項(xiàng)目名稱: 團(tuán)柏礦下組煤帶壓開(kāi)采技術(shù)研究

申報(bào)單位: 霍州煤電團(tuán)柏煤礦

主要完成人：李慎舉  衛(wèi)廣生  王玉海  陳福明  張建設(shè)  王海平  楊亞杰  

蘇俊輝  韓  偉

主要完成單位：霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司團(tuán)柏煤礦

專業(yè)（學(xué)科）分類名稱代碼：440  3510

所屬國(guó)民經(jīng)濟(jì)行業(yè)：B類型

任務(wù)來(lái)源：自選

項(xiàng)目起止時(shí)間：1996年1月——2009年1月

主要科技內(nèi)容：通過(guò)在井下施工一定數(shù)量鉆孔，進(jìn)行放水試驗(yàn)和水力、水化及其它各項(xiàng)測(cè)試工作，取得一定技術(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室樣品測(cè)試和模型模擬試驗(yàn)計(jì)算，得出各種水文地質(zhì)參數(shù)，計(jì)算水量，查明K2、O2水力聯(lián)系，測(cè)試底板下“三帶”深度，對(duì)下組煤開(kāi)采水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，確定臨界突水系數(shù)，進(jìn)行突水機(jī)理研究和突水危險(xiǎn)程度分區(qū)，確定帶壓安全開(kāi)采范圍和開(kāi)采下限，進(jìn)行排水經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，確定工作面開(kāi)采寬度，給出下組煤安全開(kāi)采技術(shù)方法，提出針對(duì)性的防治水措施，給出安全開(kāi)采規(guī)劃布局。

特點(diǎn)：查明了團(tuán)柏煤礦K2與O2間存在水力聯(lián)系，但聯(lián)系程度有限；提出了保護(hù)層浸水和起始水力梯度的概念；完善了突水系數(shù)法的應(yīng)用；根據(jù)壓水試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析得出10＃煤和11＃煤的礦壓破壞深度；應(yīng)用類比的突水系數(shù)值對(duì)研究區(qū)10＃煤、11＃煤進(jìn)行了下組煤開(kāi)采奧灰突水危險(xiǎn)性分區(qū)，并在此基礎(chǔ)上提出了安全開(kāi)采規(guī)劃布局和防治水措施。

技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：下組煤水文地質(zhì)研究成果的取得，解放了團(tuán)柏煤礦下組煤約3000萬(wàn)噸煤炭?jī)?chǔ)量，為下組煤安全帶壓開(kāi)采提供了理論依據(jù)，并提出了防治水相關(guān)措施，延長(zhǎng)了礦井的服務(wù)年限，并為進(jìn)一步研究礦井水文地質(zhì)條件提供了寶貴的基礎(chǔ)資料。

應(yīng)用推廣情況：研究成果滿足礦井安全生產(chǎn)需要，查明了下組煤開(kāi)采水文地質(zhì)條件和水文地質(zhì)參數(shù)，進(jìn)行安全開(kāi)采性評(píng)價(jià)，劃分安全分區(qū)，確定安全開(kāi)采技術(shù)方法和防治水措施，給出安全開(kāi)采規(guī)劃布局，對(duì)條件相似條件礦井具有重要的指導(dǎo)意義、參考價(jià)值和良好的推廣應(yīng)用前景。

立項(xiàng)背景：團(tuán)柏井田西部上組煤根據(jù)資料不可采，但下組煤開(kāi)采除受頂板充水含水層K2灰?guī)r的涌水之害外，還面臨下伏區(qū)域巨厚強(qiáng)含水層奧灰的突水威脅，這種威脅是嚴(yán)重的，因?yàn)橄陆M煤距奧灰很近（底板全國(guó)最薄地區(qū)，見(jiàn)圖1-1），10號(hào)煤平均36m，11號(hào)煤平均僅為25m，這種威脅是嚴(yán)重的。因此解放西部受奧灰水威脅的下組煤炭資源是當(dāng)務(wù)之急。開(kāi)采所面臨問(wèn)題如下：下組煤，特別是11號(hào)煤能否開(kāi)采，開(kāi)采的安全性和下限，若能開(kāi)采如何實(shí)現(xiàn)安全開(kāi)采？如何進(jìn)行開(kāi)采的安全布局和合理規(guī)劃？顯然，下組煤中11號(hào)煤的安全開(kāi)采問(wèn)題是個(gè)重大難點(diǎn)。為解決團(tuán)柏礦井西部下組煤開(kāi)采問(wèn)題，霍州煤電集團(tuán)公司立項(xiàng)“團(tuán)柏煤礦下組煤帶壓開(kāi)采水文地質(zhì)條件研究”，于2005年7月委托山西國(guó)信招標(biāo)代理有限公司招標(biāo)，由中標(biāo)的西北有色勘測(cè)工程公司為合作單位。于2006年4月共同并編制了施工組織設(shè)計(jì)。

