礦井開采中導水斷裂帶控制技術研究

王建民,魯 巖

(1.安徽省煤田地質局第三勘探隊第七工程處,安徽宿州 234000; 2.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇徐州 221116)

礦井開采中導水斷裂帶控制技術研究

王建民1,魯 巖2

(1.安徽省煤田地質局第三勘探隊第七工程處,安徽宿州 234000; 2.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇徐州 221116)

礦井水害是影響和威脅煤礦安全主要因素之一,導水斷裂帶是引起礦井水害的重要方面。影響斷裂導水的因素主要有巖層的富水性、導水斷裂發育程度、礦山壓力引起的斷裂活化、含水層的水壓、隔水層的性質等,其中絕大多數與導水斷裂帶有著直接關系。導水斷裂的控制技術主要有注漿加固、留設防水煤柱、輸水降壓和截流堵水等。對于防治技術的選擇要綜合多方面因素。

導水斷裂;注漿加固;化學注漿;防水煤柱;輸水降壓;截流堵水

1 引言

礦井水害的頻繁發生,不僅嚴重制約了我國煤礦的安全高效生產,而且造成了重大的人員傷亡和財產損失。礦井水害主要表現在：采掘工作面出現淋水,對勞動條件和生產效率造成影響;排水費用增加,導致煤炭生產成本增加;對金屬設備、支架、鋼軌具有腐蝕作用,縮短生產器材的使用壽命等。因此,礦井開采中導水斷裂帶控制技術研究十分重要。

2 影響斷裂帶導水的主要因素

2.1 巖層富水性

富水性主要取決于巖溶裂隙發育程度、徑流條件、構造及埋深等因素,它對礦井突水水害的規模和對礦井的危害程度起決定作用。查明水層的富水性和富水區域,可以為積極采取有效措施防治斷裂出水提供可靠的依據。

2.2 導水裂隙帶發育程度

在煤礦開采的過程中隨著開采巷道的不斷掘進、煤層的回采和礦井的延伸,礦井突水的潛在危險逐漸增加。研究構造斷裂的發育程度和導水性對井田預防底板突水具有十分重要的意義。

2.3 礦山壓力引起的斷裂活化

根據現場觀測,采礦過程中的礦山壓力易引起工作面底板斷裂活化。工作面初壓和周期來壓時,頂板懸頂面積最大,工作面附近煤體的支撐壓力和煤壁處的剪切力達到峰值,煤層底板極易遭到破壞,底板最易突水。因此突水點多在初壓及周壓地段或煤壁處。一般工作面自切眼推至60m這段距離內,底板發生突水的概率最大[1]18-21。

2.4 含水層的水壓

含水層的水壓是工作面底板突水的動力,主要有靜水壓力和動水壓力兩種形式。含水層水壓的大小直接影響斷裂帶和導水裂隙的導水能力,并對已存在的斷裂帶和裂隙具有擴張作用,加大出水流量,從而進一步擴大斷裂和裂隙。

2.5 隔水層的性質

隔水層的阻水能力大小是由其厚度、巖性組合以及力學強度決定的。厚度越大,越不易出水。起阻水作用的大小取決于有效隔水層厚度。如果礦壓對底板破壞深度大,導高又大,那么有效隔水層厚度相對減小,工作面底板就容易出水。

3 導水斷裂的防治

3.1 注漿加固

煤層底板注漿加固技術,是在工作面巷道內大面積地布置注漿鉆孔,通過注漿充填底板巖層,減弱含水層的富水性并切斷水源補給通道,使受注含水層被改造為弱含水層或不含水,繼而增強煤層底板隔水層的強度,以實現工作面不突水開采。注漿加固技術有物理注漿和化學注漿兩種方式。物理注漿是采用混凝土注漿[2]9-13。具體參數根據被改造含水層具體水文地質條件確定。一般說來,在工作面每隔一定距離施工一個鉆窩,鉆窩距離要根據漿液的擴散半徑以及含水層的富水性而定。化學注漿是將一定的化學材料(無機或有機材料)配制成真溶液,用化學注漿泵等設備將其注入到地層或縫隙內,使其擴散、膠凝或固化,以提高地層強度,降低地層滲透性,防止地層變形[3]18-21。對于不同的施工環境和斷裂發育情況應采取不同的治理方案。

3.2 留設防水煤柱

留設斷層防水煤柱是一種堵塞通道、隔斷水源、防止斷裂突水的重要措施。根據防水煤巖柱所處的位置劃分防水煤柱的種類,其可分為覆水體防水煤巖柱、斷層防水煤巖柱、礦井邊界防水煤巖柱、水平隔離煤柱、老空積水區防水煤巖柱[4]30-33。防水煤巖柱留設的原則：留設防水煤巖柱必須考慮地質構造、水文地質條件、煤層賦存、圍巖物理力學性質、煤層組合等自然因素,還要與采煤方法、開采強度、支護形式等人為因素相適應[5]35。

