保德煤矿底板奥灰水害防治关键技术_庞贵艮.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 保德煤矿底板奥灰水害防治关键技术 庞贵艮 （神华神东煤炭集团 保德煤矿， 山西 保德 036600） 摘要 保德煤矿属带压开采矿井， 煤层底板承受最大水压达到 5．3 MPa。为了保证矿井安全带 压开采， 通过对矿井奥灰含水层特征、 突水机理及防治技术进行研究， 针对矿井不同水平煤层带 压开采所面临的水文地质条件和突水危险性， 采用采掘前隐伏导水构造的综合探查与评价和奥 陶系峰峰组隔水性能利用 2 种奥灰水害防治方法， 有效保障了矿井近 10 年的安全带压开采， 杜 绝了奥灰水害的发生； 由此得出隐伏导水构造探查和奥陶系峰峰组利用作为矿井奥灰水害防治 关键技术是科学、 有效的。 关键词 带压开采； 奥灰水； 突水； 防治； 探查 中图分类号 TD745．2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 01-0075-05 Key Technology of Prevention and Control of Water Disaster of Ordovician Limestone in Baode Coal Mine Floor PANG Guigen （Baode Coal Mine, Shenhua Shendong Coal Group Co., Ltd., Baode 036600, China） Abstract Baode Coal Mine is a coal mine mining under pressure, and the maximum water pressure of coal seam floor is 5．3 MPa． In order to ensure safe mining under pressure, the characteristics of Ordovician limestone aquifer, water inrush mechanism and prevention technology are studied． In view of the hydro-geological conditions and water inrush risks of coal seam mining at different levels under pressure, the comprehensive exploration and uation of the concealed water conducting structure before mining and the water resistance of Ordovician Fengfeng ation are used to prevent and control Ordovician lime water hazard, which effectively guarantees the safe mining under pressure for nearly ten years and prevents the occurrence of Ordovician lime water hazard． It is considered that the exploration of concealed water conducting structure and the utilization of Ordovician Fengfeng ation as the key technology for Ordovician lime water hazard prevention and control are scientific and effective． Key words mining under pressure; Ordovician limestone water; water inrush; prevention and control; exploration 煤层底板承压充水含水层水害是我国煤矿水害 中危害程度最大的一种灾害，其中煤层底板岩溶承 压含水层水害往往具有补给充沛、富水性强、水头 压力大的特点，使得矿井开采过程中易造成奥灰水 突水事故，曾多次造成突水淹井及人生伤亡事故。 目前针对华北型奥灰水水害的主要防治方法方有 “带压开采” 、“底板加固” 和 “疏水降压” 3 种。 