神东矿区浅埋深薄基岩上覆厚松散层水害治理_方杰.pdf

第 44 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.4 2016 年 8 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Aug. 2016 收稿日期 2015-08-10 基金项目 国家重大科学仪器设备开发专项资助项目（2012YQ030126）；国家自然科学基金煤炭联合项目（U1261203） Foundation itemNational Key Scientific Instrument and Equipment Development Program （2012YQ030126）； Coal United Project of National Natural Science Foundation （U1261203） 作者简介 方杰（1984），男，陕西神木人，博士研究生，工程师，从事煤矿防治水方面的研究工作. E-mail10038939shenhua.cc 引用格式 方杰，李全生，杜文凤，等. 神东矿区浅埋深薄基岩上覆厚松散层水害治理［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（4）94-97. FANG Jie， LI Quansheng， DU Wenfeng， et al. Water disaster control in overlying thick loose layer on bedrock in Shendong coal mining area［J］. Coal Geology Exploration， 2016， 44（4）94-97. 文章编号 1001-1986（2016）04-0094-04 神东矿区浅埋深薄基岩上覆厚松散层水害治理 方 杰 1，2，3，李全生2，3，杜文凤1，曹志国2，3 （1. 中国矿业大学（北京） 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083；2.中国神华能源股份 有限公司科技发展部，北京 100011；3. 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 100011） 摘要 针对神东矿区煤层埋深浅、上覆基岩薄、厚松散含水层的地质条件，在回采期间，尤其是 在第一次老顶断裂后， 极易发生溃水溃沙。 为了实现安全回采， 研究了极具代表性的上湾煤矿 12207 工作面切眼区域，通过对该区域冒落带和导水裂隙高度，防水、防砂煤岩柱高度的研究，预测了 矿井涌水量。依此为依据，采取了水文地质补勘、施工直通泄水孔、井下探放水、地面注浆等工 程措施和井下工作面排水系统的建设等措施，实现了安全回采。 关 键 词神东矿区；薄基岩；厚松散层；浅埋深 中图分类号TD741；P641.4 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.04.018 Water disaster control in overlying thick loose layer on bedrock in Shendong coal mining area FANG Jie1，2，3， LI Quansheng2，3， DU Wenfeng1， CAO Zhiguo2，3 （1. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining， China University of Mining and Technology（Beijing）， Beijing 100083， China； 2. Science and Technology Development Department， Shenhua Group Corporation Limited， Beijing 100011， China； 3. State Key Laboratory of Water Resource Protection and Utilization in Coal Mining， Beijing 100011， China） Abstract Shallow burial depth， thin overlying bedrock and thick loose aquifer are the basic geological character- istics of Shendong mining area. During stoping， especially after breaking of the first main