三軟急傾斜煤層高承壓巖溶裂隙水防治的研究與實(shí)踐

李輝

(禹州市富山煤業(yè)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(shí)踐

李輝

(禹州市富山煤業(yè)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(xiǎn)性的多因素綜合防治辦法及評(píng)價(jià)要點(diǎn),根據(jù)禹州礦區(qū)鳩山地區(qū)水文地質(zhì)、礦床工程地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)條件的特殊性,結(jié)合礦井采掘活動(dòng)期間針對(duì)性地開(kāi)展地面精密三維地震勘探、地質(zhì)鉆孔補(bǔ)勘、井下物探及鉆探收集的成果資料,采取控制疏放水量、長(zhǎng)觀孔水位變化等合理的“帶水壓開(kāi)采”措施,以此實(shí)現(xiàn)工作面的安全回采。實(shí)踐表明,所研究的系列綜合防治水技術(shù)方法是可行的,可為類(lèi)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(kāi)采對(duì)賦存地層、煤(巖)層、地質(zhì)構(gòu)造等的穩(wěn)定性、可靠性及準(zhǔn)確性要求較高,但這些地質(zhì)對(duì)象大多具有較強(qiáng)的隱蔽性,除了在長(zhǎng)期的地質(zhì)作用過(guò)程中發(fā)生不同程度的變形、斷裂外,還受人為采掘生產(chǎn)活動(dòng)的破壞極大,不可避免出現(xiàn)施工難度極大的防治水工程,針對(duì)高承壓含水層上煤層安全開(kāi)采的影響因素多、分布特征異常、空間規(guī)律性不明顯等特征,正確認(rèn)知、把握這些影響因素的彼此特性、分布規(guī)律,對(duì)提高含水層上煤層安全開(kāi)采上限和安全系數(shù),降低高承壓水威脅程度都至關(guān)重要［1一2］。

為了準(zhǔn)確把握這些影響因素的分布規(guī)律及其分布特征以及對(duì)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(zhì)勘探的手段,獲得這些因素的信息,并通過(guò)建立諸多因素對(duì)比、綜合評(píng)價(jià),制定針對(duì)性較強(qiáng)的施工方案,對(duì)礦井水害防治有重要的指導(dǎo)意義［3］。本文主要以禹州礦區(qū)雞山地區(qū)某礦實(shí)現(xiàn)三軟急傾斜煤層高承壓含水層巖上安全開(kāi)采為例,在礦井水文地質(zhì)、礦床工程地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)條件特殊復(fù)雜的基礎(chǔ)上對(duì)高承壓水害進(jìn)行了防治,值得學(xué)習(xí)借鑒。

2 研究區(qū)概況

某礦位于該市區(qū)西北向37km處雞山鎮(zhèn)趙莊村境內(nèi),由原官山一礦、趙莊煤礦、后溝七礦等四個(gè)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(jìn)一回”)多水平開(kāi)拓方式,走向長(zhǎng)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(chǔ)量497.65萬(wàn)t,礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為21萬(wàn)t/年,剩余服務(wù)年限12.1年。

井田位于華北地臺(tái)南緣嵩箕臺(tái)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(shì),低山丘陵區(qū)。區(qū)內(nèi)地層傾向130?！?60。,傾角16。～42。,平均為36。,總體為一東南方向傾斜的單斜構(gòu)造,發(fā)育有3條較大斷裂,并伴有次生斷層及重力滑動(dòng)構(gòu)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(qū)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元,橫向上位于區(qū)域分水嶺箕山～薈萃山～風(fēng)后嶺背斜南翼的白沙向斜巖溶裂隙承壓水文地質(zhì)單元之西翼的淺部,屬于區(qū)域地下水徑流區(qū)的上游,工廣內(nèi)靠近西南部山麓出露大量灰?guī)r露頭,在巖溶水系統(tǒng)的補(bǔ)給一徑流帶上,受寒灰露頭補(bǔ)給影響。區(qū)內(nèi)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?guī)r含水層、太原組下段L1一4灰?guī)r含水層及寒武紀(jì)灰?guī)r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?guī)r組成,且多破碎,呈條帶狀不連續(xù)分布,導(dǎo)水性不均一,太原組下段L1一4灰?guī)r含水層層位穩(wěn)定,富水性較強(qiáng),是主要防范治理對(duì)象,尤其是對(duì)11采區(qū)西翼工作面影響較大［4一6］。

