下组煤首采工作面带压开采可行性分析.docx
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下组煤首采工作面带压开采可行性分析
凯嘉集团义棠煤业下组煤带压区首采工作面带压开采可行性分析报告
、
义棠煤业有限责任公司技术部
2013年10月15日
目录
1首采面区域内地质及水文地质条件分析-1-
1.1地质条件-1-
1.2水文地质条件-1-
2首采面区域内奥灰水文地质特征-2-
2.1水位-2-
2.2水压-2-
3首采面带压开采可行性分析-3-
3.1首采面区域内底板隔水层阻隔水性能分析-3-
3.2首采面区域内奥灰突水系数计算-5-
3.3首采面底板破坏深度的确定-7-
3.4首采面安全隔水层厚度计算-10-
3.5首采面带压开采配套工作-11-
4结论-11-
为实现义棠煤业煤矿开采工作的持续可行，鉴于非带压区域开采殆尽，尝试性地在初步带压区域布置首采工作面；在带压开采首采工作面布置的同时，为确保该区开采确实安全可行，在原有地质、水文地质资料和水文地质补充勘探资料的基础上，对首采区带压开采突水危险性和可行性进行了分析。
1首采面区域内地质及水文地质条件分析
清楚带压开采区域所在的地质及水文地质环境是进行突水危险性分析的基本条件，是安全开采可行性分析的确实依据。
1.1地质条件
下组煤属于石炭系太原组煤层。
下组煤带压开采首采工作面煤层底板标高在+520m～+440m，煤层南高北低，倾角为10°左右，向西有整体下坡的趋势，坡度很小，埋藏深度约为400m。
下组煤带压开采首采工作面计划采高为5m，下伏直接底为11#煤层，其下泥岩与1～2层砂岩和2～3层灰岩交替分布，距离奥灰承压含水层为23m左右；上覆地层厚度约400m，直接顶为10m左右的灰岩；在水平方向上紧邻西翼皮带大巷布置，属于初步带压范围。
已有资料表明，在首采工作面内仅有F11断层在距设计切眼446m处横切工作面，该断层落差9m，倾角75°，其余断层几乎没有波及该工作面；义棠井田整体上属于单斜构造，井田内没有见到过褶曲构造，也没有揭露过岩溶陷落柱。
整体上讲，该区域属于中等深度缓倾斜煤层开采。
1.2水文地质条件
该区含水层主要有第四系松散层含水层，以及上组煤顶板的砂岩组孔隙含水层，除此，上下组煤之间的砂岩组和灰岩组也是该区域内的含水层，奥灰为该区域内主要的含水层；第四系含水层和上组煤顶板砂岩组含水层之间赋存有多层泥岩，泥岩隔水性能相对较好，使得该两层含水层之间的水力联系相对较差，砂岩组含水层主要接受侧向渗透补给，该含水层水在上组煤开采过程中已被逐步疏干；上下组煤之间的砂岩和灰岩组含水层在下组煤非带压区域开采时只有局部淋水现象，一定程度上可以说明，该含水层组含水性相对较弱，且主要接受侧向渗透补给，渗透源主要为大气降水，只有在雨季渗透量较大，但由于所在区域气候的影响，在雨季降雨量一般不大，所以渗透补给量也相对不大，在非雨季补给量更小，所以该含水层一般不会对下组煤开采造成水害威胁。
奥灰含水层为承压水含水层，对下组煤的开采有一定的威胁，本报告主要针对奥灰强含水层，已有资料显示，在首采面区域内最高水压值为0.9MPa，隔水层厚度为23m左右，揭露奥灰最高水位为+535m。
2首采面区域内奥灰水文地质特征
2.1水位
该区域水位资料通过以往突水资料和补充勘探资料确定，2008年该矿井发生一次奥灰突水水害，突水发生后进行抽排水，水位稳定在标高+530m，2012年施工的五个水文地质补充勘探孔，测得其中最高水位为+535m（表1）。
孔号
进奥灰深度（m）
观测水位标高（m）
备注
YS1
350.7
535.000
YS2
42
涌水量80m3/h
YS3
121
527.244
YS4
121
526.447
水1
140
529.685
综合已有资料，确定奥灰水位为+535m。
2.2水压
首采工作面分析计算范围内煤层底板标高最低为+420m，揭露奥灰最高水位为+535m，所以奥灰水头可以确定为115m，从而可以计算出奥灰顶界水压为1.15Mpa。
首采工作面内虽然没有直接揭露奥灰水压，但是整个井田范围内多处揭露的奥灰水位最高为+535m，所以在首采面内可以依据该水位进行计算水压值。
3首采面带压开采可行性分析
