刘晓明

[摘 要]随着煤矿开采深度的不断增加，带压开采已经成为深部矿井普遍应用的一种采煤方法，而带压水上采煤的关键问题之一是确定采动引起的底板破坏深度。针对芦河煤矿15号煤层开采引起的底板采动破坏深度开展相关研究，以该矿综采工作面开采为工程背景，采用理论分析计算底板岩层的破坏深度。将计算结果与现场实测结果进行对比，探讨理论计算的可靠度及并综合确定底板破坏的厚度，为芦河煤矿带压开采工作面煤层底板破坏预测与防治提供科学依据。研究结果可为芦河煤矿今后底板破坏防治方案的制定提供重要依据，为落实矿井高效、安全生产提供借鉴。

[关键词]带压开采，地板破坏，安全，厚度

中图分类号：TD745 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）02-0126-01

1.前言

煤炭是我国的主体能源，我国深受煤层底板奥陶系灰岩水威胁的煤炭储量达数百亿吨，要安全采出这部分煤炭，带压开采是主要的途径之一，目前在深部矿井开采中的应用也越来越普遍[1，2]。在进行带压开采时需要分析底板破坏特征，確定底板破坏深度，评价底板隔水层的阻水能力，但在煤层开采过程中，底板破坏是受煤层情况、顶底板特性、工作面布置方式等多种因素影响，其破坏规律较为复杂，破坏深度难以准确确定。

研究结果表明，带压开采条件下底板采动破坏程度主要取决于工作面的矿压作用。其主要的影响因素主要包括：开采深度、煤层倾角、煤层开采厚度、工作面长度、开采方法及顶板管理方法等。其次是底板岩层的抗破坏能力，包括岩石强度、岩层组合及原始裂隙发育状况等底板导水破坏带的深度主要与工作面的斜长，底板岩性及其结合状况，采深及煤层倾角。为了准确的评估底板破坏厚度，本文结合芦河煤业15号煤层的工程地质及水文地质条件，通过模型计算分析底板破坏厚度，为煤矿安全生产服务。

2.矿井概况

在矿井建设与生产过程中，矿井水害是矿井主要灾害之一。随着我国矿产资源开发力度的加大和矿井开采地质环境与工程环境的变化，矿井水诱发的矿井水害事故，对矿井安全生产、生态环境的影响和破坏以及人民生命财产的伤害，已经引起了高度重视和社会的广泛关注。

山西兰花集团芦河煤业有限公司为年生产能力90万t的中型矿井，批准开采3～15号煤层，现开采3号煤层。井田内3号煤层开采部分存在带压，15号煤层大部存在带压。煤层带压开采的含义是指利用煤层底板以下相对隔水岩柱的隔水性能，采取综合防探、防治措施，在不触及或少触及岩溶水天然流场条件下，带着全部岩溶水水头压力进行岩溶型煤层的开采。

芦河煤业3号煤层底板标高630～320m，15号煤层底板标高240～540m，奥灰水位标高为483～489m，在井田内不同程度地存在带压开采现象，其承受的压力范围为0-2.48MPa，总体趋势是中部压力较小，向东西两侧边界逐渐增大。井田能否实现安全带压开采，还取决于井田的水文地质条件、构造条件、有效隔水岩柱厚度及其隔水、抗水性能。在底板隔水岩柱薄弱的地带或断裂、陷落柱等构造破碎带，存在着岩溶水突破相对隔水层溃入矿井的可能性。本矿批采煤层为3号、15号煤层，本文主要探讨15号煤层在带压开采条件下，下部的底板破坏厚度，并评价其对矿井安全生产的影响。

3.研究方法

带压开采主要是指采掘工程位于煤层底板含水层的承压水位以下的一种作业状态。在现有经济技术条件下，充分利用主采煤层以下至威胁主采煤层采掘安全的下伏含水层顶面之上隔水岩层的抗（阻）水性能，在不采取或在经济技术许可的范围内，采取某些技术措施之后，能较顺利地进行煤层安全生产开采的采掘过程。