科技內(nèi)容：1、鉆探工程：鉆探工程主要內(nèi)容是逐深水文觀測(cè)，鉆探人員設(shè)備于06年6月1日進(jìn)場(chǎng)，6月22日開(kāi)鉆施工第一個(gè)鉆孔7-O孔，于07年2月4日，末孔11-O終孔，工期6個(gè)月又13天，共12個(gè)鉆孔，其中11個(gè)奧灰孔，1個(gè)K2灰?guī)r孔（K2已大面積疏干），呈兩排分布。以首采暗斜井為中界，東部6個(gè)孔沿四四三大巷東西橫向排列，5個(gè)奧灰孔，1個(gè)K2孔，其中東邊遠(yuǎn)控奧灰孔（11-O）布置在近團(tuán)柏河，距暗斜井約2600m。西部6個(gè)奧灰孔沿首采區(qū)上山軌道巷呈南北向排列，縱長(zhǎng)約1200m。

開(kāi)孔層位四四三大巷一般為1號(hào)煤頂板，下組煤軌道巷一般為9號(hào)煤底板?？卓诠苋霂r深10～12m，終孔孔徑89mm，設(shè)計(jì)奧灰裸孔段長(zhǎng)35m±，實(shí)際施工總工程量1544m。套管固結(jié)止水，水文觀測(cè)按規(guī)范實(shí)施，關(guān)閉閥門無(wú)泄水。巖芯采取率平均達(dá)到75%。鉆孔涌水量較大（采取了打斜孔的措施），單孔涌水量最小3.1m3/h，最大150m3/h，奧灰鉆孔涌水量之和為957m3/h，K2灰?guī)r孔單孔涌水量28.2m3/h。

2、10號(hào)煤礦壓破壞深度測(cè)試：測(cè)定不同埋深底板鉆孔起始水壓和同壓進(jìn)水量，確定直接破壞深度和擾動(dòng)損傷程度，施工工程量：底板試驗(yàn)鉆孔5個(gè)，工程量199m。最后得出結(jié)論是：礦壓直接破壞深度為9.5m，此下面的擾動(dòng)帶巖層抗水壓強(qiáng)度明顯減弱，因此綜合兩方面因素，礦壓破壞深度定為12m。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，10#煤底板的礦壓破壞深度為12m。

3、巖石力學(xué)測(cè)試：根據(jù)數(shù)值模型計(jì)算的需要，對(duì)10號(hào)煤層底板（奧灰以上）的巖石組成進(jìn)行了巖樣采取和力學(xué)參數(shù)測(cè)試工作。

1）巖石取樣與制備

取2個(gè)系列（二套）巖樣，每套有9個(gè)巖性組成：泥巖、鋁質(zhì)泥巖、黃鐵礦結(jié)核鮞粒鋁質(zhì)泥巖、粉沙質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖、石英砂巖、灰?guī)r、煤。對(duì)每個(gè)巖性組成

進(jìn)行8項(xiàng)測(cè)試，每組巖樣取巖芯30塊，共取巖樣：30×9×2=540塊。巖樣按照TSRM（國(guó)際巖力力學(xué)協(xié)會(huì)）規(guī)范采取，保管和加工，其中樣徑＞50mm，高徑比2.0～3.0，端面磨平度0.02mm，側(cè)面不平度≤0.1mm，軸線垂直度每50mm≤0.005mm，加載速度0.49～0.98MPa/S（剪切＞200N/S），加載時(shí)間5～10min（剪切＞15～30S）。

2）力學(xué)參數(shù)測(cè)試

（1）容重測(cè)試

獲得巖石天然容重γ（gf/cm3）。

（2）單軸壓縮試驗(yàn)

巖石強(qiáng)度用應(yīng)力的極限值表示。此項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)定巖石的單軸抗壓強(qiáng)度σc（MPa）。

（3）抗拉試驗(yàn)

測(cè)出巖石的天然抗拉強(qiáng)度σγ（MPa），反映巖石抗拉伸破壞的能力。

（4）剪切試驗(yàn)

