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      中国矿井物探网 - 矿井地质 - 淮北矿区高承压岩溶水体上采煤底板水害防治措施
       
       
      淮北矿区高承压岩溶水体上采煤底板水害防治措施
      信息来源:网站编辑部   添加日期:2013-11-13   浏览次数:3143

       

      吴基文1 张朱亚2 赵开全3 韩东亚4 段中稳3 孙本魁3
        (1.安徽理工大学地球与环境学院 淮南 23200l;2.安微省煤炭科学研究院 合肥 231000;3.皖北煤电集团分司 宿州 234000;4.淮北矿业集团 淮北 235006)

          摘 要:针对淮北矿区山西组煤层开采底板灰岩水害特点,指出了适合矿区底板水害预测预报方法,探讨了疏水降压、局部加固与含水层改造等底板水害防治技术的适用条件与实施效果,提出了工作面底板灰岩水防治的技术路线,即:预测、探测、治理和评价。研究成果对类似条件的矿井水害防治有借鉴作用。
          关键词:底板突水;岩溶承压水;防治措施;预测;评价
          1 引言
        淮北煤田地处华北聚煤区南部,区内有皖北煤电集团公司和淮北矿业集团公司两个特大型煤炭企业,至今已有50年的开采历史,现有大、中型矿井20余对,已形成年产量3000万吨左右的煤炭生产规模,是安徽省及华东地区的重要煤炭基地。
        淮北煤田主要含煤层组为二叠系山西组和下石盒子组,山西组的可采煤层为6(10)号煤层(濉肖矿区称为6号煤、临涣、宿县矿区称为10号煤),下石盒子组的可采煤层为3、4、5号煤层。煤田水文工程地质环境具有华北煤田的基本特征,水文地质条件复杂,下组煤6(10)号煤层开采普遍受到下伏太原组灰岩水和奥灰水的威胁严重,曾发生多次底板突水事故。例如:淮北杨庄煤矿Ⅱ617综采工作面于1988年10月发生突水,实测最大突水量为3153m3/h,导致工作面及二水平被淹没。任楼煤矿突水发生于1996年3月7222工作面回采过程,最大突水量达11854m3/h,终因排水能力(1200m3/h)所限,矿井被淹。朱庄煤矿Ⅲ622工作面于2005年元月发生突水,最大突水量为1400m3/h,导致工作面局部被淹。2001年刘桥一矿Ⅱ623和Ⅱ626工作面回采过程中发生底板太灰含水层突水,水量分别为370m3/h和290m3/h,造成工作面停产。由此可见,底板突水是影响淮北矿区矿井深部安全高效开采的重要因素。因此,必须以科学发展观为指导,紧密结合矿井地质及水文地质实际,建立切实可行的防治水措施,认真做好防治水工作,确保矿井安全高效生产。
          2 矿井水文地质条件的探查与评价
        根据井田地质及水文地质勘探成果,结合建井地质资料,对矿井水文地质条件进行初步评价,根据评价结果,编制矿井防治水规划。系统地开展地面三维地震、地面瞬变电磁、水文地质钻探、放水试验等工作,进一步查明矿井含水层情况,搞清矿井赋水规律,为采区防治水设计及工作面回采水害防治提供必要的水文地质资料。例如:恒源煤电分司1993年针对矿井水文地质勘探不足,做了专项水文地质补充勘探工作,增打了地面太、奥灰水文长观孔,进行了钻孔水文地质试验。1994年-2000年因采区设计需要,做了2次补充地质勘探。并在1999年专为一水平下山开采6煤层防治水的需要,做了矿井一水平放水试验。2002年引入地面三维地震勘探和瞬变电磁勘探新技术,实施了矿井-400m次深未采区的全面物探补勘,2003年以后陆续进行了地面物探发现的构造、水文异常区(点)的钻探验证工作。通过不同时期的水文地质补勘工作,查明了矿井水文地质条件,建立了水文动态监测系统,有力地促进了矿井水害防治工作。
          3 底板突水预测预报理论与方法
        煤层底板突水是在开采条件下,承压水沿底板隔水层中的通道涌入矿井,造成水害事故,是一种工程动力地质作用,是一种地质灾害。几十年来,国内外众多学者对矿井突水机理进行了一系列有益的探索,取得了大量的研究成果。包括早期的底板安全水压理论及后期的岩体临界强度理论、突水系数、相对隔水层厚度法、“岩水应力关系”、板模型理论、“强渗通道”“下三带”理论、原位张裂与零位破坏理论例、关键层(KS)理论等,这些理论观点均从不同方面揭示了突水发生的机理和预测方法,对矿井安全生产起到了积极的指导作用。
        根据多年的实践,目前,淮北矿区采用的底板灰岩水害预测预报方法主要有“突水系数”法、“下三带”理论及经验法等技术方法。
          3.1“突水系数”法
        我国早在20世纪60年代就开始了底板突水规律的研究工作。1964年在焦作水文会战时首次提出了突水系数的概念,用于作为突水预测预报的标准。所谓突水系数就是单位隔水层承受的水压值,即:

