高压水文钻孔不启封开采技术实践_贾传伟.pdf

第 47 卷 增刊 1 煤田地质与勘探 Vol. 47 Supp.1 2019 年 9 月 COAL GEOLOGY 2. Zibo Mining Group Co. Ltd., Zibo 255100, China Abstract The long-term hydrological observation hole of the Ordovician limestone aquifer in Shandong Xinhe Mining Co., Ltd has a wide range of coal pillars, affecting the exploitation of adjacent coal resources. For this rea- son, referring to the movement law of overlying strata on the surface of this mine and its adjacent Tangkou coal mine, the damage degree of borehole was analyzed from the three mechanical angles, that is axial tension and compression, radial extrusion and radial shear. Combined with the changes of hydrogeological conditions such as water enrichment of main aquifers around the boreholes, the safety and feasibility of the mining without opening the borehole were analyzed and uated. The research results show that the boreholes without opening will not lead to borehole water accident, nor change the hydrogeological conditions of coal mining, and finally the safe mining is achieved. Keywords high pressure hydrologic borehole; without opening; strata movement; analysis of damage; safet mining; Xinhe coal mine in Shandong 在煤矿建设、生产的整个时期，钻探技术是进 行资源勘查、条件探查、水害防治、瓦斯抽采等各 类工程的最有效方法之一。水文地质钻孔还可用于 水文地质条件的动态监测等。另一方面，钻孔也可 以连通其钻进的所有地层，成为穿过地层中含水层 之间的水力联系通道[1-3]，为矿井的安全生产带来隐 患，尤其当钻孔在邻近工作面回采扰动下受损变形 时，可能导致上覆含水层水经由钻孔涌入井下，形 成水害。矿井经多个时期施工的钻孔中，大部分随 着开采直接废弃或封堵处理； 部分留作水文观测孔， 服务年限较长，这些钻孔一旦受回采扰动破坏，可 使上下多个含水层水对井下生产形成威胁。因此， 分析煤层开采顶板覆岩移动对钻孔的扰动及其变 形程度[4-6]，对矿井生产安全具有重要意义。孙海 涛等[7-11]提出地面瓦斯抽采钻井受采掘扰动，存在 剪切、挤压、拉剪综合破坏形式，利用安全系数和应 变监测数据进行钻井套管破坏的判定；李永军等[12] 提出对地面勘探封闭不良钻孔进行 FLAC3D数值模 ChaoXing 增刊 1 贾传伟等 高压水文钻孔不启封开采技术实践 87 拟研究，从支承压力分布、塑性变形和钻孔压力分 布 3 方面分析采动影响下钻孔变化；石占山等[13]提 出采动使抽采钻孔得到加卸载应力作用条件下钻孔 变形及破坏规律，利用数值法计算不同加卸载应力 变化速率下的钻孔塑性区分布范围及孔壁位移曲 线，建立考虑卸载应力变化速率的钻孔周边切应力 计算模型，用于分析采动对钻孔的破坏。 