帶壓開采防治水技術保障體系建設

趙慶彪

(河北冀中能源集團有限責任公司,河北省邢臺市,054000)

★煤礦安全 ★

帶壓開采防治水技術保障體系建設

趙慶彪

(河北冀中能源集團有限責任公司,河北省邢臺市,054000)

實現安全帶壓開采是下組煤開采的關鍵技術問題。總結了河北省南部礦區在長期的帶壓開采實踐中形成的防治水綜合配套技術保障體系,并指出了今后在下組煤帶壓開采中急需解決的關鍵技術。

下組煤 帶壓開采 水害防治 技術保障體系 邯邢礦區

AbstractTo realize safe coal mining under water pressure of aquifer is an indispensable key technology for coal mining in seams below water bearing strata.This paper introduces the comprehensive technical guarantee system for water prevention and control in coal mining in such case in coal mine areas in the southern part of Hebei province.The paper also points out the key technical problems and issues that call for immediate solutions in coal mining under water pressure of aquifer in coal seams under water bearing strata.

Key wordscoal seams under water bearing strata,coal mining under water pressure of aquifer, mine water prevention and control,technical guarantee system,Handan-Xingtai coal mine area

河北省南部礦區下組煤的資源量近30億t,煤質較好,經洗選后是良好的工業用煤,但在開采時,會受奧灰水威脅。實踐證明,帶 (水)壓開采技術及其安全防范技術措施的綜合運用是解放受奧灰水威脅下組煤的可行途徑。同時,建立防治水技術保障體系是實現安全帶壓開采的重要前提。

1 下組煤試采基本原則及防治水技術路線

1.1 下組煤開采條件概述

河北省南部邯邢礦區地處太行山東麓與華北盆地的接觸帶上,地質構造非常復雜。礦區地下奧灰水水文地質條件極其復雜,地下巖溶水十分豐富,巖溶陷落柱發育,煤系地層本身又有多層厚度不一的薄層灰巖,屬典型的華北巖溶型煤田。

開發下組煤實行帶壓開采,其底板隔水防護層的厚度僅有25～40m,且構造發育,因而面臨底部奧灰水直接突水威脅。同時下組煤主采9#煤層的頂板大青灰巖、底板本溪灰巖含水層往往通過構造直接接受奧灰水的補給,惡化了9#煤層的開采條件。

因此,對底板巖溶水的有效防治,實現安全帶壓開采是下組煤開采的關鍵技術問題。深入研究、應用先進的礦井水害防治技術,建立安全、可靠、高效的帶壓開采水害防治技術保障體系,是確保礦井下組煤安全帶壓開采的必要前提。

1.2 下組煤試采基本原則

根據全國長期帶壓開采的經驗及邯邢地區具體的水文地質條件,目前各試采礦井均采取“預防為主,查治結合,注漿加固,帶壓開采”的基本原則對下組煤進行開采。鑒于下組煤開采的高風險性,下組煤開采礦井必須設置好三道防線:

(1)力爭不出大水。要求井上、下注漿系統可靠,各項預防處理措施嚴密;

(2)出水不淹井。要求防排水系統可靠,原則上獨立建井,水閘門、墻隔離設施可靠;

(3)淹井不傷人。要求強大的防排水設施作為后盾,有可靠的預警系統和完善的應急救援預案,保證人員逃生撤離時間。

1.3 帶壓開采防治水技術路線

根據帶壓開采條件和受水害威脅程度,確定采用的防治水技術路線為“普查找疑,有疑必探;預測預報,先探后掘;注漿改造,先治后采;全程監控,全面設防”,具體可以歸納為以下幾點。

(1)做好水文地質條件勘察,建立可靠的分區隔離和防、排水系統,是防治水工作的前提。

(2)通過地面三維地震、瞬變電磁等綜合勘探手段進行科學普查,查明試采區基本的構造形態及可能存在的含 (導)水構造異常區。

(3)對地面普查找出的異常區,通過二次精細解釋及鉆探等手段進行精細探查。并在此基礎上通過綜合分析進行預測預報。

(4)采用物探、鉆探綜合探查手段進行掘進超前探測和工作面采前綜合探測。

(5)先治后采,對工作面底板潛伏導水構造進行注漿加固,對底板薄層灰巖進行注漿改造。

(6)利用鉆探工程,進行水量、水壓、水溫“三量”測試,計算隔水層帶壓系數。

(7)在工作面回采過程中,對煤層底板破壞深度和突水征兆進行全程動態監測。

(8)建立可靠的預警系統和完善的應急救援預案。

建立防治水技術保障體系就是要形成一套下組煤開采的水害預防、探測及治理的綜合配套技術集成,主要包括礦區、采區和工作面水文地質條件探查配套技術;帶壓開采的安全評價體系;工作面底板突水監測和預報綜合配套技術;底板注漿改造技術以及改進開采工藝,減少底板破壞深度的綜合配套技術等。

