黄河北煤田顶底板双灰岩水害分析及防治技术_王威.pdf

Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 因受煤层赋存条件、 水文地质条件、 地质构造及 采掘方式的影响，我国煤矿水害呈现复杂性和多样 性的特点[1]。以华北地区黄河北煤田为例， 主采石炭 二叠系煤层， 随着上组 7、 10 煤层资源枯竭， 部分矿 井服务年限不足 5 年，若不尽快接续开采下组 11 煤， 矿井将面临关停困境。 伴随采深加大， 11 煤不仅 受底板徐灰和奥灰的高水压突水威胁，也受直接顶 板四五灰涌水困扰，水害成为矿井需要解决的首要 问题。地处黄河北煤田西南部的邱集煤矿， 于 2006 年掘进 11 煤轨道石门时， 引发底板突水， 稳定水量 1 000 m3/h，因及时施工防水闸墙，未造成淹井事 故[2-3]。近年来随着区域治理技术的发展及应用[4-5]， 将定向钻孔作为输浆管路，通过地面注浆系统将各 类注浆材料注入目标地层中， 达到含水层改造、 隔水基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2017YFC0804102） 黄河北煤田顶底板双灰岩水害分析及防治技术 王威 1， 2， 郑士田1， 2， 李文江1， 2， 杜博涛1， 2， 罗安昆1， 2 （1．中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077； 2．陕西省煤矿水害防治技术重点实验室， 陕西 西安 710077） 摘要 为了研究黄河北煤田下组煤开采所受水害问题并制定防治方法， 通过分析区内主要水 害类型及其对矿井安全生产的影响，得出 11 煤开采主要受直接顶部四五灰涌水及底板徐灰突 水威胁， 同时两含水层均与奥灰存在密切水力联系； 基于黄河北煤田 11 煤特殊水文地质条件， 提出 “顶板灰岩帷幕截流， 底板灰岩区域治理” 方法治理顶底板双灰岩水害， 并应用于区内典型 矿井， 同时探讨了水害治理效果。结果表明底板徐灰治理效果较好， 顶部四五灰帷幕需全部搭接 才能检验截流效果。 关键词 矿井水害； 黄河北煤田； 顶底板双灰岩； 防治方法； 定向钻进 中图分类号 TD745．2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 04-0093-04 Analysis and Prevention Technology of Mine Water Hazard in Roof and Floor Limestone Aquifer of Northern Huanghe Coalfield WANG Wei1,2, ZHENG Shitian1,2, LI Wenjiang1,2, DU Botao1,2, LUO Ankun1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Xi’ an Research Institute, Xi’ an 710077, China;2.Shaanxi Key Laboratory of Mine Water Hazard Prevention and Control, Xi’ an 710077, China） Abstract To study the water hazard problem of the lower coal mining in northern Huanghe Coal Field and ulate the prevention and control s, by analyzing the main types of water hazards in the area and their impact, it is considered that 11coal mining is mainly affected by the roof and floor limestone aquifers. At the same time, the two aquifers are closely related to Ordovician limestone. Based on the special hydrogeological conditions of 11coal in northern Huanghebei Coal Field, the of “roof limestone curtain intercepting and