浅埋薄基岩综采面涌水机理及水灾防治技术研究①.pdf

1 1 0 科技资讯 科技资讯 S C I E N C E 当 推进到3 6 0 m时, 工作面加长到1 9 9 m, 由于 切眼增加段强制放顶等因素, 涌水量随之 增加为5 0 0 m3/ h 左右。 实测涌水量与工作面 推进度关系见图1 。 工作面涌水在顶板破断 前和破断后机理不同, 在破断后主要以裂 隙水为主, 且工作面涌水量随工作面倾斜 长度加大而增加。 由于本区基岩上方风化 带岩层属于中等偏弱岩层, 水稳定性差, 易 水解, 有利于导水裂缝的重新闭合。 缩短工 作面倾斜长度, 加快推进速度, 顶板及其上 覆厚松散沙土层整体下沉后, 破断的顶板 岩块可以铰接挤压并快速闭合, 仍具有阻 水作用。 随着关键层裂缝的闭合, 破坏岩体 仍可以起到控水作用。 因此, 在空间上, 工 作面涌水通道及裂隙分布主要有以下3 种 类型 煤壁附近随工作面推进不断变化前 移的动态裂隙发育区, 靠近切眼附近的永 久裂隙区和两顺槽边缘裂隙区。 3 导水裂隙带高度计算 本文对导水裂隙带高度的确定主要采 用经验公式计算及生产矿井实例统计进行 最终确定。 1 导水裂隙带高度经验公式计算。 由 于本区基岩岩性以细粒砂岩, 粉砂岩为主, 次为中粒砂岩及泥岩, 呈互层结构体。 砂岩 多为泥质胶结, 部分层段为钙质胶结。 依工 程采样测试结果, 岩样饱和极限抗压强度 平均值略大于4 0 MP a , 考虑到岩体结构面以 层面为主, 基岩上部有2 0 m～3 0 m的强- 中 等风化带, 之上又有一定厚度的土层, 所以 采用 “三下” 采煤规程 中的中硬岩类冒落 带、 导水裂隙带最大高度及保护层厚度的 计算公式如下。 ①冒落带高度计算。 ∑ ∑ 2 . 2 197 . 4 100 M M Hm m83.112 . 2 193.347 . 4 3.34100 ②导水裂隙带高度计算。 根据上述计 算结果, 导水裂隙带高度为 ∑ ∑ 6 . 5 6 . 36 . 1 100 M M Hm m94.42 6 . 334. 36 . 1 34. 3100 ③保护层计算。 按 “三下” 采煤规程 规定, 开采3 - 1 煤保护层厚度选取可按 “风 积沙层底部无粘性土层隔水层” 的情况选 取 , 即 mAHb04.2034. 366 式中 H裂导水裂隙带最大高度 m ; H冒为冒落带最大高度 m ; ∑M为累计采厚 m 。 据此, 本区3 - 1 煤层开采后冒落带高度 含保护层 为3 1 . 8 7 m, 导水裂隙带高度 含 保护层 6 2 . 9 8 m, 冒落裂隙可直接沟通风化 基岩含水层, 成为全区的主要充水通道。 局 ①作者简介 孙连胜, 男 （1 9 7 3 ， 4 , 1 9 9 7 年毕业于中国矿业大学采矿工程系, 单位 神华神东煤炭集团锦界煤矿, 职称 采煤工程师, 籍贯 河北省兴隆县, 研究方向 采矿技术及管理。 浅埋薄基岩综采面涌水机理及水灾防治技术研究① 孙 连 胜 神东煤炭集团锦界煤矿 陕西神木 7 1 9 3 1 9 摘 要 锦界煤矿3 - 1 煤层覆岩为富潜水层浅埋薄基岩, 采动导水裂隙发育至地表, 易导致突水灾害。 针对该矿二盘区首采工作面地质条 件, 分析顶板导水通道及其涌水机理, 在难以实现保水开采的基础上, 建立了包含提前钻孔疏放水、 两顺槽施工环形水仓、 设置抽排水系 统、 加快工作面推进速度、 辅助切眼施工施工尾排水仓、 将工作面调整为倾斜长壁仰采工作面等多项技术措施的综合防治水技术体系, 成功解决了综采工作面突水及涌水过大的难题, 实现了浅埋薄基岩综采面安全开采。 关键词 浅埋薄基岩 富潜水层 涌水机理 水灾防治 中图分类号 T D 3 2 5文献标识码 A文章编号 1 6 7 2 - 3 7 9 1 2 0 1 1 0 7 a - 0 1 1 0 - 0 3 图 1 涌水量与工作面推进度关系 1 1 1 科技资讯 科技资讯 S C I E N C E 二是顶板垮 落后, 垮落带含水层包含的水释放出来流 入到工作面内, 这部分水属于静态水, 按照 一定的补给度进行预计。 