2 水文地質綜合探查技術

2.1 水文地質條件綜合勘探

在研究和分析現有礦井水文地質資料基礎上,有針對性的對大青灰巖、本溪灰巖及奧灰含水層進行專門水文地質勘探試驗,取得對大青、本灰和奧灰水文地質條件的認識,在做好水文地質補充勘探的基礎上,建立和完善了水文地質觀測系統,實現了水情、水害的自動監測。

2.2 采場井上、下綜合探查

下組煤開采防探水工作貫穿于整個開采過程,采取的方式必須地面與井下相結合,鉆探與物探相結合,探查與治理相結合。一般采用井上、下立體綜合勘探手段,堅持“井下為主,地面為輔,物探為主,鉆探為輔,物探先行,鉆探驗證”的勘探原則。物探方法的選擇主要考慮對“探查體識別與定位”的“敏感性”。探查實施要分階段有重點進行,各個階段的具體任務各有側重。

(1)開掘前階段。該階段主要利用地面三維地震勘探及電法勘探,查明煤層基本賦存形態和構造特征、含水層的富水區域或集中逕流帶,探查斷層、巖溶陷落柱的分布及其含導水性,圈定可疑區。

(2)巷道掘進階段。該階段重點是采取超前綜合探測措施,先探后掘。對掘進前方、上下及其兩幫附近有無斷層及導水構造進行重點探測。具體探測方法一般利用直流電法進行超前探測,兩幫側前方利用底板超前鉆探進行探測。

(3)工作面回采前階段。利用無線電坑透儀對工作面內部進行探測,確定工作面內部構造。利用音頻電透視、瞬變電磁探測工作面內部及其底板隔水層富水性及隱伏含水構造,并結合直流電測對底板探測的成果,研究確定奧灰水、本灰水原始導高。通過對以上探測成果的綜合研究,提出對工作面底板構造及其富水性的評價,并圈定出可能發生的突水危險區。

3 底板注漿改造技術

隔水層的完整性和足夠的阻水性能是實現安全帶壓開采的必要條件,但由于受沉積條件及構造破壞的影響,個別井田較為富水,對9#煤層的開采直接造成威脅。因此,必須通過對底板注漿加固與改造,達到加固隔水層,改造本溪灰巖為隔水層的雙重防治水目的。

3.1 葛泉礦9#煤層底板注漿改造技術

邢臺礦區葛泉礦9#煤層開采水文地質條件表現出“一薄、二強、三高”的特點:“一薄”是本溪灰巖與奧灰之間隔水層薄,只有8～16m;“二強”是奧灰巖溶發育,富水性極強;本灰巖厚度較大 (平均9m)、巖溶裂隙發育、與奧灰巖溶之間存在水力聯系,富水性較強;“三高”是奧灰巖水壓高、本灰巖導升高 (局部到9#煤層底板)、突水系數高。必須通過改造本溪灰巖含水層為相對隔水層,才能實現安全帶壓回采。具體措施:

(1)注漿封堵工作面底板隱伏導水裂隙帶,加固煤層底板有效隔水層段,補強其阻水性能;

(2)對本溪灰巖含水層進行全面注漿改造,將其改造為相對隔水層。

3.2 東龐礦9#煤層底板預注漿加固

邢臺礦區東龐礦9#煤層底板隔水層特點是以泥質粉砂巖軟性巖層為主,高強度脆性巖層灰巖為輔;本灰巖薄,只有1～2m,富水性差;整個巖層可注漿性差。針對這些特點主要采取措施:

(1)對于較淺部工作面,只對隔水層變薄帶、構造破壞帶、物探異常區、本灰巖富水區等薄弱帶進行局部注漿加固,注漿層位為底板破壞深度以下至奧灰頂部以上5m。

(2)對于井田深部隔水層厚度相對不夠的工作面,為確保隔水層的厚度和強度,保證突水系數不超過礦井防治水相關規定,注漿層段適當下移至奧灰巖頂部風化殼 (一般20～30m)。目前已開始這方面的試驗研究。

4 建立科學的帶壓開采安全評價體系

4.1 底板隔水層阻水性能量化研究

對底板隔水層阻水性能研究的方法主要有:應用巖石學理論研究煤層底板隔水層厚度、組合及強度變化規律;應用隨機場理論研究隔水層中導高的分布規律;應用鉆孔注水試驗測試隔水層帶壓系數。

在東龐礦的9103試采工作面首次進行了底板隔水層阻水能力試驗與量化研究。首先利用底板測試鉆孔,在其施工過程中測試水壓、水量和水溫數據,即“三量測試”。然后對所測數據進行分析,計算出不同層段的帶壓系數,評價底板隔水層阻水性能。根據顯水帶、導水帶及阻水儲備帶 (導高帶至底板破壞帶之間)相對9#煤層在空間上的賦存狀況,總結出了6種帶壓開采判別模型,針對不同模型,可采取直接帶壓開采、預注漿加固、留設防水煤柱等不同措施。

