薄煤层条件下煤层开采防治水技术.pdf

第 37卷第 6期煤 炭 科 学 技 术 Vol137 No16 2009年6月 Coal Science and Technology Jun . 2009 薄层底板条件下煤层开采防治水技术 桑 泽 宏 开滦集团 蔚州矿业有限责任公司 单侯矿, 河北 张家口 075713 摘 要 为了保证在水文地质条件复杂、受奥灰含水层突水威胁、薄层底板带压条件下煤层的安全 开采,基于预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采的防治水方针, 采用物探、钻探手段查清水 文地质条件, 针对重点区域进行水害防治、治理,增强矿井防灾、抗灾能力,避免水文地质条件复 杂情况下水害事故的发生, 确保了资源回收和矿井的安全生产。 关键词 煤层;含水层;薄层底板;带压开采; 防治水 中图分类号TD82416 文献标志码A 文章编号0253- 2336 2009 06- 0116- 03 W ater Prevention and Control Technology of Sea m M ining Under Thin Floor Condition SANG Ze -hong DanhouM ine , Yuzhou CoalM ining Company Ltd. , Kailuan Group, Zhangjiakou 075713 , China Abstract In order to ensure safety mining under the co mplicated hydrological condition and under the conditions of the water inrush dan - ger fro m Ordovician li mestonewater and the thin floorw ith pressurizedwater underneath, based on thewater prevention and controlprinc- i ple of the prediction and forecast ,necessary probing for any question,exploration before excavation and treat ment before mining opera - tion ,the hydrologicalconditionswere confir medw ith the physical exploration and drilling exploration. According to thewater disaster pre - vention and control conducted in the key area and the mine prevention and anti disaster capacity enhanced,the m ine could avoid water disaster occurred under the complicated hydrological conditions and could ensure the resource recovery and them ine safety production. K ey words sea m; aquifer ;thin floor ; m ining under pressurized water ; water prevention and control 单侯矿井是新建矿井, 从 2006年 10月 1日建 成开始回采。矿井地质储量 31 284万 , t 设计生产 能力 150万 t/a ,服务年限 6811年, 井田开拓方式 为立井单水平开拓, 水平标高为 650 m。矿井主 要可采煤层自下而上为 1号、 5号、 6号煤层, 矿 井先期开采上部的 6号煤层, 矿井采用综合机械化 采煤方法。 1 矿井水文地质条件 111 主要含水层 单侯井田处于蔚县矿区北部, 属蔚县盆地壶流 河水文地质单元,矿井水文地质条件分类为中等, 属于复杂型岩溶充水矿床。井田内共有 5个含水 层, 自下而上分别为 1 寒武系石灰岩岩溶裂隙承压含水层。该含 水层主要分布在井田北部及东北部,单位涌水量为 01000 043 5 01095 8 L / s m ,水 位标高 956 958 m, 属富水性弱的含水层。 2 奥陶系下统灰岩岩溶裂隙承压含水层。厚 度变化较大为 0 101160 m, 岩性以白云质灰岩为 主, 中间夹有角砾、竹叶状灰岩及泥质条带状灰 岩, 溶洞主要发育在下奥陶统白云质灰岩中,发育 标高 820 920m,溶孔或溶隙在泥质灰岩中, 位 于标高为 710 800 m,岩溶发育深度一般在 70 m以内,单位涌水量为 011 2 L / s m, 水 位标高 957134m,首采区含水层厚 70175 m, 中 部富水性强, 四周弱或中等。