相关规程列出了底板采动破坏深度关系最密切的是工作面斜长、采深、采厚和倾角等因素的实测参数，其统计范围工作面斜长30～200m，采深100～1000m，倾角4°～30°，一次采高0.9～5.4m（分层开采总厚<10m）。采用回归分析，只考虑工作面斜长，得出下述统计公式：h1=0.7007+0.1079L；式中：h1—底板采动导水破坏带深度，m；L—壁式工作面斜长，m。若考虑采深、倾角和工作面斜长，则可得出下述统计公式：h1=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579；式中：H—开采深度m；α—煤层倾角（°）。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。

根据山东矿院李加祥在河北、河南、安徽、陕西8个矿11个工作面的实测资料，采用多元回归分析法得出的经验公式：

式中：h1—底板矿压破坏深度（m）；L—工作面的倾斜长度（m）；H—煤层的开采深度（m）；F—底板岩层的坚固系数；α—岩层倾角。

芦河煤矿煤层倾角3-15°，本次计算取10°；L—工作面斜长160m；H—15号煤层的最大开采深度385m。两种方法计算的15号煤层最大底板破坏厚度分别为17.77-18.83m。

从以上两经验公式可以看出，工作面底板导水破坏带的深度是与工作面的斜长、煤层的开采深度、底板隔水岩柱的岩性组合及岩体结构类型密切相关的，工作面的斜长影响最大。

根据井田钻孔资料，按照相关计算模型可以确定各煤层有效隔水层厚度（有效隔水层厚度=隔水层厚度-底板破坏带厚度岩柱的厚度）。经计算，15号煤层底板带压区奥灰岩溶水突水系数（T突水）最小值为0.0695MPa/m，带压系数（T带压）最大值为0.2481MPa/m。

4.危险区评估

井田内15号煤层带压区奥灰岩溶水突水系数最小值为0.0695MPa/m，突水系个别孔数值小于0.1MPa/m，大部分突水系数大于0.1MPa/m。15号煤层距奥灰顶面的隔水岩柱平均厚度为13.79m，最大底板破坏厚度为17.77-18.83m，大部分区域无有效隔水岩柱，隔水层隔水性能差，带压开采危险性较高，带压区划理论上应为两个区，即相对安全区，突水危险区，由于在带压范围内绝大部分区域有效隔水层厚度均小于0m，仅2114及2116钻孔计算出来的突水系数小于0.10MPa/m，且面积很小，为安全起见，故本次将15号煤层突水系数小于0.10MPa/m的区域一并划归为危险区，因此，15号煤层带压区均为危险区。

在带压开采相对安全区，矿井应在加强防治水工作的情况下进行带压开采。在突水危险区，应引起足够重视，必须采取可靠的安全技术措施后才可进行带压开采。特别是在构造发育地段和突水系数大于0.1MPa/m的地段，底板发生突水可能性大，未经专门的带压开采条件勘探、研究评价，不允许进行带压开采。只有在采取安全技术措施后才可进行带压开采。

5.结论

在目前的综采条件下，工作面的斜长是煤层底板破坏带厚度的主要因素。本次仅采用行业内常用的两种方法进行研究，不同的模型计算方法或经验公式得出的结果不尽相同，对煤矿安全生产都有一定的指导意义。当然，也可能存在一些其他的影响因素，希望煤矿在生产过程中能及时记录下实测数据，对煤层底板破坏带进行进一步的研究，以保证煤矿安全生产。

参考文献

[1] 许延春，陈新明，姚依林.高水压突水危险工作面防治水关键技[J].煤炭科学技术，2012，40（9）：99-103.

[2] 李昂，谷拴成，陈方方.带压开采煤层底板破坏深度理论分析及数值模拟[J].煤田地质与勘探，2013，41（4）：56-60.