门克庆井田水文地质条件对矿井开采顺序的影响_李志伟.pdf

第 46 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.2 2018 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an Research Institute Co.Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077 , China Abstract The hydrogeological type of Menkeqing Mine is of complex type, when the production started, working face was designed and arranged respectively in seams 3-1 and 2-2. The average distance between two seams is 34 m. During extraction of both seams, the major water-filling aquifer was Qilizhen sandstone aquifer at the bottom of Zhiluo ation. The pressure of the aquifer was high, up to 4 MPa, the maximum water inflow of a single drainage hole reached 180 m3/h, the water abundance was relatively high, and the distance of the aquifer was mostly less 5 m from seam 2-2, inducing serious water drops from the roof in during driving in coal roadway of seam 2-2 and difficulties for cable bolt, the safe production in seam 2-2 could not be ensured. The authors proposed a mining with reverse sequence, that is, seam 3-1 was mined firstly, and when the water yield and pressure dropped enough to ensure smooth driving and extraction in seam 2-2, the upper seam 2-2 was mined. The mining practice demonstrated that the scheme was feasible. Keywords hydrogeological conditions; Qilizhen sandstone; water-enriched aquifer; high pressure aquifer; mining with reverse sequence 门克庆矿井位于鄂尔多斯盆地侏罗系煤田深埋 区，主采煤层顶板埋深超过 700 m。水、火、瓦斯、 粉尘、顶板等五大煤矿自然灾害之中，水害问题是 门克庆煤矿面临的主要灾害[1]，矿井水文地质类型 为“复杂型”[2]。随着矿井开拓掘进，门克庆矿井 水害问题日益突出，主要体现在煤层顶板水压大， 富水性强，巷道开拓掘进阶段即面临着严峻的水害 形势，工作面采前疏放水工程量大、难度大。因此， 矿井防治水安全成为门克庆矿井生产布局设计、采 掘接续规划与计划所需考虑的首要因素。 门克庆矿井主采煤层为 3-1煤，矿井达产时，在 上层 2-2煤布置一个薄煤层工作面配采。 对于侏罗系 煤田深埋区煤层开采过程中的水害防治工作，最主 要且有效的方式为“超前预疏放”，因此目前主要的 ChaoXing 第 2 期 李志伟等 门克庆井田水文地质条件对矿井开采顺序的影响 125 研究工作多集中在工作面顶板物探、工作面顶板富 水性分区及工作面采前疏放水等方面。呼吉尔特矿 区其他矿井均通过开展物探和钻探相结合的顶板疏 放水工作，实现了煤层的安全开采。门克庆矿井 2-2 中煤由于其特殊的条件，不具备直接开展疏放水工 作的条件，必须从其他角度来考虑疏放水的问题。 因此，参考矿井瓦斯防治[3]和防冲击地压中的“开 采解放层”[4]的方法，本文提出了利用 3-1煤采空区 来疏放 2-2中煤顶板含水层的疏放水方法， 调整煤层 开采顺序，以保障矿井的安全生产。 