roof， water and sand in- rush is easy to happen. In order to realize safe stoping， this paper took the cutting area of working face 12207 in Shangwan coal mine as the experiment object， researched the height of caving zone and water conducting fractures， the height of water/quicksand-proof coal/rock pillars， and predicted the mine inflow. Accordingly， several measures were taken including hydrogeological supplementary investigating， construction of direct water drainage holes， underground water detection and drainage as well as surface grouting to guarantee the safe stoping. Key words Shendong coal area； thin bedrock； thick loose layer； shallow burial depth 神东煤炭集团现有矿井 19 个， 地跨陕西、 内蒙、 山西三省区，井田总面积 1 372.6 km2，截止 2012 年底保有资源储量 193.3 亿 t，可采储量 114.5 亿 t， 生产能力 2.4 亿 t/a。其中黄玉川、保德和上榆泉矿 开采石炭-二叠系煤层，上湾、大柳塔、补连塔、锦 界煤矿等矿井开采侏罗系煤层。 神东矿区大部分矿井煤层埋藏浅、顶板基岩 薄、松散含水层厚［1-3］。开采工作面上部为古冲积 河道的洼地时，煤层顶部基岩受到冲蚀，基岩厚 度变薄，基岩顶部覆盖的松散层又较厚。当基岩 厚度小于采动裂隙发育高度，裂隙沟通基岩上部 含水松散层，极易发生工作面溃水溃沙［4］。如上 湾矿 22 煤辅运一中巷煤层顶板基岩厚度 3 m，松 散覆盖层为萨拉乌苏组，厚度 58 m。石圪台矿 12304 辅运顺槽顶板基岩厚 3～5 m， 松散层厚 40 m。 这些矿井在开采过程中，溃水溃沙事故时有发生， 受该类水害威胁较为严重的矿井主要是石圪台、 哈拉沟、上湾、乌兰木伦等矿，回采过程中冒裂 带导通该含水层，出现较大涌水，个别地段有可 能发生溃水溃沙事故。 ChaoXing 第 4 期 方杰等 神东矿区浅埋深薄基岩上覆厚松散层水害治理 95 1 研究实例 神东矿区上湾煤矿 12207 工作面是典型的厚煤 层、浅埋深、薄基岩、厚松散层含水层工作面。该工 作面长 286.9 m，宽 290.15 m，设计采高 4.5 m，回采 煤量 51.7 万 t。 工作面所采煤层是侏罗系延安组 1-2煤 层，煤厚 4.2～6.09 m，属于厚煤层。工作面上覆基岩 较薄，最薄的切眼区基岩厚度 21.8～37.2 m，整体上由 里向外、由运顺向回顺逐渐增厚，工作面上覆松散含 水层平均厚 27.5 m。 工作面设计采高 4.5 m，通过计算，导水裂隙带 高度 36.07～47.27 m，大于切眼段上覆基岩最小厚度 21.8 m，回采过程中有溃水溃沙的危险（图 1）。对工 作面切眼区域的涌水量进行预测，该区域正常涌水 量 128 m3/h，最大涌水量 503 m3/h。 图 1 浅埋深、薄基岩、厚松散层溃水溃沙原理图 Fig.1 Schematic diagram of water and sand inrush in shallow thick loose layer on thin bedrocks 1.1 冒落带和导水裂隙高度计算 根据三下采煤规程［5］，上湾煤矿 1-2煤上覆基岩 为中硬岩石，冒落带和导水裂隙带高度经验公式为 冒落带高度 Hm 100 4.719 M M ∑ ∑ 2.2 （1） 导水裂隙带高度 Hl 100 1.63.6 M M ∑ ∑ 5.6 （2） 式中 M ∑ 为累计采厚，m。 1.2 防水、防沙煤岩柱高度 计算防水、防沙煤岩柱高度的经验公式为［6-7］ H水HliHb1Hf H沙HmHb2 式中 Hli为导水裂隙高度，m；Hb1为防水煤岩柱保 护层厚度，取 6A；Hb2为防沙煤岩柱保护层厚度， 取 2A；Hf为风化层厚度，取 3 m。 A M n ∑ （3） 式中 n 为分层开采数。 冒落带、导水裂隙带高度，防水、防沙煤岩柱 高度计算结果见表 1。 