1 动态涌水量预计。 1 计算公式。 24 12 366. 1 00 ⋅ − − ′ LgrLgR MMH KQ 式中 Q为最大涌水量 m3/ h ; K为渗透系数 m/ d ; M为含水层厚度 m ; H为水头高度 m ; R0为引用影响半径 m ; r 0为引用半径 m 。 矿坑所在含水层均质无限分布, 天然 水位近似水平, 因此引用影响半径R0可采 用如下式计算 Rr R 00 KS10R π/r0F 式中 S 为水位降深值 m ; F 为开采区面积。 2 参数确定。 ①基岩风化带含水层渗透系数为0 . 7 8 2 8 m/ d 。 ②基岩风化带含水层厚度为5 9 . 4 1 m。 ③水头高度、 水位降深均取含水层厚 度值。 ④老顶初次垮落步距取3 0 m, 工作斜长 取1 9 9 m。 3 计算结果 /h140.9m3′Q 2 静态涌水量预计。 ①计算公式。 24 1 ⋅ ′ ′ t MBL Q 式中 K为渗透系数; M为含水层厚度, m; L 为工作面斜长, m; B 为垮落区宽度, m。 μ为含水层给水度; t 为最终完成溃水时间 日 。 ②参数确定。 含水层给水度取为0 . 0 7 5 参照规范选取 , 地下水渗流时间和最终完 成溃水时间均取2 日 实际观测所得 , 垮落 区宽度取3 0 m, 其它参数同前。 ③计算结果 /h591.1m3′ ′Q 3 最大涌水量总计 /h732.0m3 最大 Q 5 工作面水灾防治措施与技术[ 6 ] 1 两顺槽提前探放水技术。 3 1 2 0 1 综采 面是二盘区首采面, 根据一、 四盘区的防治 水经验, 该面提前施工大量疏放水钻孔, 且 保证有足够的放水时间。 采用提前探放水, 可通过大量钻孔勘查二盘区详细水文地质 条件, 确定工作面富水区、 为工作面初采时 间提供依据。 探放水孔布置遵循初采区域 图 2 疏放水钻孔布置图 图 3 环形水仓平面布置图 1 1 2 科技资讯 科技资讯 S C I E N C E ②工作面涌水及顶板水涌入 巷道时, 引入环形水仓内, 防止巷道涌水影 响辅助运输; ③环形水仓比联巷水仓容量 大, 工作面来压期间涌水突然加大时, 可有 效缓减系统的排水压力; ④环形水仓内设 置倒车硐室, 定期对水仓进行清理, 可对工 作面污水进行沉淀净化; ⑤环形水仓入口 布置在巷道低洼处, 有利于水流入水仓, 二 水泵平台在较高位置, 一旦遭受水害, 水泵 及开关不易被水淹没, 安全性好。 环形水仓 平面布置见图3 。 3 工作面抽排水系统。 地测公司预计 3 1 2 0 1 综采面正常涌水量7 0 0 m3/ h 左右, 最 大涌水量9 0 0 m3/ h 左右, 在超前疏放水工作 基础上, 设计工作面有效排水设防能力不 小于2 0 0 0 m3/ h , 在顺槽里每个水仓安装两 台MD 2 8 0 - 4 3 3 离心泵、 两台B Q W2 0 0 - 2 0 5 强排泵; 3 1 2 0 1 泄水巷清水 探放水及采 空区过滤清水 通过一趟D N4 0 0 经管子道排 至4 水仓, 工作面及巷道污水通过3 1 2 0 1 泄水巷两趟DN3 0 0 经管子道去3 - 1 煤胶运 巷与其中两趟D N4 0 0 管路对接去3 1 2 0 8 采空 区, 并将3 1 2 0 1 泄水巷两趟D N3 0 0 管路通过 3 1 2 0 1 切眼与3 1 2 0 2 回顺两趟D N3 0 0 管路对 接形成环形排水系统 1 6 0 0 m3/ h ; 3 1 2 0 2 回 顺清水一趟D N4 0 0 管路经管子道排至4 水 仓 8 0 0 m3/ h , 污水通过3 1 2 0 2 回顺安装的三 趟DN3 0 0 管路经管子道去3 - 1 煤胶运巷与 另一趟DN4 0 0 管路对接去3 1 2 0 8 采空区或 3 1 1 0 4 采空区 4 0 0 m3/ h , 当回采时, 3 1 2 0 1 面 排污水能力为5 DN3 0 0 管路, 排水能力为 2 0 0 0 m3/ h , 满足预测给出的3 1 2 0 1 面的最大 涌水量, 如果涌水量在此基础上增大, 可以 利用3 1 2 0 1 泄水巷第四趟D N4 0 0 管路通过管 子道与胶运巷一趟D N4 0 0 对接去3 1 2 0 8 采空 区 8 0 0 m3/ h , 详见图4 。 