首采工作面可行性分析主要依据对该工作面一定范围内突水系数的计算，其次采用一定手段确定该范围内底板采动破坏深度，然后分析采动破坏带破断下组煤底板隔水层的情况；此外在首采工作面回采巷道掘进的时候，利用安全隔水层厚度计算公式计算首采工作面设计参数下的底板安全隔水层厚度，对比分析掘进过程中相关工作的安全性。
另外，依据现有资料定性分析下组煤带压开采首采工作面底板隔水层阻隔水性能，综合分析首采区域内突水危险性。
3.1首采面区域内底板隔水层阻隔水性能分析
下组煤带压开采首采工作面附近分布有师6-3、师6-4和师4-4三个钻孔，距工作面的距离分别为200m、60m和90m（钻孔分布与首采面位置关系图见附图），在这三个钻孔控制的范围内，以该三孔揭露的隔水层厚度为基本数据运用Kriging插值计算方法算的首采区区域内隔水层厚度变化，其结果显示厚度变化比较稳定，结合三孔资料，一定程度上可以推测该范围内岩性组合也相似，所以该区域内隔水层阻隔水性能分析以上面三个钻孔资料为依据。
依采掘计划，首采面将沿10#煤层的底板回采，以上三孔揭露的首采面煤层底板（10#煤层底）到奥灰之间的距离为：
下组煤带压开采首采面底板隔水层厚度统计表
孔号
10#煤层底）到奥灰之间的距离（m）
师6-3
22.864
师6-4
23.374
师4-4
24.245
岩性以泥岩为主，中间夹有1～2层砂岩和2～3层灰岩。
底板岩层是由不同岩性的岩层组成，不同岩性的岩层其岩体结构和力学性质不同。
泥岩、砂岩和灰岩的物质组成和胶结物以及水理力学性质有差异，阻水性能就有所不同。
不同岩层组合对底板阻水性能的影响如下：
上下软中间硬型：
采动破坏小，水压破坏不易发生，这种类型的底板阻水性能较好；
下软上硬型：
采动破坏较大，上部裂纹在采动作用下最容易扩展并相互连通，下部为页岩和泥岩时，不易产生水压破坏，但水压足够高且存在断层影响时，易于形成突水通道，总体阻水性能会大幅下降；
软硬互层型：
通常为砂岩和泥岩、页岩互层，采动破坏和水压破坏都小，是很好的隔水层；
下硬上软型：
此类岩层组合采动破坏和水压破坏深度较大，但因上部岩层软，水压在导升一定高度时，很难使其破坏，且上部采动裂隙的贯通率较差，阻水性能较好。
下组煤带压开采首采面煤层底板岩性柱状软硬组合如下：
下组煤带压开采首采面底板隔水层岩石软硬分类表
编号
隔水层柱状
岩性强度
1
10#煤
2
11#煤
软
3
页岩组
软
4
泥岩组
软
5
砂质页岩组
软
6
铝土页岩组
软
7
砂岩组
硬
8
页岩组
软
9
砂岩组
硬
10
页岩组
软
11
灰岩组
硬
12
页岩组
软
13
灰岩组
硬
14
铝土泥岩组
软
从上表可以看出，下组煤带压开采首采区隔水岩组为软-硬-软相间的组合，整体趋势为上下软，中间硬，采动破坏小，水压破坏不易发生，其阻水性能好。
底板各岩层因岩性、强度和抗变形能力不同，其在抵抗底板采动变形、破坏和突水过程中的作用不同。
泥岩累软岩主要体现为阻水性能，而砂岩和灰岩主要体现为抗变形、破坏性能。
即底板组合岩组的隔水性能与隔水性岩组和抗变形岩组的组成比例有关，若果抗变形岩组少则底板难以抵抗高压水的压力而破坏，隔水岩组少则底板难以组个高压水的渗入。
根据上面三个孔资料，下组煤带压开采首采面底板各种岩性厚度所占隔水层总厚度比例为：
下组煤带压开采首采面底板隔水层各种岩性厚度占其总厚度的比例表
孔号
隔水层总厚度（m）
软岩组厚度（m）
硬岩组厚度（m）
隔水岩层厚度占总厚度比（%）
抗变形岩层厚度占总厚度比（%）
师6-3
22.864
18.440
4.424
80.7
19.3
师6-4
23.374
17.199
6.175
76.1
23.9
师4-4
24.245
20.150
4.095
83.1
16.9
根据以上统计结果，底板隔水岩层和抗变形岩层厚度分别占底板隔水层总厚度的平均比例为79.97%和20.03%，从该比例可以看出，二者比例近4:
1，隔水层隔水性能较抗变形性能强，而本区水压相对较低，总体上讲，该区域底板隔水层阻隔水性能相对较好。
3.2首采面区域内奥灰突水系数计算
突水系数计算公式为：
式中T代表突水系数，Mpa/m；P代表奥灰顶界水压值，Mpa；M代表隔水层厚度，m。