floor limestone area controlling”was proposed to control the double limestone water damage of roof and floor, and it was applied to the typical mine in the area. In the meantime, the water hazard control effect was discussed. It shows that the treatment effect of the bottom limestone aquifer is good, and the roof aquifer curtain need to be all overlapped to check the interception effect. Key words mine water hazard; northern Huanghe Coal Field; roof and floor limestone aquifers; prevention control ; directional drilling DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.019 王威， 郑士田， 李文江， 等．黄河北煤田顶底板双灰岩水害分析及防治技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （4 ） 93-96. WANG Wei, ZHENG Shitian, LI Wenjiang, et al. Analysis and Prevention Technology of Mine Water Hazard in Roof and Floor Limestone Aquifer of Northern Huanghe Coalfield ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 93-96. 移动扫码阅读 93 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 层加固和封堵垂向裂隙和构造的目的，最终实现矿 井安全回采[6-7]。如何将区域治理技术与煤田条件有 机结合， 实现区域治理效果最优化、 效益最大化， 是 目前华北型煤田各大水矿区研究的重点[8]。通过对 黄河北煤田矿井水文地质的研究和探索，积累了本 煤田的防治水工作经验，逐步形成了适合本煤田的 防治技术，力求为安全开采下组煤提供有力的技术 保障。 1煤田概况 黄河北煤田隶属华北地台鲁西地层分区，被 4 条大断层分割成独立块段，内部由较大断层将煤田 划分成若干井田， 黄河北煤田区域构造图如图 1。 区 域内缺失中生界、 下石炭统、 泥盆系、 志留系、 上奥 陶统，使得石炭、二叠系煤系地层假整合于中奥陶 统石灰岩之上， 含煤地层上覆巨厚第四系、 新近系， 成为隐蔽煤田[9]。石炭、 二叠系含煤地层发育较好， 根据目前勘探情况， 可采煤层共 4 层， 分别为 7、 10、 11、 13 煤层，平均总厚度约 8 m，煤炭资源较为丰 富。区内邱集煤矿和赵官煤矿基本完成上组 7、 10 煤层回采，逐步进入下组 11 煤生产接续准备中， 主 要针对黄河北煤田 11 煤水害进行分析。 2主要水害类型分析 2.1大气降水及地表水 本区为温带季风型半湿润大陆性气侯，年平均 降雨量 619.4 mm， 且黄河自西南向东北方向流经本 区南侧，东侧有引黄渠用于农耕，大气降水及地表 水量较为丰富。但黄河北煤田属隐蔽式煤田，多个 勘探钻孔显示煤系地层上覆新近系平均厚度 191 m， 岩性以黏土为主， 分布普遍、 厚度大、 塑性强， 遇 水易膨胀， 为强隔水层， 有效阻隔大气降水、 地表水 与煤系地层间的水力联系。 2.2老空水 区内无其他小窑，目前正在生产的矿井为赵官 煤矿和邱集煤矿，两矿均按规定各留设 50 m 边界 隔离煤柱， 无超层越界现象， 边界附近无老空积水。 各矿井内部由于上组 7、 10 煤开采形成采空区， 其中 一些低洼、排水不畅的老空区存在积水。由于各采 空区积水区位置清楚， 积水量、 积水线明确， 11 煤采 掘过程中可进行精确探放， 对矿井安全威胁不大。 2.3顶板灰岩含水层 标志层柱状图如图 2。 