寺河矿5310工作面底板突水危险性评价

蔡王飞

(晋煤集团 寺河矿，山西 晋城 048200)

煤矿生产中突水会造成大量人员伤亡、财产损失，破坏力极强，易发生于带压开采面，在承压水压力与采掘矿压相互作用下，原岩应力的平衡状态发生变化，最终在局部应力集中区域产生应变释放能量，产生构造变化，导致底板导水裂隙的产生，进而导致事故的发生。近几年国内外学者对其进行了大量研究，其中“关键层理论”提出了在无地质构造前提下，煤矿突水事故常发生在工作面上下出口[1]；“下三带理论”对各个带区进行了划分，得出承压水导升带是底板突水带区中的关键[2]；“薄板结构理论”中认为底板隔水带越稳定，底板突水危险性越小[3]。本文采用理论计算以及综合物探技术对寺河煤矿5310工作面底板突水情况进行了分析，并对工作面底板突水危险性程度进行了评估。

1 工程背景

寺河煤矿位于山西省晋城市偏西北，隶属于晋城煤业集团，井田煤层分成二个煤组进行开拓，3号煤层为一组、9号、15号煤层为一组，井田区域划分为东西两井区，东区为生产区域，采用斜井开拓，构造复杂程度为中等，东区共6个盘区，盘区面积为6.25 km2，其中东五盘区5310工作面走向长1 775.7 m，倾斜长296.2 m，整体西高东低，中部发育宽缓背向斜，倾角在-4～10°，工作面开采的3号煤层为稳定煤层，平均厚度6.08 m。根据相关地质资料得知，5310工作面底板标高为+302～+340 m，奥灰水位标高为+500 m左右，高出3号煤层底板160～198 m，为了确保工作面回采不受到奥灰水的影响，对工作面进行物探是很必要的。

2 水压及突水系数的计算

2.1 水压计算

根据地质资料，井田(东区)浅埋区奥灰水位标高为487.80～536.54 m，其中YS-4孔奥灰水位标高为515.41～538.70 m，已知奥灰水位标高比3号煤层底板标高多出160～198 m，可以得知5310工作面各区域存在奥灰水压，为了确定水压大小，利用公式(1)对工作面各区域进行计算。

P=(H-X+L)×0.01

(1)

式中：H为奥灰最高水位，m；X为3号煤层底板标高，m；L为3号煤层底板至奥灰层位的距离，m。

近几年奥灰水位线最高水位538.70 m，分别选取5310工作面不同位置钻孔，得到其地板特性，运用公式(1)计算得到5310工作面水压分布情况，见表1。

表1 5310工作面水压分布情况

由表1可以看出，水压范围在3.69～4.08 MPa之间，最大为4.08 MPa，已知本工作面临界水压为6 MPa，所以水压在正常范围内，不足以产生导水裂隙。

2.2 突水系数计算

结合矿井实际开采资料，采用突水系数法对5310工作面开采时底板破坏类型(非断层型)突水危险性进行评价，利用公式(2)计算底板突水系数。

T=P/M

(2)

式中：P为水压，MPa；M为底板隔水层厚度，m。

5310工作面水压已经得知，根据矿井相关资料得知3号煤层底板隔水层厚度最低为100 m，利用公式(2)可以求得突水系数，见表2。

表2 5310工作面突水系数

由表2得知，5310工作面突水系数为0.036 9～0.040 8 MPa/m，小于临界突水系数0.06 MPa/m，从数值上看底板突水危险性较低，为带压开采，容易在断层及陷落柱附近产生导水裂隙，在采掘过程中容易引发突水，为此工作面必须探查有无导水断层、导水陷落柱等导水通道。