對(duì)天然抗剪強(qiáng)度στ（MPa）的測(cè)試，應(yīng)用庫(kù)侖定律求出巖石的粘聚力c（MPa）和內(nèi)摩擦角值Φ（度）。

（5）天然變形指標(biāo)測(cè)定

獲得彈性模量E（MPa）和泊松比ν。

4、11號(hào)煤礦壓破壞深度數(shù)值模型分析、采寬對(duì)破壞深度影響的數(shù)值模型分析：建立考慮10號(hào)煤開(kāi)采影響的數(shù)值模型，應(yīng)用巖石破裂過(guò)程分析程序F—RFPA模型底板破壞演化過(guò)程，獲得不同埋深的應(yīng)力（壓力）分布和應(yīng)變（垂直位移）分布，模型概化為15個(gè)巖層結(jié)構(gòu)，劃分單元250×200=50000個(gè)，累計(jì)開(kāi)挖長(zhǎng)度120m。6個(gè)采寬模擬：60、80、100、120、140、160（m）。最后得出結(jié)論：煤層頂、底板破壞以及工作面寬度變化與煤層底板巖層破壞深度之間的關(guān)系是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，本項(xiàng)所做的是一種概化模型試驗(yàn)。

試驗(yàn)應(yīng)用F-RFPA2D分析系統(tǒng)軟件研究底板礦壓破壞問(wèn)題得到了有意義的結(jié)論。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，煤層頂、底板的破壞特征及不同采寬與底板巖層破壞深度關(guān)系具有如下特征：

（1）工作面上方直接頂?shù)某醮慰迓洳骄嘣?/span>6～12m之間。

（2）老頂?shù)某醮慰迓洳骄嘣?/span>30m～36m之間，老頂周期來(lái)壓步距大小不均，其周期來(lái)壓步距在18～24m之間。

（3）在長(zhǎng)壁開(kāi)采老頂?shù)某醮蝸?lái)壓和周期來(lái)壓過(guò)程中，礦壓對(duì)11號(hào)煤層底板的明顯破壞深度約為13m，加上其下巖層的擾動(dòng)損傷，破壞深度可確定為15m。

（4）當(dāng)工作面寬度小于140m時(shí)，煤層底板的破壞深度隨著采寬增加而變大；當(dāng)工作面寬度達(dá)到140m時(shí)，煤層底板巖層的破壞深度不再隨著采礦的增加而改變，其最大破壞深度基本不變。

5、下三帶測(cè)定：奧灰古風(fēng)化殼充填帶、潛越導(dǎo)水帶和侵水帶測(cè)定

奧灰古風(fēng)化殼充填帶

奧灰古風(fēng)化殼是古生代中期（中奧陶紀(jì)末期至中石炭紀(jì)早期）華北廣大地區(qū)奧灰被水平升出海面，長(zhǎng)期接受大氣剝蝕和溶蝕作用的結(jié)果：形成平原地貌，地表為溶丘和溶洼等高差不大的正負(fù)地形，負(fù)地形還有溶洞、溶斗、溶縫等。至中石炭紀(jì)晚期（本溪世）因地殼沉降，奧灰古風(fēng)化殼被充填和覆蓋，充填物和覆蓋底層常含有剝蝕殘積物：鋁土或氧化鐵。經(jīng)鉆探揭示，本區(qū)充填物為鋁質(zhì)粘土，含黃鐵礦和泥質(zhì)鮞狀結(jié)核。鋁質(zhì)泥巖質(zhì)軟，有擠壓揉皺現(xiàn)象，擠壓面光滑，有潤(rùn)澤感，易風(fēng)化，但阻水能力強(qiáng)，而泥質(zhì)鮞粒綜合體強(qiáng)度低，較松散。鉆探巖芯有的半邊是奧灰，半邊是充填物。有的在兩塊灰?guī)r芯之間出現(xiàn)非灰?guī)r夾層，這并非是奧灰存在分層現(xiàn)象，而是打到了古風(fēng)化殼中的溶洞，非灰?guī)r夾層是溶洞中的充填物，通常是含黃鐵礦結(jié)核的鋁質(zhì)粘土。本區(qū)古風(fēng)化殼中的溶洞

溶裂大多數(shù)被充填，大的洞穴因垮塌而形成陷落柱，少部分裂隙未被充填。充填帶具有一定阻水能力，但厚度不穩(wěn)定，本項(xiàng)目鉆探揭露的厚度。如統(tǒng)計(jì)表所示，充填帶厚度在0～26.5m，厚度不大，但變化大，有缺失，且基本上鉆孔一進(jìn)奧灰便出水。

