西梁煤矿带压开采安全可行性分析.pdf

玉童堪晨科’技2 0 0 8 年煤矿防洽水技术专刊 西梁煤矿带压开采安全可行性分析 任全胜，王宏，朱同祥。 龙口矿业集团，山东龙口2 6 5 7 0 0 摘要随着煤炭资源开采向纵深化方向发展，西粱煤矿将面临高承压水的严重威胁，深降强排由于增加吨煤排水费用并破坏日趋紧张的水 资源，限制其迸一步推广、应用，蒂压开采已成为西粱煤矿深部煤炭资源开发的技宋依托而引起广泛关注。本文对西梁煤矿深部煤炭资源带压 开采可行性进行了分析．提出了今后矿井防治水工作思路。 关键词带压开采可行性分析 中图分类号T I 8 2 3 ．8 3文献标识码B l 西梁煤矿水文地质条件概述 1 ．1 矿井概况 西梁煤矿位于忻州地区原平市，为原平市市营煤 矿。井田东西宽1 ．8 k m ，南北长2 ．1k m ，面积3 。8 k m 2 。 矿井始建于1 9 6 6 年，于1 9 7 1 年7 月投产。 西梁井田具有工业开采价值的煤层均位于太原 组，共有4 层，自上而下为2 、5 、6 、7 煤。 1 ．2 水文地质条件 西梁井田区内出露地层齐全，上石炭统太原组 Q 。 为主要含煤地层，构成本区太原组下煤组底板充 水含水层的是中奥陶统上马家沟组 O 巧 灰岩岩溶水。 其含水层位处于该组的中、上段，岩溶发育。其岩溶发 育程度在补给径流区有随埋藏深度减弱的趋势；而在 经流、排泄区可达较深的部位和较低的发育高程，据钻 孔资料分析，奥陶系顶面高程在9 0 1 ．1 3 ～1 0 6 4 ．4 3 m ，皆 处于区域岩溶发育的可能高程范围。 西梁煤矿对安全生产有影响的含水层可简单地分 为基岩裂 孔 隙潜水含水层和奥灰岩裂隙承压含水层 两类。． 基岩裂 孔 隙潜水含水层，主要为煤层顶板砂岩 含水层，由于密度高，孔隙率小，含水性很低，对井下安 全构不成大的威胁。 奥灰岩裂 孔 隙承压水水层。由于其裂隙、孔隙 发育，在漫长的地质年代形成了丰富的含水层，受地质 运动影响，地层倾斜，随着深部开采，奥灰水水头压力 高于矿井开采煤层标高，给煤矿生产安全带来严重威 胁，是矿井的主要防范对象之一。 据5 7 、5 9 、6 0 号钻孔资料，5 号煤层为9 0 ．4 8 ． 8 9 ．7 2 m ，6 号煤层为6 6 ．0 r 7 5 1 ．2 3 m ，7 号煤距0 2 s 顶面 4 5 ．9 9 ～3 8 ．1 1 m 。据轩岗矿区2 1 个水文孔资料，0 2 s 层 顶面距该层含水层顶界一般有0 3 8 m 的隔水层厚度。 按本区O ．4 ‰水力坡度和黄1 0 号孔0 2 S 层1 1 6 7 ．8 1 m 水 位标高推算，西梁矿区0 2 S 层岩溶地下水平均水位标高 为1 1 7 1 m 。 根据下组煤各层煤可能承受的0 2 s 层匿力水头和 距0 2 s 含水层的隔水层厚度，西梁矿3 个钻孔所代表部 位的底板岩溶突水条件的分析和预测如下表 7 煤层6 毒煤层5 煤层 钻孔 有效突有效突有效突 位置 水压安全水压安全 水压 安垒 水系数水系数水系数 聊m 评价 l 秽面2 评价唧∞z评伯 k ∥mk ∥mk ∥m 5 7 号 0 ．2 4 不安0 ．1 6 0 ．1 l 一 矿中 1 7 ．11 5 安全 1 2 ．5 安垒 南{ ；I ；J 0 ．5 0全0 ．2 70 ．1 6 5 9 号 0 ．0 8 煤层煤层 矿东6 ．1安全， ， ，， 北部 0 ．1 7 不可采 不可采 印号 0 ．3 4 O ．2 7 一不安O ．1 5 一 矿深 2 2 ．