突水系数计算公式在1976年水文地质会战期间提出，经过多次修正最终还是回到了原型。
用突水系数法评价底板突水危险性必须借助于临界突水系数实现，临界突水系数来源于对全国范围内突水事故较多的矿区资料的分析总结，得出的经验值，结果如下表：
突水系数临界值统计表
矿区
突水系数临界值（MPa/m）
峰峰
0.066～0.076
焦作
0.060～0.100
淄博
0.060～0.100
井陉
0.060～0.150
最终确定适用于全国范围内的临界突水系数为：
底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa/m，正常块段不大于0.1MPa/m。
下组煤带压开采首采工作面设计尺寸为：
工作面长度2000m，宽度180m，采高5m，突水系数计算范围在回采煤层底板标高+520m～+420m之间，在工作面宽度方向上水平距离为500m，远大于工作面宽度，突水系数计算范围的高压边界离工作面的最近距离为140m，大于任何情况下防隔水煤岩柱留设尺寸的规格。
前面已确定奥灰含水层最高水位为+535m，计算范围内煤层底板标高最高为+520m，最低为+420m，所以水压值最大为1.15MPa，最小为0.15Mpa，计算突水系数如下表：
下组煤带压开采首采面奥灰突水系数计算表
孔号
最大水压（Mpa）
最小水压（Mpa）
隔水层厚度（m）
最大突水系数（MPa/m）
最小突水系数（MPa/m）
师6-3
1.15
0.15
22.864
0.050
0.007
师6-4
1.15
0.15
23.374
0.049
0.006
师4-4
1.15
0.15
24.245
0.047
0.006
结算结果标明，在首采面范围内突水系数最大值0.050小于《煤矿防治水规定》中规定的构造破坏块段上限值0.06，所以该工作面在一般情况下发生突水危险的可能性很小，加之，在实际回采位置计算所取水压值偏大，所以回采段突水系数更小，发生突水危险的可能性也更小。
3.3首采面底板破坏深度的确定
由于本矿底板采动破坏深度没有实测值，只能依据理论分析和经验公式计算确定。
已有的理论和采矿实践证实采动作用下煤层底板破坏深度见下表：
采动作用下煤层底板的影响深度
岩体类型
直接破坏带深度（m）
坚硬
>70Mpa
11～20
中硬30<
<70Mpa
10～17
软弱
<30Mpa
8～12
该区域底板岩体多为软弱岩，平均抗压强度一般情况都小于30Mpa，属于软弱类型岩体，所以根据应选直接破坏带深度为8～12m。
其次，根据多个经验公式计算，综合结算结果，权衡确定该区域底板破坏深度取值。
经验计算分别采用以下公式计算：
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
公式中：
代表工作面的宽度，m；
代表开采深度，m；
代表煤层倾角，在
（1）中为rad，其余式中为角度；
代表煤层开采厚度，m；
代表底板岩体的坚硬系数。
本次计算工作面宽度
取180m；采深
在该区域内最大值为362.5m，由于影响很小，为保守实际取400m进行计算；煤层倾角
取10°；煤层采厚
实际为4.8m，由于影响很小，为方便计算实际取5m；底板岩体坚硬系数
取3。
将以上参数带入各个公式计算结果如下：
底板采动破坏深度经验公式计算结果
公式
计算结果（m）
公式
计算结果（m）
（1）
17.07
（4）
20.13
（2）
20.12
（5）
19.11
（3）
19.30
（6）
20.14
以上经验公式分别来自线性回归模型和非线性回归模型，经多个经验公式计算，本区底板采动破坏深度最大值为20.14m，小于该区隔水层最小厚度22.864m，说明底板采动破坏不会直接破断底板隔水层。
直接运用经验公式计算底板采动破坏深度需要对其可靠性进行分析。
为了保证本次经验公式计算的可靠度，搜集整理了我国部分煤矿的底板采动破坏深度的实测值，同时根据各矿相关参数运用以上各个经验公式进行了计算，并将经验公式计算结果与实测值进行了对比分析。
