（貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與能源工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550023）

1 概述

貴州煤炭資源豐富，煤種較多，地質(zhì)和水文條件比較復(fù)雜，煤炭開(kāi)采受水文地質(zhì)條件的影響較大，煤礦水害事故時(shí)有發(fā)生，其中煤層底板承壓水突出是發(fā)生水害事故的原因之一[1]。礦井底板突水對(duì)于煤炭資源開(kāi)采影響較為嚴(yán)重，不僅影響礦山資源開(kāi)采，而且也造成水資源的極大浪費(fèi)[2]。底板突水發(fā)生過(guò)程具有較強(qiáng)的隱蔽性，這使得對(duì)其防范難度更大[3]。而煤層要實(shí)施帶壓開(kāi)采必須對(duì)開(kāi)采煤層的水文地質(zhì)條件、底板隔水層性能等一系列條件進(jìn)行分析，提出行之有效的底板防治水措施[4]。一般情況煤層底板具有承壓含水層，當(dāng)隔水層厚度大于臨界隔水層厚度，或水壓值小于臨界水壓值時(shí)，帶壓開(kāi)采可不采取疏降措施，但要對(duì)承壓含水層的賦存情況、富水性及可能存在的導(dǎo)水通道等情況探查清楚，對(duì)突水的危險(xiǎn)性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，才能保證安全回采。本文針對(duì)21203工作面的地質(zhì)條件，利用理論計(jì)算突水系數(shù)結(jié)合探鉆實(shí)測(cè)隔水層厚度，綜合分析研究，確定21203工作面帶壓開(kāi)采是可行的，為鑫黔煤礦提高煤炭資源開(kāi)采率和礦井安全生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

2 礦井條件

鑫黔煤礦位于黔西縣花溪鄉(xiāng)。礦區(qū)范圍內(nèi)無(wú)大的河流經(jīng)過(guò)，區(qū)內(nèi)地表水主要為溝谷季節(jié)性小溪流。礦區(qū)位于黔中斷裂北盤，黔西向斜南東區(qū)，地層產(chǎn)狀井田東部及東南部?jī)A向東南，井田北部地層傾向東偏北。該礦生產(chǎn)規(guī)模0.3 Mt/a，礦井布置一個(gè)回采工作面，二個(gè)掘進(jìn)面。礦區(qū)共有8、11、12 三個(gè)主要可采煤層，煤層結(jié)構(gòu)均趨于穩(wěn)定和較穩(wěn)定。12煤層位于龍?zhí)督M下段下部，全層厚度0.90～3.40m，平均2.13m，底板以細(xì)砂巖為主，含少量泥巖。12煤層底板的巖層中有茅口組灰?guī)r，在貴州地區(qū)茅口組灰?guī)r一般為強(qiáng)含水地層。21202工作面切眼已貫通并形成生產(chǎn)系統(tǒng)，巷道布置見(jiàn)圖1。工作面采煤方法采用分段開(kāi)采，即21202聯(lián)絡(luò)巷以下段，采用傾斜長(zhǎng)壁采煤；回采至21202聯(lián)絡(luò)巷時(shí)，將21202工作面切眼作為上段工作面運(yùn)輸巷，上段采用走向長(zhǎng)壁采煤方法，采煤工藝采用炮采工藝。

