葛泉矿东井带压开采9# 煤综合防治水技术研究.pdf

葛泉矿东井带压开采 9煤综合防治水技术研究 李冲1,白峰青1,尹立星2,韩湘峰3,刘小娟1 1.河北工程大学 资源学院,河北 邯郸 056038; 2.冀中能源股份有限公司 葛泉矿,河北 邢台 054000;3.黑龙江省区域地质调查所,黑龙江 哈尔滨 150080 摘要 通过综合分析葛泉矿东井 9煤采区的地质、 水文地质条件,利用综合勘探技术对煤层底板进行异常区域探测,并对异常 区进行注浆封堵,同时注浆改造煤层底板岩层,从而切断了煤层底板下伏奥灰含水层与上覆含水层之间的水力联系,有效降低了奥灰 水对矿井生产的威胁,实现了下组煤的安全开采.总结出一套以煤层底板注浆改造为主体的综合防治水技术,对本区乃至全国类似条 件下下组煤开采具有重要的指导意义. 关键词 底板;注浆改造;防治水;技术 中图分类号 TD743文献标识码 A文章编号 1674- 5876 （2010 ） 03- 0046- 03 收稿日期 2010- 07- 22 通信作者 白峰青1963- ,男,河北青县人,教授,研究方向矿井防治水技术.E- mailbfq2004 矿业工程研究 Mineral Engineering Research 第 25 卷第 3 期 2010 年9 月 Vol.25 No.3 Sept.2010 矿井水害一直是华北岩溶矿区煤矿安全生产面 临的主要问题之一[1],特别是随着浅部煤层的开采殆尽, 下组煤资源的逐步解放, 下组煤开采受下部奥灰高承 压水的威胁更加严重,矿井防治水工作日益严峻.葛泉 矿东井目前主采 9煤,主要受到煤层底板本溪灰岩含 水层与奥陶系灰岩含水层的威胁, 根据钻孔观测资料 和水质资料,二者之间存在水力联系,通过简单的疏水 降压,不能降低煤层底板水的威胁,只有通过人工干预 的方式补强隔水层的阻水性能, 才能具备下组煤带压 开采的条件.因此,利用煤层底板注浆加固技术,结合综 合勘探手段,对葛泉矿 9煤煤层底板进行注浆改造和 裂隙封堵, 有效降低了煤层底板下伏奥灰水对矿井生 产的威胁,实现了工作面的安全开采.同时形成一套下 组煤带压开采的综合防治水技术, 对本区乃至全国类 似条件下下组煤开采具有重要的指导意义. 1矿井水文地质条件概况 葛泉矿东井位于葛泉井田东南部, 北以 F12-1断层 及 9煤露头线为界,南以 F13断层H30m为界,西以 F6, F12-1为界,东以 9煤层露头线为界,走向长约 2 200 m,倾 斜宽约 1 900 m,面积 3.8 km2.该区位于邯邢水文地质 中单元百泉泉域中部,为地下水主要径流带,区内主要 含水层包括新生界砂、 卵、 砾石孔隙含水层组,二叠系 砂岩裂隙含水层组, 石炭系薄层石灰岩及奥陶系石灰 岩岩溶裂隙含水层组. 本区 9煤赋存较浅,煤层厚度较大,平均倾角 13, 影响煤层开采的主要含水层为大青灰岩含水层、 本溪 灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层.大青灰岩为 8煤顶 板,一般厚 45 m,岩溶裂隙较为发育,局部充填方解石 脉,单位涌水量 0.183 L/s m,渗透系数 3.086 m/d,富水 性中等.本溪灰岩厚度平均 9 m,蜂窝状溶洞和裂隙发 育,钻孔涌水量大部分大于 100 m3/h,富水性不均一,局 部富水性较强. 奥灰含水层与上覆本溪组地层呈假整 合接触,富水性极强,裂隙十分发育,奥灰顶面距 9煤 底板 3855 m,是开采 9煤的主要威胁. 2综合防治水技术 2.1技术路线 综合分析葛泉矿东井地质、 水文地质条件,大青灰 岩含水层裂隙较发育,可疏性强,目前大青灰岩含水层 46 水位已经疏放至工作面最低标高以下, 对工作面回采 影响不大.本溪灰岩富水性中等且连通性好,垂向导升 裂隙发育,极易对井巷工程充水,且根据井下钻孔水位 观测资料和水质化验资料, 部分钻孔本溪灰岩水质已 呈奥灰水质特征,说明二者存在水力联系,由于奥陶系 灰岩高承压含水层富水性极强, 从而成为矿井煤层开 采的主要威胁.