巨厚奥灰含水层煤系基底的安全开采技术

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁煤炭科学技术󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2002年1月

巨厚奥灰含水层煤系基底的安全开采技术

钟亚平,洪益清

(开滦(集团)有限责任公司,河北唐山󰀁063000)

摘󰀁要:开滦矿区通过研究煤系基底阻水带厚度和阻水性能;综合探查导水通道的分布;有针对性制定安全技术措施;对深部开采条件适宜的矿井,实施疏水降压开采等综合配套防治技术,实现了巨厚奥灰含水层煤系基底的安全开采。关键词:奥灰含水层;安全开采;华北煤田中图分类号:TD823󰀁83󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

文章编号:0253-2336(2002)01-0055-03

SafetyminingtechnologyforcoalminingunderaquiferinOrdovicianlimestone

ZHONGYa󰀂ping,HONGYi󰀂qing

(KailunGroupCorp.Ltd.,Tangshan󰀁063000,China)

Abstract:Afterastudyonathicknessandwaterproofperformancesofawaterproofzoneincoalseriesbasebottom,comprehensivesurveyofwaterconductivechanneldistributionandsafetyandtechnicalmeasuresspeciallysetup,coalminingoperationsunderthickOrdovicianlimestoneaquiferofcoalseriesbasebottomwassafelyconductedwithsuitabledeepminingconditionsandwaterdrainageandwatertabledroppingandotherpreventionandcontroltechnologies.

Keywords:aquiferinOrdovicianlimestone;safetymining;NorthChinaCoalField

󰀁󰀁华北煤田石炭二叠系含煤地层的基底为巨厚奥陶系石灰岩,在一些矿区可发育至800多米厚,属岩溶承压含水层,岩层中裂隙岩溶极为发育,储水丰富。其地面露头被第四系冲积层所覆盖,该岩层为强含水层,与奥灰含水层相互补给(见图1)。加之二者都接受大气降雨补给,使煤系基底的奥灰岩水量充沛,一些矿井奥灰岩虽经百余年开采,其水位下降极小。随着矿井深度的逐年增加,矿井煤系基底的巨厚奥灰含水层对开采构成巨大威胁;在高水压作用下,矿井突水淹井事件时有发生,严重制约矿井的生产。

1󰀁煤系基底可靠阻水带厚度的研究

󰀁󰀁从煤矿开采实践中认识到采矿发生突水是由于采后底板发生的变形破坏,使底板强度不能抵抗底部奥灰含水层压力而发生的。因此研究开采后底板变形规律,对于采前判断阻水带可靠程度,从而把握安全开采至关重要。通过与科研院校相结合,进行实验室相似模拟材料模型试验和有限元电算模拟研究,以及现场开采岩移观测和压水试验,得出采后底板导水性可分为3带。1󰀁1󰀁采后底板破坏深度

󰀁󰀁采后底板岩层应力状态发生变化,形成应力集中区和卸压区。应力的增减和剪切,使岩层的原始裂隙张闭和扩展,从而使岩层渗透性增大,削弱了岩层的阻水能力。经研究分析,影响采后底板导水性因素有:岩石强度、岩层组合、原始裂隙发育状况、开采深度、工作面斜长及采高、掘进速度、来压步距等,采用逐步回归分析法得出底板破坏深度的计算公式为

h=0󰀁0085H+0󰀁1665a+0󰀁1079L-4󰀁3579式中󰀁H󰀂󰀂󰀂采深,m;

a󰀂󰀂󰀂煤层倾角(适用于倾角<30 );

图1󰀁开平煤田地下水迳流示意

L󰀂󰀂󰀂工作面斜长,m;

55第30卷第1期󰀁

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁煤炭科学技术󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2002年1月

位置,二是要探清导水通道的导水程度,由于断层和岩溶陷落柱分布的复杂性和隐蔽性,只有通过综合探查,才能提高探测成果的精确度,以便采取针对性的治理措施。2󰀁1󰀁1󰀁物理探测

󰀁󰀁采用高分辨三维地震勘探技术是对矿井精查地质报告最好的补充和深化,可以快速高效地查明导水通道的空间分布,在此基础上,对导水体进行进一步的物理探测,如瞬变电磁法、井下槽波勘探、无线电坑透、电导率透视、放射性、同位素和远红外等探测分析等,可以基本勾划出导水通道的空间形态和富水性。2󰀁1󰀁2󰀁水化学分析