侵水帶的存在及其高度決定于承壓含水層的水壓，上覆保護(hù)層的 地應(yīng)力，巖性和構(gòu)造破壞程度。處于地塹構(gòu)造的井阱煤田構(gòu)造破壞特別強(qiáng)烈，潛越導(dǎo)水帶及附于其上的侵水帶十分發(fā)育，奧灰水常侵入到接近開(kāi)采煤層五煤的底面，甚至穿越五煤到達(dá)四煤，使煤層含水。潛越加侵水的最大高度為80m，地下水位之下120m處巖層的消壓強(qiáng)度為0.35MPa/m（起始水力梯度35），并隨埋深而遞增。本區(qū)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，保護(hù)層的完整性較好，本溪組底部的厚層狀鋁土泥巖塑性好，遇水膨脹，有良好的阻水性。奧灰古風(fēng)化殼充填帶有一定阻水性，因此歸屬于保護(hù)層。經(jīng)鉆探，構(gòu)造斷裂不甚發(fā)育，承壓不大的本區(qū)侵水帶基本發(fā)育于古充填帶而止于本溪組底部鋁質(zhì)泥巖，充填帶厚度基本就是侵水帶的高度（厚度）。侵水帶（充填帶）的起始水力梯度I0，也即消壓強(qiáng)度E（每米保護(hù)層所能消減的水壓，MPa）。兩者換算關(guān)系為：起始水力梯度1≈0.01MPa/m（E）。 

潛越導(dǎo)水帶 

潛越導(dǎo)水帶可視為承壓含水層在上覆保護(hù)層中的上延部分，其水壓等于或近于承壓含水層水壓。它通常以導(dǎo)水陷落柱和垂向?qū)當(dāng)嗔褞У男问匠霈F(xiàn)（稱之為潛越導(dǎo)水構(gòu)造）。前者如開(kāi)灤范各莊礦、霍州白龍礦和圣佛礦的突水陷落柱，后者如峰峰四礦的垂向?qū)當(dāng)嗔褞Вㄒ炎{處理）。

潛越導(dǎo)水構(gòu)造的高度各不相等，有的可達(dá)到很大高度，如范各莊礦2171陷落柱垂直導(dǎo)水高度為260m。白龍礦2-1101陷落柱導(dǎo)水高度為110m，峰峰四礦奧灰至大青灰?guī)r構(gòu)造導(dǎo)水通道高度為35m。范各莊礦突水陷落柱的過(guò)水能力為123000m3/h，其原始水壓應(yīng)為奧灰水壓，白龍礦突水陷落柱實(shí)測(cè)靜水壓力為奧灰水壓本次勘探的12個(gè)鉆孔都未直接揭露到潛越導(dǎo)水構(gòu)造體。劃定研究區(qū)內(nèi)的鉆探也未發(fā)現(xiàn)在鉆孔附近存在垂向?qū)畼?gòu)造的跡象。僅研究區(qū)外的11-O孔存在這種跡象。在11個(gè)鉆孔中上下含水層的水壓是一種遞增關(guān)系，唯獨(dú)11-0孔從K2開(kāi)始的含水層，包括奧灰上、下段的水壓都是0.635MPa，且K2的單孔涌水量達(dá)105m3/h。此表明，該孔外圍奧灰與上覆K2灰?guī)r及兩者間所有含水層之間存在直接連通關(guān)系。

6、水質(zhì)分析：

含水層：K2灰?guī)r、下組煤底板薄灰和砂巖含水夾層、奧灰（O2f2）。

地點(diǎn)：施工水文鉆孔、底板試驗(yàn)鉆孔、下組煤涌水點(diǎn)、主井底K2供水舊孔和地面奧灰水源井。

方式：鉆孔水樣除鉆探采取外，還在放水試驗(yàn)中對(duì)水質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

數(shù)量：分析水樣65個(gè)

特征分析：根據(jù)對(duì)水質(zhì)資料的分析，本區(qū)水質(zhì)有如下特征：

1）奧灰是K2的補(bǔ)給水源，團(tuán)柏礦井開(kāi)采下組煤對(duì)K2進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10余年的大流量疏排，因此K2水和奧灰水在水質(zhì)上已沒(méi)有什么差異，如在主要特征：水質(zhì)類型、礦化度、陰離子重碳酸根與硫酸根比例等方面。