由图 2 可以看出， 11 煤与主要灰岩含水层位置 关系， 上覆 5 层灰岩， 一、 二、 三灰开采前原始水位 均高出地表， 富水性弱-中等， 补给条件较差， 在 7、 10 煤开采过程中超前预疏放， 基本已疏干， 对 11 煤 开采威胁较低。 四五灰作为 11 煤直接顶板， 是 11 煤 开采的直接充水含水层，由于四五灰间泥岩厚度较 小， 水位相同， 可视为 1 个含水层， 平均厚度 5.5 m， 富水性中等， 水压约为 3.5 MPa。邱集煤矿、 赵官煤矿 均对四五灰实施抽水试验[10]， 结果显示四五灰稳定抽 水量较大， 部分超过 500 m3/h， 周边同层观测孔水位 下降明显， 滞后时间较短， 底板徐灰、 奥灰孔与四五 灰水位变化同步， 说明顶部四五灰与底板徐灰、 奥灰 水力联系密切， 连通性较好， 补给来源充沛。 11 煤回 采顶部四五灰垮落后， 矿井涌水量将大幅上升， 增加 图 1黄河北煤田区域构造图 Fig.1The regional structure map of northern Huanghe Coalfield 图 2标志层柱状图 Fig.2The comprehensive strata log diagram 94 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 图 3顶底板双灰岩水害防治定向钻孔平面布置图 Fig.3The floor plan figture of directional drill in roof and floor limestone aquifer 矿井排水费用， 威胁矿井安全开采。 2.4底板灰岩含水层 11 煤底板赋存 2 层承压含水层， 薄层徐灰平均 厚度约为 9.81 m， 水压约为 4.5 MPa， 巨厚奥灰厚度 超过 300 m， 奥灰上部水压约为 5 MPa， 两含水层富 水性弱到强， 极不均一。11 煤回采后徐灰突水系数 约为 0.13 MPa/m，奥灰突水系数约为 0.09 MPa/m， 徐灰突水系数已超过煤矿防治水细则中隔水层 完整无断裂构造破坏地段 0.1 MPa/m 的要求；同时 区内局部奥灰岩溶裂隙发育，具备形成岩溶陷落柱 的地质条件， 回采过程中存在底板突水威胁。 3顶底板双灰岩水害防治方法 通过对黄河北煤田水害类型分析可以得出， 影 响该区 11 煤安全回采的主要水害为直接顶板四五 灰， 及底板薄层徐灰和巨厚奥灰。常规物探、 钻探已 无法有效解决顶底板双灰岩水害问题，因此结合黄 河北煤田特殊的地层关系及水文地质条件， 针对 11 煤提出采用“顶板灰岩帷幕截流，底板灰岩区域治 理” 的方法保障矿井安全回采。 3.1顶部灰岩帷幕截流 11 煤顶部四五灰帷幕截流以采区为单元进行 治理，结合留设的采区防隔水煤柱，在顶板导水裂 缝带发育范围外，通过地面定向钻于四五灰中施工 顺层分支孔，通过高压将水泥浆注入灰岩岩溶裂隙 中， 在采区外围形成帷幕， 阻隔四五灰侧向补给。当 帷幕全部搭接成型后，通过井下钻孔对采区内四五 灰含水层进行疏干， 达到区内 11 煤各工作面安全回 采的目的。 采区帷幕内四五灰疏放后，内外水压差将超过 3 MPa， 为避免压差过大造成部分薄弱区帷幕破坏， 同时避免帷幕未能实现四五灰全断面截流，需结合 采区范围、四五灰厚度及地表地形条件，调整钻探 及注浆工艺，在平面上顺层分支孔间距不宜过大， 保障分支孔间帷幕有效搭接；在垂向上顺层分支孔 应均匀分布于四五灰中，实现断面全覆盖；分支孔 延伸方向也应考虑地下水流向；在注浆材料选择 上， 因四五灰截流帷幕强度要求高， 应采用 PO42.5 水泥单液浆进行注浆。 3.2底板灰岩区域治理 按照目前突水系数计算， 若底板隔水层完整， 奥 灰突水可能性相对较低，底板灰岩防治关键层位为 徐灰。因徐灰作为底板奥灰与顶板四五灰水力联系 中间层，内部必然存在裂隙、岩溶陷落柱等垂向导 水通道， 若采用与四五灰防治同样的帷幕截流方法， 仅阻隔徐灰侧向补给，仍无法保障矿井安全回采。 因此结合近几年发展较快的区域治理技术，不仅实 现采区内底板徐灰全覆盖，将含水层改造为相对隔 水层， 增加底板有效隔水层厚度及强度， 消除底板突 水威胁， 同时具备探查、 封堵垂向导水通道的作用， 切断 11 煤底板灰岩含水层与其顶板四五灰间的垂 向水力联系。在实际实施中，因区内徐灰较四五灰 厚度大，岩溶裂隙相对发育，在保障治理效果的同 时， 顺层分支孔平面间距可适当加大， 垂向上保持在 徐灰中部， 同时浆液应兼顾加固及充填作用， 可采用 PO32.5 水泥-Ⅱ级粉煤灰双液浆， 以降低治理成本。 