承压工作面带压开采防治水技术.pdf

收稿日期 2011- 04- 20 作者简介 李昌鸿 1967, 男, 河南汝州人, 助理工程师, 1987年 毕业于郑州煤炭工业学校, 现从事煤矿安全生产监督管理工作。 承压工作面带压开采防治水技术 李昌鸿 1, 谢庆华2 1. 汝州市安全生产监督管理局, 河南 汝州467500; 2 . 平顶山市瑞平煤电有限公司 张村矿, 河南 汝州 467500 摘要 张村井田二111091综采面承受的最大水压为 065MPa , 单孔最大涌水量 42m3/h, 为保证此采面回采 安全, 回采前通过物探、 钻探等相应防治水工程查明工作面水文地质状况, 并在此基础上对采面进行安全可 行性分析评估, 通过在回采过程中采取相应的安全技术措施, 保证了采面安全回采。 关键词 采面; 带压开采; 防治水 中图分类号 TD745 . 21 文献标识码 B 文章编号 1003- 0506 2011 06- 0030- 04 平顶山市瑞平煤电有限公司张村矿位于河南省 汝州市朝川矿区中部, 面积约 99 km 2。矿井设计 生产能力 115万 t/a , 主采二叠系山西组二1煤层, 开 采标高为 0 - 600 m。矿井开拓方式为斜井单水 平上下山开拓, 主、 副井为 1对斜井, 风井为立井, 通 风方式为中央并列抽出式通风, 采煤方法为走向长 壁采煤法。该矿二111091综采面位于二煤首采区 东翼, 西邻二1煤轨道上山, 东至 L17勘探线东 300 m; 其上阶段为二1 11070综采工作面; 其下阶段为 二1 11111综采工作面, 对应地表为农田及丘陵, 工 作面标高 - 305 - 228 m, 地面标高 234 251 m, 采面走向长 633 m, 倾斜长 140 m, 可采储量 29 万 ,t 该采面承受最大水压为 065MPa , 属带压回采 工作面。 1 矿区地质及水文地质 11 矿区地质 张村井田处于华北地台渑池 确山陷褶断束汝 州向斜南翼的朝川向斜之仰起端的中央部位, 井田 整体为一近东西向展布向西倾伏的不完整的向斜 竹园向斜 构造形态, 向斜轴向近东西, 南翼地层 走向近 EW, 倾角西陡 30 左右 东缓 20 左右 , 近 轴部东部地段地层走向呈 NEE, 地层倾角变缓为 15 左右。井田内揭露地层有寒武系崮山组, 石炭系 本溪组、 太原组, 二叠系山西组、 下石盒子组、 上石盒 子组、 石千峰组, 第四系。其中, 上石炭统太原组, 下 二叠统山西组、 下石盒子组, 上二叠统上石盒子组为 含煤地层。 12 水文地质 1含水层。矿区主要有寒武系灰岩、 白云质灰 岩岩溶裂隙含水层、 太原组灰岩岩溶裂隙含水层、 二1 煤顶部砂岩孔隙裂隙含水层、 四煤组顶部砂岩孔隙裂 隙含水层、 五煤组顶部砂岩孔隙裂隙含水层、 平顶山 砂岩孔隙裂隙含水层、 二叠系石千峰组砂岩孔隙裂隙 含水层及第四系砂砾石孔隙裂隙含水层组。 2隔水层。 太原组底部铝质泥岩隔水层。 位于寒武系与太原组灰岩之间的铝质泥岩及泥岩, 岩性稳定, 厚度差异很大, 井田内厚 117 1165 m, 平均厚 650 m, 主要是沉积前地形凹凸不平所 致, 没有明显的增厚与减薄分布规律。钻探资料显 示, 区内铝质泥岩隔水层厚约 4 m。 太原组顶部 隔水层。太原组灰岩顶部至二1煤层底板之间赋存 山西组底部的泥岩、 砂质泥岩及粉砂岩沉积不稳定, 厚度变化大, 在 050 1727 m, 平均厚 837 m。抗 拉强度 044 177 MPa , 隔水层厚度不大, 煤层开 采后压力失衡容易造成底鼓现象发生。 3补给、 径流和排泄条件。朝川矿区岩溶水 是一个相对独立的水文地质单元, 有独立的补给、 径 流和排泄条件, 张村井田、 朝川井田同属此单元。