厚煤层放顶煤开采底板突水机理及水害探查技术_郑纲.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. Huangyuchuan Coal Mine, National Energy Guoshen Group, Jungar Banner 010399, China Abstract In order to study whether top coal caving can be adopted in the working face threatened by Ordovician limestone water, Huangyuchuan coal mine of Jungar coalfield was chosen to study the water inrush mechanism. The water pressure of the floor of coal seam 6upper is 04.49 MPa and the thickness of water insulation layer is 54.296 m, while the average water inrush coefficient of the upper floor is 00.085 MPa/m which is lower than the critical water inruch coefficent. In fact, water inrush have occurred many times when tunneling across faults. It in- dicates that there is different water inrush mechanism in the area.The faults and fissures are developed and there are hidden karst collapsed columns in the mine, and the outflow test results in faults and karst collapsed columns shows that the dominant structural plane in the north-east direction controls the water enrichment of Ordovician aquifers. In working face 01 in 21 panel of 6upper coal seam of Huangyuchuan coal mine, the maximum floor failure depth measured by pumping test was 34.9 m. This paper expounds the mechanism of water inrush caused by coupling coal floor damage and Ordovician strong seepage channel, which changes the traditional understanding of water inrush through vertical water-conducting from Ordovician aquifer. Nearly horizontal directional long holes have been drilled to explore and reinforce the vertical strong seepage channels, so Ordovician limestone water hazard in the process of mining is solved. ChaoXing 8 煤田地质与勘探 第 47 卷 Keywords floor failure depth test; maximum failure depth；strong seepage channel；water inrush mechanism；nearly horizontal directional drilling 煤矿安全规程115 条规定[1]矿井水文地 质条件复杂， 放顶煤开采后有可能与强含水层沟通 的，禁止采用放顶煤开采。因此，对于具有突水危 险的矿井，此规定影响了放顶煤技术的应用。目前 关于突水机理的理论主要有突水系数法[2-3]、强渗 流说[4]、岩水应力说及断裂力学说[5-7]。临界突水系 数是根据华北淄博、 峰峰等矿区大量带压开采工作 面多年防治经验的总结，在实际应用过程中发现， 部分区域突水系数小的工作面发生突水， 而突水系 数大的工作面未突水， 与依据突水系数判别准则的 判别结果相矛盾；另外，突水系数法对突水机理的 解释较为模糊。