煤层带压开采的实践与分析

彭镜达

（山西宁武大运华盛能源集团有限公司，山西 忻州 036700）

0 引言

矿井水害事故是制约矿井安全生产的是主要灾害之一，有资料显示，我国受矿井水害影响的井工煤矿超过8 000 座，其中，奥灰水影响最为巨大[1-2]。为消除和避免奥灰水所带来的不利因素，井工矿必须尽可能的掌握矿井的水文地质情况、了解煤层的开采条件。但目前仍有矿井煤层位于奥灰水带压开采区域，并随着煤层的开采，采掘工作面底板所承受的地压、水压明显增强，煤层开采过程中底板水害威胁也越来越严重[3-4]。

老窑沟煤业所处井田的奥灰水水位标高在+1071～+1 080 m 之间，井田内2# 煤层底板标高+800～+1 520 m，5#煤层底板标高+780～+1 480 m，因此，井田2、5#煤层底板标高在+1 080 m 以上的为不带压区，煤层底板标高在+1 080 m 以下的为带压区。本文就本矿带压区域如何安全开采进行了详细的探讨。

1 工程概况

老窑沟煤业位于宁武煤田北部，生产能力120 万t。目前矿井开采2#、5#煤层，两个煤层工作面的开采范围均涉及到带压开采区，为保证矿井的安全生产，将对带压区域进行安全验证和开采设计。

2#煤层工作面开采后，待采空区完全垮落，顶板稳定后，再开采其下部压覆的5#煤层工作面。开采顺序为先开采上部2# 煤层202 采区，202 采区20201工作面开采完毕后开采50201 工作面；2#、5#煤层交替开采。经计算，经计算，202、203、502、503 采区设计可采储量分别为137.4 万t、100.95 万t、257.4 万t、236.9 万t。

2 带压开采安全性评价

矿井巷道掘进过程中，煤层底板是否发生突水主要受到底板承受的水头压力、底板隔水层性能以及巷道的底板宽度的影响。现依据相关公式对本矿2、5#煤层掘进巷道突水安全进行评价。

2.1 公式的选取

2#与5#煤层隔水层的平均厚度分别为122.1 m和54.7 m，掘进工作面底板安全隔水层厚度的计算根据公式（1）：

式中：t 为安全隔水层厚度，m；L 为巷道底板宽度，取5 m；γ 为底板隔水层的平均重度，MN/m3，2# 取0.026 MN/m3，5# 取0.025 MN/m3；pA为底板隔水层的平均抗拉强度，MPa，据地质报告资料，本矿2# 煤层底板至奥灰顶界岩体平均抗拉强度为1.2 MPa，本矿5# 煤层底板至奥灰顶界岩体平均抗拉强度为1.0 MPa；p 为底板隔水层承受的水头压力，MPa，2#煤层底板承受最大水压P=4.18 MPa，5# 煤层承受最大水压P=3.66 MPa。

将以上参数带入式（1）中，可得2、5#煤层安全隔水层厚度分别为：8.98 m 和9.17 m。

2.2 带压开采分析

根据上述公式计算出的2、5#煤层安全隔水层厚度小于矿井实际最小隔水层厚度，因此在正常块段工作面掘进不会受到底板奥灰水的威胁，具备带压开采的生产条件。

3 带压开采设计

3.1 工作面的布置

煤矿井下将布置1 个回采工作面，1 个备用工作面，2 个综掘工作面，采掘比为1∶2。根据采动矿山压力对底板突水试验与研究，北部采区留设断层安全煤柱后，在煤柱之间布置煤层工作面，其中202 采区共设计20201、20202、20203、20204 四个工作面，203 采区共布置20301、20302 两个工作面；其中20202、20203、20301、20302 工作面均处于带压开采区，20201、20204 属于非带压开采区。

502 采区共设计50201、50202 两个工作面，503采区共布置50301、50302 两个工作面；其中50202、50301、50302 工作面属于带压开采区，50201 工作面大部处于非带压开采区。

3.2 工作面的采动影响计算

根据公式（2）对煤层底板扰动破坏深度进行计算。

式中：CP为采矿对底板扰动的破坏深度，m；H 为开采深度，2#煤层开采深度448.34 m，5#煤层开采深度514.52 m；α 为煤层倾角；2、5#煤层倾角取15°；L 为工作面斜长，根据矿方提供的初步设计，此次工作面斜长计算，2、5#煤均取最大值125 m。

因此，根据公式（2），计算出的2、5#煤层无构造影响的工作面底板最大扰动破坏深度分别为21.37 m和22.25 m。由于断层带附近的采动导水破坏带深度比正常岩层中增大约0.5～1.0 倍，此次断层带附近的采动导水破坏带深度以增加1 倍计算，即为42.74 m和44.50 m。