在逕流條件好的情況下，兩者都是Ca2+—HCO3-·SO42-類型水，礦化度較低：800～1000mg/L，重碳酸根與硫酸根比例大于1（見(jiàn)表6-1）。

2）當(dāng)逕流條件不好時(shí)，無(wú)論是奧灰水還是K2水，水質(zhì)都差：為Ca2+—SO42-·HCO3-類型，礦化度變大，重碳酸根與硫酸根比例小于1（見(jiàn)表6-2）。

逕流條件良好奧灰和K2水質(zhì)特征             表6-1

逕流條件欠佳奧灰和K2水質(zhì)特征          表6-2

 

3）下組煤與奧灰間的砂巖、灰?guī)r含水夾層一般水質(zhì)差、礦化度較大，屬Ca2+—SO42-·HCO3-類型（見(jiàn)表6-3）。

底板含水夾層水質(zhì)特征                表6-3

內(nèi)容  取樣點(diǎn)	礦化度mg/L	總硬度  （Ca CO3）mg/L	陽(yáng)離子 mg/L		陰離子 mg/L
			K++Na+	Ca2+	HCO3-mg/L	SO42-mg/L	比值  ＜1
11#煤底板灰?guī)r（底3號(hào)孔）	1342	950	5.0	271.2	415.4	554.9	0.75
本灰（7-O孔）	1604	2150	未檢出	736.0	210.5	531.8	0.40
10—119工作面底板1號(hào)水	1329	836	51.7	232.0	342.5	620.7	0.55

4）放水試驗(yàn)水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，短期放水水質(zhì)變化不大，如礦化度（mg/L）1-O、2-O孔水樣由1200±降至1100±，但大多數(shù)孔未變。6-O孔經(jīng)放水和短期供水，水樣礦化度保持1500±m(xù)g/L。

7、脈沖干擾測(cè)試：

計(jì)算含水層水文地質(zhì)參數(shù)，進(jìn)行奧灰對(duì)K2灰?guī)r補(bǔ)給條件的辨識(shí)，對(duì)9個(gè)奧灰孔和1個(gè)K2灰孔進(jìn)行脈沖激發(fā)，共10個(gè)回次。

8、水文觀測(cè)和放水試驗(yàn)：

在單孔放水試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了階梯式非穩(wěn)定流群孔放水試驗(yàn)，正式放水試驗(yàn)從07年7月27日開(kāi)始，9月11日結(jié)束，歷時(shí)46天。7月27日至8月14日歷時(shí)18天，進(jìn)行了11個(gè)鉆孔的單孔放水試驗(yàn)。8月15日至9月11日歷時(shí)28天，進(jìn)行了兩次西邊群孔放水試驗(yàn)和兩次東邊群孔放水試驗(yàn)。此后，對(duì)作為供水源的7-O孔，以流量90m3/h的排水進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，至11月12日結(jié)束，歷時(shí)62天（對(duì)水位影響甚微）。群孔放水試驗(yàn)概況資料列于表8-2。

 

                    

 

 

 

 群孔放水試驗(yàn)概況資料                  表8-2

 

9、水文地質(zhì)計(jì)算：

用有限元數(shù)值模型反演水文地質(zhì)參數(shù)，建立預(yù)測(cè)模型，正演奧灰疏排水量。用疊加原理建立解析模型，預(yù)測(cè)奧灰突水量，數(shù)值模擬為雙層結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)三維模型，分東、西兩部共16個(gè)參數(shù)分區(qū)。解析模型為三維的。

 

分區(qū)參數(shù)計(jì)算成果表             表9-1

（水量計(jì)算）用建立的數(shù)值模型計(jì)算奧灰峰峰組含水層疏降水量：達(dá)到不同降深的疏排水量。運(yùn)算時(shí)先選取一個(gè)初始流量，計(jì)算降深未達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)用程序自動(dòng)調(diào)整流量。水量計(jì)算總框圖見(jiàn)圖10-4，計(jì)算成果見(jiàn)表10-2。東區(qū)和西區(qū)降深等值線見(jiàn)圖10-5和圖10-6。

水量預(yù)測(cè)成果表              表9-2

降深  m	水         量
	西   區(qū)		東   區(qū)
	m3/d	m3/h	m3/d	m3/h
10	6480	270	36240	1510
20			64320	2680
40	23500	980