1 七里镇砂岩含水层水文地质条件 门克庆煤矿 2-2中煤顶板自上而下分布有第四 系松散层孔隙潜水含水层，白垩系砂岩孔隙裂隙承 压含水层，侏罗系安定组砂岩孔隙裂隙承压含水层 和侏罗系直罗组砂岩孔隙裂隙承压含水层。其中， 第四系、白垩系和安定组含水层距离煤层顶板超过 300 m，对煤层开采影响较小，直罗组底部的“七里 镇砂岩” [5]含水层是矿井的主要充水含水层[6]。 1.1 含水层厚度及与 2-2中煤顶板距离 统计分析首采区南翼 29 个钻孔的资料表 1，可 以看到，门克庆井田首采区南翼范围内，七里镇砂岩 含水层厚度为 7.4088.21 m，平均 33.48 m。根据钻孔 揭露的含水层厚度分布情况，绘制等值线图图 1， 可 以看出，在整个首采区南翼的绝大多数区域，直罗组 含水层厚度在 18 m 以上，且分布较为均一。 首采区南翼 29 个钻孔中 2-2中煤顶板隔水层厚 度为 024.32 m，平均 5.44 m。其中，17 个钻孔揭 露的隔水层厚度小于 5 m， 占钻孔总数的 60； 有 9 个钻孔揭露的隔水层厚度为 510 m，占钻孔总数的 30；仅有 3 个钻孔揭露的隔水层厚度大于 10 m， 仅占钻孔总数的 10表 1。 表 1 门克庆井田首采区南翼七里镇砂岩含水层厚度及到 2-2中煤层顶板距离 Table 1 Thickness and distance of Qilizhen sandstone aquifer to the roof of seam 2-2 in the south wing of the first mining district in Menkeqing Mine 单位单位m 钻孔编号 2-2中煤厚度 顶板隔水层厚度 顶板含水层厚度 钻孔编号2-2中煤厚度顶板隔水层厚度 顶板含水层厚度 MS24 1.50 22.47 29.34 H032 3.52 2.12 61.85 MS25 1.65 24.32 18.21 H041 1.85 0.00 39.43 MS26 2.60 14.20 15.40 WW05 2.04 1.15 88.21 H033 0.70 2.70 22.30 WW10 1.80 0.00 52.22 MS27 1.56 9.83 22.60 H034 0.35 1.00 17.80 MS28 1.45 7.07 25.35 H042 0.20 8.99 13.35 MS29 1.18 5.69 24.81 WZ13 1.80 6.44 49.10 MS30 1.62 6.20 22.09 H040 2.03 6.70 40.00 MS31 1.38 2.75 7.40 H063 0.80 0.00 26.52 MS32 2.10 1.88 15.45 H062 1.15 1.74 31.00 MS33 1.17 5.41 17.68 H061 2.58 0.80 20.62 MS34 1.90 6.42 19.00 H073 1.10 0.80 85.30 MS36 1.00 4.96 38.90 H072 1.55 4.20 62.04 MS37 2.10 2.80 18.80 H071 2.42 3.23 67.31 MS38 1.60 4.03 18.74 根据钻孔揭露的隔水层厚度分布情况，绘制等 值线图图 2，可以看出，除北部少数区域隔水层厚 度大于 10 m 以外，在首采区南翼绝大多数区域 2-2 中煤顶板隔水层厚度在 6 m 以下。这种情况表明， 在整个首采区南翼范围内，2-2中煤顶板隔水层均较 薄，锚索孔将会直接穿过隔水层，揭露上部的含水 层，导致锚索孔出水，进而会发生 11-2201 工作面 迎头所发生的水害和顶板问题。 对比分析整个首采区南翼七里镇砂岩厚度及到 2-2中煤顶板距离展布情况，总体呈现出隔水层薄而 含水层厚的情况。 1.2 含水层富水性分析 门克庆煤矿 3-1煤首采工作面3101 工作面在 开展工作面采前疏放水工作中揭露了七里镇砂岩 含水层，根据钻孔的揭露情况，可以了解该含水 层的富水性特征。从图 3 可以看出，所有钻孔的 出水点均集中于 2-2中煤顶板含水层中，且所有钻 孔的见水点距离 2-2中煤顶板仅 25 m，表明 2-2 中煤顶板隔水层厚度极薄，含水层距离 2-2中煤顶 板很近。 