项目名称: 团柏矿下组煤带压开采技术研究

申报单位: 霍州煤电团柏煤矿

主要完成人：李慎举  卫广生  王玉海  陈福明  张建设  王海平  杨亚杰  

苏俊辉  韩  伟

主要完成单位：霍州煤电集团有限责任公司团柏煤矿

专业（学科）分类名称代码：440  3510

所属国民经济行业：B类型

任务来源：自选

项目起止时间：1996年1月——2009年1月

主要科技内容：通过在井下施工一定数量钻孔，进行放水试验和水力、水化及其它各项测试工作，取得一定技术数据，进行实验室样品测试和模型模拟试验计算，得出各种水文地质参数，计算水量，查明K2、O2水力联系，测试底板下“三带”深度，对下组煤开采水文地质条件进行分析评价，确定临界突水系数，进行突水机理研究和突水危险程度分区，确定带压安全开采范围和开采下限，进行排水经济评价，确定工作面开采宽度，给出下组煤安全开采技术方法，提出针对性的防治水措施，给出安全开采规划布局。

特点：查明了团柏煤矿K2与O2间存在水力联系，但联系程度有限；提出了保护层浸水和起始水力梯度的概念；完善了突水系数法的应用；根据压水试验和数值模拟分析得出10＃煤和11＃煤的矿压破坏深度；应用类比的突水系数值对研究区10＃煤、11＃煤进行了下组煤开采奥灰突水危险性分区，并在此基础上提出了安全开采规划布局和防治水措施。

技术经济指标：下组煤水文地质研究成果的取得，解放了团柏煤矿下组煤约3000万吨煤炭储量，为下组煤安全带压开采提供了理论依据，并提出了防治水相关措施，延长了矿井的服务年限，并为进一步研究矿井水文地质条件提供了宝贵的基础资料。

应用推广情况：研究成果满足矿井安全生产需要，查明了下组煤开采水文地质条件和水文地质参数，进行安全开采性评价，划分安全分区，确定安全开采技术方法和防治水措施，给出安全开采规划布局，对条件相似条件矿井具有重要的指导意义、参考价值和良好的推广应用前景。

立项背景：团柏井田西部上组煤根据资料不可采，但下组煤开采除受顶板充水含水层K2灰岩的涌水之害外，还面临下伏区域巨厚强含水层奥灰的突水威胁，这种威胁是严重的，因为下组煤距奥灰很近（底板全国最薄地区，见图1-1），10号煤平均36m，11号煤平均仅为25m，这种威胁是严重的。因此解放西部受奥灰水威胁的下组煤炭资源是当务之急。开采所面临问题如下：下组煤，特别是11号煤能否开采，开采的安全性和下限，若能开采如何实现安全开采？如何进行开采的安全布局和合理规划？显然，下组煤中11号煤的安全开采问题是个重大难点。为解决团柏矿井西部下组煤开采问题，霍州煤电集团公司立项“团柏煤矿下组煤带压开采水文地质条件研究”，于2005年7月委托山西国信招标代理有限公司招标，由中标的西北有色勘测工程公司为合作单位。于2006年4月共同并编制了施工组织设计。

科技内容：1、钻探工程：钻探工程主要内容是逐深水文观测，钻探人员设备于06年6月1日进场，6月22日开钻施工第一个钻孔7-O孔，于07年2月4日，末孔11-O终孔，工期6个月又13天，共12个钻孔，其中11个奥灰孔，1个K2灰岩孔（K2已大面积疏干），呈两排分布。以首采暗斜井为中界，东部6个孔沿四四三大巷东西横向排列，5个奥灰孔，1个K2孔，其中东边远控奥灰孔（11-O）布置在近团柏河，距暗斜井约2600m。西部6个奥灰孔沿首采区上山轨道巷呈南北向排列，纵长约1200m。

