三軟急傾斜煤層高承壓巖溶裂隙水防治的研究與實踐

李輝

(禹州市富山煤業有限公司,河南 禹州 461670)

三軟急傾斜煤層高承壓巖溶裂隙水防治的研究與實踐

李輝

(禹州市富山煤業有限公司,河南 禹州 461670)

本文提出了三軟急傾斜煤層底板突水危險性的多因素綜合防治辦法及評價要點,根據禹州礦區鳩山地區水文地質、礦床工程地質及開采技術條件的特殊性,結合礦井采掘活動期間針對性地開展地面精密三維地震勘探、地質鉆孔補勘、井下物探及鉆探收集的成果資料,采取控制疏放水量、長觀孔水位變化等合理的“帶水壓開采”措施,以此實現工作面的安全回采。實踐表明,所研究的系列綜合防治水技術方法是可行的,可為類似三軟急傾斜煤層高承壓水工作面的防治提供參考。

三軟急傾斜;高承壓巖溶水;防治

1 引言

高承壓巖溶裂隙含水層上煤層的安全開采對賦存地層、煤(巖)層、地質構造等的穩定性、可靠性及準確性要求較高,但這些地質對象大多具有較強的隱蔽性,除了在長期的地質作用過程中發生不同程度的變形、斷裂外,還受人為采掘生產活動的破壞極大,不可避免出現施工難度極大的防治水工程,針對高承壓含水層上煤層安全開采的影響因素多、分布特征異常、空間規律性不明顯等特征,正確認知、把握這些影響因素的彼此特性、分布規律,對提高含水層上煤層安全開采上限和安全系數,降低高承壓水威脅程度都至關重要［1一2］。

為了準確把握這些影響因素的分布規律及其分布特征以及對煤層底板突水的影響,可采取地面三維勘探方法、井下物探及鉆探方法等地質勘探的手段,獲得這些因素的信息,并通過建立諸多因素對比、綜合評價,制定針對性較強的施工方案,對礦井水害防治有重要的指導意義［3］。本文主要以禹州礦區雞山地區某礦實現三軟急傾斜煤層高承壓含水層巖上安全開采為例,在礦井水文地質、礦床工程地質及開采技術條件特殊復雜的基礎上對高承壓水害進行了防治,值得學習借鑒。

2 研究區概況

某礦位于該市區西北向37km處雞山鎮趙莊村境內,由原官山一礦、趙莊煤礦、后溝七礦等四個礦井資源整合。礦井主采二1煤層,屬三軟煤層,采用三條斜井(“二進一回”)多水平開拓方式,走向長壁后退式采煤,采煤方法為炮采,垮落法管理頂板。截至2014年11月,礦井剩余可采儲量497.65萬t,礦井設計生產能力為21萬t/年,剩余服務年限12.1年。

井田位于華北地臺南緣嵩箕臺隆中段,處于新華夏第二沉降與第三隆起帶之交接部位,箕山背斜南翼,呈西高東低、北高南低之勢,低山丘陵區。區內地層傾向130。～160。,傾角16。～42。,平均為36。,總體為一東南方向傾斜的單斜構造,發育有3條較大斷裂,并伴有次生斷層及重力滑動構造。地層自老而新依次出露有古生界寒武系、石炭系、二疊系以及中生界三疊系和新生界第四系等。本區是一個相對獨立的水文地質單元,橫向上位于區域分水嶺箕山～薈萃山～風后嶺背斜南翼的白沙向斜巖溶裂隙承壓水文地質單元之西翼的淺部,屬于區域地下水徑流區的上游,工廣內靠近西南部山麓出露大量灰巖露頭,在巖溶水系統的補給一徑流帶上,受寒灰露頭補給影響。區內的主要含水層有兩組三段四層,由上至下依次為頂板裂隙砂巖含水層、太原組上段L7一8灰巖含水層、太原組下段L1一4灰巖含水層及寒武紀灰巖含水層,煤層上部砂巖裂隙水以淋水、滲水等形式充入礦床；太原組上段含水層由L7、L8灰巖組成,且多破碎,呈條帶狀不連續分布,導水性不均一,太原組下段L1一4灰巖含水層層位穩定,富水性較強,是主要防范治理對象,尤其是對11采區西翼工作面影響較大［4一6］。