为一中等富水性含水 层。水压 11749 2154MPa, 富水性中等。 3 侏罗系中统至下统的下花园组砂岩裂隙含 水层。该含水层的单位涌水量为 01043 5 01073 9 L / s m ,水位标高 1 008129 1 014129 m, 富水性弱。 4 中侏罗统后城组砾石孔隙裂隙承压含水 层。单位涌水量 01001 17 L / s m,水位标高 971162m, 富水性极弱。 5 第四系砂砾卵石孔隙承压含水层。第四系 116 桑泽宏 薄层底板条件下煤层开采防治水技术2009年第 6期 在井田内分布广泛,厚度为 90 182142 m,砂砾 卵石含水层厚度为 4127 34147 m,单位涌水量为 01063 4 01371 L / s m ,富水性为弱 - 中等的 含水层。 112 奥灰含水层富水性 单侯矿井奥灰含水层处于半封闭的蓄水构造 中。区域汇水面积 770 k m 2, 大气降水是奥灰含水 层的主要补给来源。该区域总体补给量为 4 17214 m 3 /m in , 扣除区域排泄量,剩余奥灰含水层补给 量为 97513 m 3 /m in。 单侯矿井奥灰含水层强径流带位于单侯井田的 19- 9孔、 16- 17孔、13- 10- 3孔至南留庄 9- 6 孔、5- 1钻孔一带。由于蔚县矿区开采对奥灰含 水层的疏降影响, 主要补给来自于西南方向的暖泉 镇。19- 9孔附近的孔抽水试验测得稳定时间为 14 d , 降深达 101065m,涌水量 332 m 3 /h 。孔群抽水 开始时, 涌水量随水位降深增加而增加,当水位下 降到一定深度时, 涌水量随降深增加而减少。水位 恢复的历时曲线拐点明显, 过拐点后水位恢复较慢 水位恢复 15 d后,剩余降深为 41023 m,恢复 1 年仍比抽水前静水位低 21874 m 。这说明了该区 下奥陶统灰岩含水层渗透性较好,但补给条件较 差, 证明该区下奥陶统灰岩含水层属于以地下水储 存量为主的中等 - 强 局部 富水性含水层。 单侯井田位于蔚县矿区南部中段, 构造总体形 态呈一宽缓不对称的向斜, 地层走向曲折多变, 倾 角 5 15b ,区内断层较发育,主要发育于井田边 缘部位, 对水文地质条件影响不大。 113 奥灰含水层对采掘工程的影响 单侯矿井 1号煤层距离奥灰含水层 1 10 m, 采掘工程承受静水压力为 119 316MPa ,突水系 数均远大于 011MPa/m,隔水层厚度不能满足安全 开采要求,全部处于突水危险范围。5号煤层下距 奥灰含水层的隔水层厚度 116 92 m,静水压力 119 316MPa ,5号煤层绝大部分区域有突水危 险。6号煤层在首采区下距奥灰含水层的隔水层厚 度为 18 60 m,大部分区域距奥灰含水层的隔水 层厚度为 35m 左右,突水系数均小于 011MPa/m, 平均为 01085MPa/m, 可进行带压开采。 114 区域内发生奥灰含水层突水情况 单侯矿井相邻的玉峰山井田, 在 1976年 2月 开采 1号煤层 距离奥灰含水层 15 m 时发生奥 灰含水层突水淹井事故,突水量达 600 m 3 /h 。单 侯矿井 2006年 6月 1日西翼运输巷距离奥灰含 水层 33m 在施工中遇小断层 落差仅为 112 m 发生底板突水,突水量为 194m 3 /h 。2007年 3月 5 日, 单侯井田东翼轨道巷底板距离奥灰含水层 39 m 在施工中发生底板突水,突水量为 1 800 m 3 /h。 精查地质报告确定单侯矿井正常涌水量 290 m 3 /h, 奥灰突水量 1 437 m 3 /h 。 2 防治水技术 211 健全防治水组织机构 成立矿井防治水工作领导小组,统一组织和领 导矿井的防治水工作, 定期或不定期召开防治水例 会, 对生产中可能遇到的防治水问题进行超前分析 研究,对突发事件及时研究解决。同时加强防治水 队伍建设,配备、引进国内外先进的物探、钻探设 备和注浆堵水设备,承担矿井生产中的防治水工 作, 对大型防治水工程进行招标,选择先进的物 探、钻探及注浆堵水队伍施工。 212 查明矿井水文地质条件 查明矿井水文地质条件是进行矿井防突水工作 的先决条件, 只有强化矿井、采区和工作面的综合 水文地质勘探工作,查明影响矿井开采的水文地质 条件,才能有针对性地采取防治对策。 1 采区设计前综合探查。采区设计前,在地 面用综合物探法查清区内构造及其导水性, 编制采 区设计, 并制定详细的防治水措施。首先采用三维 地震物探手段探明区内落差 5 m以上的断层产状要 素, 控制断层落差、产状及其在走向和倾向上的变 化; 查明区内有无陷落柱发育及发育范围; 查明煤 层底板的起伏形态及褶曲构造的发育形态, 查明奥 灰顶界面起伏形态及埋深。 利用瞬变电磁法物探手段进行采区综合水文物 探工作, 查明区域第四系含水层、奥灰含水层发育 情况、断层的含导水区段以及导水性, 确定区域内 6 ,5 ,1号煤层开采受水害威胁程度。