根据突水系数计算,采区内大部分区域 的突水系数超过 0.1, 超出煤矿防治水规定临界值,在 不采取相应的矿井防治水措施的前提下, 不具备带压 开采条件. 目前,煤矿矿井防治水主要包括疏水降压[2]、 底板 注浆加固[3,4]、 充填保水开采[5]等手段,由于葛泉矿奥陶 系灰岩含水层富水性极强,疏水降压的可能性不大,若 采取充填开采的方法,底板导水裂隙仍然存在,亦不能 切断奥灰水的补给.因此,只能利用底板注浆加固技术, 结合综合勘探手段,对煤层底板进行全面注浆改造,增 强其阻水性能,切断奥灰水的补给通道,从而降低奥陶 系灰岩含水层对本区 9煤开采的威胁,保证工作面的 安全回采,具体技术路线如图 1 所示. 2.2综合勘探技术 采用井上、 下结合全方位、 多层次的勘探手段,确定 了井下为主,地面为辅,物探为主,钻探验证的技术思路. 物探方法[6]的选择主要考虑对 “探查体识别与定位” 的 “敏感性” 地面进行三维地震和瞬变电磁勘探断层及 底板富水性;井下采用直流电法、 坑透等探测掘进头前方 富水构造、 工作面底板隔水层富水区及煤层构造等. 钻探钻孔尽量考虑一孔多用探查孔、 试验孔兼做 注浆孔;后期补充注浆孔兼做前期注浆效果验证孔. 2.3煤层底板注浆改造技术 底板注浆改造技术主要是通过注浆技术, 全面改 造本溪灰岩含水层,补强其阻水性能,封堵底板垂向导 水裂隙和构造,切断奥灰水的突水通道,从而防止煤层 底板突水,如图 2 所示. 2.3.1工程布置 1注浆目的层考虑煤层底板采动破坏深度,注浆 加固的目的层为煤层底板下 10 m 至本溪灰岩底板下 25 m的含导水构造. 2布孔原则1采用浆液扩散半径为 20 m,注浆加 固范围内钻孔终孔间距在 40 m以下;2钻孔裸孔段应 尽可能多的穿过注浆加固的目的层段, 钻孔方向尽可 能垂直于构造裂隙发育方向, 以利于浆液向垂直裂隙 带扩散;3对工作面切眼位置、 初次来压位置、 周期来 压位置、 巷道直接底板两侧 10 m范围内、 停采线附近、 物探异常区及构造发育区段进行重点加固与改造. 3钻孔结构注浆孔单孔由孔口管Ф108、 止水套 管Ф89和裸孔注浆段Ф75组成,裸孔注浆段长度和钻 孔倾角及孔口管、 套管长度在符合相关规程的基础上, 根据现场的情况确定. 止水套管埋深在煤层底板下 610 m,终孔位置为穿过本溪灰岩底 25 m.钻孔结构 如图 3 所示 2.3.2注浆系统及注浆工艺 根据井田注浆量大、 注浆范围广、 注浆时间长等 实际情况,选用目前国内先进的井上下联合注浆系统, 采用下行式分段注浆方式进行注浆. 注浆之前先进行 压水试验, 根据压水试验结果确定浆液配比与浓度后 进行注浆. 工作面底板注浆改造工程分三个阶段进行, 第一阶段注浆封堵与充填较大的含导水裂隙;第二阶段 为加密注浆阶段,对第一阶段尚未充填或封堵效果不理 想的导水裂隙进行充填与封堵;第三阶段为补充注浆阶 段,对前两阶段遗漏的含导水裂隙进行封堵;对本工作 面注浆改造的同时,兼顾相邻工作面底板预注浆.注浆 结束标准[7]为压力达到 68 MPa,吸浆量小于 20 L/min, 图 1下组煤防治水技术路线框图 Fig.1 Technology roadmap of prevention ofmine water about the lower coal seam 带压开采 安全性评价 综合物探 探查 煤层底板注浆 改造 注浆改造效果 评价验证 工作面安全 回采 钻探 探查与验证 图 2煤层底板注浆加固与改造示意图 Fig.2 Schemaofcoal seam floor reconstruction by grouting 图 3钻孔结构示意图 Fig.3 Schemaofborehole structure 原始导高顶界线 导水带顶界线 本溪灰岩含水层 奥陶系灰岩含水层 9煤 本溪底 25 m 煤底垂深10m处 Φ75 mmΦ89mm Φ108mm 47 检查孔单孔涌水量小于 10 m3/h,稳定 2030 min. 2.3.3注浆改造效果评价 对工作面底板进行全面注浆加固与改造之后,采 用电测深和音频电透视技术对注浆加固效果进行检 验,并对仍然存在的物探异常区进行钻探验证,对注浆 薄弱区段进行补充注浆. 