4 缩短工作面长度, 加快推进速度。 一 盘区3 1 1 0 5 、 3 1 1 0 6 工作面、 四盘区3 1 4 0 1 工作 面开采实践表明, 涌水量随工作面倾斜长 度加长增大非常明显, 工作面加长造成综 采作业区内积水无法迅速排除, 煤泥堆积 较厚, 煤质水分较大等弊端。 缩短工作面长 度, 加快推进速度, 可使得顶板尽快重新压 实, 形成新的隔水层, 减少工作面涌水通道 的涌水时间。 基于此, 二盘区工作面接续设 计时, 充分考虑了工作面长度对涌水量的 影响, 设计首采工作面3 1 2 0 1 面倾斜长度 1 9 9 m, 3 1 2 0 2 面倾斜长度2 7 2 m、 3 1 2 0 3 面倾斜 长度为3 0 1 m。 首采工作面缩短, 可以较好的 控制工作面水量, 又可以起到对二盘区顶 板覆岩含水层的疏放水作用。 5 加强疏放采空区积水, 为回采创造 条件。 工作面在辅助切眼后设尾排水仓, 采 空区水直接通过预埋的直通尾排水仓的水 管自流至尾排水仓, 再经尾排水仓排出。 此 外, 采空区密闭时在两巷低洼处预留返水 管, 将采空区积水及时疏排出来。 经过以上 两种疏放水手段, 最大程度地疏放了采空 区积水, 减少了采空区水对工作面生产的 影响。 6 优化工作面布置。 二盘区工作面原 设计为走向长壁工作面, 后经详细比较优 化, 布置为倾斜长壁仰采推进, 这样工作面 始终高于采空区, 避免了采空区水涌入工 作面的问题, 有利于工作面防治水工作。 6 结语 1 风积沙与直罗组风化岩层为强含水 层, 工作面导水裂隙带发育具有数值较大、 联通性好、 导水溃砂能力强等特点。 2 顶板 岩层水稳定性差, 易水解, 有利于采空区导 水裂缝的重新闭合, 因此, 工作面水灾防治 的重点区域在工作面煤壁附近动态裂隙发 育区、 切眼附近的永久裂隙区和沿两顺槽 的边缘裂隙区。 3 通过提前疏放水, 施工顺 槽环形水仓, 加大工作面排水系统能力等 多项技术措施, 工作面开采以来未出现影 响正常生产的涌水溃沙事故。 4 通过在辅 助切眼后施工尾排水仓、 采空区封闭时在 两巷低洼处预设返水管, 最大限度地疏排 采空区积水, 减少采空区水对工作面生产 的影响; 将工作面布置成倾斜长壁仰采推 进, 避免了采空区积水涌入工作面影响生 产。 参考文献 [ 1 ]钱鸣高, 石平五. 矿山压力与岩层控制 [ M] . 徐州 中国矿业大学出版社, 2 0 0 3 6 5 , 1 1 6 . [ 2 ]黄庆享. 浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤 层定义[ J ] . 岩石力学与工程学报, 2 0 0 2 , 2 1 8 1 1 7 4 ～1 1 7 7 . [ 3 ]李文平, 叶贵钧, 张莱, 等. 陕北榆神府 矿区保水采煤工程地质条件研究[ J ] . 煤 炭学报, 2 0 0 0 , 2 5 5 4 4 9 ～4 5 4 . [ 4 ]缪协兴, 浦海, 白海波. 隔水关键层原理 及其在保水采煤中的应用研究[ J ] . 中国 矿业大学学报, 2 0 0 8 , 3 7 1 1 ～4 . [ 5 ]王双明. 鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭 资源评价[ M] . 北京 煤炭工业出版社, 1 9 9 6 . [ 6 ]苏毅, 徐德成. 新集二矿工作面矿井涌 水量研究与防治措施[ J ] . 中国煤田地 质, 2 0 0 5 , 1 7 4 3 2 ～3 4 . 图 4 工作面排水系统图