3 工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)判

基于高承壓巖溶含水層上采煤產(chǎn)生的水文地質(zhì)工程地質(zhì)問(wèn)題的復(fù)雜性,與11采區(qū)西翼11041工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)條件吻合,其上部為11021工作面采空區(qū),下部為未開(kāi)采實(shí)煤體,西為趙莊斷層保護(hù)煤柱,東至副斜井井筒保護(hù)煤柱。該工作面走向長(zhǎng)268m,傾斜長(zhǎng)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(biāo)高在一35.4m～+55.2m,頂、底板起伏變化較大,煤層傾角為32?！?5。,平均為42。；煤層厚度不穩(wěn)定,最大煤厚21m,最小0m。

3.1 地面精密三維地震查明區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造情況

為進(jìn)一步探索查明適合本區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造,指導(dǎo)井下基礎(chǔ)水文地質(zhì)工程的實(shí)施,結(jié)合實(shí)際揭露的地質(zhì)及水文地質(zhì)情況及毗鄰鉆孔的成果資料,經(jīng)論證分析,需在對(duì)應(yīng)地表選擇具有代表性的點(diǎn)開(kāi)展點(diǎn)上試驗(yàn),以確定11041工作面底板隔水層分布情況、賦存規(guī)律及導(dǎo)水裂隙等因素。礦井與山東中煤物探測(cè)量總公司結(jié)合,在該區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)地表位置布設(shè)“束狀8線8炮,中線發(fā)炮”的觀測(cè)系統(tǒng),施工52條檢波線、98條炮線、1502個(gè)物理點(diǎn),利用偏移疊加—偏移后再疊加(即疊前偏移)的方法對(duì)地震資料成像修正,如圖1所示。

圖1 工作面對(duì)應(yīng)三維地震勘探成果圖

測(cè)區(qū)控制點(diǎn)內(nèi)的斷層分布主要為圖1中紅色標(biāo)示,運(yùn)用空間疊加分析功能,進(jìn)行多因素空間擬合,獲得研究區(qū)多因素空間疊加分析結(jié)果,即該工作面屬于受地質(zhì)構(gòu)造影響較大的突水危險(xiǎn)性分區(qū)。為了精確反映地質(zhì)構(gòu)造的影響,對(duì)斷層影響區(qū)域進(jìn)行緩沖二次分區(qū),并與傳統(tǒng)的突水系數(shù)分區(qū)法、直流電法物探異常分區(qū)法相結(jié)合。

3.2 采用直流電測(cè)儀查明工作面水文地質(zhì)條件

礦井標(biāo)選河南理工大學(xué)對(duì)11041上、下順槽、切眼進(jìn)行直流電法物探,共布設(shè)15站、勘察180個(gè)物理點(diǎn),根據(jù)提交的11041工作面直流電法物探勘察報(bào)告顯示,二1煤層底板以下20m、40m處存在2個(gè)低阻異常區(qū),經(jīng)比對(duì)分析,在工作面11041切眼位置、11041下順槽測(cè)點(diǎn)H9以里約40m范圍內(nèi),存在A、B兩個(gè)富水異常區(qū),且煤層底板隔水層厚度為38m,在回采時(shí),煤層隔水層受采掘擾動(dòng)破壞影響,局部裂隙等導(dǎo)水通道可能增加或加大,存在可能突水危險(xiǎn)。

3.3 對(duì)比井下水平長(zhǎng)觀孔水位值推算評(píng)價(jià)

根據(jù)+45m水平太灰長(zhǎng)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?guī)r含水層約38m,根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》,底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06MPa/m,由突水系數(shù)計(jì)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(shù)為0.094MPa/m(Ts=P/M=3.58MPa/ 38m=0.094MPa/m)；大于臨界突水系數(shù),由此計(jì)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(dǎo)水裂隙帶升高,突水威脅較大［7一8］。

根據(jù)研究區(qū)勘探資料及水文地質(zhì)、工程地質(zhì)與開(kāi)采技術(shù)條件分析,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試資料,獲得研究區(qū)各個(gè)主控因素的典型量化數(shù)據(jù)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(zhì)構(gòu)造異常、煤層底板標(biāo)高等,分析掌握這些因素,開(kāi)展相對(duì)應(yīng)的針對(duì)性措施有依可循。

表1 工作面各影響因素?cái)?shù)據(jù)量化權(quán)重表

4 富水異常區(qū)域驗(yàn)證性鉆孔的施工評(píng)價(jià)