制定了注浆改造效果量化评价指标1注浆孔密度 达到每孔 450 m2,钻孔平均间距小于 15 m;2检查孔个 数占注浆孔个数的 30以上;3检查孔单孔涌水量小于 10 m3/h;480的区段初见本灰水深度大于 15 m,初见 本灰水量小于 3 m3/h.后期注浆工程结束后,对注浆改 造效果进行检验,结果表明 9煤底板注浆加固和本溪 灰岩改造达到了理想的效果.同时,钻探资料显示,裂隙 中的水泥浆脉形成了具有一定强度和低透水性的结 石体,大大增强了 9煤底板隔水层的阻水性能,达到了 加固煤层底板隔水层、 对工作面垂向导水裂隙进行封 堵和有效阻隔下伏高压奥灰水导升高度向上延伸的 预期目的. 3结论 1通过注浆加固与改造,使本溪灰岩含水层富水 性明显减弱; 2通过注浆改造工程,使本溪灰岩水导升高度明 显降低; 3通过对 9煤与本溪灰岩含水层之间隔水层的导 水裂隙、 溶洞进行了封堵,切断了本溪灰岩含水层与奥 陶系灰岩含水层之间的水力联系; 4形成一套以煤层底板注浆改造为主,综合勘探 为辅的带压开采综合防治水技术, 对类似条件下煤层 开采具有重要的参考意义,具有良好的推广前景. 参考文献 [1]朱国维,丁雯,武彩霞.华北煤田底板矿井水分布及突水机理浅析[J]. 中国煤炭,2008,3429- 11. 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Gequan Coal Mine, JizhongEnergyResources.Co.,Ltd., Xingtai 054000, China; 3.HeilongjiangProvincialInstituteofRegionalGeologySurvey,Haerbin150080,China ） AbstractBased on the comprehensive analysis of geology and hydrogeology conditions about 9coal in Dongjing of Gequan coal mine, the abnormal regions were detected and grouted by use of integrated exploration technique. The hydraulic connection among aquifer in Ordovician limestone and Daqing limestone were cut off by grouting reconstruction and fracture sealing for coal floor. The lower coal seam suffered from Ordovician limestone water invasion was mined safely. The technology for prevention of mine water was summarized， which has guiding significance for the lower coal seam mined under similar conditions in this area or nationwide. Key words floor; groutingreconstruction; prevention ofmine water; technology 48