通过对我国不同地区10各煤矿，18组数据的统计分析（结果如下表），结果发现同一矿同一区域用不同经验公式计算的结果有的与实测值相近，有的则偏离实测值较远，但是各个经验公式计算结果的平均值则比较接近该区域的实测值，18组数据分析计算结果中，有11组数据的平均值的误差都在5%以下，有4组数据由于断层带破坏和原生裂隙发育的影响，导致经验公式计算值偏离实测值较远，且小于实测值，剩余3组数据计算平均值偏离实测值很远，由于实际资料不详，没有进行分析。
资料分析结果表明，运用各个经验公式计算的平均值很大程度上
矿名
工作面宽度
埋深
倾角
采高
硬度系数
公式1
公式2
公式3
公式4
公式5
公式6
平均值
实测值
差值
误差
备注
邯郸王凤矿
80
132
20
2.5
3
9.83
9.33
10.09
8.73
10.72
8.97
9.61
10
-0.39
3.89%
邯郸王凤矿
70
123
15
1.1
5
8.06
8.25
9.07
6.74
8.73
7.41
8.04
8
0.04
0.55%
邯郸王凤矿
100
123
15
1.1
2.6
11.64
11.49
12.06
9.98
12.30
10.28
11.29
13.4
-2.11
15.73%
断层带破坏
峰峰二矿
120
145
16
1.5
2.5
13.32
13.65
13.96
12.49
14.02
12.40
13.31
14
-0.69
4.96%
峰峰二矿
135
130
15
1.4
5
13.33
15.27
15.34
13.81
14.00
13.77
14.25
13.8
0.45
3.28%
潦合二矿
100
300
8
3
7
11.87
11.49
12.06
10.31
12.21
11.45
11.57
12
-4.03
3.61%
韩城马沟渠矿
120
230
10
2.3
5
13.31
13.65
13.96
12.21
13.74
13.63
13.42
13
0.42
3.20%
鹤壁三矿
180
230
26
4
4
16.53
20.12
19.30
21.35
17.67
18.95
18.99
20
-1.01
4.54%
邢台矿
160
248
4
3
5
15.75
17.96
17.57
15.68
15.92
18.08
16.83
16.4
0.43
2.60%
邢台矿
60
330
4
5.4
2.7
9.43
7.17
8.02
5.59
9.59
8.69
8.08
9.7
-1.62
16.68%
断层带破坏
邢台矿
100
330
4
5.4
5
12.77
11.49
12.06
9.90
12.93
11.01
11.69
11.7
-0.01
0.06%
淮南新庄孜矿
128
310
26
1.8
3.1
15.15
14.51
14.70
16.42
16.28
14.35
15.24
16.8
-1.56
9.32%
井陉三矿
30
227
12
3.5
6.5
1.82
3.94
4.60
2.81
2.35
6.48
3.67
3.5
0.17
4.76%
井陉三矿
34
450
9
7.5
2.6
6.06
4.37
5.09
4.63
6.42
5.87
5.41
8
-2.59
32.41%
断层带破坏
井陉三矿
45
450
9
4
5
7.53
5.56
6.37
5.82
7.90
6.08
6.54
6.5
0.04
0.67%
开滦赵各庄矿
200
900
26
2
5
23.47
22.28
21.00
29.20
24.54
21.85
23.72
27
-3.28
12.14%
开滦赵各庄矿
200
1000
26
2
5
24.38
22.28
21.00
30.05
25.44
21.61
24.13
38
-13.87
36.51%
底板原生裂隙发育
新汶华丰矿
120
560
30
0.94
5
16.32
13.65
13.96
18.35
17.61
14.74
15.77
13
2.77
21.31%
我国部分煤矿不同规格工作面底板破坏深度计算值与实测值对比表
与实测值相近，具有一定的可靠性，所以本区底板采动破坏深度可以
根据此次经验公式计算的平均值确定。