开孔层位四四三大巷一般为1号煤顶板，下组煤轨道巷一般为9号煤底板。孔口管入岩深10～12m，终孔孔径89mm，设计奥灰裸孔段长35m±，实际施工总工程量1544m。套管固结止水，水文观测按规范实施，关闭阀门无泄水。岩芯采取率平均达到75%。钻孔涌水量较大（采取了打斜孔的措施），单孔涌水量最小3.1m3/h，最大150m3/h，奥灰钻孔涌水量之和为957m3/h，K2灰岩孔单孔涌水量28.2m3/h。

2、10号煤矿压破坏深度测试：测定不同埋深底板钻孔起始水压和同压进水量，确定直接破坏深度和扰动损伤程度，施工工程量：底板试验钻孔5个，工程量199m。最后得出结论是：矿压直接破坏深度为9.5m，此下面的扰动带岩层抗水压强度明显减弱，因此综合两方面因素，矿压破坏深度定为12m。

经现场测试，10#煤底板的矿压破坏深度为12m。

3、岩石力学测试：根据数值模型计算的需要，对10号煤层底板（奥灰以上）的岩石组成进行了岩样采取和力学参数测试工作。

1）岩石取样与制备

取2个系列（二套）岩样，每套有9个岩性组成：泥岩、铝质泥岩、黄铁矿结核鲕粒铝质泥岩、粉沙质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩、石英砂岩、灰岩、煤。对每个岩性组成

进行8项测试，每组岩样取岩芯30块，共取岩样：30×9×2=540块。岩样按照TSRM（国际岩力力学协会）规范采取，保管和加工，其中样径＞50mm，高径比2.0～3.0，端面磨平度0.02mm，侧面不平度≤0.1mm，轴线垂直度每50mm≤0.005mm，加载速度0.49～0.98MPa/S（剪切＞200N/S），加载时间5～10min（剪切＞15～30S）。

2）力学参数测试

（1）容重测试

获得岩石天然容重γ（gf/cm3）。

（2）单轴压缩试验

岩石强度用应力的极限值表示。此项试验测定岩石的单轴抗压强度σc（MPa）。

（3）抗拉试验

测出岩石的天然抗拉强度σγ（MPa），反映岩石抗拉伸破坏的能力。

（4）剪切试验

对天然抗剪强度στ（MPa）的测试，应用库仑定律求出岩石的粘聚力c（MPa）和内摩擦角值Φ（度）。

（5）天然变形指标测定

获得弹性模量E（MPa）和泊松比ν。

4、11号煤矿压破坏深度数值模型分析、采宽对破坏深度影响的数值模型分析：建立考虑10号煤开采影响的数值模型，应用岩石破裂过程分析程序F—RFPA模型底板破坏演化过程，获得不同埋深的应力（压力）分布和应变（垂直位移）分布，模型概化为15个岩层结构，划分单元250×200=50000个，累计开挖长度120m。6个采宽模拟：60、80、100、120、140、160（m）。最后得出结论：煤层顶、底板破坏以及工作面宽度变化与煤层底板岩层破坏深度之间的关系是一个复杂的问题，本项所做的是一种概化模型试验。

试验应用F-RFPA2D分析系统软件研究底板矿压破坏问题得到了有意义的结论。数值模拟结果表明，在工作面推进过程中，煤层顶、底板的破坏特征及不同采宽与底板岩层破坏深度关系具有如下特征：

（1）工作面上方直接顶的初次垮落步距在6～12m之间。

（2）老顶的初次垮落步距在30m～36m之间，老顶周期来压步距大小不均，其周期来压步距在18～24m之间。

（3）在长壁开采老顶的初次来压和周期来压过程中，矿压对11号煤层底板的明显破坏深度约为13m，加上其下岩层的扰动损伤，破坏深度可确定为15m。

（4）当工作面宽度小于140m时，煤层底板的破坏深度随着采宽增加而变大；当工作面宽度达到140m时，煤层底板岩层的破坏深度不再随着采矿的增加而改变，其最大破坏深度基本不变。

