一、概況

昌華煤礦主要開(kāi)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L(zhǎng)7-8、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(yàn)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(tuán)米村煤礦、王莊煤礦等長(zhǎng)期疏放，靜水位已降低至±0m水平左右，低于本礦開(kāi)采最低標(biāo)高+50m，對(duì)礦井開(kāi)采已無(wú)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(yàn)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(biāo)高+118m。該含水層是二l煤層下伏第一個(gè)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(duì)礦井的開(kāi)采影響不大。

根據(jù)目前我礦水位觀測(cè)資料： O2水位標(biāo)高為+16.6米，礦開(kāi)采標(biāo)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(kāi)采”，制定以下安全技術(shù)措施。

二、二1 煤層“帶壓開(kāi)采”可行性計(jì)算

根據(jù)上述水文地質(zhì)條件的分析,下面主要針對(duì)L1-4灰和O2含水層進(jìn)行帶壓開(kāi)采評(píng)價(jià)

1、根據(jù)斯列沙列夫公式：

計(jì)算公式：H臨=2Kpt實(shí)2/L2+rt實(shí) (1)

t臨=

(2)

式中：t臨—臨界隔水厚度(m);

t實(shí)—實(shí)際隔水厚度(m);

Kp—煤層底板隔水層抗張強(qiáng)度(t/m2);

L—巷道寬度或回采工作面最大控頂距(m);

H實(shí)—作用于二1煤底板的實(shí)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(jì)算出的臨界值，與礦井實(shí)際水壓值及隔水層厚度比較：

⑴、作用于隔水層底板的實(shí)際水壓值小于H臨，實(shí)際的底板隔水層厚度大于t 臨，則可認(rèn)為底板是穩(wěn)定的，一般可正常采掘;

⑵、作用于隔水層底板的實(shí)際水壓值小于H臨，實(shí)際的底板隔水層厚度小于t 臨，則可認(rèn)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(shí)際水壓值大于H臨，而實(shí)際的底板隔水層厚度也大于t 臨，則可認(rèn)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;

⑷、作用于隔水層底板的實(shí)際水壓值大于H臨，而實(shí)際的底板隔水層厚度小于t 臨，則可認(rèn)為底板極不穩(wěn)定的，必須采取安全措施。

2、突水系數(shù)計(jì)算：

計(jì)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(shí)際厚度(m);

計(jì)算實(shí)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(yán)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(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，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(jì)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(kāi)采情況，公式中主要參數(shù)分別為：

t實(shí)：實(shí)際隔水層厚度為65m;

Kp：煤層底板隔水層抗張強(qiáng)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(shí)：取544.4+16.6+65=626t/m2;(礦井開(kāi)采的最低標(biāo)高-544.40)

r：取底板隔水層巖石平均容重2.6t/m3。

㈠ 掘進(jìn)巷道：

⑴ 當(dāng)在二1煤層中掘進(jìn)時(shí)，L取5.0m，H實(shí)取626t/m2，t實(shí)= 65m代入公式(1)、(2)分別計(jì)算得:

H臨=14567.8t/m2>H實(shí)(626t/m2)

t臨=13.18m

⑵ 當(dāng)在L7-8灰?guī)r中掘進(jìn)時(shí)，L取5.0m，H實(shí)取6264t/m2，t實(shí)= 51.48m代入公式(1)、(2)分別計(jì)算得:

H臨=9165.7t/m2>H實(shí)(626t/m2)

t臨=13.56m

符合第⑴種情況，即巷道掘進(jìn)是安全的。

㈡ 采煤工作面：

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

H臨=1768.9t/m2>H實(shí)(626t/m2)

t臨=37.4m

符合第⑴種情況，即工作面回采時(shí)是安全的。

㈢ 突水系數(shù)計(jì)算

該面開(kāi)采最低標(biāo)高為-544.4m，P取62.6kg/cm2 ，M=65m，Cp根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取15m，MI取5m，代入公式(3)計(jì)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(xiǎn)。

再根據(jù)公式(3)進(jìn)行反算，結(jié)果如下：

⑴ts= 0.6kg/cm2.m時(shí)，P=27kg/cm2，根據(jù)《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》，即開(kāi)采-188.4m標(biāo)高以上的二1煤層，基本不受底板水的威脅。

⑵ts=1.0kg/cm2.m時(shí)，P=45kg/cm2，根據(jù)《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》，在-368.4～-188.4m標(biāo)高之間的富水區(qū)或底板受構(gòu)造破壞塊段開(kāi)采二1煤層時(shí)，存在底板突水危險(xiǎn);在-368.4～-188.4m標(biāo)高之間的正常塊段開(kāi)采二1煤層時(shí)，受突水威脅不嚴(yán)重。

⑶ ts>1.0kg/cm2.m時(shí)，P>45kg/cm2，開(kāi)采-368.4m標(biāo)高以下二1煤層時(shí)，嚴(yán)重受水害威脅。

三、結(jié)論：

通過(guò)斯列沙列夫公式計(jì)算，承壓含水層與開(kāi)采煤層之間的隔水層能承受的水頭值大于實(shí)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(kāi)采”，但必須制訂安全措施。

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

四、承壓水體上開(kāi)采技術(shù)方案

1、深降強(qiáng)排

采用疏水井巷、疏水鉆孔，將含水層水位降低至開(kāi)采水平以下難度大，但可以適當(dāng)降低水位標(biāo)高，以保證安全開(kāi)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(bǔ)給充足，難以實(shí)現(xiàn)深降強(qiáng)排方案。

2、外截內(nèi)排

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

3、帶壓開(kāi)采

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

4、綜合治理、帶壓開(kāi)采

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

五、安全技術(shù)措施

根據(jù)以上方案對(duì)比，綜合治理、帶壓開(kāi)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(bǔ)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(shí)，要采取預(yù)注漿封堵加固等安全技術(shù)措施。

(2)加強(qiáng)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(shí)為生產(chǎn)提供安全保證。當(dāng)局部區(qū)域煤層底板隔水層厚度小于臨界隔水層厚度時(shí)應(yīng)制定特殊措施或禁止開(kāi)采。

(3)建立井上下水位水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，繼續(xù)增加井上下水文觀測(cè)孔的數(shù)量，分別形成O2和L1-4水位觀測(cè)系統(tǒng),設(shè)置井下水量觀測(cè)站，建立水文觀測(cè)制度，及時(shí)收集和整理水文觀測(cè)資料，及時(shí)掌握水位水量變化情況。

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

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

(6)在采掘過(guò)程中，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”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(diǎn)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(yùn)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(shí)設(shè)置專門的疏水巷道和疏水鉆孔，對(duì)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(jìn)過(guò)程中，在巷道的低洼處施工泵坑，建立臨時(shí)的排水陣地。

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

(11)每年要編制年度及中長(zhǎng)期防治水工作計(jì)劃，并對(duì)上年度防治水工作進(jìn)行總結(jié)，完善防治水措施。

2、開(kāi)采安全技術(shù)措施

(1)選擇開(kāi)采：按先易后難、由淺入深、先簡(jiǎn)單后復(fù)雜的原則進(jìn)行開(kāi)采;對(duì)條件相同的煤層，先進(jìn)行試采，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，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(guò)斷層，減少巷道交叉點(diǎn)數(shù)目，縮小巷道交叉點(diǎn)面積，巷道交叉點(diǎn)和采煤工作面上下出口要盡量避開(kāi)小斷層，無(wú)法避開(kāi)時(shí)要對(duì)小斷層進(jìn)行加固。

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