强渗流说没有考虑底板破坏深度； 岩水应力说主要考虑了底板岩体最小主应力与水压 力的关系，认为水压力大于最小主应力时就会发生 突水，但其理论解释是基于张拉破坏理论。文献 [8–10]提出了底板突水的断裂力学判别准则， 采用 水压致裂技术测试底板岩体张开型临界应力强度 因子，通过底板突水监测数据，计算工作面采掘 工程中的应力强度因子，通过二者对比判断突水 的可能性；但目前对底板破坏带的水文地质特征 缺乏明确的认识。 煤层采掘引起底板一定范围内浅部卸荷松弛 效应，大量裂隙及其他结构面发生拉张型和剪切型 扩展，形成底板破坏带[11-13]。底板破坏深度是进行 底板突水危险性评价的重要指标，放顶煤开采对底 板造成的破坏比一般采煤方法严重，由此造成底板 奥灰突水机理可能有所不同。 对于薄及中厚一次采全高的综采工作面，大多 采用压水试验法及应力传感器测试法，对底板破坏 深度进行测试，但厚煤层放顶煤开采工作面底板破 坏深度测试数据尚不多见；工作面突水危险性评价 时，主要引用薄及中厚一次采全高综采工作面的测 试数据，影响了评价的准确性。 准格尔煤田黄玉川煤矿一、二盘区水文地质条 件中等， 主采 6 上煤层， 煤厚 2.4520.25 m， 平均 12.37 m；目前采用放顶煤开采。接续的三盘区水文地质 条件变为复杂型，因此，需提前研究放顶煤开采对 煤层底板的破坏及煤层底板奥灰含水层的突水机 理，以便确定三盘区采煤工艺。 1 研究区地质及水文地质条件 黄玉川井田发育地层自下而上为下奥陶统亮 甲山组、中奥陶统马家沟组，中石炭统本溪组、石 炭–二叠系太原组，下二叠统山西组、下石盒子组， 上二叠统上石盒子组、石千峰组，新近系上新统， 第四系上更新统及全新统。4 号、6 上、6 号、9 号煤 层与奥灰顶界面间距分别为125.2 m、 61.13 m、 52.7 m、 44.8 m。4 号煤顶界面上 11 m 发育一层粗砂岩含水 层，6 上煤顶界面上 5 m 也发育一层粗砂岩含水层， 此两层粗砂岩含水层富水性弱且不均一；巷道顶板 一般无水，掘进过程中遇断层和裂隙时，顶板涌水 增大，最大出水达 80 m3/h。 图 1 煤层与含水层关系图 Fig.1 Relation between coal seams and aquifer 2 216 上 01 工作面带压开采分析 2.1 煤矿底板隔水层岩性组成 通过黄玉川煤矿内 7 个钻孔的柱状图进行煤层 底板隔水层岩性组成分析，结果见表 1。据表 1 可 知，6 上煤底板隔水层厚度为 55.575.78 m，岩性主 要为砂质泥岩及泥岩平均厚度占总厚度的 53.47 和中粗砂岩及砾岩平均厚度占总厚度的 23.43， 其次为煤层平均厚度占总厚度的 15.46和粉砂岩 及细砂岩平均厚度占总厚度的 7.64。 整体来说， 黄玉川煤矿 4 号煤和 6 上煤底板隔水 层岩性致密，均具有刚性砂岩类和柔性泥岩、煤 类岩层互层发育现象，且柔性岩层与刚性岩层厚度 所占比例相当，具有较好的阻水性能。 2.2 216 上 01 工作面带压开采特征 216 上 01 工作面斜长 300 m， 奥灰水位在871.0 876.0 m，底板标高为840980 m。工作面北部、 煤层标高882.5 m 以下区域处于奥灰带压区。根据 补勘钻孔资料，216 上 01 工作面底板隔水层承受的 ChaoXing 增刊 1 郑纲等 厚煤层放顶煤开采底板突水机理及水害探查技术 9 奥灰水压最大为 1 MPa，突水系数 00.017 MPa/m， 远小于临界突水系数 0.06 MPa/m，一般情况下不会 发生突水， 但当掘进回采遇到导水断层或陷落柱时， 就可能会发生突水[14]。 表 1 黄玉川煤矿 6 上煤底板隔水层不同岩性厚度占比统计表 Table 1 Statistics of percentage of thickness of different lithology of aquiclude in floor of upper seam 6 in Huanyuchuan coal mine 孔号 砂质泥岩及泥岩 厚度占比/ 粉砂岩及细砂岩 厚度占比/ 中粗砂岩及砾岩 厚度占比/ 煤层厚度占 比/ 6 上煤底板隔水层 总厚度/m OM1 71.06 0.00 7.38 21.57 62.36 OM2 46.31 18.49 24.83 10.37 67.05 OM4 57.69 0.00 28.07 14.23 55.5 OM5 62.82 6.28 19.12 11.77 70.07 OM6 60.93 1.38 18.09 19.61 54.296 HY44 37.75 9.83 38.30 14.12 67.13 HY48 37.71 17.52 28.19 16.57 75.78 平均 53.47 7.64 23.43 15.46 3 6 上煤层底板破坏深度测试 3.1 钻孔布置 在黄玉川煤矿216上01工作面内进行底板破坏 深度测试，取得厚煤层放顶煤开采下工作面底板破 坏深度的实测数据。 