分析 37 个钻孔单孔涌水量分布情况，发现有 27 个钻孔的终孔水量均超过了 100 m3/h，单孔最大涌水 ChaoXing 126 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 1 首采区南翼七里镇砂岩含水层厚度等值线图 Fig.1 Isopach of Qilizhen sandstone aquifer 图2 首采区南翼七里镇砂岩到2-2中煤顶板距离等值线图 Fig.2 Contour of distamce from Qilizhen sandstone to the roof of seam 2-2 图 3 3101 工作面典型疏放水钻孔出水点分布图 Fig.3 Distribution of water points of typical water drainage hole in working face 3101 量达到 187 m3/h；其他 10 个钻孔中，有 5 个钻孔终孔 水量在8090 m3/h， 只有2个钻孔终孔水量小于50 m3/h， 所有钻孔终孔平均水量达到 118 m3/h。这种情况表 明，2-2中煤顶板含水层富水性相对较强。 门克庆井田南部的母杜柴登煤矿首采工作面顶 板疏放水钻孔揭露该含水层，钻孔终孔水量为 40160 m3/h， 终孔水压为 1.55.8 MPa； 位于呼吉尔 特矿区南部的巴彦高勒矿井， 首采工作面探放水钻孔 在揭露该含水层时，钻孔终孔水量最大达 60 m3/h， 水压力最大达 4 MPa；位于南部纳林河矿区的纳林 河二号矿井，首采工作面探放水钻孔在揭露该含水 层时， 钻孔终孔水量达到 6144 m3/h， 终孔水压 1.6 5.6 MPa。 从周边矿井揭露的情况来看，该层含水层普遍 存在，分布较为稳定，且含水层富水性较强，水压 力较大。 横向对比这 4 对矿井揭露该含水层时钻孔涌 水量情况表 2，可以看到，无论是单孔最大涌水 量，还是单孔平均涌水量，门克庆矿均大于其他 矿井。 表 2 周边矿井揭露 2-2中煤顶板含水层情况对比表 Table 2 Comparison of roof aquifer of seam 2-2 exposed in surrounding mines 矿井名称 单孔最小涌水量/m 3h-1 单孔最大涌水量/m3h-1 单孔平均涌水量/m3h-1 终孔水压/MPa 母杜柴登 40 166 100 5.8 巴彦高勒 0.2 60 14.16 3.7 纳林河二号 6 144 96 5.6 门克庆 15 187 118 3.9 ChaoXing 第 2 期 李志伟等 门克庆井田水文地质条件对矿井开采顺序的影响 127 总体上，七里镇砂岩含水层普遍存在，富水性 较强[7]，且在区域范围内，门克庆煤矿富水性相对 最强；在门克庆井田首采区南翼范围内，该含水层 表现出厚度较大，与 2-2中煤顶板距离小的特点。 2 2 -2 中煤巷道掘进过程中可能遇到的问题 2.1 2201工作面顶板水害情况 门克庆煤矿 2201 工作面回风顺槽掘进过程中 因顶板隔水层厚度逐渐变薄， 从开口处 20 m 变至巷 道 1 760 m 处不足 5 m， 受隔水层厚度变薄及上覆承 压水的影响，出现顶板矿压显现、离层失稳、变形 开裂、出水严重、锚杆锚索支护失效等系列问题， 对施工造成严重安全隐患。 根据现场条件，巷道顶板变形开裂严重，裂缝 深度最大可达 120 mm，宽度最大可达 22 mm，长度 最大可达 2.6 m；顶板锚索普遍出现托板变形等情 况，顶板明显下沉，锚索出水严重，单个锚索孔出 水量最大可达 6.9 m3/h，百米巷道顶板淋水量超过 70 m3/h。由于 2201 工作面顶板含水层富水性强及 顶板隔水层薄等原因，导致工作面回风顺槽出现顶 板水害及支护困难的情况，这给门克庆矿井安全带 来隐患。 2.2 2201工作面顶板水害原因分析 通过对七里镇砂岩含水层水文地质特征[8]及该 含水层与 2-2中煤相对位置关系的分析，可以看到， 在门克庆煤矿首采区南翼绝大多数范围内，巷道顶 板锚索将直接揭露七里镇砂岩含水层。由于该含水 层水压力较大，巷道顶板隔水层无法承受水压力导 致顶板淋水， 锚索孔一般深度为 6 m直接揭露含水 层导致锚索孔出水； 而在高压顶板水的长期浸泡下， 顶板岩层出现软化、膨胀等现象，岩层强度降低， 导致顶板支护出现问题。 根据中国矿业大学北京对门克庆煤矿 2-2中煤 顶板岩石力学性质测定报告表 3， 门克庆煤矿 2201 工作面回风巷顶板围岩属于软化岩石，顶板围岩条 件较差。砂岩软化系数为 0.751，砂质泥岩软化系 数为 0.210.46当岩石软化系数等于或小于 0.75 时 为软化岩石。 