实践证 明，带压开采具有吨煤成本低、对地面资源和环境 破坏小的优点，是受承压水威胁的煤炭资源开采的 主要方法[1]。 保德煤矿属河保偏矿区，地处黄河东岸天桥岩 溶泉域排泄区，矿井主采 8＃、 11＃煤层受到底板奥灰 水害威胁，目前主采的 8＃煤层由于底板隔水层较 厚，突水系数小，在正常地段（不存在垂向导水构 造） 受奥灰水威胁不大。但是，煤矿开采进入下部 11＃煤层， 其底板承受最大水压将达 5．3 MPa， 隔水 层厚度最薄为 45．8 m， 最大突水系数 0．089 MPa/m， 井田深部将成为突水危险区。以保德煤矿面临的奥 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．01．017 庞贵艮．保德煤矿底板奥灰水害防治关键技术 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （1） 75-79． PANG Guigen． Key Technology of Prevention and Control of Water Disaster of Ordovician Limestone in Baode Coal Mine Floor ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （1） 75-79． 移动扫码阅读 技术 创新 75 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 灰水害为研究对象，系统地分析研究了底板奥陶系 灰岩水灾害防治的关键技术，为今后水害防治工作 提供了科学、 合理、 有效的防治方法。 1井田地质及水文地质特征 1.1地层及构造 井田内地层由老到新有奥陶系、石炭系、二叠 系、新近系及第四系，其中奥陶系地层分为下马家 沟组、 上马家沟组和峰峰组 3 部分[2]。 本区内含煤地层为下二叠统山西组 （P1s） 和上石 炭统太原组 （C3t） 。 可采煤层为 8、 0、 11、 13， 8煤层 位于山西组 （P1S） 底部 S3 砂岩之上， 10、 11、 13煤层 位于太原组， 8煤层与 11煤层层间距平均为 35 m。 保德井田位于河东煤田北部， 吕梁山隆起的西翼， 地层呈平缓的单斜构造形态，并且发育有宽缓的波 状起伏[3]。地层产状总体呈走向近南北， 倾向 260， 倾角一般 5， 未见有大型断层、 褶皱及陷落柱。 1.2水文地质特征 保德矿区位于吕梁山西侧的天桥泉域，主要分 布于山西、 陕西、 内蒙交界处的黄河峡谷两岸。井田 内奥陶系灰岩水径流方向大致为由东北向西南， 沿 其径流方向渗透速度逐渐减弱，在井田西南区域局 部形成滞流区。 井田内含水层主要有 3 类松散岩类孔隙含水 层、 砂岩裂隙含水层、 碳酸盐岩岩溶含水层。中奥陶 统碳酸盐岩岩溶含水层是矿井主要充水含水层， 水 头标高约839 m， 受径流特征影响， 井田内中奥陶 统碳酸盐岩岩溶含水层富水性差异较大，钻孔单位 涌水量 q 在 0.051 3～0.536 L/ （s m） 之间，富水性 弱～中等。 2底板奥灰水害防治总体思路 煤层底板奥陶纪灰岩水突水作为一种综合的水 文地质现象，不仅受到采动矿山压力的决定性因素 影响，同时还受到底板奥陶系灰岩水的水压、富水 性、煤层底板隔水层岩性组合特征和地质构造等重 要因素的影响[4-5]。 鉴于保德煤矿主采煤层受奥灰水害威胁程度以 及底板有效隔水层厚度的不同，对其防治思路应有 所区别。 针对 8煤层底板， 虽承受水压较大， 但隔水 层厚度也大，重点防御对象是断层、导水陷落柱等 垂向导水构造。因此， 8煤的防治关键技术在于对 隐伏垂向导水构造的超前探查与安全评价。针对未 来开采的 11煤层， 由于其底板有效隔水层薄、 突水 系数高，针对其水害防治的关键技术为奥陶系灰岩 顶部探查以及对奥陶系峰峰组隔水段利用，对 11 采煤层底板奥陶纪灰岩水突水危险性进行综合评 价， 降低突水系数， 实现安全带压开采。 3采掘前超前探查与安全评价关键技术 3.1采掘前综合探查与评价关键技术体系 保德煤矿目前开采 8煤层， 现已安全回采工作 面 30 个， 其中带压开采工作面 23 个， 工作面底板承 受最大水压为 2.8 MPa，安全带压开采的指导思想 为 “预防为主、 防治结合” ， 采取的主要措施为超前 探查与安全评价。超前探查主要包括全井田水文地 质勘查、掘进前超前探查、回采前超前探查 3 个部 分，查明采掘范围内是否存在富水区或大型导水构 造； 安全评价主要指超前探查工程完成后， 对工作面 进行采前防治水安全性评估，从水害防治方面评价 工作面是否具备安全回采条件。