邯邢礦區大采深高承壓水礦井防治水難點及對策

高春芳（冀中能源集團有限責任公司,河北省邢臺市,054021）

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邯邢礦區大采深高承壓水礦井防治水難點及對策

高春芳
（冀中能源集團有限責任公司,河北省邢臺市,054021）

摘要近年來針對邯邢礦區的一些突水事故,對底板奧灰突水特征進行了系統分析。結合突水實例,對大采深高承壓水礦井底板奧灰突水致災關鍵因素進行了深入剖析,系統地闡述了深部煤層開采底板奧灰水防治所面臨的難題,針對性地提出了地面奧灰區域超前治理的防治水對策,變一面一治理為一個采區或一個水平進行治理;將治理目標層由薄層灰巖變為奧灰含水層頂部;變采前治理為掘前治理,目的在于從突水根源上消除奧灰巖頂部存在的地質缺陷,達到深部礦井安全開采的防治水目的,對大采深高承壓水礦井防治奧灰水害具有重要的指導意義。

關鍵詞大采深 高承壓水 突水特征 致災因素 防治難點 防治水對策

河北省南部邯邢礦區包括邢臺礦區、邯鄲礦區及峰峰礦區,屬典型的華北型煤田,對煤層開采有影響的主要含水層自下而上依次為奧陶系灰巖含水層、本溪組灰巖含水層、大青灰巖含水層、伏青灰巖含水層、野青灰巖含水層、2＃煤層頂板砂巖含水層。

邯邢礦區構造復雜、陷落柱發育,奧灰含水層不僅通過斷層、隱伏陷落柱、垂向裂隙直接威脅著開采煤層,而且通過隱伏的導水構造補給煤系薄層灰巖含水層間接威脅生產。盡管深部礦井奧灰含水層巖溶裂隙發育微弱,但仍不同程度發育有陷落柱,陷落柱發育層位低的,其導水性和隱蔽性更強,對生產潛在威脅更大。

冀中能源集團在邯邢礦區有35個礦井,其中,水文地質類型復雜礦井有18個,主要開采上組煤2＃煤層、4＃煤層（野青煤層）、5＃煤層和下組煤9＃煤層,主要煤層受底板大青灰巖水、奧灰承壓水突水威脅。18個水文地質類型復雜礦井中有7個礦井開采下組煤9＃煤層,9＃煤層主要受頂板大青灰巖水、底板本溪灰巖水、奧灰水威脅,水文地質條件更加復雜。

邯邢礦區由于長期高強度開采上組煤,淺部煤炭資源已基本采完,大多數礦井進入深部開采,目前有10個礦井開采深度超過800 m,其中4個礦井開采深度超過1000 m,隨著礦井開采深度不斷增加以及下組煤大規模開發,煤層開采受煤系基底巨厚奧灰高承壓底板突水威脅大幅增加。

近20多年來,邯邢礦區相繼發生了12起較大以上的隱伏導（含）水陷落柱、斷層及底板裂隙帶突水事故,面臨的防治水形勢日趨嚴峻。因此,研究大采深高承壓水礦井防治水所面臨的難題對煤礦水害防治具有重要的現實意義。

1　邯邢礦區底板奧灰突水特征分析

1.1邯邢礦區底板突水概述

邯邢礦區隨著開采深度加大,礦井水文地質條件日趨復雜,受底板奧灰高承壓水威脅日益嚴重,相當一部分礦井煤層底板承受水壓在7.0 MPa以上,個別礦井達到14.6 MPa。即使采取了一系列井上下勘探、超前探查和改造治理措施仍不能杜絕重大突水災害。

近20年來,邯邢礦區國有煤礦發生了12起比較大的奧灰突水事故,其中底板承壓水突水事故11起,9起事故發生在回采工作面,2起事故發生在巷道掘進,具體突水情況如表1所示。

表1　邯邢礦區國有煤礦底板突水一覽表

1.2邯邢礦區煤層底板突水特征分析

1.2.1淺部底板奧灰突水特征

邯邢礦區淺部及中等采深煤層回采工作面的底板隔水層厚度與承水壓之間關系有如下特點:

（1）實現安全回采的采面底板承壓水水壓在3.0 MPa以下,底板隔水層厚度一般在35 m以上;或底板隔水層厚度在20 m以上,承壓水水壓在1.5 MPa以下。

（2）發生底板突水最突出的特點一般是隔水層厚度在35 m以下,大部分在30 m以下,承壓水水壓在3.0 MPa以下。

1.2.2深部礦井底板奧灰突水特征

隨著采深的加大,煤層底板承壓奧灰水突水的威脅日趨凸顯。2000－2014年以來,邯邢礦區發生了10次由于導（含）水地質構造所造成的底板承壓奧灰突水事故（見表1）,經分析,大部分突水事故發生在大采深礦井,造成煤層底板奧灰突水事故基本上是隱伏型構造,其中對邯邢礦區深部礦井開采威脅最大的是陷落柱組合構造類型。隱伏陷落柱組合構造類型示意圖如圖1所示。

圖1　邯邢礦區隱伏陷落柱組合構造類型示意圖

2　大采深高承壓水礦井底板奧灰突水致災因素分析

2.1導水陷落柱對大采深礦井上組煤開采突水威脅

巖溶陷落柱屬于隱伏垂向構造,其導致的底板突水具有隱蔽性、隨機突發性和突水量大等特點,對煤礦安全生產、地下水環境及水資源保護危害極大。邯邢礦區2000年以來的10起突水事故中有4起是由于巖溶陷落柱導致的突水淹井事故,造成了極大的經濟損失。隨著開采深度的增加,煤層底板承受的水壓及地應力不斷增大,陷落柱致災威脅凸顯。

通過分析,邯邢礦區隱伏垂向導水構造具有以下幾個特點:

（1）發育且類型多、分布復雜。邯邢礦區隱伏垂向導水構造自然條件下呈隱伏、孤立的垂向點狀形態,分布復雜,尤其是小型的隱伏陷落柱發育層位低、其橫向擴展范圍小,增加了超前探測的難度和不可預知性,更具有潛在的突水威脅。

（2）在采動影響下導水性能發生變化。煤層底板巖層中存在的隱伏導水構造,尤其是一些隱性斷裂構造、陷落柱、裂隙帶等,在自然條件下不導水,與煤系薄層灰巖含水層水力聯系不密切,但在高應力、高承壓水和采動耦合作用下,易于活化導水,即其導水性會發生質的變化,導水裂隙通道在高壓水和采動作用下,導水能力增長極快而發生災害性突水。

2.2礦井深部小型陷落柱隱蔽性強,探測難度大

奧灰含水層本身具有非常好的富水性,水壓高,補給量充足。采深大、水壓高以及導水通道形成的復雜性和影響因素的多樣性決定了大采深礦井的水文地質條件的復雜性。在大采深高承壓水礦井,即使開采上組煤2＃煤層,在地下水徑流滯緩條件下,如遇隱伏導水陷落柱等大的導水構造同樣會造成災害性突水。

2014年7月25日梧桐莊礦2＃煤層2306工作面發生陷落柱突水淹井,陷落柱發育規模只有7 m（短軸）×19 m（長軸）,發育高度只到2＃煤層底板下約60 m。同樣,九龍礦4＃煤層15423N工作面發生的陷落柱突水,陷落柱發育規模只有7.0 m（短軸）×14 m（長軸）,發育高度在4＃煤層底板下約43 m。這些導水陷落柱發育規模小,極難探查。

奧灰巖溶含水層分布面積廣、厚度大,具有巨大的彈性儲存水量,是影響深部礦井安全開采的主要強含水層。深部礦井煤層底板導水構造隱蔽性強,特別是發育層位低、規模小的導含水陷落柱等超前探測難度大,而此類導含水構造對礦井安全威脅非常大,無論礦井處于奧灰巖溶含水層的強徑流帶還是弱徑流帶,受采動影響,極易造成突水事故。

2.3底板裂隙帶極易成為導水通道、治理難度大

礦井開采深度大、水壓高,在采煤過程中受下伏含水層高水壓及采動壓力影響,煤層底板破壞深度較淺部明顯增加,底板奧灰水導升裂隙遞進發展,貫穿底板中各類斷裂構造及破壞損傷帶而成為導水裂隙通道,誘發奧灰水突出。如邢臺礦區采深最大（采深1260 m）的邢東礦2＃煤層底板隔水層承受奧灰水壓5.0～14.6 MPa。2011年4月13 日,該礦最深部2127工作面在回采階段發生了底板奧灰出水,該面2＃煤層開采標高－1140～－1200 m,底板奧灰水壓高達12.4 MPa,在物探及鉆探探查無任何地質構造異常的情況下發生了底板突水。