3 工作面底板突水危險性評判

基于高承壓巖溶含水層上采煤產生的水文地質工程地質問題的復雜性,與11采區西翼11041工作面地質及水文地質條件吻合,其上部為11021工作面采空區,下部為未開采實煤體,西為趙莊斷層保護煤柱,東至副斜井井筒保護煤柱。該工作面走向長268m,傾斜長80m,由于煤層底板在工作面中部突然抬起,煤層變薄,煤層底板標高在一35.4m～+55.2m,頂、底板起伏變化較大,煤層傾角為32。～45。,平均為42。；煤層厚度不穩定,最大煤厚21m,最小0m。

3.1 地面精密三維地震查明區域地質構造情況

為進一步探索查明適合本區內的地質構造,指導井下基礎水文地質工程的實施,結合實際揭露的地質及水文地質情況及毗鄰鉆孔的成果資料,經論證分析,需在對應地表選擇具有代表性的點開展點上試驗,以確定11041工作面底板隔水層分布情況、賦存規律及導水裂隙等因素。礦井與山東中煤物探測量總公司結合,在該區域內對應地表位置布設“束狀8線8炮,中線發炮”的觀測系統,施工52條檢波線、98條炮線、1502個物理點,利用偏移疊加—偏移后再疊加(即疊前偏移)的方法對地震資料成像修正,如圖1所示。

圖1 工作面對應三維地震勘探成果圖

測區控制點內的斷層分布主要為圖1中紅色標示,運用空間疊加分析功能,進行多因素空間擬合,獲得研究區多因素空間疊加分析結果,即該工作面屬于受地質構造影響較大的突水危險性分區。為了精確反映地質構造的影響,對斷層影響區域進行緩沖二次分區,并與傳統的突水系數分區法、直流電法物探異常分區法相結合。

3.2 采用直流電測儀查明工作面水文地質條件

礦井標選河南理工大學對11041上、下順槽、切眼進行直流電法物探,共布設15站、勘察180個物理點,根據提交的11041工作面直流電法物探勘察報告顯示,二1煤層底板以下20m、40m處存在2個低阻異常區,經比對分析,在工作面11041切眼位置、11041下順槽測點H9以里約40m范圍內,存在A、B兩個富水異常區,且煤層底板隔水層厚度為38m,在回采時,煤層隔水層受采掘擾動破壞影響,局部裂隙等導水通道可能增加或加大,存在可能突水危險。

3.3 對比井下水平長觀孔水位值推算評價

根據+45m水平太灰長觀孔的水壓值2.40MPa,推算該工作面底板承壓值為3.58MPa,二1煤層底板距L1一4灰巖含水層約38m,根據《煤礦防治水規定》,底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06MPa/m,由突水系數計算公式Ts=P/M得出,11041工作面底板承受水壓值為3.58MPa；突水系數為0.094MPa/m(Ts=P/M=3.58MPa/ 38m=0.094MPa/m)；大于臨界突水系數,由此計算可知：11041工作面回采期間,底板隔水層受礦壓疊加破壞,致使導水裂隙帶升高,突水威脅較大［7一8］。

根據研究區勘探資料及水文地質、工程地質與開采技術條件分析,并結合現場試驗測試資料,獲得研究區各個主控因素的典型量化數據如表1。

由表1得出,影響工作面底板突水的主要因素依次為底板有效隔水層厚度、地質構造異常、煤層底板標高等,分析掌握這些因素,開展相對應的針對性措施有依可循。

表1 工作面各影響因素數據量化權重表

4 富水異常區域驗證性鉆孔的施工評價

4.1 驗證性鉆孔施工情況

根據以上三種手段的理論分析,鉆探揭露實際情況研究分析表明,11041工作面的底板灰巖含水層除工作面的煤層底板20m～38m之間賦水性較豐富外,其余部位淺層砂巖賦水性相對較差。分段巖層巖性特征為：①煤層底板隔水層以中、粗粒砂巖,泥巖,炭質泥巖為主,局部泥巖厚度達到20m；②底板煤層賦存情況不穩定,個別鉆孔見不到煤層,其中2一2孔見到2層煤；③各鉆孔分別揭露至少2層灰巖層,灰巖層厚度在0.8～7.39m不等,實際出水位置均在灰巖層位中,各鉆孔揭露灰巖層距二1煤層底板平均為38.0m。