根据三维地 震和瞬变电磁法的勘探成果,对采区地质、水文地 质条件、构造发育形态和导水性进行综合分析, 然 后进行采区设计并制定有针对性的防突水措施。 2 工作面开拓、掘进过程中的综合探查。在 巷道掘进过程中, 接近物探确定的可疑富水异常区 以及实际淋水、涌水异常区时,要立即停止掘进, 117 2009年第 6期煤 炭 科 学 技 术第 37卷 采用先进的井下瞬变电磁法、井下高密度电法物探 等手段进行超前探测, 探测巷道周围是否存在含导 水断层及含导水裂隙异常, 并确定其发育位置。对 探测异常区进行钻探验证, 查明掘进前方及巷道周 围的水文地质条件,制定相应的防突水措施。 3 工作面回采前综合探查。工作面回采前, 在井下采用物探和钻探等综合水文地质勘探方法, 查清采面内的水文地质条件。对工作面回风巷和运 输巷底板及切眼进行高密度直流电法探测, 探明煤 层底板及下伏奥灰含水层的富水情况。对工作面区 域煤层底板的岩层进行矿井井下瞬变电磁法探测, 探明工作面范围内的含导水构造及奥灰含水层的富 水性,对工作面水文地质条件予以评价。对各种物 探资料进行综合分析, 确定工作面区域内含导水构 造、含水裂隙带及奥灰含水层富水性情况后,利用 钻探手段对物探结果进行验证, 制定出专项综合治 理措施。 213 防治水害 在综合勘探工作的基础上, 结合生产区域的安 排, 针对不同的水害类型,按照 / 预测预报、有 疑必探、先探后掘、先治后采 0 的原则,采取有 针对性的防治水措施防治、治理水害。 1 含导水断层治理。对综合勘探查明的威胁 矿井安全的含导水断层,根据煤矿水文地质规程留 设防水煤柱, 对采掘工程必须进入区域采用井下钻 探预注浆封堵方法防治水害。 2 疏水降压。根据矿井煤层赋存条件及采掘 活动受奥灰含水层威胁程度,确定矿井后期所要开 采的 5号和 1号煤层,在开采时应采用井下钻孔集 中放水对奥灰含水层进行疏水降压 放水量 1 500 m 3 /h, 以便在煤层开采时底板奥灰含水层水压降 至安全水压值以下,以确保安全生产。 3 底板预注浆加固。在开采距离奥灰含水层 相对距离较大的 6号煤层工作面前,对煤层底板距 离奥灰含水层较近及富水异常地段采取底板预注浆 加固等综合防治水措施, 改造煤层底板隔水岩柱, 提高其阻水能力, 防止水害事故发生。采取井下施 工注浆钻孔方式进行现场注浆, 预注浆加固工程结 束后,再进行物探和钻探验证, 确定加固效果后再 进行回采工作。 214 提高矿井抗灾能力 1 根据设计方案,单侯矿井在东、西两翼 3 条大巷共构建 6道 LM 型壳性防水闸门。优点 关 闭水闸门后能有效防止淹井事故的发生,降低水害 事故的影响。缺点井下防水闸门数量多, 特别是 在两翼运输大巷关闭过程中,需要快速拆卸机器设 备, 但人工关闭较慢, 所以突水时,只要有 1个防 水闸门未关好,仍存在突水淹井的可能;由于两翼 轨道大巷采用轨道运输,为了保证轨道近似水平要 求, 防水闸门硐室相对低洼,造成硐室排水管路淤 积、局部巷道积水。 2 该矿井采取集中排水方式,中央排水泵房 配备 5台 MD450- 60 7型多级离心泵,2趟 D377 9型主排水管, 经副井井筒到地面。为提高矿井 抗灾能力,增加 2Q570- 421/11型潜水泵 2台, R2Z- 2826/13型潜水泵 1台,增设 D325 10型排 水管路和 D402 11型排水管路各 1趟。矿井目前 最大排水能力为 3 300 m 3 /h 。 215 矿井其他防突水措施 1 设计和回采过程中,要加强采场应力对工 作面底板破坏的研究, 合理优化工作面参数并制定 相应的防治水措施,最大限度地减少采场应力对工 作面底板的破坏,避免因采动影响造成底板破坏, 从而导致工作面底板突水事故。 2 加强矿井排水系统的设备维护及水仓清 理, 对水泵机械、电器维修明确专人负责。各工种 严格按操作规程作业, 严格执行岗位责任制及日、 周、月检制度,层层把关,确保设备运转状态良 好。要定期维护主排水泵房及主变电所通道内密闭 门, 使其灵活可靠,达到其应有的功能。 3 对井下职工进行矿井地质及水文地质工作 的技术培训, 保证其在采掘过程中能及时发现异常 情况,如发现围岩温度升高,围岩挂红、挂汗, 底 板渗水、顶板淋水水量增加等出水征兆时要停止掘 进, 迅速向矿调度室汇报并采取相应措施进行处 理。矿井地质及水文地质技术人员接到汇报后应及 时进行调查分析, 为领导决策提供技术方案。 4 矿井地质及水文地质技术人员对回采过程 中揭露的小构造进行分析, 同时对将要揭露的水文 地质情况进行超前预测预报,利用计算机对各种水 文地质数据及时分析和处理,为生产指挥人员提供 准确技术数据,使其能够做出迅速准确的判断, 以 便采取相应措施。 下转第 128页 118 2009年第 6期煤 炭 科 学 技 术第 37卷 量增高。但也有例外, 因为发热量还与煤中灰分、 挥发分及氢含量有关 [ 7]。 