山东新河矿业公司 730 采区东南部地面设有奥 灰 GO2观 2 号水文长期观测孔，此处 3 煤奥灰水压 高达 10.8 MPa，且处于延深区 7303 工作面开采影响 范围内， 需留设大量保护煤柱， 影响邻近煤炭资源开 采。 因此， 本文通过分析岩层移动对水文观测孔的受 损程度， 评价钻孔变形对矿井生产的水害威胁和不启 封开采的可行性，为防治钻孔水害提供依据。 1 研究区概况 山东新河矿业有限公司位于山东省济宁市嘉祥县 城东约 7.5 km，井田东西长平均 3.0 km，南北平均宽 2.6 km。矿井主采二叠系山西组 3 煤，核定生产能力 1.20 Mt/a，开采水平包括–400m 水平和–980 m 水平。 –400 m 水平于 2015 年 5 月开采完毕后全面回撤和封 闭，现生产水平–980 m 布置 3 个采区，即 3 煤 530 采 区、630 采区和 730 采区，采煤方法为长壁后退式，综 采放顶煤采煤工艺，全部垮落法管理顶板。 1.1 矿井地质及水文地质条件 新河矿井为全隐蔽式华北型石炭–二叠系含煤 地层，地层由老到新发育有奥陶系马家沟群，石炭– 二叠系月门沟群本溪组、太原组、山西组，二叠系 石盒子群，侏罗系淄博群三台组及第四系地层。 新河井田断层较发育， 查明和揭露断层共计164 条， 其中嘉祥支断层为本井田最大断层， 位于矿井中 部，落差 0600 m，井田内延展长度约 3.5 km，地面 奥灰 GO2观 2 号水文长期观测孔正处于断层带内。 –980 m 水平 3 煤层开采的充水水源主要为 3 煤 顶底板砂岩及三灰含水层水，另外受嘉祥支断层影 响，奥灰水也是矿井充水水源之一。 ① 3 煤层顶底板砂岩 3 煤层顶底板砂岩是 3 煤层开采的主要充水水源。 3 煤层顶板砂岩厚9.6070.50 m，平均33.71 m，以细砂 岩为主， 局部夹有中、 粗砂岩； 底板砂岩厚0.9954.07 m， 平均 20.96 m，以中细砂岩为主，夹粉砂岩。3 煤层顶 板砂岩易在构造附近或施工锚索孔时发生揭露型出 水，主要以淋水、滴水方式涌出；底板砂岩水则多以 渗透性的底板铺水形式涌出，一般仅在初始出水时水 量较大，且具一定的压力，不利于作业施工，但水量 会在短期内减少至疏干消失。开采证实此类含水层富 水性弱，补给条件较差，对生产影响较小。 ② 三 灰 三灰水主要以巷道揭露出水的方式进入矿井， 因静储量有限，涌水量一般不大。矿井浅部由于接 受第四系底部含水层水补给，揭露时出水持续时间 较长；矿井深部补给条件较差，且受复杂地质构造 的切割影响，富水性弱。 ③ 奥 灰 奥灰含水层为煤系基底，岩溶裂隙较发育，富 水性中等，一般情况下为下组煤开采的间接充水含 水层。奥灰与 3 煤间距较大，正常地段不会对 3 煤 开采产生影响，但嘉祥支断层使煤系与奥灰对口接 触， 此区域内奥灰变为 3 煤开采的直接充水含水层。 1.2 7303 工作面与观 2 号水文长观孔概况 1.2.1 7303 工作面 7303 工作面开采二叠系山西组 3 煤层，走向长 630 m，倾向宽 86 m；煤层底板标高–1 073.4–1 093.5 m，煤层厚 7.1010.50 m，平均 9.45 m。工作 面位于嘉祥支断层和奥灰 GO2观 2 号水文长观孔以 东，切眼距钻孔 272 m图 1。 图 1 钻孔、断层及工作面分布图 Fig.1 Distribution of boreholes, faults and working faces ChaoXing 88 煤田地质与勘探 第 47 卷 1.2.2 奥灰 GO2观 2 号水文长观孔 奥灰 GO2观 2 号水文长观孔位于 730 采区东南 部， 钻孔依次穿过第四系、 侏罗系和二叠系石盒子群 图 2，终孔层位为奥陶系地层，终孔深 1 135.37 m， 在孔深 868.25 m 处进入奥陶系灰岩简称“奥灰”， 钻 孔揭露奥灰厚度 267.12 m。