4.2 鉆孔施工過程中存在的問題

孔壁垮塌：在施工1一1孔時,鉆進煤層底板松軟破碎、裂隙發育的巖層時,雖加入泥漿護壁,但泥漿配比不易把握,有效護壁的作用不大；同時,測孔的水壓過大,在接口不嚴處形成渦流,直接沖刷孔壁；置鉆加固不牢,鉆桿震動劇烈,碰擊孔壁。

巖粉沉積聚集：鉆進軟巖時,鉆探速度過快、送水量過小、泥漿使用不及時、泵壓不足,水未至孔底便返回、不能使巖粉及時排出；停泵過于頻繁或時間較長,而鉆具不能及時提離孔底一定高度或退鉆,直接導致埋鉆事故發生。

鉆具脫落：在補打1一1孔時,由于鉆頭與導向桿絲扣部位保護不好,連接過松,未對正即強行扭接,造成絲扣變形、磨損、產生凹痕等,使鉆桿與接頭絲扣連接松弛,出現滑扣,鉆具脫落。

5 結論

建立了煤層底板突水危險性多因素綜合評價模型,根據研究區的水文工程地質及開采技術條件分析可知,影響研究區高承壓水體上采煤安全性的因素多且復雜,確定了煤層底板破壞深度,煤層底板抗壓強度,煤層底板隔水層厚度,煤層底板水壓,煤層底板標高,斷層密度,高承壓含水層頂板標高,高承壓含水層水位標高8個影響本研究區煤層高承壓水體上開采的主控因素。

以山西太原組巖溶高承壓水采掘為例,應用高承壓水體上采煤危險性多因素綜合評價模型,獲得工作面的開采危險性指數分區等級圖,并與傳統的突水系數分區法相比,可知本文提出的煤層底板突水危險性的多因素綜合評價更加精確,并且能綜合反映斷層構造的影響范圍及影響強度。

［1］尹傳理,李化敏.我國煤礦深部開采問題探討［J］.煤礦設計,1998(8):7一11.

［2］李化敏,付凱.煤礦深部開采面臨的主要技術問題及對策［J］.采礦與安全工程學報,2006,23(4):468一471.

［3］王作宇,劉鴻泉.承壓水上采煤［M］.北京:煤炭工業出版社,1993.

［4］楊天鴻,唐春安,等.巖體破壞突水模型研究現狀及突水預測預報研究發展趨勢［J］.巖石力學與工程學報,2007,26 (2):268一277.

［5］武強.基于GIS的地質災害和水資源研究理論與方法［M］.北京:地質出版社,2001.

［6］Wu Qiang,Zhou Wanfang.Prediction of inflow from overlying aquifers into coalmines［J］.Environmental Geology, DOI 10.1007/s00254一007一1030一1,2008.

［7］武強,張志龍,馬積福.煤層底板突水評價的新型實用方法I——主控指標體系的建設［J］.煤炭學報,2007,32(1): 42一47.

［8］武強,張志龍,張生元.煤層底板突水評價的新型實用方法II——脆弱性指數法［J］.煤炭學報,2007,32(11):1121一1126.

[欄目責任編輯 賀躍通]

Research and Practice on the Prevention and Control of Three Soft SteeP Seam High Pressure Karst Water

Li Hui
(Yuzhou Fushan Coal Co.,Ltd,Yuzhou Henan 461670)

This paper proposed multi一factor comprehensive prevention and control measures and key points for evaluation of three soft steep coal seam floor water inrush risks,according to the particularity of the hydrology and geology,ore deposit engineering geology and mining technological conditions in Jiushan of Yuzhou mine area,combined with achievement data collected in the coal mining activities carried out targeting at ground precision 3 d seismic exploration,geological drilling exploration,downhole geophysical exploration and drilling,taking the reasonable measures of“exploration with water pressure”,such as controlling water release and long hole water level change,in order to realize safety mining of working face,the practice also shows that the studied method of serial comprehensive water prevention and control technology is feasible,providing reference for steep coal seam high confined water prevention and control of similar three soft working face.

Three soft steep；high pressure karst water；prevention and treatment

TD12

A

1003一5168(2015)07一0088一3

2015一6一29

李輝(1982一),男,研究方向:煤礦安全管理、生產組織及黨建工作等。