圖1 21202采煤工作面巷道布置

圖2 21202采煤工作面電法勘探推斷水患區(qū)分布

3 可行性評(píng)價(jià)分析

3.1 地質(zhì)報(bào)告

兗礦集團(tuán)東華建設(shè)有限公司地礦建設(shè)分公司2008年4月向煤礦提交了《黔西縣鑫黔煤礦勘探地質(zhì)報(bào)告》，12煤層位于龍?zhí)督M下段下部，全層厚度0.90～3.40m，平均2.13 m。地質(zhì)報(bào)告提供井田內(nèi)有6個(gè)勘探鉆孔揭露茅口灰?guī)r，揭露厚度＜10m的2個(gè)孔，10～50m的3個(gè)孔，＞50m的1個(gè)孔。6個(gè)勘探孔中，只有C1-1和C2-1 孔離采面較近，直線距離分別為50 m和70 m。C1-1孔揭露12煤層與茅口灰?guī)r間距為17m，C2-1孔揭露12煤層與茅口灰?guī)r間距為27m，兩個(gè)鉆孔揭露茅口灰?guī)r均未見(jiàn)巖溶水。礦區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高+1405m，茅口組靜止水位標(biāo)高+1427.9 m。開(kāi)采12煤層時(shí)，直接充水含水層為頂板“十二灰”、11煤層老窯水和底板茅口灰?guī)r巖溶裂隙水層。茅口灰?guī)r厚度大，為承壓水，富水性較強(qiáng)，但要求不均一。礦井水文地質(zhì)類型為頂、底板進(jìn)水的巖溶裂隙的類型，有一定的補(bǔ)給水源，補(bǔ)給條件一般，屬中等型。揭露茅口灰?guī)r的六個(gè)勘探鉆孔中僅有一個(gè)孔漏水，說(shuō)明其頂部富水性不均一。該段勘探抽水試驗(yàn)獲取水文參數(shù)：Q為0.009722 L/s，q為0.000178 L/s.m，K值為0.000504 m/d，水質(zhì)類型為HCO3-SO4-2-K+·Na+型。該層灰?guī)r在井田東北側(cè)出露，含少量承壓水。

3.2 礦井物探

貴州煤田地球物理勘探有限責(zé)任公司2018年5月提交的《黔西縣鑫黔煤礦富水區(qū)探測(cè)電法勘探報(bào)告》，共推斷中度水患區(qū)13個(gè)，輕度水患區(qū)9個(gè)。根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查及物探勘測(cè)成果，推斷該礦區(qū)的水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度為中等。21202采煤工作面大部分位于中度水患區(qū)，少部分位于輕度水患區(qū)，見(jiàn)圖2。一般情況中度水患區(qū)在安全防范措施及抽水條件具備時(shí)可開(kāi)采；輕度水患區(qū)因部分存在巖體破碎及采空區(qū)三帶發(fā)育，在開(kāi)采過(guò)程中也應(yīng)該采取相應(yīng)的防水措施。巷道掘進(jìn)和采煤過(guò)程中對(duì)電法推斷的低阻異常區(qū)和高阻異常區(qū)均應(yīng)采取相應(yīng)的防水措施。因采空區(qū)在未充填或半充填狀態(tài)下均可能表現(xiàn)為視電阻率相對(duì)高阻形態(tài)，且地質(zhì)目標(biāo)體的富水性是動(dòng)態(tài)變化的，尤其是采空區(qū)三帶區(qū)域與其垮落狀態(tài)是相關(guān)的，故其富水性也是不斷變化的。礦井在生產(chǎn)過(guò)程中亦應(yīng)對(duì)相鄰礦井的開(kāi)采情況及井下水文地質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，預(yù)防礦區(qū)及周邊采空區(qū)老窯積水，特別是雨季更隨時(shí)引起注意。

21202運(yùn)輸巷掘進(jìn)過(guò)程中，物理勘探公司對(duì)工作面開(kāi)展了探測(cè)工作，并于2019年2月提交了《黔西縣花溪鄉(xiāng)鑫黔煤礦21202運(yùn)輸巷物探報(bào)告》，探測(cè)成果見(jiàn)圖3。

圖3 21202運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面物探成果

圖3中的橫坐標(biāo)以0點(diǎn)為中心，探測(cè)點(diǎn)為間距為1m，對(duì)掘進(jìn)工作面左右及縱向100m范圍為深度進(jìn)行扇形探測(cè)，電阻值低于4以下的深藍(lán)色顯示區(qū)為低阻異常區(qū)。探測(cè)成果顯示：掘進(jìn)工作面前方100m范圍內(nèi)無(wú)明顯低阻異常區(qū)。根據(jù)物探結(jié)果分析，在21202運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面距開(kāi)口0～100 m所探測(cè)的100m范圍內(nèi)，在掘進(jìn)方向頂板向上30°方向、底板向下30°方向及正前方100m范圍內(nèi)無(wú)積水可疑區(qū)。