孔内下设三级套管， 0201.04 m 下 Φ127 mm 套管、201.04896.91 m 下 Φ89 mm 套管、896.91998.48 m 下 Φ89 mm 花管， 孔内安设钻孔水位自动遥测系统， 实时监测奥灰水位 变化。 图 2 钻孔柱状示意图 Fig.2 Schematic column of borehole 2 防隔水煤柱留设宽度计算 2.1 嘉祥支断层防隔水煤柱计算宽度 由于嘉祥支断层落差大，导致 3 煤层与上盘奥 灰含水层对接，是影响工作面安全回采的主要因素 之一。因此，根据煤层赋存条件、地质构造、静水 压力、开采上覆岩层移动角、导水裂隙带高度等因 素，参考淄博矿业集团有限责任公司煤矿防治水 实施细则淄矿集团公司地发[2010]62 号附录十， 按含导水断层上盘防水煤柱计算公式 10-2，计算留 设防水煤岩柱图 3。 a. 煤柱留设参数的选取 ① 安全维护距离 Ha 根据煤岩体的抗水压能力按下式计算断层的安 全维护带 HaP/VK 1 式中 P 为隔水煤岩体承受的水头压力，MPa，奥灰 水位取32.68 m， 隔水煤体承受的水头压力为10.42 MPa； V 为阻隔水能力系数，取 0.1 MPa/m；K 为误差系数， 取 10 m。经计算，Ha为 114.2 m。 ② 采矿对煤层底板的铅垂破坏深度 Hd。与 7303 回采工作面斜长 D 有关，按公式 Hd0.11D1.86 0.11861.8611.3 m，取 12 m。 ③ 断层真倾向方向上的煤层伪倾角α23。 ④ 断层安全维护带外侧面与断层法线最小夹角 β84.8。 ⑤ 断层安全维护带外侧面与水平面的最小夹角 62.8。 ⑥ 岩层裂缝角δ75。 ⑦ 断层真倾角按三维地震成果取θ68。 b. 嘉祥支断层上盘防水煤柱 嘉祥支断层上盘 3 煤伪倾向与煤层真倾向相同， 断层安全维护带外侧面与断层法线最小夹角 β 大于与 水平面的最小夹角当。 ① 仅考虑顶板导水裂缝带  a r sin sin- H L    177.7 m 2 ② 综合考虑顶、底板破坏裂隙 此时，防水煤柱总宽度应为单独考虑顶板导水裂 缝带和底板破坏带所需防水煤柱的总和式 4。  d f sin sin- H L    8.6 m 3 LdLrLf186.3 m 4 取两者最大值186.3 m作为嘉祥支断层上盘3煤 防水煤柱尺寸，其水平宽度为 pd cosLL186.3cos23172 m 式中 Lr为仅考虑顶板导水裂缝带的防水煤柱宽度， m；Lf为仅考虑底板破坏裂隙的防水煤柱宽度，m； Ld为综合考虑顶、底板破坏的防水煤柱总宽度，m； Lp为总防水煤柱的水平宽度，m。 2.2 钻孔防隔水煤柱宽度计算 地面奥灰水文长观孔保护煤柱的留设主要考 虑3煤开采引起的上覆岩层移动变形，因此，参 照建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与 压煤开采规范安监总煤装[2017]66号第八十一 条立井保护煤柱留设办法，采用垂直剖面法留设 钻孔保护煤柱。 ChaoXing 增刊1 贾传伟等 高压水文钻孔不启封开采技术实践 89 图 3 断层防隔水煤柱计算剖面图 Fig.3 Profile of coal pillar reserved for faults 考虑地面水文孔的安全，确定孔口维护带宽度 取10 m； 第四系岩层移动角取按45， 基岩段取75。 根据井下巷道实际揭露煤层情况，采用垂直剖 面法确定保护煤柱宽度，平面距离532.3 m，如图4 所示。 3 7303 工作面开采地表移动变形预计 根据钻孔保护煤柱留设情况，7303工作面进入 奥灰GO2观2号水文长观孔保护煤柱257 m。 根据新河矿井及相邻唐口矿井地表岩移观测成 果资料，7303工作面全部垮落法开采时，地表移动 预计参数选取为 下沉系数q 0.80 水平移动系数b 0.35 主要影响角正切tgβ2.25 开采影响传播角θ85 拐点偏移距S0 采用概率积分法预计7303工作面开采后奥灰 ChaoXing 90 煤田地质与勘探 第47卷 图 4 钻孔煤柱留设垂直剖面图 Fig.4 Vertical section of coal pillar reserved for boreholes GO2观2孔区域外最大水平变形为0.05 mm/m、倾 斜为0.2 mm/m、下沉为60 mm。 