一号钻场位于216上01工作面辅运巷距离切眼 90 m 处，钻场内布置 4 个钻孔，其中 CS1、CS2、 CS3 孔分别钻至 01 工作面底板垂深 40 m 位置， CS7 孔为新增加钻孔，钻至 02 工作面底板垂深 40 m 位 置图 2。二号测试钻场位于 216 上 01 工作面辅运 巷 6.5 联巷附近，钻场内布置 3 个钻孔，编号为 CS4、 CS5、 CS6， 设计终孔位置为 216 上 01 工作面底板下垂 深 40 m，钻孔倾角分别为 47、30和 21；施工中为减 少钻孔轨迹下沉量， 采用Φ94 mm PDC钻头配Φ74 mm 钻杆，裸孔径为 95 mm，剖面见图 3；工作面东西向倾 角–7，施工中对钻孔倾角参数统一减小 7。 图 2 黄玉川煤矿 216 上 01 工作面钻场布置示意图 Fig.2 Layout of the drill site in working face 01 in 21 panel of 6upper coal seam 图 3 216 上 01 工作面二号钻场底板破坏深度 测试钻孔剖面图 Fig.3 Borehole profile for floor failure depth test at No.2 drill site in working face 01 in 21 panel of 6upper coal seam 3.2 施工流程 试验工艺流程为 钻孔定位→开孔钻进 6.5 m→ 安设 Φ108 mm 孔口管→浆液凝固→耐压试验→钻 至设计深度→冲洗钻孔→安装压水装置→压水试 验→封孔。 3.3 测试结果分析 通过压水试验，测试钻孔在不同深度处的漏失 量。测试开始于距工作面回采点 44 m 处第一次测 试，结束于推进过后 73.8 m第九次测试；在工作 面回采过程中，每个深度均测试 9 个数据，用以分 析回采造成的煤层底板破坏深度。 以 CS4 号钻孔在工作面回采过程中各段的漏失 量数据为例进行分析。利用测试数据绘制了 CS4 号 钻孔 3 次全孔测试的漏失量图，见图 4图 6 所示。 由图4 看出， 第一次测试时钻孔在垂深24.526 m 位置存在漏水现象，漏失量最大为 3.2 L/min，属轻 微渗水； 在垂深 33.434.9 m 位置的漏失量最大值为 ChaoXing 10 煤田地质与勘探 第 47 卷 10.76 L/min；当工作面推进至钻场位置时图 5，钻 孔在垂深 33.434.9 m 处漏失流量增大，压水量为 24.14 L/min；由图 6 可知，工作面回采过钻场位置 14.5 m 后，钻孔主要漏失段为垂深 3234.9 m 位置， 其中 33.434.9 m 段，压水量达到 36.12 L/min。 图 4 CS 4 孔与工作面距离 44 m 第 1 次测试结果图 Fig.4 Result of the first test in hole CS 4 at 44 m away from the mining face 图 5 CS 4 孔与工作面距离–0.6 m 第 3 次测试结果图 Fig.5 Result of the third test in hole of CS 4 at –0.6 m away from the mining face 图 6 CS 4 孔与工作面距离–14.5 m 第 4 次测试结果图 Fig.6 Result of 4th test in hole CS 4 at –14.5 m away from the mining face 利用测试数据绘制了 CS 4 号钻孔在垂深 34.9 m 处压水量随工作面距离变化曲线图，见图 7。据图 7 分析，工作面回采过钻场位置后压水量逐渐增大， 在 13.716.9 m 位置漏水量基本达到最大值， 此时压 水量为36 L/min； 工作面回采过钻场距离16.965.8 m， 钻孔漏失位置和水量没有明显变化，工作面过钻场 距离 73.8 m，压水量衰减为 25 L/min，表明由于顶 板冒落压实，部分底板破坏带裂隙逐渐压实，遂停 止测试。 因此，认为 216 上 01 工作面底板最大破坏深度 为 34.9 m，此时钻孔进入工作面水平距离为 11.45 m。 压水量随测试点与回采工作面距离的变化，说明底 板破坏带产生、发展及导水性能的变化，是确定底 板破坏最大深度的主要依据。但由于压水层位岩性 不同，渗透性能不同，仅凭压水量数据不足以确定 最大的破坏深度。 对 CS 4、CS 5、CS 6 钻孔测试数据分析结果进 行汇总，见表 2。 