󰀁󰀁不同含水层的水质有不同的类型,通过对获取的水样进行水化学分析化验,可以快速准确判断水的来源及补给情况。开滦经过对大量的水化资料进行统计分析得出,冲积层含水层、奥灰含水层以及煤系地层各含水层都有各具代表性、又能相互区别的水质成分,只要取来水样即可快速判别水源,有助于物理勘探和钻探成果的分析。

2󰀁1󰀁3󰀁水位、水压、水温分析和放水连通试验󰀁󰀁通过对矿井各含水层水位标高、水的温度和钻孔水压的分析,在水位、水温、水压等值线图中进行水文地质分析,可以发现异常区。通过井上下水

Pb>Pw

文观测网进行钻孔放水和连通试验,如投入化学示踪剂则更加直观,可以进一步查明导水通道的影响范围、补给水源、补给水量和补给通道。

2󰀁1󰀁4󰀁钻探查明

󰀁󰀁经过物化探技术的综合应用和资料的全面分析,为验明导水通道的存在和富水性,需要实施钻探工程。由于揭露高压导水通道存在很大的风险性,必须对钻探工程详细设计和制定安全措施。2󰀁2󰀁导水通道的安全防治措施

󰀁󰀁经过综合立体探查取得的导水通道的准确资料,就应针对采矿工程采取可靠的安全防治技术,通常可有以下对策。

2󰀁2󰀁1󰀁掘进工程穿越导水通道的防治技术󰀁󰀁在已经探明导水通道的情况下,掘进巷道应避免穿越导水通道。如须穿越时,应采取巷道围岩注浆加固处理,使巷道周边形成一个可抵抗导水水压的加固帷幕。掘进通过时应控制爆破震动和特殊加固支护,既保证施工时安全和减少涌水,又能长期可靠承接采动影响和地应力变化,防止滞后出水。

h󰀂󰀂󰀂底板破坏深度,m。

该公式相关系数为0󰀁9444。1󰀁2󰀁奥灰承压水原始导高带

󰀁󰀁通过钻孔和井巷揭露情况分析,奥灰承压水沿隔水岩层底部的裂隙或裂隙破碎带上升一定的高度称之为原始导高带,但分布不均匀。在正常区内,原始导高带为零,只有少数地区存在,一般也小于5m;在构造作用下,原始导高带也不均匀,一般都小于10m,但少数断裂可使承压水导升到很高,甚至接近或穿过煤层,应属于导水构造。有些矿井因开采煤层距奥灰顶界面间距小于开采压力对底板影响最大深度,而发生奥灰承压水沿其原始导高向上再升而形成采动导升带;如开采深度跟奥灰顶界面距离大于开采压力对底板影响最大深度,则不会影响原始导高的再导升。原始导高和承压水再导升带高度的确定,是分析煤层底板阻抗承压水能力不可忽视的一个重要因素。

1󰀁3󰀁有效保护带厚度及阻水能力

󰀁󰀁有效保护带位于底板采动破坏带与奥灰承压水导高带之间,它是抵抗底部奥灰水突出的关键。其抵抗突水能力取决于厚度和岩石强度,有效保护带厚度由煤层距奥灰顶面距离减去底板采动破坏带和原始导高带得出,为保证开采后底板不发生突水,则应满足以下公式

Pb=3󰀁h-󰀁H+T-P0

式中󰀁Pb󰀂󰀂󰀂有效保护带破裂的压力;

Pw󰀂󰀂󰀂奥灰水压力,MPa;󰀁h󰀂󰀂󰀂最小水平主应力,MPa;󰀁H󰀂󰀂󰀂最大水平主应力,MPa;P0󰀂󰀂󰀂岩体孔隙中的液体压力,MPa;T󰀂󰀂󰀂岩体抗压强度,MPa。

2󰀁防止遇导水通道突水的研究

󰀁󰀁煤矿水文地质条件会因地质构造和地下岩溶水径流的作用而变得复杂,可使断层、裂隙和岩溶陷落柱成为奥灰水的导水通道,矿井开采活动中遇导奥灰水通道,极易发生透水灾害,轻则增加矿井排水量,影响企业经济效益;重则造成淹井,造成重大人身伤亡和财产损失。

2󰀁1󰀁导水通道的综合立体探查

󰀁󰀁导水通道的探查,一是要探清导水通道的空间56第30卷第1期󰀁

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁煤炭科学技术󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2002年1月