3.3 巷道揭露及探水鉆

煤礦在開(kāi)拓及準(zhǔn)備巷道施工過(guò)程中，曾揭露過(guò)茅口灰?guī)r：井底車場(chǎng)附近茅口灰?guī)r距12煤層底板層間距都在6 m以上，一采區(qū)外水倉(cāng)進(jìn)入茅口灰?guī)r約2m，二采區(qū)外水倉(cāng)進(jìn)入茅口灰?guī)r約3m，水倉(cāng)掘進(jìn)時(shí)未見(jiàn)巖溶，未出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。21202工作面已形成系統(tǒng)，工作面實(shí)測(cè)最低標(biāo)高為+1325.7 m。煤礦已在21202采面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷中下部往12煤層底板側(cè)各施工2個(gè)探水鉆孔，從21202切眼最低標(biāo)高處往12煤層底板側(cè)施工1個(gè)探水鉆，其中運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷施工探水鉆孔孔深平均25m，21202切眼施工探水鉆孔孔深35 m。通過(guò)巷道揭露和探孔資料分析，計(jì)算出21202工作面范圍12煤層距茅口灰?guī)r的最小間距為13 m。

綜合上述資料分析認(rèn)為，12煤層盡管距離茅口組較近，但前期在12煤層中進(jìn)行的掘進(jìn)與回采均未受到茅口組的影響；21202采面巷道已形成、二采區(qū)水倉(cāng)已揭露茅口組，均未受茅口組的影響；通過(guò)巷道揭露和地勘鉆孔以及后來(lái)實(shí)施的探水鉆孔，說(shuō)明工作面范圍的茅口灰?guī)r富水性較差。

3.4 突水系數(shù)法計(jì)算

按《煤礦防治水細(xì)則》（2018）附錄四計(jì)算突水系數(shù)，底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06MPa/m，正常塊段不大于0.1MPa/m。該礦21202采面在順槽、切眼掘進(jìn)期間未發(fā)現(xiàn)構(gòu)造破碎帶，按正常塊段突水系數(shù)一般不大于0.1MPa/m進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，計(jì)算公式：

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m；p為底板隔水層承受的水壓，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

12煤層底板以細(xì)砂巖為主，含少量泥巖，地質(zhì)報(bào)告提供礦井巖層分布較為穩(wěn)定，巖石裂隙不發(fā)育，完整性較好，含水條件差，經(jīng)過(guò)實(shí)地走訪，鄰近礦井采用該巖層作為隔水層開(kāi)采12煤層具有成功的經(jīng)驗(yàn)，因此鑫黔煤礦12煤層，底板細(xì)砂巖巖層能構(gòu)成良好的隔水層，具有較好的隔水效果。在21202采面區(qū)域施工的5個(gè)鉆孔和巷道揭露資料推算出12煤層距茅口灰?guī)r層最小間距為13m，距工作面最近的C1-1勘探孔揭露12煤層與茅口灰?guī)r間距為17m，勘探鉆孔揭露茅口灰?guī)r未見(jiàn)巖溶水涌出。鑒于工作面系統(tǒng)形成后施工的探孔在采面范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)可靠性相對(duì)較高，隔水層厚度按鉆孔和巷道揭露的13 m進(jìn)行取值計(jì)算。

以茅口組靜止水位標(biāo)高+1427.9 m計(jì)算靜水壓力。P=（1427.9-1325.5）/100=1.024MPa

則：

結(jié)合上述計(jì)算采用突水系數(shù)法進(jìn)行帶壓開(kāi)采安全評(píng)價(jià)[5]，可得出21202采面帶壓開(kāi)采是安全的。

