郗宝华

(山西煤炭职业技术学院地测工程系,山西省太原市,030031)

庞庞塔扩区主采煤层带压开采安全性分析

郗宝华

(山西煤炭职业技术学院地测工程系,山西省太原市,030031)

分析了庞庞塔扩区5＃、9＃主采煤层水文地质条件及突水危险性,认为5＃、9＃煤层底板岩性组合、构造条件及回采底板破坏深度均有利于带压开采。根据5＃、9＃煤层奥灰突水系数的计算及突水等值线图的编绘分析,认为5＃煤层一、二采区内钻孔控制点为安全区,9＃煤层一采区全区和二采区浅部为相对安全区,但二采区深部奥灰突水系数已大于0.06 MPa/m,已进入奥灰突水相对危险区,必须进行专门带压开采设计及制定必要的防治水工程预案才能进行带压开采。

煤炭开采 带压开采 煤层底板 水文地质 突水系数 庞庞塔扩区

华北型煤田中下组煤基本都位于含水丰富的奥灰岩溶含水层之上,虽然二者之间存在厚度不等的砂泥岩隔水层其厚度一般为30～100 m,但在开采过程中仍然会受到水害威胁。目前,开采受底板高压水威胁的煤层主要采用疏降强排和带压开采两种方法。其中带压开采具有成本低、不破坏地下水资源等优点,是目前深部煤炭资源开发的主要方式。但由于开采深度增加,水害危险性随之增大,因此,进行煤层带压开采安全性分析对保证安全生产具有重要意义。本文主要从带压开采水文地质条件及突水危险性两方面进行了分析,以期对安全生产提供重要参考依据。

1 扩区概况

庞庞塔煤矿扩区井田位于山西省吕梁地区临县河东煤田中部,井田平面形态呈一长方形,面积约118.68 km2。规划设计为一座年产1000万t的特大型矿井。井田内构造总体上为一向西缓倾斜的单斜构造,倾角一般15°～25°。区内主要含煤地层为石炭系上统太原组(C3t)和二叠系下统山西组(P1s),含煤9层,其中全区可采煤层3层,分别为煤层,但由于煤层层间距较小,5＃上煤层常合并为与5＃煤层一同开采。本区各可采煤层特征见表1。

表1 井田内可采煤层特征表

庞庞塔扩区初步设计为两个采区。以＋750 m水平为界,东部至煤层露头处为一采区,西部至＋400 m水平为二采区,采区内以矿井主系统巷道为界,分为南、北两翼,庞庞塔扩区采区位置及水位线关系见图1。其中,一采区5＃煤层开采标高范围约为＋750～＋1100 m,9＃煤层开采标高范围约为＋700～＋1100 m;二采区5＃煤层开采标高范围约为＋400～＋800 m,9＃煤层开采标高范围约为＋350～＋750 m。根据井田内水文钻孔水位观测资料绘制出的一、二采区太灰、奥灰等水位线图可知(图1),一、二采区内5＃、9＃煤层开采最高标高低于太灰含水层,属全区带压区;一采区深部、＋750 m水平东侧局部、二采区全区开采最低标高低于奥灰含水层,属带压开采区。因此,分析该矿区水文地质条件,结合突水系数理论对5＃、9＃煤层带压开采进行安全性分析很有必要。

图1 庞庞塔扩区采区位置及水位线关系图

2 带压开采水文地质条件分析

庞庞塔扩区5＃、9＃煤层与上、下主要含水层位置关系见图2。由图2可以看出,5＃煤层顶板直接充水水源主要来自二叠系下统山西组(P1s)地层砂岩(5＃煤层上部的各层薄砂岩层)及下石盒子组(P1x)地层K4砂岩水,底板直接充水水源主要来自二叠系下统山西组(P1s)地层K3砂岩水。9＃煤层顶板直接充水水源主要来自石炭系上统太原组(C3t)几层灰岩(L1－L4)含水层地下水以及5＃煤层采空区积水,底板间接充水水源主要来自中奥陶统峰峰组(O2f)岩溶含水层地下水,这一水源是井田内富水性最强的含水结构体,且承压水头很高,除井田东部边界以西局部地段不带压外,井田其他大部分属带压开采范围。