4顶底板双灰岩水害防治应用及效果 4.1工程应用 以邱集煤矿 11 煤一采区顶底板双灰岩水害防 治为例， 采区长 1.4 km， 宽 1 km， 采区内四五灰平均 厚度 5.8 m， 埋深约 370 m， 水压 3.8 MPa， 徐灰平均 厚度 10.03 m， 埋深约 420 m， 水压 4.3 MPa。顶底板 双灰岩水害防治定向钻孔平面布置如图 3。 顶部四五灰帷幕截流工程设计地面定向钻孔 8 组 （S1～S8） ， 每组包含 3 个顺层分支孔， 空间上各分 支孔平行展布， 平面上分支孔间距 10 m， 垂向上间 距 2 m；考虑四五灰含水层地下水自西南向东北流 动， 顺层分支孔为自西向东或自南向北延伸， 预计总 钻探进尺约为 15 000 m； 注浆材料选择强度较高的 PO42.5 水泥， 保障帷幕强度。底板徐灰区域治理工 95 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 图 4顶底板双灰岩水害防治定向钻孔剖面布置图 Fig.4The section layout figture of directional drill in roof and floor limestone aquifers 程设计地面定向钻孔 4 组 （D1～D4） ， 每组包含 8～10 个顺层分支孔，平面上以发散状完全覆盖一采区底 板徐灰， 预计总钻探进尺约为 24 000 m； 注浆材料 选择 PO32.5 水泥及Ⅱ级粉煤灰，降低工程投入， 顶 底板双灰岩水害防治定向钻孔剖面布置图如图 4。 4.2效果检验 目前邱集煤矿 11 煤一采区部分工作面已经形 成，均未回采。由于顶板四五灰帷幕范围大、周期 长， 现阶段帷幕未完全搭接， 若实施井下疏放， 形成 地下水降落漏斗，四五灰地下水将由帷幕未搭接处 汇流至井下疏放水钻孔，暂时无法检验截流效果。 底板徐灰区域治理与顶板帷幕不同，无需等到采区 内全部治理，可通过井下巷道施工检查孔验证治理 效果。目前实施的底板徐灰治理孔已基本将相邻的 1101、 1103 工作面覆盖，井下施工的徐灰探查孔绝 大多数初始水量小于 30 m3/h， 且水量表现出逐渐减 少的趋势，表明大部分区域治理后，徐灰出水以含 水层静储量为主， 已基本封堵较大导水通道。 5结论 1） 黄河北煤田部分矿井上组煤资源逐渐枯竭， 下组 11 煤特殊的水文地质条件使其受顶底板双灰 岩水害威胁，顶板四五灰与底板徐灰及奥灰存在密 切的垂向水力联系，使得顶板灰岩水难以疏干， 且 底板徐灰突水系数超临界值，水害成为黄河北煤田 下组煤安全开采的首要问题。 2） 依据黄河北煤田地质及水文地质条件， 提出 “顶板灰岩帷幕截流， 底板灰岩区域治理” 方法治理 11 煤顶底板双灰岩水害， 并选取区内典型矿井实施 该治理方法。通过井下钻探验证，底板徐灰治理达 到预期效果。 参考文献 ［1］ 虎维岳， 田干．我国煤矿水害类型及其防治对策 ［J］ ．煤 炭科学技术， 2010， 38 （1） 92-96． ［2］ 张礼威．邱集煤矿四五灰含水层水位恢复数值模拟研 究 ［J］ ．中国煤炭， 2015， 41 （4） 51-55． ［3］ 李勇．邱集煤矿 11 层煤轨道石门突水原因剖析 ［J］ ．山 东煤炭科技， 2014 （5） 122-124． ［4］ 赵庆彪， 赵兵文， 付永刚， 等．大采深矿井地面区域治 理奥灰水害关键技术研究 ［J］ ．煤炭科学技术， 2016， 44 （8） 14-20． ［5］ 赵庆彪．奥灰岩溶水害区域超前治理技术研究及应用 ［J］ ．煤炭学报， 2014， 39 （6） 1112-1117． ［6］ 郑士田．地面定向钻进技术在煤矿陷落柱突水防治中 的应用 ［J］ ．煤炭科学技术， 2018， 46 （7） 229-233． ［7］ 郑士田．两淮煤田煤层底板灰岩水害区域超前探查治 理技术 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2018， 46 （4） 142-146． ［8］ 刘再斌．基于孔型组合的煤矿水害区域治理模式研究 ［J］ ．煤炭科学技术， 2018， 46 （7） 184-189． ［9］ 李娜娜．赵官煤矿下组煤底板突水预测及防治技术研 究 ［D］ ．青岛 山东科技大学， 2011． ［10］ 苏玉娟．赵官矿井水文地质条件及防治水研究 ［J］ ．中 国煤炭地质， 2009， 21 （8） 29-32． 作者简介 王威 （1984） ， 男， 河南驻马店人， 高级工 程师， 硕士， 主要从事煤矿水害防治工作。 （收稿日期 2019-06-21； 责任编辑 陈洋） 96 ChaoXing