表 3 2 -2中煤顶板岩石单向抗压强度与变形参数试验结果 Table 3 Test results of uniaxial compressive strength and deation parameters of coal roof rock in 2-2 变形参数 岩石名称 试样编号 采样地点 饱水状态下 单轴抗压强度/MPa 自然风干状态下 单轴抗压强度/MPa Ee/104MPa e 细砂岩 xs 2201辅运500联巷 38 38 2.16 0.32 中砂岩 zs 2201辅运500联巷 31 33 2.01 0.303 砂质泥岩 sn 2201辅运500联巷 4 19 1.53 0.38 砂岩 s 4号钻 27 36 2.18 0.29 粗砂岩 cs 4号钻 21 25 1.82 0.34 砂质泥岩 sn 4号钻 12 26 1.53 0.33 从表 3 可以看出，2-2中煤直接顶板的砂质泥岩 在自然风干状态和饱水状态下，单轴抗压强度差别 极大，在饱水条件下，强度下降十分明显。说明门 克庆煤矿首采区南翼范围内，富水性极强的七里镇 砂岩含水层[9]在绝大多数区域，顶板锚索将直接揭 露该含水层，在局部区域内，由于顶板隔水层的缺 失，煤层直接顶板即为直罗组含水层，在巷道掘进 过程中就可能直接揭露含水层， 且 2-2中煤顶板围岩 均属软化岩石。这种特殊的水文地质和工程地质条 件，可能导致 2-2中煤巷道掘进过程中，随着淋水的 持续作用，围岩的强度会持续降低，顶板条件差， 支护困难，巷道稳定性较差，出现水害及局部顶板 事故，威胁矿井安全。 3 矿井开采顺序调整方案 根据对门克庆煤矿首采区南翼水文地质条件及 顶板岩石力学性质的分析，可以看到首采区南翼 2-2 中煤巷道掘进过程中可能遇到顶板问题和水害问题 等安全问题，从矿井安全生产的角度考虑，现阶段 不适宜开采 2-2中煤，为保障矿井接续顺利，必须调 整矿井开采顺序。 根据门克庆煤矿的生产接续安排和煤层赋存的 实际情况，开采顺序调整方案为先开采 3-1煤[10]，利 用 3-1煤采空区对 2-2中煤顶板七里镇砂岩含水层进 行疏放[11]， 当疏放至具备安全掘进和生产的条件后， 再开始 2-2中煤的掘进和生产。 该方案是否可行，关键在于 3-1煤开采能否对七 里镇砂岩含水层起到有效的疏放作用，即剖面上，3-1 煤开采是否会影响到该含水层， 即 3-1煤采后导水裂缝 带是否会发育至该含水层[12]；平面上，3-1煤采空区出 水的影响半径[13]能否波及到 2-2中煤工作面所处区域。 根据中国煤炭科工集团唐山院提出的水体下综 ChaoXing 128 煤田地质与勘探 第 46 卷 放开采导水裂缝带高度参考预测公式[14] Hli20M10 1 式中 Hli为预测的导水裂缝带发育高度， m； M 为采 高，m。 门克庆矿井南翼范围内， 3-1煤厚度为 3.85.3 m， 利用式1进行计算， 3-1煤采后导水裂缝带发育高度 为 86116 m。3-1煤采后导水裂缝带发育高度与 2-2 中煤及顶板“七里镇砂岩”含水层的位置关系如 图 4。分析结果表明，剖面上，3-1煤采后将会对“七 里镇砂岩”含水层起到疏降作用。 图 4 首采区南翼 3-1煤采后导水裂缝带发育高度与七里 镇砂岩含水层相对位置示意图 Fig.4 Schematic development height of water-flowing frac- tured zone and its position relative to Qilizhen sandstone aqui- fer after mining seam 3-1 平面上，3-1煤首采工作面3101 工作面与 2-2 中煤首采工作面2201 工作面的距离为 1 700 m， 根 据门克庆矿井首采面采前开展的井下放水试验，疏 放水影响半径可以达到 2 500 m，因此，3-1煤采后， 采空区涌水将会对 2201 工作面所处区域 “七里镇砂 岩”含水层起到疏降作用。说明先开采 3-1煤，利用 3-1煤采空区对 2-2中煤顶板七里镇砂岩含水层进行 疏放的调整方案是可行的。 4 结 论 a. 门克庆矿井南翼范围内，七里镇砂岩含水层 水压力大， 富水性强， 且距离 2-2中煤顶板小于 5 m。 2-2中煤巷道掘进过程中可能发生水害和顶板事故 等，为保障矿井安全生产，现阶段不具备回采 2-2 中煤的条件。 b. 由于下层 3-1煤与上层 2-2中煤采后主要的充 水含水层均为七里镇砂岩含水层，提出先开采下层 3-1煤，利用采空区涌水对七里镇砂岩含水层水进行 “超前预疏放” ， 待含水层水压力和水量倍数降至安 全条件后，再开采上层 2-2中煤，通过对 3-1煤采后 导水裂缝带发育高度及采空区涌水影响半径的分 析，认为该方案行之有效。 c. 这种类似于矿井瓦斯防治和防冲击地压中 的“开采解放层”的采煤方法，对鄂尔多斯盆地侏 罗纪煤田深埋区，受水害影响严重的煤层开采，具 有借鉴价值。 参考文献 [1] 郑世书，陈江中，刘汉湖. 专门水文地质学[M]. 徐州中国 矿业大学出版社，1999. 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