4 钻孔受损理论分析 从力学角度分析，钻孔破坏主要考虑套管的破坏， 包括轴向拉压破坏、径向挤压破坏和径向剪切破坏。 4.1 套管轴向拉压破坏 煤层开采后，由于采动影响可能造成在岩层中 固定的套管产生轴向拉伸或压缩，并可能使套管被 拉断，或套管接头被拉脱或压坏。采动造成的套管 轴向力的来源主要有以下3个方面 ① 岩层离层趋势产生的钻孔轴向拉力； ② 钻孔弯曲产生的钻孔轴向拉力； ③ 松散层失水压缩产生的钻孔轴向压力。 套管拉伸破坏的判断比较简单，可直接应用钢 材料试件单向受力时的强度极限来进行。当根据套 管拉伸量计算得出的套管断面上的应力达到或超过 时，即认为管体已被拉断。 4.2 套管径向挤压破坏 套管径向挤压破坏是由于采动导致在垂直于钻 孔轴向方向上的压应力增加而使钻孔套管被挤坏。 该破坏通常发生在以下两种情况下 ① 在裂隙带和冒落带， 相邻岩块在铰接处发生 局部应力集中，当钻孔刚好处于此铰接位置时，将 发生挤压破坏； ② 在采空区外侧的支承压力区具有强烈的垂 直应力集中，使处在该位置的钻孔容易发生挤压破 坏， 这种破坏对水平钻孔和缓倾斜钻孔更容易发生。 套管抗挤强度取决于材料性能、横截面几何形 状和套管所承受荷载的状况。 套管径厚比外径/壁厚 较大时，属于失稳破坏，即当外挤压力达到套管抗 挤强度时，套管壁将发生弯曲变形挤扁或破裂； 当套管径厚比较小， 外挤压力达到套管抗挤强度时， 套管将发生强度破坏。 4.3 套管径向剪切破坏 套管剪切破坏主要是由于岩层间的错动而导致 的套管破坏。相对于套管，地下岩层及固孔水泥层 不能视作刚性材料。当岩层错动时，套管、水泥及 岩层发生耦合作用，三者均发生一定程度的变形， 如图5所示。 图 5 套管变形及受力示意图 Fig.5 Schematic deation and force of casing 从图5可以看出，套管的剪切变形并不只发生 在一个垂直于钻孔轴的横截面上，而是发生在一定 长度的区段上，说明套管剪切变形并不是单纯的剪 切破坏，而是一种组合破坏。回采扰动导致岩层间 滑移错动现象非常普遍，套管受剪切破坏可能是最 为常见且最为严重的一种破坏形式。一般情况下， 套管/水泥组合无法阻止地层剪切位移；使用高强度 套管并不能防止组合滑移，仅能在某种程度上延缓 套管受破坏的进程。套管/水泥体系刚度越大，应力 集中可能越大，破坏越剧烈。若滑移地层为塑性流 动敏感的高孔隙度软弱厚地层，可能将降低套管剪 切破坏的强度。 5 钻孔不启封开采可行性评价 ① 工作面开采引起的岩层移动波及钻孔的地 层主要为侏罗系及第四系，两者以高孔隙度软弱厚 地层为主，分析开采会影响钻孔中上部，但造成钻 孔大范围错断的可能性较小。 ② 钻孔距7303工作面切眼272 m，中间有嘉 ChaoXing 增刊1 贾传伟等 高压水文钻孔不启封开采技术实践 91 祥支断层防水煤柱相隔，即使套管因开采影响发生 错断，也不会造成水害影响，分析断裂的位置应在 侏罗系上部至第四系地层中，不会导致大面积侧向 补给的发生，不会改变矿井3煤层开采的水文地质 条件，对其他工作面的开采也不会造成影响。 6 结 论 a. 采用相关规范的经验公式计算嘉祥支断层 和奥灰GO2观2号钻孔的防隔水煤岩柱宽度，分别 为172 m和532.3 m。 b. 从轴向拉压破坏、 径向挤压破坏和径向剪切破 坏3方面，分析了采掘活动对钻孔的破坏机理。 c. 高压水文钻孔距离工作面切眼272 m，不启 封条件下进行煤层开采，不会导致钻孔水害或大量 侧向补给的发生，既节约钻孔启封工程费用，又解 放3煤储量，值得在类似高压水文钻孔影响工作面 开采的矿井推广应用。 参考文献 [1] 张滕滕. 煤炭开采对地质结构及地质安全的影响分析[J]. 工 程技术研究，2019，44217–218. 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