2.1 煤层底板岩性组合条件分析

隔水层底板抗压强度及隔水能力与底板岩性组合有很大关系。从收集的井田一、二采区内和周边地质及水文地质钻孔资料统计分析可知,扩区内5＃煤层底板至9＃煤层顶板是互层状的软、硬岩地层组合。5＃煤层底板至9＃煤层顶板平均厚度为50.8 m,砂质泥岩、泥岩平均占50.5%,砂岩、石灰岩平均占46.8%,煤层平均厚度占2.6%,软岩与硬岩厚度基本相近。9＃煤层底板至奥灰顶面平均厚度为66.5 m,岩层组合以砂质泥岩、泥岩为主,平均占66.2%;其次为砂岩,平均占28.4%;石灰岩平均占3.1%。软岩与硬岩比值系数约为2∶1。这种隔水底板软岩与硬岩组合结构,对提高底板的抗压强度及隔水能力比较有利。

图2 煤层与上、下含水层关系示意图

2.2 煤层底板含水层富水性分析

按钻孔单位涌水量,含水层富水性可分为4个等级:弱富水性、中等富水性、强富水性和极强富水性。利用以往水文孔抽水试验资料编绘富水性分区图,对庞庞塔扩区井田内一、二采区太原组灰岩含水层和奥陶系峰峰组灰岩含水层进行富水性分区。根据分析可知一、二采区太灰整体富水性为弱,单位涌水量最大仅为0.084 L/s·m。一、二采区奥灰富水性整体由弱到中等。其中,以矿井系统巷道为界,北部奥灰富水性弱,南部富水性由弱到中等。

2.3 构造发育程度分析

庞庞塔煤矿已开采区域揭露构造情况属于简单型。据此推断分析,庞庞塔扩区井田构造发育程度应与庞庞塔煤矿相似,属于简单型。对矿井生产影响程度有限,但从防治水角度分析,必须加强对含、导水构造的预防与探查,防止发生构造导水事故。

2.4 回采期间底板破裂深度分析

当工作面回采后,煤层底板隔水层上部一定厚度岩层因采矿扰动而被破坏,这部分岩层不具备隔水能力。据采矿实践证明,采动作用下煤层底板扰动破坏深度不仅与下伏岩性有关,而且与煤层倾角、工作面斜长等因素有关。计算底板破坏深度,选用计算式:

式中:CP——底板破坏深度,m;

H——底板埋深,m;

Lx——工作面斜长,m;

α——煤层倾角,(°)。

5＃煤层工作面底板埋深175 m,工作面斜长240 m,煤层倾角20°,将数值代入式(1),计算可得5＃煤层开采后底板破坏深度为26.36 m,这个数值远小于5＃煤底板至9＃煤层顶板的平均厚度(50.8 m)。

9＃煤层工作面底板埋深237 m,工作面斜长240 m,煤层倾角20°,9＃煤层开采后底板破坏深度为26.88 m,这个数值远小于9＃煤层底板至奥灰顶面平均厚度(66.5 m)。根据现场工作经验,该经验公式计算值由于其与相应变量并非绝对线性关系,通常结果偏大。因此,回采期间底板破坏深度不至于引起底板突水,可以进行带压开采。

3 带压开采突水危险性分析

在煤层带压开采过程中,一旦发生奥灰突水,其结果将是灾难性的。因此,在带压开采安全性评估中,对掘进巷道及回采底板突水危险性分析预测及危安区划分极为重要。

3.1 掘进巷道底板突水危险性分析

根据掘进工作面底板安全隔水层厚度的计算公式:

式中:t——安全隔水层厚度,m;