突水量預(yù)測(cè)結(jié)果及其說(shuō)明

1）預(yù)測(cè)結(jié)果

用定水頭外邊界，類似解析模型的內(nèi)邊界，采用西區(qū)參數(shù)T、S，應(yīng)用三維數(shù)值模型程序計(jì)算，得西區(qū)突水量值域：310～1620m3/h。綜合解析和數(shù)值模型計(jì)算值，確定研究域西區(qū)（AB線以西）的突水量為300～1800m3/h。

研究域東區(qū)參數(shù)（導(dǎo)水系數(shù)）是西區(qū)的6倍，考慮到大流量會(huì)發(fā)生紊流而導(dǎo)致逕流阻力的增加，這里東、西區(qū)突水量倍數(shù)值取3，如此東區(qū)突水量值域?yàn)?/span>900～5400m3/h。研究域突水量預(yù)測(cè)結(jié)果列于表。

 

突水量預(yù)測(cè)結(jié)果表             表9-3

	分區(qū)	西   區(qū)		東   區(qū)
突水量		300～1800 m3/h	5～30  m3/min	900～5400  m3/h	15～90  m3/min

2）說(shuō)明

（1）突水通常是在帶壓開(kāi)采條件下遇到隱伏導(dǎo)水構(gòu)造（斷裂、陷落柱）而發(fā)生的。由于影響突水量因素的不確定性及不同高程承受水壓的不同，突水量預(yù)測(cè)給出的不是一個(gè)單一值，而是一個(gè)量測(cè)范圍，其上限（最大值）是抗災(zāi)排水能力設(shè)計(jì)所需要參考的。

（2）所預(yù)測(cè)的是常規(guī)突水量，并不能絕對(duì)排除突水量超出上限的可能。但這僅是一種可能，并非是一定會(huì)發(fā)生的。

 10、疏排水經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)：

 計(jì)算不同排水量的年排水費(fèi)用、噸煤排水電費(fèi)、電煤價(jià)比和經(jīng)濟(jì)最大允許排水量，計(jì)算了6個(gè)（500～3000m3/h）排水量和3個(gè)煤年產(chǎn)量（60～180萬(wàn)噸/年）條件下的排水經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

11、室內(nèi)分析：

水文地質(zhì)條件分析，底板保護(hù)能力評(píng)價(jià)，臨界突水系數(shù)確定，下組煤開(kāi)采安全性評(píng)價(jià)和分區(qū)，除本礦井外進(jìn)行了邯鄲、峰峰、開(kāi)灤、邢臺(tái)、井阱、焦作、鶴壁、淄博、新汶、棗莊、徐州、淮南、陽(yáng)泉、潞安、韓城等水害礦區(qū)的調(diào)研。

12、研究區(qū)下組煤開(kāi)采安全性評(píng)價(jià)：

1）礦壓破壞深度Cp

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，包含擾動(dòng)影響因素，10號(hào)煤礦壓破壞深度為12m。用包含上覆10號(hào)煤開(kāi)采影響，煤層厚度等參數(shù)的數(shù)值模型，計(jì)算得11號(hào)煤含擾動(dòng)因素的礦壓破壞深度為15m。

2）底板厚度M

根據(jù)以往和本次勘探資料，獲得10號(hào)煤和11號(hào)煤的底板等厚線圖。

3）水壓P

應(yīng)注意，煤層底板所承受的水壓（壓強(qiáng)）是對(duì)于煤層底面的，而不是對(duì)煤層隔水底板底面的。有煤層底面等高線和奧灰等水位線便可得水壓P值。 

突水系數(shù) 

用公式 

分別計(jì)算10號(hào)煤和11號(hào)煤層底板突水系數(shù)。將計(jì)算值制成突水系數(shù)等值線圖。由11號(hào)煤層底板突水系數(shù)等值線圖可見(jiàn)，研究區(qū)東部突水系數(shù)為0.065～0.22MPa/m，西部為0.03～0.18MPa/m。在10號(hào)煤底板突水系數(shù)圖上研究區(qū)突水系數(shù)范圍為0.015～0.07MPa/m。安全程度分區(qū) 

用臨界突水系數(shù)進(jìn)行安全程度分區(qū)，在研究區(qū)內(nèi)小于臨界突水系數(shù)的為相對(duì)安全區(qū)，大于臨界突水系數(shù)的為相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)。

1）11號(hào)煤安全程度分區(qū)

由11號(hào)煤層底板突水系數(shù)等值線圖可見(jiàn)，研究區(qū)東部突水系數(shù)為0.065～0.22MPa/m，西部為0.03～0.18MPa/m。