4 危险 2 1 ．11 7 ．3 安全 0 ．8 0O ．5 l全O ．笠 部 上述预测是按0 2 s 层顶至该含水层顶界间隔水层 厚为3 8 m 作有效突水系数计算。对西梁煤矿下组煤底 板的安全评价是比拟轩岗矿区刘家梁矿西大巷5 号煤 层底板岩溶突水的实际有效系数0 ．3 4 k ∥m 进行预测 的。 初步推测，西梁矿开采5 煤层基本可以保证安 全。开采6 。煤层深部不安全，开采7 。煤层，除矿区北 部外，矿区普遍不安全，深部底板存在突水危险。 2 带压开采基本思路 西梁煤矿带压开采的基本工作思路为在常规地 质、水文地质条件分析的基础上，重视煤层底板保护层 的“三测” 探测、预测、监测 工作，分析可能的突水类 型 通道型突水与渗透型突水 ，针对不同的突水类型， 采取相应的防治水对策 预注浆加固、底板改造、留设 防水煤柱 ，即从查清突水条件开始到有效地进行预防 并对不利的水文地质条件做人工改造处理等，最后达 到能够在奥灰水的威胁下安全采煤和最大限度地减少 矿井涌水量及避免淹井事故的发生。 2 0 0 8 年煤矿防治水技术专刊 皇拭晨f 译技 5 1 2 ．1 早探水慎开采 西梁煤矿是一个有4 0 年历史的老矿，1 1 7 1 大巷上 部水平开采完毕，现已开采下部水平，随着开采深度的 增加，水头压力越来越大。断层的裂隙又较为发育， “奥灰水”随时有可能通过裂隙涌进工作面。 因此，西梁煤矿在设计、施工工作面时，把防治水 工作摆在重要位置。按照“物探先行，钻探验证，注浆 加固”的原则，了解工作面下方含水层状况。 2 ，2 调查分析完善系统 开采前和开采过程中一定要认真调查分析所在区 域地质运动所形成的断层、裂隙发育规律、规模和断层 性质、导水性。断层、裂隙往往是承压水的涌出通道， 如果忽视，将给煤矿带来灾难性后果，特别是开采承压 水水头高度高于工作面标高时要十分谨慎，一定要有 足够的排水设施、设备和封堵材料，提前制定防治水预 案，确保安全。另外，要特别注意打穿煤层底板至承压 含水层钻孔的封孔质量，防止因封孔质量不合格，将承 压水与工作匿导通，淹没工作面等重、特大事故的发 生。 2 ．3 ”盖冒”压注浆堵 防治井下水害，西梁煤矿主要采取以下三种做法， ①堵、疏或者是堵疏结合，②注浆封堵出水通道，③注 浆加固煤层底板。 通过深水钻孔抽水试验分析，西梁煤矿底板“奥灰 水”相当丰富，不适于疏导降压，宜于采用堵的方法。 即用石子、沙子充填出水地段的上方空间，使之与采煤 工作面的一部分形成一个整体，这就叫“盖冒”。这样 的“盖冒”可以有效压堵出水段，使水流由径流变为渗 流，同时再加上打钻注浆封堵出水通道，就可以成功实 现治水。 方案设计过程中，必须认真研究工作面下部含水 层结构、性质，基岩顶面起伏变化情况，地下水迳流、补 给方向等；充分考虑松散层、风化层、岩层的不均质性； 注意钻孔封闭质量；断层、裂隙等构造的导水性，与煤 层、含水层的水力联系等，根据工作面回采时间、含水 层静储量、动储量来确定疏放水程实施时间。更要特 别关注地表塌陷后强降水天气降雨对井下安全的影 响，并采取相应预防措施，保正矿井安全。 除科学合理的封堵、加固煤层底板外，对防治水工 作的重要性要有客观、科学、理性的认识，防止因思想 麻痹而出现“小水淹没设备”事故。 科学合理的设计方案是建立在深厚的基础知识、 丰富的实践经验和强烈的责任心、事业心之上的。既 不能因认识不到位出现水文地质灾害事故，又不能草 木皆兵，以所谓十倍、几十倍的“保险系数”来保证安 全，造成不必要的损失和浪费。 