩石容重(t/m3)。

　　根据以上两式计算出的临界值，与矿井实际水压值及隔水层厚度比较：

　　⑴、作用于隔水层底板的实际水压值小于H临，实际的底板隔水层厚度大于t 临，则可认为底板是稳定的，一般可正常采掘;

　　⑵、作用于隔水层底板的实际水压值小于H临，实际的底板隔水层厚度小于t 临，则可认为底板不稳定的，要保证安全生产，必须采取安全措施;

　　⑶、作用于隔水层底板的实际水压值大于H临，而实际的底板隔水层厚度也大于t 临，则可认为底板基本是稳定的，但在岩石破碎地段，要采取一定的安全措施;

　　⑷、作用于隔水层底板的实际水压值大于H临，而实际的底板隔水层厚度小于t 临，则可认为底板极不稳定的，必须采取安全措施。

　　2、突水系数计算：

　　计算公式：

　　ts= P/M (3)

　　式中：ts—突水系数(kg/cm2.m);

　　P—隔水层底板承受的水压值(kg/cm2);

　　M—底板隔水层实际厚度(m);

　　计算实际突水系数值与本矿区临界突水系数值ts临比较，若ts>ts临，则工作面回采严重受水害威胁。根据《矿井水文地质规程》和郑州矿区实际生产经验，富水区或底板受构造破坏块段临界突水系数值ts临取0.6kg/(cm2.m)，正常块段ts临取1.0kg/(cm2.m)。

　　3、根据以上公式分别计算H临、t临、ts

　　二1煤底板以下主要隔水岩性多为泥岩、砂质泥岩及砂岩，结合现有开采情况，公式中主要参数分别为：

　　t实：实际隔水层厚度为65m;

　　Kp：煤层底板隔水层抗张强度42.6t/m2;

　　L：分别为5m(巷道宽度)和15m(工作面最大控顶距);

　　H实：取544.4+16.6+65=626t/m2;(矿井开采的最低标高-544.40)

　　r：取底板隔水层岩石平均容重2.6t/m3。

　　㈠ 掘进巷道：

　　⑴ 当在二1煤层中掘进时，L取5.0m，H实取626t/m2，t实= 65m代入公式(1)、(2)分别计算得:

　　H临=14567.8t/m2>H实(626t/m2)

　　t临=13.18m

　　⑵ 当在L7-8灰岩中掘进时，L取5.0m，H实取6264t/m2，t实= 51.48m代入公式(1)、(2)分别计算得:

　　H临=9165.7t/m2>H实(626t/m2)

　　t临=13.56m

　　符合第⑴种情况，即巷道掘进是安全的。

　　㈡ 采煤工作面：

　　回采工作面最大控顶距L=15m， H实取626t/m2，t实=65m代入公式(1)、(2)分别计算得:

　　H临=1768.9t/m2>H实(626t/m2)

　　t临=37.4m

　　符合第⑴种情况，即工作面回采时是安全的。

　　㈢ 突水系数计算

　　该面开采最低标高为-544.4m，P取62.6kg/cm2 ，M=65m，Cp根据经验取15m，MI取5m，代入公式(3)计算得:

　　ts=1.39kg/cm2.m

　　根据《矿井水文地质规程》，该系数大于1.0，存在突水危险。

　　再根据公式(3)进行反算，结果如下：

　　⑴ts= 0.6kg/cm2.m时，P=27kg/cm2，根据《矿井水文地质规程》，即开采-188.4m标高以上的二1煤层，基本不受底板水的威胁。

　　⑵ts=1.0kg/cm2.m时，P=45kg/cm2，根据《矿井水文地质规程》，在-368.4～-188.4m标高之间的富水区或底板受构造破坏块段开采二1煤层时，存在底板突水危险;在-368.4～-188.4m标高之间的正常块段开采二1煤层时，受突水威胁不严重。

　　⑶ ts>1.0kg/cm2.m时，P>45kg/cm2，开采-368.4m标高以下二1煤层时，严重受水害威胁。

　　三、结论：

　　通过斯列沙列夫公式计算，承压含水层与开采煤层之间的隔水层能承受的水头值大于实际水头值。根据《煤矿安全规程》269条规定，昌华煤矿可以“带水压开采”，但必须制订安全措施。