5、下三带测定：奥灰古风化壳充填带、潜越导水带和侵水带测定

奥灰古风化壳充填带

奥灰古风化壳是古生代中期（中奥陶纪末期至中石炭纪早期）华北广大地区奥灰被水平升出海面，长期接受大气剥蚀和溶蚀作用的结果：形成平原地貌，地表为溶丘和溶洼等高差不大的正负地形，负地形还有溶洞、溶斗、溶缝等。至中石炭纪晚期（本溪世）因地壳沉降，奥灰古风化壳被充填和覆盖，充填物和覆盖底层常含有剥蚀残积物：铝土或氧化铁。经钻探揭示，本区充填物为铝质粘土，含黄铁矿和泥质鲕状结核。铝质泥岩质软，有挤压揉皱现象，挤压面光滑，有润泽感，易风化，但阻水能力强，而泥质鲕粒综合体强度低，较松散。钻探岩芯有的半边是奥灰，半边是充填物。有的在两块灰岩芯之间出现非灰岩夹层，这并非是奥灰存在分层现象，而是打到了古风化壳中的溶洞，非灰岩夹层是溶洞中的充填物，通常是含黄铁矿结核的铝质粘土。本区古风化壳中的溶洞

溶裂大多数被充填，大的洞穴因垮塌而形成陷落柱，少部分裂隙未被充填。充填带具有一定阻水能力，但厚度不稳定，本项目钻探揭露的厚度。如统计表所示，充填带厚度在0～26.5m，厚度不大，但变化大，有缺失，且基本上钻孔一进奥灰便出水。

侵水带的存在及其高度决定于承压含水层的水压，上覆保护层的 地应力，岩性和构造破坏程度。处于地堑构造的井阱煤田构造破坏特别强烈，潜越导水带及附于其上的侵水带十分发育，奥灰水常侵入到接近开采煤层五煤的底面，甚至穿越五煤到达四煤，使煤层含水。潜越加侵水的最大高度为80m，地下水位之下120m处岩层的消压强度为0.35MPa/m（起始水力梯度35），并随埋深而递增。本区构造较简单，保护层的完整性较好，本溪组底部的厚层状铝土泥岩塑性好，遇水膨胀，有良好的阻水性。奥灰古风化壳充填带有一定阻水性，因此归属于保护层。经钻探，构造断裂不甚发育，承压不大的本区侵水带基本发育于古充填带而止于本溪组底部铝质泥岩，充填带厚度基本就是侵水带的高度（厚度）。侵水带（充填带）的起始水力梯度I0，也即消压强度E（每米保护层所能消减的水压，MPa）。两者换算关系为：起始水力梯度1≈0.01MPa/m（E）。

潜越导水带

潜越导水带可视为承压含水层在上覆保护层中的上延部分，其水压等于或近于承压含水层水压。它通常以导水陷落柱和垂向导水断裂带的形式出现（称之为潜越导水构造）。前者如开滦范各庄矿、霍州白龙矿和圣佛矿的突水陷落柱，后者如峰峰四矿的垂向导水断裂带（已注浆处理）。

潜越导水构造的高度各不相等，有的可达到很大高度，如范各庄矿2171陷落柱垂直导水高度为260m。白龙矿2-1101陷落柱导水高度为110m，峰峰四矿奥灰至大青灰岩构造导水通道高度为35m。范各庄矿突水陷落柱的过水能力为123000m3/h，其原始水压应为奥灰水压，白龙矿突水陷落柱实测静水压力为奥灰水压本次勘探的12个钻孔都未直接揭露到潜越导水构造体。划定研究区内的钻探也未发现在钻孔附近存在垂向导水构造的迹象。仅研究区外的11-O孔存在这种迹象。在11个钻孔中上下含水层的水压是一种递增关系，唯独11-0孔从K2开始的含水层，包括奥灰上、下段的水压都是0.635MPa，且K2的单孔涌水量达105m3/h。此表明，该孔外围奥灰与上覆K2灰岩及两者间所有含水层之间存在直接连通关系。