3 带压开采及其安全评价 “带压开采”是承压水体上安全采煤的一项实用性 技术，与深降强排技术相比，具有减少吨煤排水费用和 保护水资源的双重功效。 目前，随着西梁煤矿开采深度的不断增加和开采 层位的逐渐下移，对新设计采区或工作面进行带压开 采安全评价常常采用的方法是整体安全评价采用突 水系数法，工作面回采时，采用带压系数进行复核验 证。 1 煤层底板没有全导人型通道，使得其在水压作 用下具有整体稳定性，而不存在所谓的“突破口”。 2 在岩性组合已经确定的前提下，阻水能力主要 取决于现有采矿方式下对煤层底板的破坏深度、含水 层顶板实际埋藏深度以及灰岩水的实际潜升高度。煤 层底板的岩性组合能够阻抗含水层在一个水文周期内 最高水位所对应的水压。 3 断层作为导水通道是大量的且具有代表性，一 定规模的断层可以成为沟通不同含水层之间水力联系 的通道。西梁矿基于断层的构造分析原理对不同级别 和不同序次的断层进行构造解析，对断层展布特点做 出分析并尽可能以采区、工作面为单元做出构造预测， 结合物探方法和井巷工程揭露情况进行探、预、采对 照；其次，对断层发育方向和断层内部结构对突水的控 制作用、断裂构造突水机制进行认真研究分析。 4 对于节理裂隙型岩体而言，其突水类型为渗透 型突水，即与矿压显现、承压水的水力扩容作用密切相 关，这种类型的突永首先应在煤层底板岩体强度力学 校核的基础上做出研究预测；其次，应采用底板突水监 测技术对采掘过程中裂隙水的潜升过程做出动态观 测，然后采取注浆加固、封堵等措施进行防范。 5 带压安全开采可靠性分析。在承压水的作用 下，保护层的失效模式主要是结构强度的失效，即由于 保护层本身厚度不足、岩层组合梁的力学强度不够或 上述两种因素同时存在的结果。在理论上，根据突水 系数法进行安全评价，由超静定粱所推导的安全水头 计算公式可以作为可靠性分析的依据，煤层底板的岩 层抗张强度能够阻抗含水层在最高水位所对应的水 压，带压开采处于可靠状态。 4 结论 1 随着西梁煤矿煤炭资源开采向纵深化方向发 展，将面临高承压水的严重威胁，深降强排由于增加吨 煤排水费用并破坏日趋紧张的水资源，限制其进一步 推广、应用。因此，带压开采具有重要的意义。 2 带压开采评价技术的基本工作恩路为在分析 5 2 击互媳爰纠帔 2 0 0 8 年煤矿防治水技术专刊 地质、水文地质条件的基础上，进行煤层底板保护层的 “三测” 探测、预测、监测 工作，分析可能的突水类型， 针对不同的突水类型，采取相应的防治水对策，即从查 清突水条件开始到有效地进行预防和对不利的水文地 质条件做人工改造处理等，最后达到能够在奥灰水的 威胁下安全采煤和最大限度地减少矿井涌水量及避免 淹井事故的发生。 * 收稿日期2 0 0 8 一c 1 3 0 c 5 作者简介任全胜 1 9 7 0 一 ，男，山东金乡县人．助理工程师，1 9 9 2 年毕业于徐州煤炭建筑工程学校，现任龙矿集团西梁煤矿技术科科 长。 土接第4 5 页 离层现象，横向裂隙明显增加了，对上 部泥岩与泥灰岩互层和泥灰岩含水层之间的补给是有 利的，对泥灰岩水进人煤．采掘工作面也是有利的。 5 从煤。首采工作面物探结果看受下部采动影 响的区域，泥岩与泥灰岩互层和泥灰岩的含水区域上 下比较一致，有一定的相关关系，而没受影响的联络巷 则各自有自己的含水区，同时可以看出泥灰岩的赋水 范围，比泥岩与泥灰岩互层小。 综上理由即使正常情况下，泥灰岩水也有可能进 入回采工作面。