L——巷道底板宽度,取5m;

γ——底板隔水层的平均重度,取0.022 MN/m3;

KP——底板隔水层的平均抗拉强度,依据《山西省河东煤田临县庞庞塔煤矿及扩区补充勘探地质报告》资料显示,5＃煤层底板KP为0.63～1.14 MPa,取平均值0.885 MPa;9＃煤层底板KP为0.83～1.48 MPa,取平均值1.115 MPa;

P——底板隔水层承受的水头压力,取4.7 MPa。

将各参数带入式(2),可得5＃、9＃煤层安全隔水层厚度分别为8 m和7.2 m。该厚度远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底板受奥灰水威胁可能性较小。但在构造破坏地带,因断层、陷落柱等的存在,可能具有导水性,在承压区内有可能发生突水。

3.2 回采工作面底板突水危险性分析

综合考虑了矿压及水压对底板的破坏,有效隔水层及奥灰顶面相对隔水层等因素,选用突水系数修正公式进行评价:

式中:T——突水系数,MPa/m;

P——底板隔水层的水压力,依据钻孔中奥灰顶面标高与奥灰水位标高差得出,MPa;

Mi——底板隔水层中第i层岩层厚度,依据钻孔中直接测出,m;

Cp——采矿对底板扰动的破坏深度,依据前面计算值可得5＃煤层为26.36 m,9＃煤层为26.88 m;

hd——承压水导升高度,扩区内地质构造简单,在没有隐伏断裂构造的前提下一般不会发生岩溶水导升,此时hd为0;如果有隐伏断裂构造造成奥灰水向上导升,则按平均导升系数2.5 m/MPa与奥灰水压值进行换算,m;

M0——煤底板隔水层厚度,直接由钻孔资料得出,m。

将5＃煤层施工的8个钻孔(钻孔号为P20～P28)奥灰突水系数计算结果编绘成突水系数等值线图见图3。一、二采区内钻孔控制点的奥灰突水系数最大为0.04 MPa/m,根据等值线图变化趋势推测在二采区北翼西北角和南翼西侧奥灰突水系数大于0.04 MPa/m,接近0.045 MPa/m。在正常块段,开采5＃煤层奥灰突水可能性较小。

图3 5＃煤层奥灰突水系数等值线图

图4 9＃煤层奥灰突水系数等值线图

将9＃煤层施工的9个钻孔(钻孔号为P20～P28)奥灰突水系数计算结果编绘成突水系数等值线图见图4。一、二采区内钻孔控制点的奥灰突水系数最大为0.07 MPa/m,根据等值线图变化趋势推测在二采区北翼深部奥灰突水系数大于0.07 MPa/m接近0.09 MPa/m。因此,一采区全区和二采区浅部突水系数小于0.06 MPa/m,正常块段突水可能性较小,但在二采区深部奥灰突水系数已大于0.06 MPa/m,已进入奥灰突水过渡区。

带压开采突水小概率区为突水系数小于0.06 MPa/m的区域,突水概率相对较小,正常情况下,坚持预测预报,有掘必探,有采必探,先探后掘,先治后采的原则,进行常规的巷道超前探测、工作面精细探查工作,主要探查陷落柱、构造破坏带等,采取一定的防治水措施后可以实现带压开采。

带压开采过渡区为突水系数介于0.06～0.1 MPa/m之间的区域为过渡区。除采用小概率区的防治水措施外,还应运用留设防隔水煤岩柱、底板富水区局部注浆改造、隔水层薄弱区局部注浆加固等带压开采措施,做好突水预测预报动态监测、应急救援预案等工作,加强矿井防排水能力,以实现过渡区安全带压开采。