根据计算结果，12207 工作面切眼段处在防水、 防沙煤岩柱线以内，工作面采动后，上方含水层内 的水会通过导水裂隙进入工作面。在地下水未疏干 前，亦可能有流沙溃入井下。 表 1 冒落带、导水裂隙带、防水、防沙煤岩柱高度计算结果 Table 1 Calculation results of the height of caving zone，water flowing fractured zone， coal/rock pillars for water/sand prevention 累计采厚/m 冒落带高度/m 导水裂隙带高度/m 防沙安全煤岩柱高度/m 防水安全煤岩柱高度/m 4.2 8.64～13.04 35.10～46.30 17.04～21.44 70.30～81.50 4.4 8.89～13.29 35.75～46.95 17.69～22.09 72.15～83.35 4.6 9.12～13.52 36.37～47.57 18.32～22.72 73.97～85.17 5.0 9.56～13.96 37.50～48.70 19.56～23.96 78.52～89.72 1.3 开采薄基岩厚松散层区域涌水量预测 12207 工作面薄基岩、厚松散区段位于切眼位 置，从切眼回采开始，工作面涌水主要由含水层静 储量和采动影响区域的补给量两部分组成［8-10］。第 一部分静储量水即冒裂带影响范围内的含水层与周 边含水层被导水裂隙断开后内部释放出来的水，这 部分水与原来的含水层脱离，不再接受侧向补给， 按照含水层在一定时间内给水能力进行预计，该部 分水量的计算公式为 LBM Q t μ 静 （4） 式中 M 为含水层厚度，m；L 为工作面采宽，m；B 为含水层垮落区宽度，m；μ 为含水层给水度；t 为 最终完成溃水时间，h。 第二部分为采动影响区域的补给水，即工作面 顶板垮落后，冒裂带外围含水层未受开采影响，外 围含水层继续接受周边补给，补给水沿着冒裂带涌 入工作面，这部分水属于动态水［11-12］。由此，分析 12207 工作面初次来压动态补给边界为黑炭沟松散 层水，需要计算初次垮落后的动态水补给量，采用 集水廊道法潜水完整井一侧进水公式计算，该部分 水量的计算公式为 ChaoXing 96 煤田地质与勘探 第 44 卷 22 2 Hh QLK R - 动 （5） 式中 Q动为动态涌水量，m3/d；K为含水层渗透系 数 m/d；H 为水头高度，m；h 为巷道内静止水位高 度，m；R 为巷道至补给边界的距离，m；L 为水平 巷道长度，m。 将两部分水量相加，即可得出工作面水量计算 公式 22 2 HhLBM QLK Rt μ- 沟 （6） 根据上湾煤矿地质资料并结合采矿参数，确定计 算工作面涌水量相关的计算参数如下按区内注浆钻 孔揭露的松散含水层最大厚度取值 20 m； 渗透系数取 0.75 m/d；12207 工作面采宽 290.2 m，顶板初次垮落 距离 8.7 m。水头高度 44 m，h 取 0，巷道至补给边界 的距离 151 m。结合上湾煤矿已采取注浆加固措施， 必然导致煤层上覆砂层含水层给水度减小，故松散含 水层给水度取 0.08， 基岩风化带含水层给水度取 0.05， 地下水渗流时间和最终完成溃水时间均取 12 h。 根据以上计算，上湾矿 12207 工作面切眼薄基 岩、厚松散层区域最大涌水量预测为 503 m3/h，正 常涌水量为 128 m3/h。 2 水害防治措施 2.1 水文地质补勘及施工直通式泄水孔 工作面回采之前，为进一步查明 12207 工作面 地面切眼区域的水文地质条件，设计施工各类钻孔 4 个，钻探总进尺 204.31 m。其中抽水井 2 个，孔 径φ 400 mm，进尺 94 m，下φ 219 实（花）管 89.7 m； 直通式泄水（强排）孔 2 个， 孔内沙层和风化岩段下 φ 377 mm 筛管， 正常基岩段下孔径φ 311 mm 实管， 最后全孔下φ 219 mm 排水钢管。 然后同井下巷道贯 通，观测泄水量，疏降含水层水位；最后在工作面 开始推进时与井下排水管联结，作为强排孔使用。 表 2 上湾煤矿 12207 工作面地表钻孔钻探成果表 Table 2 Surface drilling data of coal mining face 12207 in Shangwan coal mine 钻孔 名称 孔径 /mm 钻探进尺 /m 松散层 厚度/m 下管情况 Swk1 42.86 29.0 Swk2 400 51.14 42.0 φ219实（花管） 89.7 m 直通孔1 530 64.39 直通孔2 530 45.92 φ 377花/ φ 311实 / φ 219实管 2.2 井下探放水工程 为防止地面松散含水层中的水集中涌入工作 面，尤其是在第一次老顶断裂后，需要提前疏放松 散含水层中的动储量水， 所以在工作面上部薄基岩、 厚松散层位置施工了井下探放水工程［13-14］。