图 7 CS 4 孔垂深 34.9 m 压水量随工作面距离 变化曲线图 Fig.7 Variation of the injected water volume with the distance to the working face at vertical depth 34.9 m in hole CS4 表 2 二号钻场钻孔压水测试结果汇总表 Table 2 Results of water injection test in boreholes at drill site 2 测试段范围/m起始漏水位置/m 最深漏水位置/m 钻孔 编号 垂深 垂深 平距 垂深平距 CS 421.640.9 24.5 0.09 34.9 11.45 CS 511.938.6 15.7 9.0 33.8 42.4 CS 69.637.8 13.7 11.1 27.3 42.3 据表 2 可知，3 个钻孔中煤层底板最大破坏深 度发生在 CS 4 号孔处，最大值为 34.9 m；CS 5 钻 孔处次之，CS 6 钻孔处最小；可以看出，底板破坏 深度靠近工作面中部区域较工作面胶运巷一侧小。 一号钻场位于 216 上 01 工作面切眼附近， 不受 回采进度影响，钻孔成孔及注水测试同步进行。由 于一号钻场测试时已回采完成 10 个月， 底板破坏带 裂隙多已闭合，CS 1、CS 3 均没有漏水，实测数据 仅具有参考意义，见表 3。 表 3 一号钻场压水测试结果汇总表 Table 3 Results of water injection test at drill site 1 最深漏水位置 钻孔编号测试段垂深/m 垂深/m 平距/m CS 1 21.640.9 CS 2 11.938.6 33.9 42.4 CS 3 9.637.8 CS 7 21.640.9 34.9 15 4 底板破坏叠加强渗通道突水机理 4.1 矿井奥灰富水性分析 根据2010年矿井所施工的6个奥灰水文地质孔 ChaoXing 增刊 1 郑纲等 厚煤层放顶煤开采底板突水机理及水害探查技术 11 获得的单位涌水量、渗透系数、冲洗液消耗情况表 4 可以看出除 OM2 孔外，其他各孔单位涌水量和渗 透系数均较小， 说明在大部分钻孔处， 奥灰含水层富 水性不强；当奥灰二水平辅运大巷遇 DF6 断层时， 探测钻孔总涌水量 371 m3/h，说明该断层导水性强。 另外，在 216 上 01 工作面回撤通道的突水异常处， 先后设计 9 个钻孔进行探放水，出水情况见表 5；在 工作面内陷落柱进行的稳定流放水试验， 放水情况见 表 6。由井下探放水及放水试验成果说明，本区奥灰 岩溶水系统是由裂隙、 管道岩溶水系统及岩块岩溶水 系统组成； 富水性主要受到北东向的断层或裂隙等优 势面控制， 沿断层带形成强渗通道， 局部导水陷落柱 发育；整体上奥灰富水性不均一，各向异性强，虽有 裂隙，但多被方解石所充填，含水层连通性差。 表 4 水文地质补勘奥灰水文孔水文地质参数 Table 4 Hydrogeological parameters of hydrological boreholes for additional exploration of Ordovician limestone 孔号 进灰岩深度/m q/Lsm–1 渗透系数/md–1 冲洗液消耗/m3h–1 12.0541.01 6 3 OM2 7.1 0.413 61 4 4.7 1.4 220.39 1.6 OM3 242292 5.86 OM4 0300.61 0.003 73 0.001 19 0.1 053.74 OM5 53.74157.1 0.000 645 0.000 283 0.1 06.35 0.1 38.641.8 1.5 116.5 0.005 1 0.001 3 OM6 169.2 表 5 216 上 01 工作面垂向通道探查结果 Table 5 Detection results of vertical water-conducting in working face 01 in 21 panel of 6upper coal seam 孔号 方位/ 倾角/ 孔深/m 出水情况/mh–1 孔号方位/ 倾角/ 孔深/m 出水情况mh–1 补1 270 5 60 27 补6 330 36 128 23.5 补2 260 5 52 21.6 补7 207 34 138 19.9 补4 265 3.5 120 54 补8 218 23 99 33.8 补5 325 23 123.5 27 补9 230 31 77 69 补6 330 36 128 23.5 补10242 17 77.25 96 表 6 陷落柱稳定流放水试验情况表 Table 6 Status of water drainage of stable flow in collapse column 参数 中心观测孔初始水位/m 中心观测孔稳定水位/m 稳定流量/mh–1 降落漏斗中心降深/m 数据 873.49 865.22 141.63 8.27 4.2 强渗通道叠加底板破坏突水机理 黄玉川井田构造为一倾角小于 15、倾向北西 西的单斜构造， 6 上煤距奥灰顶界面 54.29675.78 m， 平均 65.2 m，总体上煤层底板隔水层厚度稳定，无 突然变薄或缺失情况。在三盘区和一盘区大部，6 上 煤底板标高均低于奥灰水位， 煤层开采为带压开采。 据矿井资料，一盘区水压 0.2 MPa、隔水层平均厚度 56 m，突水系数0.014 MPa/m；三盘区水压小于1 MPa， 隔水层厚度 55.575.78 m， 突水系数 00.017 MPa/m。 