4.1 驗(yàn)證性鉆孔施工情況

根據(jù)以上三種手段的理論分析,鉆探揭露實(shí)際情況研究分析表明,11041工作面的底板灰?guī)r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(duì)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(zhì)泥巖為主,局部泥巖厚度達(dá)到20m；②底板煤層賦存情況不穩(wěn)定,個(gè)別鉆孔見(jiàn)不到煤層,其中2一2孔見(jiàn)到2層煤；③各鉆孔分別揭露至少2層灰?guī)r層,灰?guī)r層厚度在0.8～7.39m不等,實(shí)際出水位置均在灰?guī)r層位中,各鉆孔揭露灰?guī)r層距二1煤層底板平均為38.0m。

4.2 鉆孔施工過(guò)程中存在的問(wèn)題

孔壁垮塌：在施工1一1孔時(shí),鉆進(jìn)煤層底板松軟破碎、裂隙發(fā)育的巖層時(shí),雖加入泥漿護(hù)壁,但泥漿配比不易把握,有效護(hù)壁的作用不大；同時(shí),測(cè)孔的水壓過(guò)大,在接口不嚴(yán)處形成渦流,直接沖刷孔壁；置鉆加固不牢,鉆桿震動(dòng)劇烈,碰擊孔壁。

巖粉沉積聚集：鉆進(jìn)軟巖時(shí),鉆探速度過(guò)快、送水量過(guò)小、泥漿使用不及時(shí)、泵壓不足,水未至孔底便返回、不能使巖粉及時(shí)排出；停泵過(guò)于頻繁或時(shí)間較長(zhǎng),而鉆具不能及時(shí)提離孔底一定高度或退鉆,直接導(dǎo)致埋鉆事故發(fā)生。

鉆具脫落：在補(bǔ)打1一1孔時(shí),由于鉆頭與導(dǎo)向桿絲扣部位保護(hù)不好,連接過(guò)松,未對(duì)正即強(qiáng)行扭接,造成絲扣變形、磨損、產(chǎn)生凹痕等,使鉆桿與接頭絲扣連接松弛,出現(xiàn)滑扣,鉆具脫落。

5 結(jié)論

建立了煤層底板突水危險(xiǎn)性多因素綜合評(píng)價(jià)模型,根據(jù)研究區(qū)的水文工程地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)條件分析可知,影響研究區(qū)高承壓水體上采煤安全性的因素多且復(fù)雜,確定了煤層底板破壞深度,煤層底板抗壓強(qiáng)度,煤層底板隔水層厚度,煤層底板水壓,煤層底板標(biāo)高,斷層密度,高承壓含水層頂板標(biāo)高,高承壓含水層水位標(biāo)高8個(gè)影響本研究區(qū)煤層高承壓水體上開(kāi)采的主控因素。

以山西太原組巖溶高承壓水采掘?yàn)槔?應(yīng)用高承壓水體上采煤危險(xiǎn)性多因素綜合評(píng)價(jià)模型,獲得工作面的開(kāi)采危險(xiǎn)性指數(shù)分區(qū)等級(jí)圖,并與傳統(tǒng)的突水系數(shù)分區(qū)法相比,可知本文提出的煤層底板突水危險(xiǎn)性的多因素綜合評(píng)價(jià)更加精確,并且能綜合反映斷層構(gòu)造的影響范圍及影響強(qiáng)度。

［1］尹傳理,李化敏.我國(guó)煤礦深部開(kāi)采問(wèn)題探討［J］.煤礦設(shè)計(jì),1998(8):7一11.

［2］李化敏,付凱.煤礦深部開(kāi)采面臨的主要技術(shù)問(wèn)題及對(duì)策［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào),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(yè)出版社,1993.

［4］楊天鴻,唐春安,等.巖體破壞突水模型研究現(xiàn)狀及突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究發(fā)展趨勢(shì)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26 (2):268一277.

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［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(qiáng),張志龍,馬積福.煤層底板突水評(píng)價(jià)的新型實(shí)用方法I——主控指標(biāo)體系的建設(shè)［J］.煤炭學(xué)報(bào),2007,32(1): 42一47.

［8］武強(qiáng),張志龍,張生元.煤層底板突水評(píng)價(jià)的新型實(shí)用方法II——脆弱性指數(shù)法［J］.煤炭學(xué)報(bào),2007,32(11):1121一1126.

[欄目責(zé)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(chǎn)組織及黨建工作等。