4 帶壓開(kāi)采安全措施

礦井應(yīng)建立健全防治水各項(xiàng)制度，成立防洪搶險(xiǎn)隊(duì)伍，裝備必要的防治水搶險(xiǎn)救災(zāi)設(shè)備。應(yīng)加強(qiáng)收集掘進(jìn)過(guò)程中井巷揭露的主要出水點(diǎn)和水溫、水量、水質(zhì)等資料，并定期收集、調(diào)查和核對(duì)相鄰煤礦茅口組灰?guī)r巖溶裂縫含水層資料及茅口組對(duì)12煤層開(kāi)采影響方面的資料。企業(yè)應(yīng)建立地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)和水害預(yù)報(bào)，并制定相應(yīng)的“探、防、堵、疏、截、排、監(jiān)”綜合防治措施。在每年雨季前對(duì)礦井防治水工作進(jìn)行一次全面檢查，并儲(chǔ)備足夠的防洪搶險(xiǎn)物資。21202采面回采前，必須配備工作面水位觀察專項(xiàng)人員，進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)，在未掌握地下水的動(dòng)態(tài)規(guī)律前，每隔5～7日觀測(cè)一次；地下水動(dòng)態(tài)規(guī)律掌握清楚后，每月觀測(cè)3～5次；雨季或遇異常情況時(shí)，適當(dāng)增加觀測(cè)次數(shù)。井下和地面排水設(shè)施必須隨時(shí)保證完好、排水系統(tǒng)暢通。工作面推進(jìn)期間，應(yīng)當(dāng)采用物探方法查清工作面內(nèi)斷層、陷落柱和含水層（體）的富水性。發(fā)現(xiàn)斷層、裂隙等構(gòu)造充水的，應(yīng)當(dāng)采取注漿加固或者留設(shè)防隔水煤（巖）柱等安全措施。采面在推進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)承壓含水層水壓超過(guò)煤層開(kāi)采安全臨界水壓或有突水威脅時(shí)，建議在采空區(qū)下方的回采巷道中，采取疏水降壓的方法，把承壓含水層的水頭值降到隔水層能承受的安全水頭值以下，并制訂安全措施；當(dāng)承壓含水層不具備疏水降壓條件時(shí)，必須采取注漿加固底板，留設(shè)防水煤柱，增建抗災(zāi)強(qiáng)排能力等防水措施，必要時(shí)停止工作面回采。采面或上下巷發(fā)現(xiàn)有掛紅、掛汗、空氣變冷、出現(xiàn)霧氣、水叫、頂板淋水加大、頂板來(lái)壓、底板鼓起或產(chǎn)生裂隙出現(xiàn)滲水、水色發(fā)渾、有臭味等突出預(yù)兆時(shí)，必須停止作業(yè)，發(fā)出警報(bào)，撤出所有受水害威脅地點(diǎn)的人員，立即報(bào)告礦調(diào)度室，然后制定方案和措施進(jìn)行處理。

5 結(jié)語(yǔ)

21202工作面已形成，工作面巷道工程掘進(jìn)期間未受茅口組巖溶水的影響；采區(qū)水倉(cāng)已揭露茅口組，但水泵房及水倉(cāng)都沒(méi)有受茅口組巖溶水的影響；在21202采面區(qū)域施工的5個(gè)鉆孔揭露12煤層距茅口灰?guī)r層最小間距為8m，勘探鉆孔揭露12煤與茅口灰?guī)r層間距約16～31m，鉆孔未見(jiàn)巖溶水涌出。將茅口組頂部17～27 m段灰?guī)r視為隔水層，按《煤礦防治水細(xì)則》（2018）附錄五計(jì)算突水系數(shù)0.078＜0.1MPa/m。通過(guò)上述定性分析和定量計(jì)算結(jié)果，綜合分析論證得出下列結(jié)論和建議：

1）21203工作面通過(guò)采用物探、鉆探資料以及地勘報(bào)告分析研究得出帶壓開(kāi)采是可行的。

2）工作面推進(jìn)過(guò)程中必須嚴(yán)格執(zhí)行“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”規(guī)定，在工作面回采前進(jìn)一步分塊段完善物探工作，并編制科學(xué)可靠的物探報(bào)告，根據(jù)物探報(bào)告完善帶壓開(kāi)采的具體措施，進(jìn)一步提高帶壓開(kāi)采的安全可靠性。

3）本次可行性論證突水性系數(shù)是以茅口組靜水位標(biāo)高計(jì)算的結(jié)果，礦井應(yīng)進(jìn)一步查清采面及其周圍區(qū)域茅口組含水層水位，制定更為可靠的疏水措施。

4）工作面推進(jìn)前及回采過(guò)程中，需進(jìn)一步增加探水鉆孔密度，做到煤層與茅口組的間距準(zhǔn)確，層位可控，規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)。