张 村井田靠近西南部寒武系灰岩露头的补给区, 在岩 溶水系统的补给 径流带上, 朝川井田远离西部的 补给区, 在岩溶水系统的径流 排泄区, 朝川矿开采 较早, 在开采过程中曾多次发生底板突水事故。矿 区岩溶水的补给来源主要为 大气降水在矿区西 南部条带状灰岩露头区入渗补给。石炭 寒武系灰 岩在矿区西南部呈条带状裸露于地表, 其中中上寒 武统白云岩含水层裸露带出露面积为 15 k m 2。 朝川水库以及朝川河上游地表水的渗漏补给。 第 4勘探线灰岩 天窗附近, 第四系孔隙水下渗补给 30 2011年第 6期 中州煤炭 总第 186期 岩溶水。 2 采面地质及采面水文地质 21 采面地质 采面总体为一向北倾斜 25的单斜构造, 煤层 厚 16 92m, 平均厚 38 m。煤层倾角平均 25 。 煤层顶板为中粒砂岩, 厚 12 m; 直接底为砂质泥岩, 厚约 4m。采面运输巷、 回风巷共揭露 4条断层, 落 差 16 100m。断层如图 1所示。 图 1 二111091采面断层平面示意 22 采面水文地质 1顶板砂岩水。采面直接充水含水层水源为 顶板砂岩裂隙水, 该含水层充水空间不发育, 以裂隙 水为主, 回采中顶板冒落裂隙带范围内厚约 14 m, 充水方式以初采初放期间的顶板垮落淋水为主, 由 于补给量有限, 以消耗静储量为主, 易于疏干, 基本 对采面没什么影响。 2底板灰岩水。 太原组灰岩岩溶含水层。 太原组灰岩岩溶裂隙含水层为开采二1煤底板直接 充水含水层, 其中最主要的含水层为 L7灰岩, 该层 灰岩厚 6 10 m, 从回采至今可以认定为该井田范 围内底板主要含水层, 从二1 11091运输巷施工的钻 孔情况看, 二1煤底板距太原组灰岩顶界面的距离 在 10 30 m之间, 目前采面 260m处单孔最大涌水 量为 42 m 3 /h , 最大水压值为 065MPa。 寒武系 灰岩岩溶含水层。该含水层厚度大, 距离二1煤层 平均 45 m, 是二1煤层间接充水含水层。矿井地质 报告资料表明 寒武系白云质灰岩岩溶发育标高在 24726 - 41521 m。为了查明张村井田范围内 寒武系灰岩赋水、 岩溶发育状况, 在矿井西翼物探低 阻异常区域 - 113 - 145m 水平标高 1 000m 范围 内施工 3个钻孔, 均进入寒灰 30m以上, 基本没水, 水位标高约 - 160m。在物探低阻异常区域 - 250m 水平标高 600 m范围内施工 8个钻孔, 均进入寒灰 45 m以上, 最大水压 05MPa , 单孔最大涌水量小于 3m 3 /h 。在物探低阻异常区域 - 200 - 306 m 水 平标高 1 350m 范围内施工 23个钻孔, 均进入寒灰 30m以上, 最大水压 31MPa , 单孔最大涌水量小于 3m 3 /h。矿井东翼物探低阻异常区域 - 260 - 306 m水平标高 780m 走向范围内施工 16个钻孔, 均进 入寒灰 25m 以上, 最大水压 065MPa , 单孔最大涌 水量小于 3 m 3 /h 。 断层水。二111091采面切眼 巷道工程及运输巷钻探工程揭露 F59正断层, 切眼处 此断层特性为煤层缺失, 煤层底板砂质泥岩厚约 2 m, 直接与 L7灰方解石对接, 但无水。运输巷掘进 过程中施工超前钻孔钻进 21 m 遇此断层, 也无水, 后停止掘进后由工作面向底板及垂直上帮施工 2个 钻孔 表 1。 表 1 钻孔参数 位置层位 钻孔倾 角 / 孔深 / m 水压 / MPa 水位 / m 水量 / m3h- 1 备注 运输巷 650 m 上帮 c 34700 50 - 235150封孔 运输巷 650 m 底板 c 35700 55 - 23505封孔 鉴于 F59断层落差较大, 依据断层防水煤柱留设 要求, 切眼后退 20m, 运输巷后退 35m 补运输巷而 圈定刀把采面。 