3 瞬变电磁法及坑透探测

3.1 瞬变电磁法原理及布置方案

矿井瞬变电磁法是煤矿物探的常用手段，不受地形影响，它是通过电子线圈向需要探测的位置发射波形电流[4]，利用不同岩层之间的电性差异，会在各个岩石层位间产生电位差，从而产生感应电流，当突然断电后，原先形成的涡流场会释放能量恢复原先特性，从而得出不同岩层间的电阻率，并进一步得出地下岩层结构。

本文采用瞬变电磁法对5310工作面运输巷和回风巷进行了探测，主要为了确定工作面内部有无地质构造及富水性，布置方案为在5310工作面回风巷(53101巷)和进风巷(53103巷)进行探测，探测仪器使用飞翼YCS111矿用本安型瞬变电磁仪，分成两组分别从两巷道切眼开始施工顶板45°、顺层0°、底板45°测线。探测时53101巷先进行施工，200 m后53103巷开始施工，共布置6条测线，测线长度1 800 m，每隔20 m布置一个测点，测线角度分别为顶板45°、顺层0°、底板45°，布置方案如图1所示，探测期间得到的数据经过处理后得出了电阻率断面如图2及图3所示。

图1 布置方案

图2 53101巷处探测结果

图3 53103巷处探测结果

从图2可以看出，电阻率分布在0～55 Ω·m，纵向分布上电阻率均无明显异常，在0～200 m范围内，整体上电阻率都分布在30～55 Ω·m，在240～540 m之间，纵向分布电阻率较低，但也都稳定在10～22 Ω·m之间，不能表明在此阶段存在富水区，在540～1 800 m之间，分布上电阻率都较高，无明显低阻异常区。从图3可以看出，电阻分布同样在0～55 Ω·m之间，与53101巷对比可以发现整体上靠近进风巷一侧工作面区域内电阻率较低，但观察0～1 800 m测点之间，电阻总体呈现在6～22 Ω·m之间，在0～200 m、700～900 m、1 200～1 400 m、1 500～1 800 m之间电阻都呈现出逐渐增加的态势，可以表明工作面内无明显低阻异常区域。综上所述，在5310工作面内存在富水区的可能性较低。

3.2 探放水定向钻孔

为了确保物探准确性，对工作面内部的构造情况进行了进一步探查。根据煤矿现有技术条件采用千米定向钻机对53101巷进行钻探，目的是为了对工作面3号煤层的含水性及可能存在的隐伏构造的含、导水性进行探测。钻孔在工作面圈定过程中逐步向采面施工，待采面圈定后进行物探，对物探异常区进行千米钻孔轨迹分析。本次探测共施工千米钻孔65个，分为5组，各组钻孔开孔方位角为0～80°不等，孔深在345～550 m，钻孔平均长度为475 m，开孔间距均为0.5 m，开孔顺序由西往东依次施工。

工作面经千米定向钻孔覆盖，施工过程中未见异常出水，涌水量为10 m3/h，最大涌水量为30 m3/h。综合分析认为工作面内部不存在导水断层、导水陷落柱等导水通道，且煤层顶、底板的富水性较弱。经千米定向钻孔轨迹分析未发现明显导水异常。

3.3 后续预防措施

工作面回采过程中地测科定期观测、收集工作面现场资料，发现异常出水或其它地质异常情况，要及时分析、处理，采取相应的安全技术措施。工作面回采过程中队组每班应有专人监测工作面、两侧巷道及采空区顶、底板出水情况，发现异常要及时向地测科及相关单位汇报。工作面53101巷及53103巷内备排水能力不小于30 m3/h的排水泵，一开一备，并接好排水管路，保证能及时排出工作面及巷道内积水。

4 结 语

1) 通过理论计算得出5310工作面水压分布在3.69～4.08 MPa之间，小于临界水压6 MPa；突水系数最大为0.040 8 MPa/m ，小于0.06 MPa/m(突水系数临界值)。

2) 经瞬变电磁探测以及钻探验证无导水断层、导水陷落柱等导水通道，综合分析，认为5310工作面在奥灰承压水带压开采安全区，可以正常回采。