探放水 钻孔主要集中在工作面切眼及周边区域，累计施工 泄水孔 126 个，孔径φ75 mm，进尺 3 942 m。为防 止松散层底部砾石层堵孔，对部分钻孔实施捅孔， 总计捅孔 16 孔次，进尺 419.6 m。井下涌水量观测 66 次。从开始施工探放水钻孔至工作面开始回采， 工作面累计泄水量为 81 万 m3。 2.3 地面注浆 为防止工作面回采过程中发生溃沙， 由神华地勘 公司对 12207 面切眼段基岩厚度小于 30 m 的范围进 行了注浆加固， 共施工注浆孔 298 个， 注浆孔孔间距 6 m，呈正三角形布置，其中切眼上部加密 41 孔。注 浆孔的终注压力均按设计要求达到 4.0～4.5 MPa，共 注入水泥浆 2 574.75 m3，其中水泥 1 935.90 t。 在注浆区内共施工了 6 个注浆效果检查孔，4 个孔在沙层中能看到明显的水泥充填现象；在注浆 区外，距最近的注浆孔 15.6 m 处检查孔可见水泥充 填现象。同时发现，受沙层内砂粒度和充填物密实 程度在不同方向上的差异性影响，注浆扩散半径具 有方向差异性。总体上看，注浆区内部水泥浆液扩 散分布全面，注浆大部分地段均被注实，完全可以 起到弱固结沙层、降低松散层含水性、降低松散层 流动性、防止松散层溃沙的作用。 2.4 井下排水系统建设 根据工作面涌水量预测成果，工作面最大涌水 量为 503 m3/h。在工作面内部配置 4 台排水能力为 68 m3/h 的 37 kW 潜水泵， 排水管路沿着工作面煤机 电缆槽铺设；在机头、机尾各配置 4 台相同型号潜 水泵。另外在切眼区域机头、机尾配置 110 kW 水 泵 2 台，160 kW 泵车 2 台，修建容积 500 m3的中 转水仓 2 个。 12207 工作面及两顺槽总排水能力为 980 m3/h， 符合工作面涌水量预计要求。 3 效果评价 在施工直通式泄水孔时发生过少量漏沙，地表 出现大坑。通过采取措施，在工作面回采期间，无 漏沙现象，矿井涌水量小于预测正常水量，整个回 采时间段内无溃水溃沙现象。 4 结 论 神东矿区煤层赋存埋藏浅， 上覆基岩厚度较薄， 局部地区存在厚松散层的特点，当三者条件同时存 ChaoXing 第 4 期 方杰等 神东矿区浅埋深薄基岩上覆厚松散层水害治理 97 在时对煤炭安全回采存在重大威胁。神东公司上湾 12207 工作面切眼区属典型的薄基岩厚松散含水层 地段，在回采前通过工作面对冒落带和导水裂隙高 度、防水、防砂煤岩柱高度的研究，合理预测了矿 井涌水量，在此基础上采取了水文地质补勘、施工 直通泄水孔、井下探放水、地面注浆和排水系统的 建设，实现安全回采。 参考文献 ［1］ 王连国，王占盛，黄继辉，等. 薄基岩厚风积沙浅埋煤层导水 裂隙带高度预计［J］. 采矿与安全工程学报，2012，29（5） 607-612. WANG lianguo， WANG Zhansheng， HUANG Jihui， et al. Pre- diction of the height of water-flowing fractured zone for shallow seam covered with thin bedrock and thick windblown sands［J］. Journal of Mining Safety Engineering， 2012， 29（5） 607-612. ［2］ 王生全，牛建立，刘洋，等. 锦界煤矿水文地质特征与矿井充 水危险性预测［J］. 煤田地质与勘探，2014，42（6）55-58. WANG Shengquan， NIU Jianli， LIU Yang， et al. Prediction of hydro-geological characteristics and water filling risk in Jinjie mine［J］. Coal Geology Exploration，2014，42（6）55-58. ［3］ 李坤，曾一凡，尚彦军，等. 基于 GIS 的“三图-双预测法” 的应用［J］. 煤田地质与勘探，2015，43（2）58-62. LI Kun， ZENG Yifan， SHANG Yanjun， et al. The application of “three maps-two predictions” based on GIS［J］. Coal Geology Exploration，2015，43（2）58-62. ［4］ 尹尚先，张祥维，徐慧，等. “大井法”中渗透系数及含水层 厚度的优化［J］. 