　　根据突水系数公式计算后得知，昌华煤矿开采标高部分在-355.1以下的，属严重受水害威胁。必须制订并严格落实“带压开采”安全措施。

　　四、承压水体上开采技术方案

　　1、深降强排

　　采用疏水井巷、疏水钻孔，将含水层水位降低至开采水平以下难度大，但可以适当降低水位标高，以保证安全开采。但疏水工程量大，设备多，电耗大，投资大;若井田内有奥灰，水量大、补给充足，难以实现深降强排方案。

　　2、外截内排

　　先采用帷幕注浆，截堵补给水源。再疏干降压，将承压水水位降至开采水平以下。要求水文地质条件清楚，补给径流集中，帷幕截流工程易施工。

　　3、带压开采

　　在开采过程中利用隔水层阻力，防止底板突水。承压水水位高于开采水平，底板要有足够的强度能承受承压水的压力。带压开采方案经济，但要探明水文地质条件，进行论证，并采取安全措施。

　　4、综合治理、带压开采

　　带压开采，开采前，堵截地下水补给水源并进行疏水降压，开采期间可以对部分低阻异常区进行底板改造，增加隔水层厚度，保证正常安全开采，该方案既安全又经济。

　　五、安全技术措施

　　根据以上方案对比，综合治理、带压开采较为可行，具体措施如下：

　　1、防治水安全技术措施

　　(1)做好水文地质及构造地质工作：了解含水层、隔水层、岩溶、断层、裂隙分布、承压水赋存径流、补给水源通路等情况。地质构造方面尤其要尽量查明井田内落差大于5 米断层的水文情况，并按规定留设防水煤(岩)柱。必须揭露时，要采取预注浆封堵加固等安全技术措施。

　　(2)加强防探水工作：超前探明底板隔水层厚度、底板含水层含水性能、地下水导升高度、断层含水性能及裂隙富水程度，要查明各采掘工作面煤层与承压含水层之间的隔水层厚度变化情况，以及临界隔水层厚度变化情况，以便及时为生产提供安全保证。当局部区域煤层底板隔水层厚度小于临界隔水层厚度时应制定特殊措施或禁止开采。

　　(3)建立井上下水位水量实时监测系统，继续增加井上下水文观测孔的数量，分别形成O2和L1-4水位观测系统,设置井下水量观测站，建立水文观测制度，及时收集和整理水文观测资料，及时掌握水位水量变化情况。

　　(4)对于查明的底板较为破碎的地段以及低阻异常区，要对其进行注浆加固处理后，确保安全生产。

　　(5)严格执行"工作面在投产前必须进行物探"制度和底板注浆加固改造的有关规定，对物探出的底板富水低阻异常区，提前打钻对低阻异常富水区注浆改造加固。

　　(6)在采掘过程中，严格执行“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原则和“防、堵、疏、截、排”的防治水方针。

　　(7)井下主排水设备和各地点排水设备经常处于完好状态，特别是在雨季前要组织一次试运转，增加排水设备，提高排水能力，确保各设备能正常投入使用。

　　(8)必要时设置专门的疏水巷道和疏水钻孔，对局部块段降压疏干，降低高承压含水层水压至安全水头值以下。

　　(9)完善排水系统，保证排水线路畅通，掘进过程中，在巷道的低洼处施工泵坑，建立临时的排水阵地。

　　(10)加强井底水仓清淤工作，保证有足够的容积。加强井底排水设备的检修和管理，保证涌水及时排出。

　　(11)每年要编制年度及中长期防治水工作计划，并对上年度防治水工作进行总结，完善防治水措施。

　　2、开采安全技术措施

　　(1)选择开采：按先易后难、由浅入深、先简单后复杂的原则进行开采;对条件相同的煤层，先进行试采，总结经验，找出规律，再逐步推广应用。

　　(2)改革采区巷道布置：减少过断层，减少巷道交叉点数目，缩小巷道交叉点面积，巷道交叉点和采煤工作面上下出口要尽量避开小断层，无法避开时要对小断层进行加固。

　　(3)布置工作面时，尽量缩短工作面斜长，提高工作面推进速度，正确确定工作面推进方向，降低工作面回采时对煤层底板的破坏深度。