总体来说，本区煤层带压开采区域具有低承压、隔 水层厚度中等、 突水系数小于临界突水系数等特征。 而一盘区曾发生底板奥灰突水，说明除底板破坏作 用外，底板薄弱区的导水断层或导水陷落柱起主要 的作用。 本矿底板破坏深度为 34.9 m，有效隔水层厚度 仍达 25.1 m，且底板破坏主要产生卸荷水平裂隙， 垂向裂隙较少，导水性相对较差，厚煤层放顶煤工 作面开采对底板奥灰突水影响不显著。如果不发育 ChaoXing 12 煤田地质与勘探 第 47 卷 垂向导水通道，突水危险性较小。当煤层底板存在 垂向导水构造裂隙、断层和不良地质体陷落柱 等优势结构面时，煤层在地压、水压、采掘扰动影 响下，优势结构面致隔水层隔水能力丧失，同时耦 合底板破坏作用， 将形成新的贯穿性强渗通道而诱 发突水。工作面回采以后，除煤层底板岩层卸荷导 致底板破坏以外，在工程应力和地下水作用下，剪 切塑变可导致破裂结构面再扩展。 处于地下水综合 作用下的断层裂隙， 极易发生以剪切为主导的裂隙 扩展，如一条断层或裂隙，随着其内部含水量的增 加，充填物发生由固态、塑态直至液态的物理性状 改变，力学强度变弱。在地应力、地下水和工程应 力的综合作用下，发生剪切、塑变，裂隙扩展，渗 透效应不断增强，进一步促使剪切扩展循环往复， 直至沿断层裂隙带形成强渗通道导致突水。 对于隔水层来说， 底板破坏带以水平裂隙为主， 具有一定的垂向阻水性能。破坏深度以下的断层、 裂隙或陷落柱，垂向导水性能较强。突水系数计算 中，以完整隔水层厚度而不减去底板破坏深度来计 算突水系数是有一定道理的。对于底板奥灰水的突 破作用而言，底板岩体阻水性能的强弱与突水危险 性呈负相关。对工作面采掘来说，突水危险性越大， 则渗透稳定性越小。因此，进行突水危险性分析， 必须通过分析评价底板岩体的阻水性能，分析判断 底板岩体的渗透稳定性。 5 近水平定向钻孔水害探查技术 底板破坏叠加强渗通道突水机理改变了从含水 层–隔水层地层纵向认识突水机理的方法， 在防治水技 术上转向在开采平面上查找最易突水的薄弱区，主要 围绕隔水层内部的强渗通道进行奥灰水害的探查、评 价及治理。一般巷道掘进时，在迎头施工近水平长距 离定向钻孔回采前探查钻孔终孔层位在煤层底板破 坏深度以下， 从平面上探测钻进范围内有无垂向导水 断层或导水陷落柱，分析判断奥灰水害威胁程度，提 出针对性注浆加固措施，减少无效防治水工程。 如图 8、图 9，在黄玉川井田二水平辅运大巷遇 DF6 断层前，在巷道迎头施工 P7-1、P7-2 、P7-3 共 3 个小角度定向探查钻孔，倾角分别为–6、2、 –4，长度分别为 150 m、135 m、140 m，钻孔涌水 量为 36 m3/h、 21 m3/h、 19 m3/h， 孔口水位均为 6 m， 水质与奥灰水质基本相同，判断 DF6 断层导通了奥 灰含水层，针对性地采取了注浆加固工程，掘进巷 道安全、顺利通过断层，确保了矿井安全生产。 图 8 辅运大巷迎头小角度探查钻孔平面图 Fig.8 Plan of the head-on exploration boreholes with small angle in auxiliary transportation roadway 图 9 辅运大巷迎头小角度探查钻孔剖面图 Fig.9 Cross-section of the head-on exploration boreholes with small angle in the auxiliary transportation roadway 6 结 论 a. 厚煤层放顶煤工作面回采对煤层底板的破 坏比综采工作面大， 采用双端堵漏压水试验测得216 上 01 工作面的底板破坏深度为 34.9 m， 减少了底板 有效隔水层厚度。 b. 本区底板奥灰突水机理是底板破坏叠加强渗 通道突水， 强渗性导水断层是主要控制因素。 在小水 ChaoXing 增刊 1 郑纲等 厚煤层放顶煤开采底板突水机理及水害探查技术 13 压、 厚隔水层条件下， 奥灰承压水上煤层开采除了因 卸荷效应产生的底板破坏以外， 底板断层、 裂隙在工 程应力、地应力、水压力作用下进一步扩展，渗透性 逐步增强，直至裂隙进一步扩展导致突水。 c. 底板破坏深度为 34.9 m，有效隔水层厚度仍 达 25.1 m，且底板破坏主要产生卸荷水平裂隙，垂 向裂隙较少，导水性相对较差，厚煤层放顶煤工作 面开采对底板奥灰突水影响不显著。在做好底板奥 灰水防治的前提下，底板水文地质条件复杂的矿井 采用放顶煤技术是可行的。 d. 研究成果改变了从垂向上认识底板奥灰突 水的传统，从平面上施工小角度定向探查钻孔，有 利于查明垂向导水断层或陷落柱等强渗性导水通 道，并进行注浆加固。 参考文献 [1] 国家煤矿安全监察局. 煤矿安全规程[M]. 北京煤炭工业出 版社，2016. 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