        Ts=P/M (1)
        式中:Ts-突水系数,MPa/m;P-水压,MPa;M-隔水层厚度,m。
        20世纪70年代,煤科院西安分院考虑到矿压破坏因素对突水系数作了修正,即:
        Ts=P/(M-CP)
        式中:CP-矿压破坏底板深度,m;在无测资料的情况下,炮采工作面一般取12m,综采工作面一般取15m。
        该方法是《矿井水文地质规程》和《煤矿安全规程》推荐的方法,所以是应用较广的一种方法。
        在矿井底板突水预测中,使用了临界突水系数的概念,即单位有效隔水层厚度所能承受的最大水压。根据淮北矿区经验,临界突水系数正常地段为0.07MPa/m,构造破碎带为0.05MPa/m,以此来判断是否存在突水威胁。由于突水系数物理概念比较确定,公式简单实用,在煤矿生产实践中预测煤层底板突水和在一定水压条件下进行带压开采,解放受承压水威胁的煤炭资源起了积极作用,所以一直沿用至今。
          3.2 “下三带”理论
        山东科技大学李白英教授根据部分现场实测资料和实验研究成果,提出了下三带理论。该理论认为开采煤层底板也象采动覆岩一样存在着三带,即上部采动破坏导水带、中部完整岩层隔水带和下部承压水导升带。下三带理论认为底板突水机理不仅是底板在水压力作用下由于底板强度低于水压力的失稳现象,而且也是由于底板含水带在水压力和矿山压力共同作用下产生了升高所至。底板采动导水破坏带是指由于采动矿压的作用,底板岩层连续性遭到破坏,导水性发生明显改变的层带。该带的厚度即为“底板导水破坏带深度”。而完整岩层带位于采动导水破坏带之下,其特点是保持采前岩层的连续性及其阻水性能,它是阻抗底板突水的最关键因素,故又称为保护层带。承压水导升带是指含水层中的承压水沿隔水底板中的裂隙或断裂破碎带上升的高度,有时称其为原始导高带。根据临近淮北杨庄煤矿经险,一般导升高度为2~10m。同时,承压水在采动矿压作用下可进一步向上导升,使有效隔水层厚度减小。一般正常地带取零,构造异常带取5m,也可根据井下钻探及物探获得的实际值确定。通过公式(3)计算确定突水的可能性。
        式中:Ts-突水系数,MPa/m;P-水压,MPa;M-隔水层厚度,m;CP-矿压破坏底板深度,m;h2-原始导高,m。
          3.3 经验法
        根据淮北矿区受底板太灰水害威胁的10(6)煤开采的情况,并结合邻近矿区河南永城相似条件下工作面突水实例,绘制了P-M图(见图1),分成突水区、掘进安全区及回采安全区,据此判断回采工作面是否存在突水危险性。该方法直观,方便快捷,但条件必须类似。
      淮北矿区底板突水危险性评价P-M图解
        图1淮北矿区底板突水危险性评价P-M图解