11號(hào)煤西部臨界突水系數(shù)為0.104MPa/m，東部為0.088MPa/m。以臨界值線為安全分界線，在研究區(qū)東部，大部分在安全區(qū)界線以外（約70%），為相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)；在西部，基本以10號(hào)煤底板+400等高線（或11號(hào)煤+390）為界，南側(cè)（約80%）為相對(duì)安全區(qū)，北側(cè)深部（稱為北部）為相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)。北部超限的原因一是深度大，壓力高，二是底板變?。ㄗ畋H17m）。東部超限因素還要加奧灰富水。

2）10號(hào)煤安全程度分區(qū)

在10號(hào)煤底板突水系數(shù)圖上研究區(qū)突水系數(shù)范圍為0.015～0.07MPa/m。10號(hào)煤臨界突水系數(shù)西部為0.126MPa/m，東部為0.107MPa/m。以上值為界，研究區(qū)東部和西部都在相對(duì)安全區(qū)范圍內(nèi)。

13、 下組煤安全開(kāi)采技術(shù)方法、防治水措施和規(guī)劃布局

相對(duì)安全區(qū)是現(xiàn)可開(kāi)采的，稱為可采區(qū)，相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)暫不開(kāi)采。研究區(qū)10號(hào)煤都在可采區(qū)。對(duì)于11號(hào)煤，研究區(qū)西南一大片屬可采區(qū)，北部相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)（屬研究區(qū)西部）奧灰富水性較差，稱為緩采區(qū)，東部相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)奧灰強(qiáng)富水，稱為暫禁區(qū)。重要的是給出可采區(qū)，主要是11號(hào)煤的安全開(kāi)采技術(shù)方法和防治水措施。 

基本方法 

對(duì)于可采區(qū)，基本方法就是在預(yù)防系統(tǒng)的保護(hù)下帶壓開(kāi)采。因?yàn)橄鄬?duì)安全區(qū)并非絕對(duì)不突水，因此要采取預(yù)防措施，但不動(dòng)奧灰水。11號(hào)煤的開(kāi)采應(yīng)由上而下，先采奧灰水壓小的高處，對(duì)上山部分是后退式的。 

預(yù)防措施 

預(yù)防措施主要針對(duì)11號(hào)煤的開(kāi)采。

建立強(qiáng)大的抗災(zāi)排水能力

這是最基本的措施。預(yù)計(jì)西部常規(guī)最大突水量為1800m3/h，因此除有礦井正常涌水量的排水能力外，抗突水的非常排水能力應(yīng)達(dá)到3000m3/h以上。采用直排式（一級(jí)排水），還應(yīng)有配套的水倉(cāng)容量和供電系統(tǒng)與管路系統(tǒng)。

隔離

實(shí)施采區(qū)隔離和上山與下山隔離及泵房隔離，這就要設(shè)置防水煤柱和防水閘門。

探水

1.鉆探

（1）按規(guī)范要求探水，有疑必探，先探后采，11號(hào)煤落差1m以上的斷層都在探水的考慮范圍。

（2）掌握10號(hào)煤采掘資料，凡10號(hào)煤揭露的陷落柱、大于3m（含3m）的斷層、特別破碎帶、底板涌水點(diǎn)必探。

（3）11號(hào)煤采掘中發(fā)生底板涌水的必探。

2.物探

考慮到實(shí)際效果，采用井下瞬變電磁法，坑透法配合。物探主要用于11號(hào)煤開(kāi)采，在首采的2～3個(gè)工作面中必用。

加固

（1）對(duì)已知陷落柱和斷層，利用探水孔對(duì)薄弱處進(jìn)行注漿加固，需要時(shí)補(bǔ)充注漿鉆孔。

（2）對(duì)底板重破碎帶，底板涌水處和物探驗(yàn)證了的異常區(qū)進(jìn)行注漿加固，重點(diǎn)是11號(hào)煤。小流量鉆孔的注漿可用能調(diào)節(jié)流量的高壓計(jì)量泵。

留設(shè)煤柱

（1）導(dǎo)水陷落柱（經(jīng)探水）留煤柱。

（2）斷層煤柱留設(shè)（是否留和柱寬）按《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》公式計(jì)算。原則上10號(hào)煤10m以上，11號(hào)煤5m以上斷層的下降盤(pán)要留煤柱，此落差以下斷層是否留煤柱看具體情況，包括探水與注漿的結(jié)果。