6、水质分析：

含水层：K2灰岩、下组煤底板薄灰和砂岩含水夹层、奥灰（O2f2）。

地点：施工水文钻孔、底板试验钻孔、下组煤涌水点、主井底K2供水旧孔和地面奥灰水源井。

方式：钻孔水样除钻探采取外，还在放水试验中对水质进行动态监测。

数量：分析水样65个

特征分析：根据对水质资料的分析，本区水质有如下特征：

1）奥灰是K2的补给水源，团柏矿井开采下组煤对K2进行了长达10余年的大流量疏排，因此K2水和奥灰水在水质上已没有什么差异，如在主要特征：水质类型、矿化度、阴离子重碳酸根与硫酸根比例等方面。

在迳流条件好的情况下，两者都是Ca2+—HCO3-·SO42-类型水，矿化度较低：800～1000mg/L，重碳酸根与硫酸根比例大于1（见表6-1）。

2）当迳流条件不好时，无论是奥灰水还是K2水，水质都差：为Ca2+—SO42-·HCO3-类型，矿化度变大，重碳酸根与硫酸根比例小于1（见表6-2）。

迳流条件良好奥灰和K2水质特征             表6-1

迳流条件欠佳奥灰和K2水质特征          表6-2

3）下组煤与奥灰间的砂岩、灰岩含水夹层一般水质差、矿化度较大，属Ca2+—SO42-·HCO3-类型（见表6-3）。

底板含水夹层水质特征                表6-3

4）放水试验水质动态监测结果表明，短期放水水质变化不大，如矿化度（mg/L）1-O、2-O孔水样由1200±降至1100±，但大多数孔未变。6-O孔经放水和短期供水，水样矿化度保持1500±mg/L。

7、脉冲干扰测试：

计算含水层水文地质参数，进行奥灰对K2灰岩补给条件的辨识，对9个奥灰孔和1个K2灰孔进行脉冲激发，共10个回次。

8、水文观测和放水试验：

在单孔放水试验基础上进行了阶梯式非稳定流群孔放水试验，正式放水试验从07年7月27日开始，9月11日结束，历时46天。7月27日至8月14日历时18天，进行了11个钻孔的单孔放水试验。8月15日至9月11日历时28天，进行了两次西边群孔放水试验和两次东边群孔放水试验。此后，对作为供水源的7-O孔，以流量90m3/h的排水进行了长时间监测，至11月12日结束，历时62天（对水位影响甚微）。群孔放水试验概况资料列于表8-2。

 群孔放水试验概况资料                  表8-2

9、水文地质计算：

用有限元数值模型反演水文地质参数，建立预测模型，正演奥灰疏排水量。用叠加原理建立解析模型，预测奥灰突水量，数值模拟为双层结构的准三维模型，分东、西两部共16个参数分区。解析模型为三维的。

分区参数计算成果表             表9-1

（水量计算）用建立的数值模型计算奥灰峰峰组含水层疏降水量：达到不同降深的疏排水量。运算时先选取一个初始流量，计算降深未达到设计值时用程序自动调整流量。水量计算总框图见图10-4，计算成果见表10-2。东区和西区降深等值线见图10-5和图10-6。

水量预测成果表              表9-2

突水量预测结果及其说明

1）预测结果

用定水头外边界，类似解析模型的内边界，采用西区参数T、S，应用三维数值模型程序计算，得西区突水量值域：310～1620m3/h。综合解析和数值模型计算值，确定研究域西区（AB线以西）的突水量为300～1800m3/h。

研究域东区参数（导水系数）是西区的6倍，考虑到大流量会发生紊流而导致迳流阻力的增加，这里东、西区突水量倍数值取3，如此东区突水量值域为900～5400m3/h。研究域突水量预测结果列于表。

突水量预测结果表             表9-3

2）说明

（1）突水通常是在带压开采条件下遇到隐伏导水构造（断裂、陷落柱）而发生的。由于影响突水量因素的不确定性及不同高程承受水压的不同，突水量预测给出的不是一个单一值，而是一个量测范围，其上限（最大值）是抗灾排水能力设计所需要参考的。