隨著采深的加大,即使注漿改造煤層底板薄層灰巖含水層和加固隔水層,也不能完全滿足安全開采條件,仍然存在著奧灰強含水層突水的危險。

3　深部煤層開采奧灰水防治難點分析

3.1淺部礦井防治水經驗不能滿足深部開采需要

在大采深高承壓水開采條件下,高承壓水使巖體中的微裂隙、節理、小斷層等軟弱結構面產生軟化、張裂、擴展與破壞,發生水力劈裂導升,使得底板的阻水性能大大弱化。同時,隨著采深的增加,工作面底板破壞深度增大,也增加了底板突水幾率。底板薄層灰巖往往富水性弱、裂隙不發育,可注性差,底板存在的隱伏導水斷裂及裂隙難以探明,注漿改造及探查的作用不能有效發揮,突水隱患無法得到完全排除。這說明在大采深條件下,水文地質條件愈加復雜,原有的防治水措施和經驗無法完全保證礦井防治水安全。

3.2大采深底板突水機理研究不足,傳統底板突水預測及安全評價方法不適應深部開采

隨著采深加大和下組煤大規模開采,高地應力、高水壓、高水溫和高瓦斯壓力等問題逐漸顯現,影響礦井突水因素隨之增多,突水類型呈復雜多樣化特征,延遲滯后突水現象逐漸增多。

多年沿用的突水系數理論是淺中部煤炭資源開采的經驗理論,而深部開采的圍巖應力條件、礦壓擾動和開采破壞條件都與淺中部有很大的不同,如果沿用原有的理論,必然會給生產和安全帶來誤導。傳統的突水系數法的評估對于礦井深部開采條件下,尤其厚隔水層條件下的上組煤開采技術指導與實際有較大偏差,其標準或指標與礦井深部開采不能簡單地一概而論。

3.3大采深高承壓水開采條件下超前探測隱伏導水構造技術難度大

礦井水害防治特別是奧灰巖溶水的防治,至關重要的是陷落柱的探查和防治,時至今日,其理論、方法、手段都尚在探索、改進和完善中。由于小型陷落柱、小斷層及裂隙帶等隱伏構造的隱蔽性、孤立性及個體的差異性,其有效的探查和防治是一個探索性很強的難題。大采深高承壓水開采條件下煤層底板奧灰突水一般是隱伏構造組合型突水,突水通道基本是導水陷落柱、斷層、裂隙帶等多種不同組合類型,在一定程度上大大增加了探查難度。

3.4下組煤開采接近突水系數規定上限

邢臺礦區下組煤資源由于受到了下伏奧灰高承壓水的威脅,隨著采深的加大,底板突水危險性也越來越大。邢臺礦區5對下組煤開采礦井中,隨著采深的不斷加大,帶壓逐漸升高,已接近《煤礦防治水規定》有關帶壓開采突水系數規定的0.1 MPa/m上限。而突水系數大于0.1 MPa/m的－450 m水平以深的下組煤儲量尚有4.9億t,下一步大力開發這部分下組煤已成為當務之急,因此尋求新的、有效的下組煤安全開采方法是延長礦井服務年限、保持公司可持續發展的最有效途徑。

4　大采深高承壓水礦井帶壓開采防治水對策

鑒于邯邢礦區近年來所發生的礦井底板突水事故基本上都是大采深高承壓水礦井和開采下組煤所遇的隱伏導水構造、特別是很難超前探明的微小型導（含）水構造所致。有突水量大、隱蔽性和突發性強的特點。因此提出地面區域超前治理奧灰的防治水對策,采取超前主動、區域治理、全面改造、帶壓開采的礦井防治水指導原則。由原來一面一治理變為區域治理;防治水探查治理目標由原來底板的隔水層延伸到奧灰含水層頂部。