2󰀁2󰀁2󰀁导水通道附近煤层开采防治技术

󰀁󰀁开采导水通道附近的煤层时,一般可采用截流堵水方法、疏水降压开采方法和留设防水煤柱的开采方法。防水煤柱一经确立,就必须始终保持完整可靠,不得在防水煤柱内进行任何采掘活动。在煤层群开采时,还应按照岩石移动角度和顶板冒落裂隙带发育高度来确定各煤层的防水煤柱。2󰀁2󰀁3󰀁突水条件下导水通道的治理

󰀁󰀁水文地质条件复杂矿井,必须备有足够排水能力,以防一旦发生突水,就能立即投入排水保矿。同时抓紧对突水的导水通道进行探查,尽快制定治理方案,视情况分别采取注浆封堵水源、帷幕注浆截堵通道和疏堵结合技术,以取得最佳效果。

图2󰀁赵各庄矿水文地质边界示意

要而不会淹井,其设计位置应能最大限度减少排水高度以节省费用;疏水工程通常用一批钻孔将奥灰承压水引出,其钻孔结构和孔口装置应能保证开启安全,其数量应能满足最大疏水量的要求。3󰀁3󰀁疏水降压开采效果

󰀁󰀁开滦赵各庄矿通过对煤系底板可靠阻水带厚度的理论与应用研究,制定合理的疏水降压开采方案,实现了在受底板高压奥灰水威胁下安全带压开采,取得了巨大经济效益和综合社会效益。据统计,实施疏水降压工程以来,累计从受底板奥灰水威胁的区域采出煤炭资源653万t,实现销售收入10亿多元,取得了巨大的经济效益。基本上解决了即将投入的13水平的安全开采问题,储量2032󰀁8万t,延长了矿井服务年限。同时疏水降压与水资源利用相结合,纳入矿区供水管网,变害为利,解决了矿区生产生活用水短缺问题,确保了矿区稳定,产生了巨大的社会效益。

参考文献:

[1]󰀁钟亚平.开滦煤矿综合防治水技术研究[M].北京:煤炭

工业出版社,2001.

[2]󰀁中国科学院地质研究所.煤矿突水预测预报综合研究[R].

北京:中国科学院地质研究所,19.

[3]󰀁山东矿业学院,开滦矿务局.开滦赵各庄矿深部-1200m以

上奥灰承压水含水层上安全开采技术试验研究[R].唐山:开滦矿务局,1991.

[4]󰀁钟亚平.水文地质条件极复杂型矿井隐型垂直导水构造的探

查[J].煤炭科学技术,1998(1).

3󰀁深井疏水降压开采技术

󰀁󰀁一些矿井在浅部开采时不曾发生奥灰突水事故,随着开采深度加大,底板奥灰水压也逐渐增加,就可能超过底板有效保护带的强度而发生突水灾害。在条件适宜下,采取对奥灰含水层实施疏水降压,把水压降到有效保护带的强度以下,实现安全开采,取得回收煤炭资源、延长矿井寿命、解决用水来源、保持矿区政治经济稳定等综合效益。3󰀁1󰀁疏水降压开采可行性研究

󰀁󰀁开滦赵各庄矿现在12水平生产,开采深度为1056m,开拓延深水平深度为1157m。对应位置的底板奥灰承压水压力为8󰀁5~9󰀁5MPa,此值已超过底板有效保护层的强度,但一直保持安全开采,其原因在于矿井进入深部开采时实施了疏水降压工程,从而确保奥灰水压低于底板有效保护带的强度,不会发生突水。

󰀁󰀁该矿在长期的开采实践中查明,其矿井水文地质边界条件是封闭或半封闭的,形成一个比较的水文地质单元(见图2)。奥灰含水层以静储量为主,周边补给和大气降雨补给有限,历年开采矿井排水已使奥灰水位大大低于开平向斜的其它矿井。经过水文地质勘探和开采实践证实,该矿在深部开采时可采取疏水降压技术,确保奥灰水不发生突水是可能的。

3󰀁2󰀁疏水降压工程方案

󰀁󰀁疏水降压工程系统包括排水工程、排水设施和疏水工程三部分。其中排水工程多为岩巷,设计成一定坡度将疏水引入水仓;排水设施是承担把疏水排至矿井地面,其排水能力能满足最大疏水量的需

󰀁󰀁作者简介:钟亚平(1945-),男,江西南昌人,高级工程师(教授级),享受特殊津贴,1996年授予国家有突出贡献的中青年科学、技术、管理专家称号。1997年获中国科学技术发展基金会孙越崎基金会!能源大奖∀。

收稿日期:2001-11-08;责任编辑:曾康生

57