4.2 底板破壞規律及強度研究

多年來,通過底板鉆孔注水試驗,底板水壓、水溫、應力、應變自動動態監測及計算機模擬手段針對下組煤的不同采煤方法、不同開采規模、不同的采面設計參數及開采條件 (采深、工作面長度及孤島工作面)工作面的采動底板破壞規律及強度進行了一系列的探測和研究,掌握了影響底板破壞的相關因素以及底板巖層應力分布規律和底板擾動破壞特征。

4.3 帶壓開采安全性評價方法

帶壓開采的安全性評價主要利用突水系數法進行區域宏觀評估,對具體采場主要通過計算隔水層不同層段的帶壓系數,評價底板隔水層阻水性能。利用“五圖雙系數法”評價帶壓開采的安全性。

由于底板突水是一種多因素影響的動態水文地質現象,原有的預測模式難以克服因簡化條件及人為經驗因素的影響,而給出合乎實際的數學結果。為此,2006年在章村礦利用地理信息系統 (GIS)與人工神經網絡 (ANN)耦合技術開展了9#煤層底板脆弱性安全評價研究和突水脆弱性分區評價研究,完成了影響煤層底板突水的主控因素分析,對煤層底板突水脆弱性進行了定量區劃,并提出了相應的防治水對策。經過對比分析,預測效果比較符合現場實際。

5 防治水技術保障體系的建立

5.1 底板突水監測預警技術研究

引起煤層底板突水的因素是極其復雜的。三十多年來,通過對煤層底板突水機理研究,人們認為,影響煤層底板突水的基本因素可以用若干物理、力學指標來表征,如底板應力、應變、地溫、孔隙水壓力等。這四項指標參數能夠比較真實可靠地反映煤層底板突水現象的發生、發展過程。底板原位測試具有地應力普查和采前突水預測的特點;突水前兆實時監測具有實時動態監測的優勢,二者結合起來形成煤層底板突水預測預報配套技術,在東龐礦9103工作面及葛泉礦1192工作面帶壓開采實踐中,發揮出綜合優勢,取得了較好效果。

5.2 建立可靠的技術裝備保障系統

技術裝備支撐系統包括排水系統、鉆探注漿能力、綜合物探、水位遙測、水情水害監測系統、水害預警系統、水化學實驗室及突水水源快速判別系統、礦區水文地質信息管理系統等,是滿足礦區水文地質保障體系運行的硬件支撐。其中建立強大的抗災排水系統、可靠的分組分區水閘門 (墻)隔離系統是前提,具備可靠的井上下注漿系統和綜合物、鉆探能力是滿足防治水工作的基本條件。

5.3 建全完善的安全保障管理體系

礦井防治水工作是一項極其復雜的牽涉到多學科多領域多部門的系統工程,必須嚴格管理,建立、健全完整的防治水管理體系。主要包括防治水機構的設置及相關責任制;防治水工作的標準化、制度化及程序化管理;防治水工作綜合評價體系及應急救援管理等。要根據確定的防治水技術路線,從設計、評價、驗收等方面制定嚴密的礦井防治水管理程序,對有突水威脅的工作面,必須嚴格按程序審批,上一階段工作未完,不準進入下一階段,工作面防治水工作未驗收,不準開采。這些制度的建立與實施,保證了礦井防治水安全保障體系的高效、安全運行。

6 防治水技術保障體系研究展望

根據目前下組煤帶壓開采對水害安全保障技術的基本要求,今后水害防治急需解決的關鍵技術有:

(1)加強對新的采礦條件下工作面底板水突水機理的研究,特別要加強在大采深、高水壓、高應力條件下煤層底板水的突出機理和控制因素研究。

(2)完善和發展帶壓開采安全評價技術體系。面對深部煤炭資源開采中帶壓開采評價技術的挑戰,應該在完善雙系數 (突水系數和帶壓系數)技術的基礎上,在帶壓安全開采可靠性分析、底板隔水層阻水能力的量化研究、三維地質建模技術及其可視化等方面發展帶壓開采安全評價技術。

(3)鑒于物探技術的可靠性、準確性所限,今后要進一步加強采場綜合探測技術研究。重點解決多方位超前物探探測技術、底板原始導高物探探測技術、隱伏陷落柱綜合探測技術、三維地震精細解釋技術、工作面內部底板隱伏構造及其含水性綜合探測技術和井下高承壓安全鉆進技術等。

[1]煤炭科學研究總院北京開采所編.地下開采現代技術理論與實踐新進展 [M].北京:煤炭工業出版社, 2007

[2]虎維岳.礦山水害防治理論與方法 [M].北京:煤炭工業出版社,2005

[3]趙鐵錘等.全國煤礦典型水害案例與防治技術 [M].徐州:中國礦業大學出版社,2007

(責任編輯 張毅玲)

Construction of technical guarantee system for water prevention and control in coal mining under safe water pressure of aquifer

Zhao Qingbiao
(Hebei Jizhong Energy Group Co Ltd,Xingtai,Hebei province 054000,China)

TD745

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趙慶彪 (1956-),男,遼寧海城人,工學博士,正高級工程師,現任冀中能源集團有限責任公司總工程師,長期從事煤礦安全生產技術管理工作。