煤田地质与勘探，2015，43（5）53-56. YIN Shangxian， ZHANG Xiangwei， XU Hui， et al. Optimization of permeability coefficient and aquifer thickness in large-well-［J］. Coal Geology Exploration，2015，43（5）53-56. ［5］ 国家煤炭工业局. 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设与 压煤开采规程［M］. 北京煤炭工业出版社，2000. ［6］ 武强，赵苏启，董书宁，等. 煤矿防治水手册［M］. 北京煤 炭工业出版社，2013. ［7］ 房佩贤，廖资生. 专门水文地质学［M］. 北京煤炭工业出版 社，1996. ［8］ 李先贵， 李凯. 采掘工作面安全水压计算方法探讨［J］. 煤田地 质与勘探，2014，42（1）61-63. LI Xiangui， LI Kai. Discussion on the calculation of safe water pressure in tunnelling face［J］. Coal Geology Exploration， 2014，42（1）61-63. ［9］ 朱明诚. 动水大通道突水钻孔控制注浆高效封堵关键技术及 装备［J］. 煤田地质与勘探，2015，43（4）55-58. ZHU Mingcheng. Key technology and equipment of bore- hole-controlled grouting for highly effective plugging large channel of water inrush［J］. Coal Geology Exploration，2015， 43（4）55-58. ［10］ 高保彬，刘云鹏，潘家宇，等. 水体下采煤中导水裂隙带高度 的探测与分析［J］. 岩石力学与工程学报，2014，33（1） 3384-3390. GAO Baobin，LIU Yunpeng， PAN Jiayu， et al. Detection and analysis of height of water flowing fractured zone in underwater mining［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2014，33（1）3384-3390. ［11］ 张辉，朱术云，李秀晗，等. 综放开采覆岩导水裂隙带高度研 究［J］. 工矿自动化，2015，41（1）10-14. ZHANG hui， ZHU Shuyun， LI Xiuhan， et al. Research of height of water flowing fractured zone of overburden strata in fully-mechanized top-caol caving［J］. Industry and Mine Automa- tion，2015，41（1）10-14. ［12］ 许延春， 李江华， 刘白宙. 焦作矿区煤层底板注浆加固工作面 突水原因与防治［J］. 煤田地质与勘探，2014，42（4）50-54. XU Yanchun，LI Jianghua，LIU Baizhou. Reinforcement of working face by grouting in floor in Jiaozuo coal mining area［J］. Coal Geology Exploration，2014，42（4）50-54. ［13］ 胡晓娟， 李文平， 曹丁涛. 综采导水断裂带多因素影响指标研 究与高度预计［J］. 煤炭学报，2012，37（4）613-620. HU Xiaojuan， LI Wenping， CAO Dingtao. Index of multiple fac- tors and expected height of fully mechanized water flowing frac- tured zone［J］. Journal of China Coal Society，2012，37（4） 613-620. ［14］ 许家林， 朱卫兵， 王晓振. 基于关键层位置的导水裂隙带高度 预计方法［J］. 煤炭学报，2012，37（5）762-769. XU jialin，ZHU Weibing，WANG Xiaozhen. New to predict the height of fractured water-conductingzone by location of key strata［J］. Journal of China Coal Society，2012，37（5） 762-769. （责任编辑 张宏） ChaoXing