（2）所预测的是常规突水量，并不能绝对排除突水量超出上限的可能。但这仅是一种可能，并非是一定会发生的。

 10、疏排水经济评价：

 计算不同排水量的年排水费用、吨煤排水电费、电煤价比和经济最大允许排水量，计算了6个（500～3000m3/h）排水量和3个煤年产量（60～180万吨/年）条件下的排水经济指标。

11、室内分析：

水文地质条件分析，底板保护能力评价，临界突水系数确定，下组煤开采安全性评价和分区，除本矿井外进行了邯郸、峰峰、开滦、邢台、井阱、焦作、鹤壁、淄博、新汶、枣庄、徐州、淮南、阳泉、潞安、韩城等水害矿区的调研。

12、研究区下组煤开采安全性评价：

1）矿压破坏深度Cp

根据实测资料，包含扰动影响因素，10号煤矿压破坏深度为12m。用包含上覆10号煤开采影响，煤层厚度等参数的数值模型，计算得11号煤含扰动因素的矿压破坏深度为15m。

2）底板厚度M

根据以往和本次勘探资料，获得10号煤和11号煤的底板等厚线图。

3）水压P

应注意，煤层底板所承受的水压（压强）是对于煤层底面的，而不是对煤层隔水底板底面的。有煤层底面等高线和奥灰等水位线便可得水压P值。

突水系数

用公式

分别计算10号煤和11号煤层底板突水系数。将计算值制成突水系数等值线图。由11号煤层底板突水系数等值线图可见，研究区东部突水系数为0.065～0.22MPa/m，西部为0.03～0.18MPa/m。在10号煤底板突水系数图上研究区突水系数范围为0.015～0.07MPa/m。安全程度分区

用临界突水系数进行安全程度分区，在研究区内小于临界突水系数的为相对安全区，大于临界突水系数的为相对危险区。

1）11号煤安全程度分区

由11号煤层底板突水系数等值线图可见，研究区东部突水系数为0.065～0.22MPa/m，西部为0.03～0.18MPa/m。

11号煤西部临界突水系数为0.104MPa/m，东部为0.088MPa/m。以临界值线为安全分界线，在研究区东部，大部分在安全区界线以外（约70%），为相对危险区；在西部，基本以10号煤底板+400等高线（或11号煤+390）为界，南侧（约80%）为相对安全区，北侧深部（称为北部）为相对危险区。北部超限的原因一是深度大，压力高，二是底板变薄（最薄仅17m）。东部超限因素还要加奥灰富水。

2）10号煤安全程度分区

在10号煤底板突水系数图上研究区突水系数范围为0.015～0.07MPa/m。10号煤临界突水系数西部为0.126MPa/m，东部为0.107MPa/m。以上值为界，研究区东部和西部都在相对安全区范围内。

13、 下组煤安全开采技术方法、防治水措施和规划布局

相对安全区是现可开采的，称为可采区，相对危险区暂不开采。研究区10号煤都在可采区。对于11号煤，研究区西南一大片属可采区，北部相对危险区（属研究区西部）奥灰富水性较差，称为缓采区，东部相对危险区奥灰强富水，称为暂禁区。重要的是给出可采区，主要是11号煤的安全开采技术方法和防治水措施。

基本方法

对于可采区，基本方法就是在预防系统的保护下带压开采。因为相对安全区并非绝对不突水，因此要采取预防措施，但不动奥灰水。11号煤的开采应由上而下，先采奥灰水压小的高处，对上山部分是后退式的。

预防措施

预防措施主要针对11号煤的开采。

建立强大的抗灾排水能力

这是最基本的措施。预计西部常规最大突水量为1800m3/h，因此除有矿井正常涌水量的排水能力外，抗突水的非常排水能力应达到3000m3/h以上。采用直排式（一级排水），还应有配套的水仓容量和供电系统与管路系统。