3 回采期间涌水量预测 根据水文地质比拟法进行涌水量预测。涌水量 计算公式为 Q KpP Q0 P0P 754m 3 /h 式中, Q 为设计工作面矿井涌水量, m 3 /h ; Q0为已知 工作面矿井涌水量, m 3 /h ; P0为已知工作面面积, m 2; P 为设计工作面疏干面积, m2。 这种方法选取水文地质条件较为接近的相邻工 作面实际涌水量来进行比拟, 计算设计工作面的涌 水量。已知工作面矿井涌水量取原二111081采面 正常涌水量 60m 3 /h , 已采工作面面积 7万 m 2, 设计 工作面疏干面积 88万 m 2。 根据以上计算, 二111091采面的正常涌水量取 值 754 m 3 /h , 最大涌水量与正常涌水量之间的比 值系数取 2 。因此, 二1 11091工作面最大涌水量 151 m 3 /h 。 4 直流电法及瞬变电磁探测 41 直流电法勘察结果及结论 31 2011年第 6期 李昌鸿等承压工作面带压开采防治水技术 总第 186期 根据张村矿直流电法勘探结果, 在该采面运输 巷 80 90 m、 250 270 m、 340 360 m、 510 m、 570 610 m存在低阻异常段。从勘探结果看, 纵剖面 显示低阻段分散、 孤立、 连通性较差, 符合岩溶水特 点。 42 瞬变电磁法勘察结果及结论 平面上低阻区在工作面里段、 中段和外段均有 分布, 较为零散, 范围均不太大, 底板岩层富水区横 向分布孤立, 连通性一般或较差。纵深方向大多低 阻区顶界面距离煤层底板不足 20 m。综合勘探区 域视电阻率值均大于 2 m 的结果分析, 说明勘探 范围内岩层赋水性整体不强或偏弱。 43 钻探验证情况 为查明工作面水文地质状况, 张村矿根据物探 资料, 分别在二111091运输巷 650 , 590 , 510 , 410 , 350 , 270 , 260 , 250 , 90 m 处及补运输巷 40 , 120 m设 计 16个钻孔。钻探结果显示 物探低阻异常段涌水 量较大, 最大涌水量 40 m 3 /h, 而物探正常段涌水量 较小, 涌水量 05 30m 3 /h 。 5 工作面综合勘探结果及结论 1该采面煤层底板富水区较为分散, 不集中, 富水区在纵深方向局部有一定的连通性, 但横向上 不通或连通性较差。 2根据物探低阻异常区界定了钻探出水范 围, 在 11 30 m之间, 出水层位主要在太原组灰岩。 3该采面煤层底板石炭系 L7灰岩富水性较 强, 但寒灰富水性有限。 6 采面开采安全评价 根据充水因素分析, 二1 11091采面水害主要是 太灰水, - 300 m 水平以浅太灰与寒灰水力联系较 差。但从生产安全角度考虑, 安全评价也应把寒灰 考虑在内。 61 底板太灰水 从运输巷施工的各验证钻孔情况看, 二1煤底 板距太灰的顶界面最小距离为 10m, 二1煤底板距 太灰出水点的最小距离为 13 m 在 260 m 钻场附 近 , 最大距离为 30m 在 590 m钻场附近 , 按照底 板开采破坏深度 17 m, 太灰含水层 L7灰水基本都 在采动破坏范围内, 因此太灰水存在突水可能。 尽管采面太灰水基本处于采动破坏范围之内, 但从目前钻探资料分析, 也只有在采面 220 300 m 范围内底板富水性较强, 水源比较充沛。采面其余 段尽管有水压, 但水量较小, 尽管回采后采动对底板 产生破坏, 导致底板出现破坏带, 采面也不会发生大 规模的突水事故。二111091采面补运输巷 160 m 区域的安全回采, 可以证明无充沛水源的采面不会 出现大的涌水。