工作面采掘前综合 探查与评价关键技术体系如图 1。 3.2典型工作面工程示范 3.2.1工作面概况 以保德煤矿 81505 工作面带压开采防治水工程 为例， 工作面于 2018 年 3 月采止。81505 工作面走 向长 1 861 m， 倾向长 240 m。工作面煤层底板标高 为 653.86～682.17 m， 下伏奥陶系灰岩岩溶含水层距 8煤层约 105 m， 平均水头标高为 839 m， 底板承受 图 1 工作面采掘前综合探查与评价关键技术体系示意图 Fig.1 Schematic diagram of key technology system of comprehensive exploration and uation before mining in working face 76 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 图 381505 工作面折射波速度成像图 Fig.3Velocity imaging of refraction wave in 81505 working face 图 281505 工作面音频电透视成果图 Fig.2Audio electric perspective results of 81505 working face 奥灰水压约 2.62～2.90 MPa，工作面属带压开采， 采 掘前需开展综合探查和评价工作。 3.2.2准备巷道掘进阶段超前探查工程 1） 超前物探工程。主要采用矿井瞬变电磁法、 矿井直流电法、 瑞利波 3 种手段， 超前物理探测有效 距离为 100 m。采用 3 种方法共施工物探 46 组， 通 过 3 种物探方法探测成果之间相互印证，提高圈定 物探异常区范围精度[5]。 2） 钻探验证工程。根据每组综合物探成果， 对 异常区进行钻探验证，同时保证钻孔留设 50 m 超 前距。若物探成果无异常，则每 100 m 施工 4 个超 前探测钻孔， 呈扇形布置， 留设 50 m 超前距， 能够 有效地保证探查范围与效果。工作面准备巷道共施 工钻孔 44 组， 共计 176 个钻孔。2 个巷道超前探查 过程中有 4 个钻孔出水，水质类型主要为 HCO3- Na Ca， 结合出水层位判断水源为底板砂岩裂隙水， 工作面巷道未发现奥灰水及奥灰水导水构造。 81505 运输巷出水钻孔情况统计表见表 1。 3.2.3工作面采前探查工程 81505 工作面音频电透视成果图如图 2。 孔号 钻孔倾 角/ （ ） 钻孔深 度/m 涌水量 / （m3 h-1） 水质类型水源 2-4 14-1 14-3 15-3 -6 -6 -6 -6 240 161 153 154 2 0.2 1.6 0.5 HCO3-Na Mg HCO3-Na Ca HCO3-Na Ca HCO3-Na Ca 太原组砂岩水 石炭系砂岩水 石炭系砂岩水 石炭系砂岩水 表 181505 运输巷出水钻孔情况统计表 Table 181505 statistics of the drilling of the glue delivered water 1） 物探探查。 回采前， 对 81505 工作面底板进行 音频电透视勘探， 探测工作面底板下 0～130 m 层段岩 层富水性分布情况， 探查显示存在 6 处异常区 （图2） 。 音频电透视成果图主要反映为 13煤层顶底板砂岩 含水层及奥陶系灰岩峰峰组顶部岩层段的富水性。 2） 槽波地震探查。为了查明 81505 工作面内的 地质构造异常，采用井下槽波地震来查明工作面内 是否存在落差大于 1/2 煤厚的断层，以及其它地质 异常体， 探测成果如图 3。 通过地震成果解译及综合 分析，未发现工作面内存在落差大于 1/2 煤厚的断 层及其它地质异常体。 3） 定向钻探探查验证。针对 81505 工作面音频 电透视探查到的 6 处富水异常区，施工定向验证钻 孔 6 个， 其中有 3 个钻孔出水， 初始水压 0.1 MPa， 水质类型为 HCO3-Na Mg，通过水压和水质类型可 以确定物探富水异常区位于石炭系 S2砂岩裂隙含 77 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 孔号 孔深 /m 终孔 层位 出水层位 初始涌水量 / （m3 h-1） 初始水 压/MPa J38 J39 J40 J41 J42 J43 174 486 558 396 378 257 太原组 太原组 太原组 太原组 本溪组 本溪组 - 石炭系 S2砂岩 - - 石炭系 S2砂岩 石炭系 S2砂岩 0 2.0 0 0 1.6 1.2 - 0.1 - - 0.1 0.1 表 281505 工作面物探异常区钻探验证工程 水文观测记录表 Table 2Hydrological observation record of drilling verification project in geophysical anomaly area of 81505 working face 水层。