4.1采取更加超前主動的防治水指導原則

為適應大規模開采的需要,采取更加超前主動的防治水措施,打破以往的思維定式。積極研究應用定向鉆探技術,采取井上、下相結合的方式,對采區或更大規模的區域進行超前鉆探及預注漿改造。這樣使帶壓開采前期所必要的探查及預注漿改造大大提前,使工作面采場鉆探注漿70%的工作量提到前期完成,大大縮短工作面采場的后期注漿改造工期,有利于采區的采掘銜接。同時,也保證了工作面超前高承壓鉆探,實現先治后掘。

4.2區域性治理奧灰水害技術要求

礦井防治水工作要實現區域性治理,打破一面一治理的常規模式,適應規模化開采的需要。區域化治理一般采取地面和井下相結合的方式,應用多分支定向水平鉆探技術進行區域化治理。區域治理一般以采區或更大區域為治理地質單元,提高礦井防治水主動防御范圍和大區域采掘正常銜接保障程度。

4.3區域全面改造延至奧灰頂部

目前,國內注漿改造是以薄層灰巖含水層為治理目標,可以安全采出受水威脅的淺部煤炭資源。隨著采深的加大,即使完全注漿改造煤層底板含水層和加固隔水層也不能完全滿足安全開采需要,依然存在著煤層底板奧灰含水層突水的危險。因此,將薄層灰巖含水層注漿改造技術應用于奧灰含水層頂部改造已成必然趨勢。

5　結論

（1）深部礦井底板突水特征比淺部更為復雜,主要是底板隱伏構造或構造組合裂隙擴展溝通所致,治理難度大。

（2）大采深高承壓水礦井突水機理研究程度不足;垂向導含水構造隱蔽性強,分布復雜,探測難度大;地質構造在高水壓作用下導水性能發生變化;傳統的突水系數法不能完全適應深部礦井防治水安全評價;淺部的防治水經驗不能滿足深部礦井開采安全需要等是大采深高承壓水礦井近年突水事故頻發的關鍵致災因素。

（3）針對大采深高承壓水礦井所面臨的防治水難題,提出了地面奧灰區域超前治理的防治水對策,變一面一治理為一個采區或一個水平進行治理;將治理目標層由薄層灰巖變為奧灰含水層頂部;變采前治理為掘前治理,目的在于從突水根源上消除奧灰巖頂部存在的地質缺陷,達到深部礦井安全開采的防治水目的。

參考文獻:

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［2］趙慶彪,趙昕楠,武強等.華北型煤田深部開采底板“分時段分帶突破”突水機理［J］.煤炭學報, 2015（7）

［3］王經明,劉文生,關永強等.華北煤田陷落柱的地下水內循環形成機理［J］.中國巖溶,2007（1）

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［5］高春芳,李沖.大地壓影響下出水鉆孔封堵技術研究［J］.中國煤炭,2014（9）

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［7］趙慶彪.奧灰巖溶水上帶壓開采區域超前治理防治水技術［J］.中國安全生產科學技術,2014（10）

（責任編輯張艷華）

★節能與環保★

The difficulties and countermeasures of water inrush prevention of mine with deep mining depth and high pressure water in Handan-Xingtai mine district

Gao Chunfang
（Jizhong Energy Group Co.,Ltd.,Xingtai,Hebei 054021,China）

AbstractAiming at some water inrush accidents happened in Handan-Xingtai mine district in recent years,the features of water inrush from the Ordovician limestone of the floor were systematically analyzed.Combining with the example of water inrush,the disaster causing key factors of water inrush from the Ordovician limestone of the floor for the coal mine with deep mining depth and high pressure water were deeply analyzed,and its prevention difficulties were systematically elaborated,the targeted countermeasures of water inrush prevention that were advanced treatment of surface Ordovician area were proposed,which changed the treatment of one face to the treatment of one mining district or one level.The treatment targeted layer was changed from thin limestone to the top of aquifer in Ordovician limestone.The treatment was changed from ahead of mining to ahead of advancing in order to eliminate the geological faults of top of Ordovician limestone from the source of water inrush and ensure the safety mining,which had a directing significance for the coal mine with deep mining depth and high pressure water.

Key wordsdeep mining depth,high pressure water,water inrush feature,disaster causing factors,prevention difficulty,countermeasures of water inrush prevention

中圖分類號TD745.2

文獻標識碼A

作者簡介:高春芳（1975－）,男,河北井陘人,高級工程師,畢業于河北建筑科技學院（現河北工程大學）,從事煤礦防治水管理工作。