综上所述，采用长壁综采放顶煤采煤法开采工艺（厚度小于4 m 的区域采用一次性采全高采煤法），全部垮落法管理顶板，工作面长度180 m 情况下，据经验公式计算2、5#煤层底板破坏深度为42.74 m 和44.50 m，小于水文孔补5 孔2、5#煤层底板隔水层的厚度114.58 m 和48.40 m，一般情况下，在无构造地段，工作面回采时在正常地段不会受底板奥灰水的威胁，因此，北部二采区2、5#煤层的工作面倾斜长度设计180 m 符合带压开采安全要求，且工作面设计布置方向亦符合带压开采条件。但5#煤层底板破坏深度为44.50 m，与水文孔-1 孔5#煤层底板隔水层的厚度48.40 m 接近，考虑到在构造区域如果断层构造导水的话，突水威胁增大，因此建议矿方缩小5#煤层的工作面倾斜长度，建议工作面倾斜长度按120 m 布置，该情况下据经验公式计算5#煤层底板破坏深度为30.92 m。

按照煤柱重新规划工作面，2#煤工作面数量不变，但工作面长度缩短，5#煤502 采区可布置一个50201 回采工作面，503 采区可布置一个50301 回采工作面。

另根据断层煤柱留设后可布置工作面长度，2#煤20203 工作面为最长145 m，5#煤最长120 m。

4 排水能力验证

分析收集了本矿井近三年的涌水量，矿井正常涌水量88.5 m3/h，最大118 m3/h。

4.1 井下排水能力要求

矿井井下排水设备应当符合矿井排水的要求。除正在检修的水泵外，应当有工作水泵和备用水泵等；工作水泵能在20 h 内排出矿井24 h 的正常涌水量，工作和备用水泵的总能力能在20 h 内排出矿井24 h的最大涌水量。在矿井正常涌水量的基础上，设计同时考虑井下消防洒水、黄泥灌浆等水量，排水设备选型按矿井正常涌水量108.5 m3/h，最大涌水量为138 m3/h计算。

4.2 排水路线的选择

2#煤：202（203）工作面顺槽（小水泵）→202（203）采区水仓→202（203）机轨合一下山（排水管）→2#煤北部机轨合一大巷、2#煤北部回风大巷（水沟自流）→泄水孔（已有）→直排水仓（水泵房排水泵）→排水钻孔（排水管）→地面→井下水处理站调节池。

5#煤：502（503）工作面顺槽（小水泵）→502（503）采区水仓→502（503）机轨合一下山（排水管）→5#煤北翼机轨合一大巷、5#煤北翼回风大巷（水沟）→直排水仓（水泵房排水泵）→排水钻孔（排水管）→地面→井下水处理站调节池。

直排水泵房设备：选择MD280-65×7 型煤矿耐磨多级离心水泵3 台，水泵配YBX3 系列，4 极，10 kV，630 kW 隔爆型电动机，沿排水钻孔敷设Φ273 mm×11 mm排水管2 趟。

202 采区水泵房设备：选用三台MD280-43×3型矿用耐磨离心式水泵（额定流量280 m3/h，扬程129 m），配套功率200 kW，电压1 140 V 矿用防爆电机。排水选用Φ273 mm×7 mm 无缝钢管。502 采区水泵房设备：选用三台MD280-43×4 型矿用耐磨离心式水泵（额定流量280 m3/h，扬程172 m），配套功率250 kW，电压1 140 V 矿用防爆电机。排水选用Φ273 mm×7 mm 无缝钢管。

在正常情况下，井下仅顶板含水层涌水时，井下排水系统能及时排出北部2、5#煤层井下涌水；当发生底板奥灰含水层突水情况时，参照奥水突水量理论预估值，井下主排水系统3 台水泵和502 采区排水系统3 台水泵的排水能力能及时排出北部2#煤层井下涌水。奥水含水层突水量预估值可以作为参考应用，对井田北部的2、5#煤层涌水量及考虑到底板奥灰含水层突水时的涌水情况开展进一步研究。在生产过程中应进一步加强工作面可能突水时涌水量的研究的同时，在2#煤层带压区内回采时，利用物探和钻探相结合的方法有针对性地对202 采区的断层水害进行详细的分析与探查，为5#煤层带压区内突水量的预测提供基础依据。及时根据实际开采及涌水情况及时调整矿井的排水能力，以确保矿井安全生产。

5 结语

根据对老窑沟矿井带压开采危害程度分析，笔者进行了带压开采可行性的安全评价和设计。分析认为矿井防治水的关键是防治导水断层、将底板奥灰水导入发生突水事故，因此需加强对井田北部带压区内隐伏构造以及奥灰含水层富水性分布进行探查，尤其是其含水性和导水性，为带压开采提供较为准确的参考数据；对于2、5#煤井田北部带压区内导水地质构造或对于开采无法避开的导水通道，采用留设防隔水煤柱或注浆封堵的方法进行加固。为此对井田北部2、5#煤回采制定如下断层主要防治水技术措施。