表 2 褐煤发热量与水分的关系 水分 /Qne, t ad/ M J kg- 1水分 /Qne, t ad/ M J kg- 1 31160141641215420 138 131231919612116520 129 12184201111210920 119 12173201191210020 145 12159201241117620 125 4 结 语 与传统的褐煤干燥脱水技术相比, 褐煤热压脱 水工艺是一项能耗较低,环境污染较小的工艺。 MTE工艺不仅脱水效果好,而且脱硫效率高。对 于额吉露天 5号矿褐煤 在保压 10 m in, 压力 10MPa时, 褐煤中水分随温度升高而降低,褐煤 温度 160 e 时,脱水率高达 61 ,脱硫率达到 43; 褐煤压力,褐煤水分在压力达到 15 MPa 之前随压力增大而降低,15MPa之后随压力增大, 褐煤水分略有升高; 保压时间,在不影响工业 运行的条件下,保压时间应越小越好。由于该试验 尚在初级阶段,以后会继续研究, 找出更加优化的 试验条件,为褐煤合理利用提供参考依据。 参考文献 [ 1] 初 茉, 李华民 1褐煤的加工与利用技术[ J]. 煤炭工程, 2005 2. [ 2] Berg ins C1K inetics and M echanism During M echanical/Ther mal D ewatering of L ignite [ J]. Fue, l 2003 82. [ 3] Karl Strauss ,Christian Bergins .Thomas W ild M echanical/ thmer ma lDewateringaN ew Process for theU tilisation ofL ignite for PowerG eneration [ J]. Fue, l2003 81. [ 4] 万永周, 肖 雷, 陶秀祥, 等 1褐煤脱水预干燥技术进展 [ J]. 煤炭工程,2008 8. [ 5] 邸传耕, 吕 舜 1 低温干燥对褐煤性能的影响[ J]. 煤炭加 工与综合利用,2008 4. [ 6] 王 娜, 朱书全, 单晓云, 等. 褐煤轻度热解与成型关系的 研究[ J]. 选煤技术,2007 3. [ 7] 陈文敏 1煤的发热量和计算公式[M ]. 2版 1 北京煤炭 工业出版社,1993. 作者简介 高俊荣 1984- , 女, 山东菏泽人, 硕士研究生, 主要研究方向为洁净能源及褐煤干燥脱水。Te l15895210482,E - mai ljunrg 1631com 收稿日期2009- 02- 05; 责任编辑 代艳玲 上接第 118页 5 在矿井年度灾害预防处理计划中,应对生 产中可能出现的突水事故的处理程序做出详细明确 的规定, 包括灾情汇报、现场处理、地质及水文地 质调查、突水治理、撤人路线、排水系统运转维护 等; 在蔚州公司组织有关部门对该规定审定后, 向 全体职工贯彻,严格执行。在采掘工作面的后路巷 道的低洼处安装大于采掘工作面预计涌水量的排水 设备 包括水泵、管路、双回路供电系统 ,保证 在采掘工作面发生突水时能及时排水, 后路不被积 水封堵, 作业人员能及时撤出。在编制季度防探水 计划时, 矿井地质及水文地质技术人员要根据采掘 生产计划,分析预测掘进、回采前方可能遇到的影 响矿井安全生产的水文地质因素,制定相应的探 测、治理方案,并组织实施。 3 结 语 针对单侯井田奥灰含水层富水性强、煤层底板 隔水层薄、水文地质条件复杂等特点, 在严格落实 / 预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采 0 的 防治水原则的基础上, 采用各种先进的物探、钻探 手段分采掘工程进行阶段探查水文地质条件,然后 根据不同的水文地质情况, 采取含导水断层超前预 注浆处理、工作面底板预注浆加固改造、疏水降压 等方法结合建筑防水闸门加大矿井排水能力,加强 矿井防灾抗灾能力等措施, 最后实现在奥灰含水层 突水威胁条件下安全采煤, 以及最大限度减少矿井 突水及避免淹井事故的发生。 参考文献 [ 1] 柴登榜 1 矿井地质工作手册[M ]. 北京 煤炭工业出版 社,1984 . [ 2] 钟亚平 1开滦煤矿防治水综合技术研究[M ]. 北京煤炭 工业出版社,2001 . [ 3] 许学汉, 王 杰 1煤矿突水预报研究[M ]. 北京 地质出 版社,1991 . [ 4] 解振伟, 袁 威 1 对受水威胁煤层带压开采的几点认识 [ J]. 河北煤炭,2001 3. 作者简介桑泽宏 1966- ,男, 河北玉田人, 高级工程 师, 开滦集团 蔚州矿业有限责任公司单侯矿副总工程师。Te l 0313- 7179830 ,E- mai ldhdcfz kailuan1com1 cn 收稿日期2009- 02- 18; 责任编辑 王晓珍 128