81505 工作面物探异常区钻探验证工程水文 观测记录表见表 2。 3.2.4工作面采前防治水安全性评价 工作面采前防治水安全性评价主要包括工作面 充水条件、对已采取的超前探查工程效果、涌水量 预测、 防排水系统 4 个方面进行分析评价。 81505 工作面受奥陶系灰岩岩溶水害威胁， 有 突水可能。但通过实施物探、 钻探、 化探等超前探查 措施，未发现工作面内存在可导通奥灰水构造， 同 时工作面设置排水能力能够满足正常排水需求。因 此，从防治水安全角度出发认为，在做好工作面回 采过程中采取相关应急措施的前提下，工作面具备 安全回采条件[6]。 4奥陶系峰峰组隔水性能利用关键技术 目前针对奥陶系灰岩顶部利用与改造技术是奥 陶纪灰岩水害防治的一个重要发展方向[7]。一方面 可利用奥陶纪灰岩水文地质条件的差异性，将奥陶 系灰岩顶部峰峰组具有相对隔水性的风氧化带作为 隔水层进行安全评价， 降低突水系数， 提高煤炭资 源回收率； 另一方面对于底板隔水层较薄的地区， 直接进行奥陶纪灰岩顶部注浆改造，同样可增加隔 水层厚度， 降低突水系数， 实现安全带压开采[8]。 4.1奥陶系灰岩顶部岩层隔水性能研究 河东煤田煤系地层下伏的中奥陶统灰岩一般可 分为 3 组 峰峰组、 上马家沟组和下马家沟组， 其中 峰峰组岩层富水性较弱，甚至可作为相对隔水层。 但矿井在对奥水突水危险性评价中，并未对峰峰组 和马家沟组富水性区别对待，常常一概而论为含水 层， 使得煤层隔水层厚度变薄、 突水系数增大， 划分 出了大片的突水危险区。 通过对奥陶系灰岩顶部岩层古风化壳特征、 岩 溶发育规律、 富水性等特征综合分析， 对奥陶系灰岩 顶部隔水层段的厚度、 岩溶发育、 空间展布特征和隔 水性能进行研究，确定顶部岩层是否可以作为相对 隔水层利用， 以及可利用的厚度与利用技术。 1） 古风化壳地质特征研究。首先对华北型煤田 其它矿区奥灰峰峰组隔水层段进行调研，了解奥灰 顶部古风化壳形成的地质背景，对比分析矿区中奥 陶统地层划分与华北型煤田其它矿区相应地层区 别，通过岩心观察和原位应力测试分析矿区古风化 壳地质特征。确定奥陶系顶部岩层构造应力分布、 裂隙发育、 导水通道分布情况。 2） 岩溶裂隙充填特征与发育规律研究。首先对 奥陶系灰岩顶部岩层岩石物理力学性质、原位地应 力测试，再通过分段压水试验测定岩层裂隙发育程 度， 将岩性观测成果与应力测试成果对比分析， 研究 岩溶裂隙充填特征与发育规律，确定奥陶系顶部岩 层阻水性能。 3） 岩层富水性特征研究。首先通过对奥灰岩顶 部岩层进行抽水试验，获得钻孔单位涌水量等相关 水文特征数据，再对研究范围内下伏奥陶系灰岩岩 溶含水层富水性进行物理探测，分层分段确定富水 区分布范围， 对奥灰岩顶部岩层存在的富水异常区进 行验证， 确定峰峰组岩层富水性及空间展布特征。 4.2保德煤矿奥陶系峰峰组隔水性能评价 保德矿区中奥陶统碳酸盐岩层组结构基本与华 北地区相一致， 峰峰期处于海退时期， 期间有 2 个次 级的海退一海进的沉积旋回[9]。全矿揭露峰峰组的 钻孔共有 33 个， 结合地质构造、 沉积环境及地层岩 性， 可将井田内峰峰组地层自上而下大致划分为 3 段 1） 上部风化淋滤带。岩性以灰色泥晶灰岩、 泥 质泥晶灰岩为主。根据钻孔观 1、 SK39 钻孔揭露情 况， 岩心具有明显的风化、 溶蚀及填充现象， 溶隙填 充物主要为方解， 本段厚度约 20 m。 2） 中部含石膏段。主要由泥灰岩、 石膏、 硬石膏 为主， 占本段总厚度的 65， 上部发育有石膏至白 云岩， 总厚度约为 60 m。根据观 2、 SK30、 SK31、 观4、 观 6、 观 7、 放 1、 放 2 钻孔揭露和水文观测情况， 岩 心局部见微波状、 水平泥质条纹， 钻井消耗量很小且 未见出水段， 是整个峰峰组阻水性能最好的一段。 3） 下部泥晶灰岩段。岩性为灰色、 深灰色中厚 层状泥晶质灰岩， 夹有粉晶质白云岩， 总厚度约 45 m。