3.3 疏水降壓

在礦井開采過程中斷裂帶或裂隙連通的含水層的水壓是影響斷裂導水的一個重要因素。含水層水壓的大小影響斷裂導水的能力、出水量大小、裂隙擴張速度。對于有斷裂存在的煤層一定要探明所處含水層水量的水壓大小,對安全造成影響的含水層應采取輸水降壓措施。疏水降壓技術是對威脅礦井安全生產的主要充水含水層水,通過超前預疏或疏降水壓而減少或消除其對礦井安全的威脅。

3.3.1 疏水降壓的實施

常見的三種含水層分別為松散含水層、裂隙含水層、喀斯特含水層。當充水介質為喀斯特含水層時,礦井的涌水量往往較大,喀斯特水是危害我國煤礦最嚴重、存在最普遍、分布最廣泛的水害來源[6]124。查明斷裂發育位置和發育程度以及導水性,建立和完善礦井上下水文地質長期觀測系統;把握疏干或降壓目的含水層的富水性在水平方向和垂直方向上的變化規律,分析水源發育分布規律、補給水源、水力交替運動條件、水力連通關系及水文地質邊界條件,是進行疏干或降壓之前必須做的工作。此外,對礦井疏干降壓后可能引發的環境水文地質問題和地質災害,也要進行分析預測和提出相應的措施。

3.3.2 疏水降壓主要任務

降壓工程優化設計的主要任務如下：提出最優的疏水孔位布置以便在確保滿足疏水降壓要求的前提下,使總疏水量最小;提出最優的疏水水量時間與空間配置,以便在確保滿足疏水降壓要求的前提下,使得過程疏水量最小;預測在不同疏水方案條件下,實施疏水降壓工程后,目標含水層的疏水降壓效果和疏水降壓后目標含水層、相關含水層的地下水流場形態。

3.4 截流堵水

為了使開采區與水源隔開以及限制局部地段的突水不致波及其它地區造成淹井停產,可采用截流注漿技術在適當地點構筑水閘墻(門)。其方案設計如下：礦井突水后,在清楚了解突水水源、突水點位置及斷裂導水通道位置的情況下,用2～3個鉆孔打中位置清楚的過水巷道,注骨料使動水條件變為近似靜水條件,然后注漿進行封堵。在幾百米深的井下,井下巷道一般較窄,想打中巷道難度相當大,但打中巷道卻是透巷截流注漿的前提條件。另外,突水巷道內一般水量大、水流急,封堵困難,須把動水條件改為靜水條件后進行堵水。在突水流經的巷道布置2～3個鉆孔(根據水量、水壓的大小可適當增減)。如圖1[7]54-64所示打透突水巷道,采用動水注漿封堵工藝,向巷道內大量充填骨料,控制流速,使突水水流由管道流變為骨料空隙間的滲流,然后實施旋噴注漿,使骨料固結形成充填式水閘墻。注漿使巷道底板及巷道周圍巖體進一步得到加固,水閘墻形成后透巷孔應向下延深。對水源及突水通道注漿,在突水源頭向突水層位布置一個堵源孔以達到治本的目的。突水點及過水巷道位置的準確確定,是鉆孔透巷的關鍵因素,是布置透巷鉆孔的先決條件。透巷鉆孔施工時應該合理選擇組合鉆具及定向導斜工藝準確透巷,為后期注漿封堵提供有利條件。當突水量較大時,封堵時必須快速大量地向巷道內充填骨料,快速封頂;同時選擇直徑較小的石子作為主骨料。

圖1 工程布置示意圖

4 結語

在導水斷裂帶控制過程中,不同的控制技術既有其優點,也有其不足之處。礦井開采過程中導水斷裂帶控制技術的選擇應該根據斷裂帶的導水性、含水性、水壓、涌水量、補給水源確定,同時還要考慮采取技術的經濟合理情況等因素,必要的時候可采取多種防治手段以防不測。

[1] 王檔良,姜振泉.在建礦井井壁滲漏水的地質成因分析與化學注漿治理[J].建井技術,2008(5).

[2] 杜工會.焦作礦區水害治理技術[J].中國煤炭,2005 (05).

[3] 尹萬才,尹增德,施龍青.礦井突水原因及防治[J].焦作工學院學報,1999(1).

[4] 鄧祥月,韓明新,孟斌.論述防水煤柱的留設原則及計算方法[J].煤炭技術,2001(06).

[5] 白峰青,姜興閣,蔣勤明.斷層防水煤柱設計的可靠度方法[J].遼寧工程技術大學學報,2000(4).

[6] 郭波,宋鐵成,劉曉飛.關于疏水降壓技術的應用討論[J].科技風,2010(9).

[7] 喬留軍.透巷截流注漿技術在礦井水害治理中的應用[J].中州煤炭,2007(03).

責任編輯：文 月

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1671-8275(2014)01-0115-02

2013-10-16

王建民(1967-),男,安徽宿州人,安徽省煤田地質局第三勘探隊第七工程處處長,助理工程師。研究方向：煤田地質鉆探。