隔离

实施采区隔离和上山与下山隔离及泵房隔离，这就要设置防水煤柱和防水闸门。

探水

1.钻探

（1）按规范要求探水，有疑必探，先探后采，11号煤落差1m以上的断层都在探水的考虑范围。

（2）掌握10号煤采掘资料，凡10号煤揭露的陷落柱、大于3m（含3m）的断层、特别破碎带、底板涌水点必探。

（3）11号煤采掘中发生底板涌水的必探。

2.物探

考虑到实际效果，采用井下瞬变电磁法，坑透法配合。物探主要用于11号煤开采，在首采的2～3个工作面中必用。

加固

（1）对已知陷落柱和断层，利用探水孔对薄弱处进行注浆加固，需要时补充注浆钻孔。

（2）对底板重破碎带，底板涌水处和物探验证了的异常区进行注浆加固，重点是11号煤。小流量钻孔的注浆可用能调节流量的高压计量泵。

留设煤柱

（1）导水陷落柱（经探水）留煤柱。

（2）断层煤柱留设（是否留和柱宽）按《矿井水文地质规程》公式计算。原则上10号煤10m以上，11号煤5m以上断层的下降盘要留煤柱，此落差以下断层是否留煤柱看具体情况，包括探水与注浆的结果。

疏放11号煤底含水

    为创造采煤的干燥条件，并利于发现奥灰涌水的征兆，对11号煤的充水含水层：底灰及贴身石英砂岩含水夹层（统称11号煤底含）进行疏放。疏放可利用现有水平巷和上山巷打放水钻孔，孔间距可作50m考虑，根据降压效果（测压）调整钻孔密度。

其他

（1）保持11号煤底板原始厚度。根据10号煤开采资料，掌握煤层起伏和断层分布情况，避免采掘工程削减底板厚度，不在底板中做工程。

（2）尽量缩短空顶距。

（3）建立警报系统。

（4）设置避灾路线。

（5）作抢险救灾的应急预案。

特点及应用推广情况：本研究成果适用于承压水上的煤层开采。承压水上采煤在我国许多矿区都存在，但由于不同矿区的地质条件不同，使得许多技术的使用受到限制，其中关键在于没有切实有效的地质异常区域探测技术，且对奥灰水研究较少，尤其是对处于K2和O2灰岩之间的煤层开采研究更少。本课题研究取得的技术可以准确判断工作面布置区域内的地质条件，查明区域内构造、煤层底板至O2灰岩之间底板薄弱带、富水带有无突水可能等水文资料，并通过采取有效措施实现对异常区域岩层的有效控制，使存在突水危害的承压煤层安全开采成为可能，尤其是在实现承压煤层安全开采的同时还可以有效地降低开采成本，因此，在煤炭生产领域有着广阔的推广与应用前景。

    通过该项技术完善，取得在开采过程中及采后对底板破坏深度实测，取得可靠的实测资料，进一步优化有关技术参数，扩大适用范围。

发现、发明及创新点：

    该项目的主要创新点：合理的选择了安全性高的标志含水量作为奥灰突水预测预报的监测层；综合利用了 分析、地质雷达、音频电和直流电法、坑透技术对采掘工作面内部构造进行超前探测；对探明的采、掘工作面前方的异常区进行有效的预注浆防水处理。

 1、查明了团柏煤矿K2与O2间存在水力联系，但联系程度有限。

2、提出了保护层浸水和起始水力梯度的概念。

3、完善了突水系数法的应用。

4、根据压水试验和数值模拟分析得出10＃煤和11＃煤的矿压破坏深度。

5、应用类比的突水系数值对研究区10＃煤、11＃煤进行了下组煤开采奥灰突水危险性分区，并在此基础上提出了安全开采规划布局和防治水措施。

应用情况：该项研究成果已经在团柏煤矿开始应用，实现了团柏煤矿下组煤10#煤层的安全回采，为11#煤层开采积累了经验。

经济效益：此项技术的应用在目前条件下仅团柏矿井可解放10#煤储量5600万吨，创造经济效益11.2亿元

社会效益：下组煤带压条件下的开采，使位于富水带的煤量得以释放，为类似条件下的采煤提供了可靠、有效的技术资料，为该领域的进一步研究提供依据。