但太灰含水层由于处于采动破坏带 内, 在运输巷 200 300 m范围内会发生突水事故。 62 底板寒灰水 钻探资料表明 寒武系含水层顶界面在开采范 围内隔水层厚度 40 45m 之间, 该地区当前寒灰水 压最高值 065 MPa , 运输巷寒岩水涌水量小于 3 m 3 /h 。下面就运输巷钻场的地层和隔水层厚度情 况针对寒灰水进行突水危险性分析。 在运输巷物探低阻异常区布置 10个钻场。钻 场位置分别位于 590 , 510, 410 , 350 , 270, 260 , 250 , 90 m处补运输巷 40 , 120m。由于补运输巷以里 160 m 范围已回采, 所以不对其进行突水性分析。 621 运输巷 590 m钻场 此钻场施工钻孔 1个, 钻孔深度 73 m, 太灰 30 33 m 处出水, 水量 4 m 3 /h, 压力 065 MPa , 钻孔 进入寒灰 24m, 太原组隔水层厚度 49 m, 钻孔终孔 寒武系地层没有涌水。 利用公式 T P / M, 计算突 水系数为 0013 MPa/m。其中,M 为底板隔水层厚度, 取钻探实测数 据, 49 m; P 为二1 11091采面承压的寒灰水压, 取 065MPa 。 利用该公式, 根据临界突水系数 按 煤矿防治 水规定规定, 006MPa反算底板承受寒灰水承压 值 PfM 006 294MPa 。 经计算, 此钻场附近底板突水系数小于 006 MPa/m, 突水危险性相对较小; 按照临界突水系数反 算底板隔水层承受水压 294MPa , 大于目前采面运 输巷最大水压 065MPa 。 622 运输巷 510 m钻场 此钻场施工钻孔 2个, 钻孔资料显示 水量 1 m 3 /h , 压力 06MPa , 钻孔进入寒灰 33 m, 太原组隔 水层厚 40 m。计算得, 突水系数为 0015 MPa/m, 小于 006MPa/m, 突水危险性相对较小; 由临界突 水系数反算底板承压值 Pf M 006 24MPa , 大 于目前采面运输巷最大水压 065MPa 。 623 运输巷 410 m钻场 此钻场施工 1个钻孔, 钻孔资料显示 水量 1 m 3 /h , 压力 055MPa, 钻孔进入寒灰 25 m, 太原组 32 2011年第 6期 中州煤炭 总第 186期 隔水层厚 44m。计算得突水系数 0013MPa/m, 小 于 006MPa/m, 突水危险性相对较小; 由临界突水 系数反算底板承压值 PfM 006 264MPa , 大 于目前采面运输巷最大水压 065MPa 。 624 运输巷 350m 钻场 此钻场施工钻孔 2个, 钻孔资料显示 水量 05 m 3 /h, 水压 05MPa , 钻孔进入寒灰 28 m, 太原组隔 水层厚 40m。经计算, 突水系数为 0012 5MPa/m, 小于 006MPa/m, 突水危险性相对较小; 由临界突 水系数反算底板承压值 PfM 006 24MPa , 大 于目前采面运输巷最大水压 065MPa 。 625 运输巷 270 , 260 , 250 m钻场 这 3处钻场距离较近, 故作为 1个区域计算, 共 施工 5个钻孔 单孔太灰最大水量 42 m 3 /h , 水压 055MPa , 寒灰没水, 钻孔进入寒灰 29 m, 太原组隔 水层厚 40m。计算突水系数为 0013MPa/m, 小于 006MPa/m, 突水危险性相对较小; 由临界突水系 数反算底板承压值 PfM 006 24MPa , 大于目 前采面运输巷最大水压 065MPa 。 626 运输巷 90m 钻场 此钻场施工钻孔 2个, 钻孔资料显示 水量 11 m 3 /h, 水压 037 MPa , 钻孔进入寒灰 28 m, 太原组 隔水层厚度为 40 m。