本次运用6个经验公式计算结果的平均值为19.58m，可以作为该区底板破坏深度理论值，也小于该区底板隔水层的最小厚度，但是由于该区直接地板为泥页岩互层型，从理论上讲，极端不利于采动破坏的发育，所以实际底板破坏深度很大程度上要小于19.58，联合考虑理论分析破坏深度8～12m，
所以该区底板破坏深度在8～19.58m之间；另外，该区奥灰顶界以上的隔水层段为厚度4～8m左右的泥页岩，且该区水压比较低，据已有实测资料显示，在奥灰水压低且其直接顶为一定厚度的泥岩时，奥灰承压水导升带很小，甚至为0；综上所述，该区底板隔水层不会直接破断造成突水。
3.4首采面安全隔水层厚度计算
为进一步评价底板安全程度，对奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层带压开采可行性进行分析计算：
①用斯列沙夫公式计算下组煤带压开采首采面底板安全隔水层厚度：
（7）
式中：
t－安全隔水厚度（m）
－采掘工作面底板最大宽度（m）
r－隔水层岩石容重（MN/m3）
Kp－隔水层岩石抗张强度（MPa）
P－隔水层底板承受的水头压力（MPa）
采用式（7）计算工首采面煤层底板安全隔水层厚度；巷道底板宽度L取值为4m，隔水层岩石容重
取值为0.028MN/m3，隔水层岩石平均抗张强度Kp=0.27MPa；p取值为1.15MPa，因此，隔水厚度为：
采用斯列沙辽夫公式（7）计算出的安全隔水厚度为5.43m，这说明只要隔水层厚度达到5.43m以上，工作面回采就是安全的，而不会出现奥灰水突水问题，实际最小隔水厚度为22.86m，厚度大于计算出的安全隔水厚度。
3.5首采面带压开采配套工作
为保证带压开采工作确实安全可行，首采面掘进和回采过程中将加强探放水力度。
在回采巷道掘进过程中严格按照探放水原则和探放水规程进行探放水设计和施工作业。
下组煤带压开采首采面面临的最大危险为断层导通底板高压奥灰含水层，所以巷道掘进过程中严格执行“有掘必探，先探后掘，物探在先，钻探验证”的原则，在每次掘进施工前首先要进行超前探测，利用瞬变电磁法探测掘进工作面前方断层导水情况，然后再进行钻探验证，若存在断层导水情况，根据实际情况采取注浆封堵或留设防水煤岩柱；在回采前要利用无线电波透视法对会采工作面内构造导水情况进行探测，若存在可疑情况，将采取相应的措施，确保回采工作安全可行。
4结论
通过对现有的和补充勘探资料的分析，得出以下结论：
（1）下组煤带压开采首采面回采面临的可能水害威胁只有奥灰底板含水层的高压水，其顶板以上的其他含水层和周边水体几乎不会对首采面的会采工作造成影响；
（2）通过对对应区域水位资料分析，确定首采面所在一定范围内最高水压值为1.15MPa；
（3）通过分析，认为下组煤带压开采首采面一定范围内隔水岩组为软-硬-软相间的组合，整体趋势为上下软，中间硬，采动破坏小，水压破坏不易发生，其阻水性能好。
（4）根据统计结果知，底板隔水岩层和抗变形岩层厚度分别占底板隔水层总厚度的平均比例为79.97%和20.03%，从该比例可以看出，二者比例近4:
1，隔水层隔水性能较抗变形性能强，而本区水压相对较低，总体上讲，该区域底板隔水层阻隔水性能相对较好；
（5）通过计算，在首采面范围内突水系数最大值0.050小于《煤矿防治水规定》中规定的构造破坏块段上限值0.06，所以该工作面在一般情况下发生突水危险的可能性很小，加之，在实际回采位置计算所取水压值偏大，所以回采段突水系数更小，发生突水危险的可能性也更小；
（6）该区煤层直接底板为泥页岩互层型，从理论上讲，极端不利于采动破坏的发育，所以实际底板破坏深度很大程度上要小于理论值19.58，联合考虑理论分析破坏深度8～12m，确定该区底板破坏深度在8～19.58m之间，小于该区隔水层最小厚度22.86m；另外，该区奥灰顶界以上的隔水层段为厚度4～8m左右的泥页岩，不利于承压水导升带的发育；总之，该区底板隔水层不会直接破断造成突水；
（7）采用斯列沙辽夫公式计算出的安全隔水厚度为1.8m，实际最小隔水厚度为22.86m，厚度大于计算出的安全隔水厚度，回采过程中不会发生突水危险；
（8）掘进和回采过程中，严格执行探放水工作条例，可以实现安全开采。
附图：
钻孔分布与首采面位置关系图
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