4 结论

(1)5＃、9＃煤层隔水底板为软岩与硬岩组合结构,对提高底板的抗压强度及隔水能力比较有利;回采期间底板破坏深度不至于引起底板突水,可以进行带压开采。

(2)5＃、9＃煤层安全隔水层厚度远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底板奥灰水威胁可能性小;5＃煤层一、二采区内钻孔控制点的奥灰突水系数最大为0.04 MPa/m; 9＃煤层一采区全区和二采区浅部突水系数小于0.06 MPa/m,但在二采区深部奥灰突水系数已大于0.06 MPa/m,已进入奥灰突水过渡区。

由此可见,只要主采煤层工作面开采前,做好工作面构造及底板隔水层的完整性状况探查,通过正确留设防水煤柱,合理选择采煤方法,采取相应的堵水措施,同时加大突水监测和预测预报工作,实现安全带压开采是可行的。

[1] 李龙青,王永洪,刘金辉.京府八尺沟矿8－2煤层底板突水危险性分析[J].中国煤炭,2010(12)

[2] 王计堂,王秀兰.汾源井田主采煤层底板突水危险性分析[J].资源与产业,2012(2)

[3] 刘伟韬,张文泉,李加祥.用层次分析一模糊评判进行底板突水安全性评价[J].煤炭学报,2000 (3)

[4] 中煤科工集团西安研究院.河东煤田临县庞庞塔煤矿及扩区补充勘探地质报告[R].西安:中煤科工集团西安研究院,2010

[5] 尹尚先,虎维岳.岩层阻水性能及自然导升高度研究[J].煤田地质与勘探,2008(1)

[6] 王秀兰,刘忠席.矿山水文地质[M].北京:煤炭工业出版社,2007

[7] 杜波.平煤八矿二水平已组煤带压开采防治水研究[J].中国煤炭,2006(6)

[8] 国家安全生产监督管理总局,国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定[S].北京:煤炭工业出版社,2010 [9] 葛亮涛,叶贵钧,高洪烈.中国煤田水文地质学[M].北京:煤炭工业出版社,2000

(责任编辑 张毅玲)

2014年我国多种发电设备平均利用小时数下降

据统计,受电力需求增长放缓、新能源装机比重不断提高等因素影响,2014年全国6000k W及以上电厂发电设备平均利用小时为4286小时,同比减少235小时,是1978年以来的最低水平。

水电方面:2014年底,全国水电装机容量3亿k W,设备平均利用小时3653小时,同比增加293小时,是2006年以来的最高水平。

核电方面:2014年底,全国核电装机容量1988万k W,设备平均利用小时7489小时,同比减少385小时。

火电方面:2014年底,全国火电装机容量9.2亿k W,设备平均利用小时4706小时,同比减少314小时,是1978年以来的最低水平。

风电方面:2014年底,全国并网风电装机容量9581万k W,设备平均利用小时1905小时,同比减少120小时。

Safety analysis of mining under pressure in the primary mineable coal seam of Pangpangta expansion area

Xi Baohua
(Department of Geology Surveying Engineering,Shanxi Vocational and Technical College of Coal,Taiyuan,Shanxi 030031,China)

In this paper,the author analyzed the hydrogeological conditions and water inrush risk in No.5 and No.9 primary mineable coal seams of Pangpangta expansion area,which showed that the lithological association,structural conditions and failure depth of stoping floor in No.5 and No.9 coal seam floors were conducive to the mining under pressure.According to the calculation of water bursting coefficient in Ordovician limestone and the compilation analysis of water bursting contour map in No.5 and No.9 coal seams,the drilling control points in the first and second mining areas of No.5 coal seam were identified as safe areas,and the whole first mining area and shallow part of the second mining area in No.9 coal seam were comparative safe areas, while the water bursting coefficient in Ordovician limestone in the deep second mining area in No.9 coal seam was greater than 0.06 MPa/m.So the deep second mining area had turned into comparative dangerous area,and special design of mining under pressure and engineering plan of water prevention and control must be conducted for mining under pressure.

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TD823

A

郗宝华(1977－),女,讲师、工程师,毕业于太原理工大学资源勘查专业,主要从事矿山水文地质与煤矿地质研究。