根据观 2、 放 1、 放 2 钻孔揭露情况， 岩心可见岩 78 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 孔号钻孔层位 稳定涌水量 / （m3 h-1） 单位涌水量 / （L s-1 m-1） 富水性 抽 1 抽 2 抽 3 抽 4 抽 4 O2s O2s O2f O2s O2f 65.00～75.00 70.00～85.00 14.50～15.50 92.00～98.00 3.58～6.55 0.241～0.278 0.226～0.274 0.052～0.054 0.168～0.179 0.011～0.021 中等 中等 弱 中等 弱 表 3奥陶纪灰岩水钻孔抽水试验成果表 Table 3Test results of Ordovician limestone water drilling and pumping 溶裂隙， 钻进至本段钻液有少量漏失。 井田区域构造简单、 为单斜岩层， 峰峰组顶部上 段虽受古风化作用，但仍以微小裂隙为主。峰峰组 中部含石膏岩段早期受古风化作用没有上段强， 本 身地下水动力条件弱，且中部硬石膏层难于被水溶 蚀， 从岩性结构看具有良好的隔水性能。 岩性和成分在垂向上 “泥质灰岩、 石灰岩互层” 的岩性韵律组合、岩石结构以微晶和泥晶结构的特 点决定了岩溶相对不发育。岩溶发育的规律是由浅 而深呈现出由强到弱的特点，由于奥陶系峰峰组顶 部的古岩溶遭受到较为强烈的充填胶结作用，使得 其在穿层方向上顶部岩溶空隙率大大降低，渗透能 力大幅度降低[10]。 据保德煤矿水文地质勘探的抽水试验成果（表 3） 可知， 峰峰组 （O2f） 与上马家沟组 （O2s） 之间的岩溶 发育及富水性差异明显。从不同抽水层位的单位涌 水量来看， 峰峰组岩层富水性明显较弱。 综上所述，井田地质构造简单，未发现大型断 层，峰峰组内主要以微小裂隙为主，根据岩性特征 可将峰峰组划分为 3 段。中奥陶统峰峰组岩性和成 份在垂向上 “泥质灰岩、 石灰岩互层” 的岩性韵律组 合、岩石结构以微晶和泥晶结构，岩溶裂隙发育程 度差，且由于古岩溶遭受到较为强烈的充填胶结作 用，裂隙多被方解石充填使得其在穿层方向上顶部 岩溶空隙率大大降低，渗透能力大幅度降低。根据 抽水试验可见峰峰组为富水性弱到极弱含水层。据 此认为奥陶系峰峰组整体具有一定隔水性的弱含水 层，特别是中部含石膏段具有良好的阻水性能。利 用中奥陶统峰峰组作为相对隔水层，对太原组 11 煤层的带压开采尤其有利。 5结语 针对保德煤矿 8煤层， 防治关键技术在于工作 面采掘前进行隐伏导水构造的综合探查与评价， 从 防治水的角度评价是否具备开采条件，提出了一套 综合探查与评价关键技术， 保证 8煤层安全带压开 采； 针对保德煤矿 11煤层， 一方面可利用奥陶纪灰 岩水文地质条件的差异性，将奥陶系灰岩顶部具有 隔水性的峰峰组作为相对隔水层进行安全评价， 打 破了将奥陶系灰岩全部当作含水层认识局限，增加 了隔水层厚度，降低了突水系数，有利于实现安全 带压开采， 提高煤炭资源回收率。 参考文献 ［1］ 张伟杰．基于渗流应力耦合作用的裂隙型底板突水 机理及危险性预测研究 ［D］ ．青岛 山东科技大学， 2010． ［2］ 中煤科工集团西安研究院有限公司．神东煤炭集团保 德煤矿矿井水文地质类型划分报告 ［R］ ．西安 中煤科 工集团西安研究院有限公司， 2016 19． ［3］ 康健．保德煤矿奥灰突水危险性评价及其防治对策 ［J］ ．煤矿安全， 2017， 48 （S1） 99-103． ［4］ 李彩惠．带压开采防治水技术及研究方向 ［J］ ．煤矿开 采， 2010， 15 （1） 47-49． ［5］ 李昂．带压开采下底板渗流与应力耦合破坏突水机理 及其工程应用 ［D］ ．西安 西安科技大学， 2012． ［6］ 叶旭．保护层开采破坏范围的研究 ［J］ ．内蒙古煤炭经 济， 2018 （1） 143-144． ［7］ 中煤科工集团西安研究院有限公司．保德煤矿 81505 工作面防治水安全性评价报告 ［R］ ．西安 中煤科工集 团西安研究院有限公司， 2017 15-18． ［8］ 南生辉．邯邢矿区奥陶系灰岩上部注浆改造技术 ［J］ ． 煤田地质与勘探， 2010， 38 （3） 37-40． ［9］ 庞贵艮， 陈殿赋．保德煤矿中奥陶峰峰组含水特征分 析与研究 ［J］ ．内蒙古煤炭经济， 2013 （10） 73-74． ［10］ 李博．赵庄矿下组煤开采峰峰组隔水性研究 ［D］ ．北 京 华北科技学院， 2017． 作者简介 庞贵艮 （1986） ， 男， 山西大同人， 工程师， 硕士， 研究方向为水文地质。 （收稿日期 2019-04-26； 责任编辑 陈洋） 79 ChaoXing