经计算, 突水系数为 0009 MPa/m, 小于 006MPa/m, 突水危险性相对较小; 由 临界突水系数反算底板承压值 Pf M 006 24 MPa , 大于目前采面运输巷最大水压 065MPa 。 综合以上计算分析, 寒灰不论是突水系数还是 底板承压值, 都远远达不到突水指标, 回采过程中寒 灰不会发生突水事故。 7 回采期间防治水工程 71 排水工程 二1 11091运输巷里目前布置 3个环形水仓, 分 别位于运输巷 480, 220 , 90 m 处。 480 m 环形水仓 目前配备 125D25 6型水泵和 QBS 100 100型、 BQS1208055型潜水泵共 3台, 3趟 159 mm 排水 管路。经现场测定, 排水能力在 350m 3 /h左右。 运输巷 220m 处环形水仓长度 30m, 安装两台 BQS1208055型潜水泵。运输巷 90 m 环形水仓现 安装 2台流量 BQW10060水泵, 配备 110 mm 排 水管路 2趟, 专门为 90 m 钻场排水服务, 其排水直 接排至 - 250m单轨巷水沟。 该采面运输巷排水系统采用双电源供电, 并且 有 1趟电源为主专用电源, 水泵电机分接并连接到 2趟电源上, 确保排水供电安全。 从运输巷剖面上看, 从切眼到环形水仓, 全是下 坡, 此段回采前胶带下面底板挖设水沟, 敷设玻璃钢 水槽直至水仓, 引水源自流至 480m 环形水仓。 由于采面坡度较大且煤层较厚、 煤质松软, 为了 确保采面出水后环形水仓不被煤泥淤埋, 要求由采 面转载机头处向后至环形水仓这段距离, 在胶带下 部每隔 50m用编织袋装黄泥或煤设堰, 并在水仓口 胶带下部设沉淀池, 阻隔煤泥并沉淀, 不使煤水混合 体流入水仓, 影响排水。 72F59正断层探测工程 对于采面较大断层 F59正断层, 按防水煤柱要求 留设足够的煤柱, 另外在运输巷 即 j17导线点 附近 垂直下帮布设 8个钻孔对 F59断层进行钻探控制 主 要探查此段断层的位置, 导水性及回采过程中是否 对运输巷造成影响 , 钻孔深度平面距离 30 m 无异 常, 后注浆封堵。 73 二111091下部掘进面疏放水工程 1 - 353 m 临时排水系统工程。该系统已完 善, 各向指标正常。 - 353 m 临时排水系统安装 3 台 MD28045 4水泵, 排水管路为 2趟 219 mm 钢管, 水泵单独连接到排水管路, 排水能力不低于 500 m 3 /h 。 2二煤东翼探水巷工程。目前已经施工 260 m, 施工疏水钻孔 1个, 水压为 095MPa , 疏放水量 16m 3 /h , 水位标高 - 247m, 现正在施工钻场, 以加 大疏放水量, 减小承压水对二1 11091采面的威胁。 3二111100运输巷疏放水工程。该巷已施 工 500 m, 已施工钻场 2个, 施工放水孔 1个, 水压 074MPa , 疏放水量 35 m 3 /h , 水位标高 - 243 m。 74 二111091采面封孔工程 在采面回采过程中, 为确保采面正常回采, 对已 施工的运输巷 410 m 以里 6个疏放水钻孔进行封 孔, 封孔质量较好, 没有漏水现象。 8 结论 1通过采取综合防治水措施, 二1 11091采面 自 2010年 4月回采, 已顺利推进 400余 m, 安全回 采原煤 20万 , t 未发生底板突水事故。 2正确探明采面水文地质状况, 制订科学的 防治水工程设计方案, 是保证采面安全回采的重要 前提。责任编辑 梁郁鑫 33 2011年第 6期 李昌鸿等承压工作面带压开采防治水技术 总第 186期