疏放11號(hào)煤底含水

    為創(chuàng)造采煤的干燥條件，并利于發(fā)現(xiàn)奧灰涌水的征兆，對(duì)11號(hào)煤的充水含水層：底灰及貼身石英砂巖含水夾層（統(tǒng)稱11號(hào)煤底含）進(jìn)行疏放。疏放可利用現(xiàn)有水平巷和上山巷打放水鉆孔，孔間距可作50m考慮，根據(jù)降壓效果（測(cè)壓）調(diào)整鉆孔密度。

其他

（1）保持11號(hào)煤底板原始厚度。根據(jù)10號(hào)煤開(kāi)采資料，掌握煤層起伏和斷層分布情況，避免采掘工程削減底板厚度，不在底板中做工程。

（2）盡量縮短空頂距。

（3）建立警報(bào)系統(tǒng)。

（4）設(shè)置避災(zāi)路線。

（5）作搶險(xiǎn)救災(zāi)的應(yīng)急預(yù)案。 

特點(diǎn)及應(yīng)用推廣情況：本研究成果適用于承壓水上的煤層開(kāi)采。承壓水上采煤在我國(guó)許多礦區(qū)都存在，但由于不同礦區(qū)的地質(zhì)條件不同，使得許多技術(shù)的使用受到限制，其中關(guān)鍵在于沒(méi)有切實(shí)有效的地質(zhì)異常區(qū)域探測(cè)技術(shù)，且對(duì)奧灰水研究較少，尤其是對(duì)處于K2和O2灰?guī)r之間的煤層開(kāi)采研究更少。本課題研究取得的技術(shù)可以準(zhǔn)確判斷工作面布置區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件，查明區(qū)域內(nèi)構(gòu)造、煤層底板至O2灰?guī)r之間底板薄弱帶、富水帶有無(wú)突水可能等水文資料，并通過(guò)采取有效措施實(shí)現(xiàn)對(duì)異常區(qū)域巖層的有效控制，使存在突水危害的承壓煤層安全開(kāi)采成為可能，尤其是在實(shí)現(xiàn)承壓煤層安全開(kāi)采的同時(shí)還可以有效地降低開(kāi)采成本，因此，在煤炭生產(chǎn)領(lǐng)域有著廣闊的推廣與應(yīng)用前景。

    通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)完善，取得在開(kāi)采過(guò)程中及采后對(duì)底板破壞深度實(shí)測(cè)，取得可靠的實(shí)測(cè)資料，進(jìn)一步優(yōu)化有關(guān)技術(shù)參數(shù)，擴(kuò)大適用范圍。

發(fā)現(xiàn)、發(fā)明及創(chuàng)新點(diǎn)：

    該項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：合理的選擇了安全性高的標(biāo)志含水量作為奧灰突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的監(jiān)測(cè)層；綜合利用了 分析、地質(zhì)雷達(dá)、音頻電和直流電法、坑透技術(shù)對(duì)采掘工作面內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行超前探測(cè)；對(duì)探明的采、掘工作面前方的異常區(qū)進(jìn)行有效的預(yù)注漿防水處理。

 1、查明了團(tuán)柏煤礦K2與O2間存在水力聯(lián)系，但聯(lián)系程度有限。

2、提出了保護(hù)層浸水和起始水力梯度的概念。

3、完善了突水系數(shù)法的應(yīng)用。

4、根據(jù)壓水試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析得出10＃煤和11＃煤的礦壓破壞深度。

5、應(yīng)用類比的突水系數(shù)值對(duì)研究區(qū)10＃煤、11＃煤進(jìn)行了下組煤開(kāi)采奧灰突水危險(xiǎn)性分區(qū)，并在此基礎(chǔ)上提出了安全開(kāi)采規(guī)劃布局和防治水措施。

應(yīng)用情況：該項(xiàng)研究成果已經(jīng)在團(tuán)柏煤礦開(kāi)始應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了團(tuán)柏煤礦下組煤10#煤層的安全回采，為11#煤層開(kāi)采積累了經(jīng)驗(yàn)。

經(jīng)濟(jì)效益：此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用在目前條件下僅團(tuán)柏礦井可解放10#煤儲(chǔ)量5600萬(wàn)噸，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益11.2億元

社會(huì)效益：下組煤帶壓條件下的開(kāi)采，使位于富水帶的煤量得以釋放，為類似條件下的采煤提供了可靠、有效的技術(shù)資料，為該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供依據(jù)。

 

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