          4 底板水害防治技术与措施
          4.1 底板水文工程地质条件探查与评价
        (1)预测:根据矿井勘探资料,对工作面底板水文工程地质条件进行初步评价,对底板突水危险性进行预测,在此基础上开展防治水工程设计;
        (2)探测:采用物探先行,钻探验证方法,物探方法有:瞬变电磁法、音频电透视法、直流电法、无线电波透视法,工作面CT法等,一般是先物探,然后根据物探成果有目的的实施钻探,起到探查验证的目的。探测目的是用于查明工作面底板隔水层岩性、厚度、结构、强度;查明工作面底板含水层的的含水性,包括三个方面:一是查明工作面直接底板,老底裂隙的含水区域、含水量;二是查明太原群上部1-4灰的富水性;三是查明太原群灰岩水有无原始导高,若有,与直接底、老底裂隙水联系如何等。
        (3)评价:根据探查结果,对底板突水危险性进行重新评价,根据评价结果,合理确定水害防治方案,进一步完善防治水工程设计,并实施底板水害治理工程。工程结束后,对工作面安全开采可行性进行全面评价,验收合格后方可实施回采。
          4.2 “疏水降压一与底板局部加固
        在查明太灰含水层的补、泾、排条件及含水性基础上,确定太灰水的可疏性,当通过疏放能有效降低太灰水头,减少突水系数时,通常采用“疏水降压”方法。为了保护水资源,不易实行强排。为了提供经济效益,应实行疏供结合,优化疏放量,同时对底板薄弱带进行注浆加固,提高工作面整个底板的抗水压能力,达到安全、高效生产的目的。恒源煤电分司于2005年实施了Ⅱ614工作面疏水降压开采,施工疏放钻孔3个,疏放水量450m3/h,经约90天的疏放,形成稳定水位,太灰水位由原来。160m降至。230m左右,疏降水头70m,同时对底板薄弱带进行了局部注浆加固,实现了Ⅱ614工作面安全回采。
        但此方法不适合于底板太灰水补给丰富及深部开采水头值难以疏降的矿井。
          4.3 底板含水层改造
        底板疏水降压开采是有条件的。对于含水丰富、补给条件好,水头高的承压含水层,或某些含水层虽然可以疏降,但疏降规模受到矿井排水能力的限制,很难达到疏降目的,则不宜采用疏水降压方法。对于上述情况,目前主要采用底板含水层改造方法。采用井下钻探、地面注浆站高压注浆加固改造一至四灰,将其改造为隔水层,增加底隔厚度,降低突水系数,注浆充填底板隔水层和构造破碎带裂隙,增强富水异常区和构造破碎带煤层底板的整体强度,提高底板岩层的抗水压能力,确保安全开采。刘桥一矿六采区为独立的太灰水高水位区,水压高,不易疏放,故采用地面注浆站对太灰含水层进行了改造,目前正在实施663工作面的正常回采。恒源煤电分司太原组灰岩含水层是能够适当疏降的承压含水层,但该含水层相对矿井二水平水头高,要疏降水头值大,疏放量大,疏放周期长,不经济,不安全,所以该矿二水平6煤层的开采均采用工作面底板注浆加固及改造技术,治理底板高承压的太灰水的突水危险性,目前已实旅了Ⅱ613工作面、Ⅱ617工作面的安全回采。朱庄煤矿三水平太灰水水压大,含水层富水性强,不易疏放,故也采用了地面注浆站改造含水层。如在Ⅲ628工作面机巷布置了8个钻场33个注浆孔,终孔层位均在三灰中部,在工作面风巷布置了6个钻场19个注浆孔,终孔层位在二灰底板以下2m。同时施工部分检查孔,在注浆改造工作完成后,通过二次物探对注浆效果进行了对比检查,注浆效果良好,工程质量达到设计要求,确保了工作面的安全开采。
          5 结论
        矿井水害治理是~项系统工程,从矿井、采区到工作面,从预测、探测、治理到评价,要系统思考,把握过程,综合防治,才能消除水患,实现安全开采。底板突水是一项隐蔽工程,必须以防为主,防治结合,做到预测预报,有疑必探,先探后掘,先治后采,防患与未然。
        淮北矿区受灰岩水威胁的煤炭储量十分巨大,今后灰岩水的防治任务十分艰巨,必须结合淮北矿区矿井水文工程地质实际条件,积极开展底板突水机理和水害防治技术研究工作,为解放受水害威胁的可采储量,提高资源回收率,延长矿井服务年限,实现安全高效生产提供可靠保障。


       

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