但由于泥灰岩层位较高，处于冒落裂 隙带末端，裂隙导通程度差，加上其只是局部赋水，富 水弱一中等，上下及左右水力联系较差，并且泥灰岩下 发育有巨度分别为4 ．5 、l o r e 两段泥岩 夹炭质泥岩和 煤线 ，泥岩遇水膨胀率为0 ．1 ，因此泥灰岩水补给煤l 采空区是比较缓慢的，不会造成大的涌水。 2 ．2 钻孔影响 粱家井田于1 9 6 5 年开始勘探，1 9 7 9 年结束，相当 一部分钻孔泥灰岩没封闭，还有一部分为封闭不良钻 孔。钻孑L 施工期间，因管理和执行制度不严的原因，封 孔质量存在一定问题，因此精查报告提出“开采时应 注意防止钻孔突然涌水”。究竟哪个钻孔的确有问题， 现在无法弄清楚。如果全部启封这些钻孔，存在地面 沉陷 最大下沉率为0 ．9 5 ，沉陷边界附近水平移动系数 为0 ．3 1 ～0 ．4 、部分区域地面有积水、钻孔有错位，导 致找孔困难的问题，同时技术上也有一定难度，处理费 用也较高。 如何正确认识和对待问题钻孔 1 这些钻孑L 在采掘煤2 、煤。时都元出水现象，经 下部采动影响，钻孔上部经过错动，已经不是原来意义 上的凹1 钻孔了，钻孔经下部采动影响很可能被愈合， 至少有部分孔段被挤压垮塌。已有钻孑L 受采动影响在 第四系底部就错位而不能正常启封的例子。 2 梁家井田为典型的软岩矿区，地压显现十分明 显，并且煤系地层隔水层十分丰富，且多为泥岩，胶结 物也是泥质，其中的蒙脱石含量较高，遇水易膨胀和产 生泥化现象，有利于钻孔的缩径。 3 由于岩层软，回采时超前压力也可以造成钻孔 错位、坍塌，临矿揭露过因超前压力搓断钻孔中套管的 现象。 4 如果把泥灰岩与钻孔两个因素联系起来看，泥 灰岩就是一个有补给水源的含水层，由于泥灰岩层位 较高，离冒落带较远，回采煤。时处于冒落裂隙带末端， 裂隙导通程度差，这种情况下出水应在可控范围之内。 5 按每袋水泥封孔7 m ，这些问题钻孔多封闭到 煤l 上2 0 m ，不在冒落带 理论计算1 0 。1 2 m 内，而处于 裂隙带内；即使确有钻孔投封闭到煤．，下部临近煤层 煤2 回采后都无出水、漏水现象，从梁家矿掘进期间两 个出水钻孔情况看，定为“合格”而实际没封闭到煤的 钻孔，出水后易被第四系坍塌的泥砂自然封堵。 6 相似条件的两个临矿大面积回采煤，时 采高 日 3 m ，类似地问题钻孔也没进行处理，但无一处出 水。 鉴于上述理由，梁家井田钻孔对采掘也不会造成 很大影响。现矿井排水量9 0 矗／h ，设计排水能力4 5 0 一，h ，多数工作面为俯采，不易淹面和淹井，但要高度 重视钻孔问题。 3 防治钻孔出水的具体措施 1 煤．是新设计开采的煤层，巷道、工作面设计时 尽量避开问题钻孔，要重新审视封孑L 段距，对封孔段距 不合理 处在冒落带内 钻孔，应提前启封第四系。 2 按照“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后 采”的原则，临近钻孔采掘时，按有关规定和要求提前 进行探防水。 3 回采时，钻孔附近适当降低采高 油下部 1 ．2 I l 左右发热量只有1 6 0 0 卡／克 。 4 完善防排水系统，增加排水能力。 5 如果由于钻孔原因圆采后出水量较大，且长期 不减，排水费用较高，可考虑地面注浆封闭有关钻孔 封堵第四系 。 6 加强煤。三带观测研究，加强钻孔封孔资料分 析，同时要应用新技术、新手段，有的放失的进行防治 水工作，确保矿井生产安全，提高经济效益。 * 收稿日期2 0 0 8 0 3 0 5 作者简介曲德强 1 9 6 4 一 ，1 9 8 7 年毕业于山东矿业学院，现在梁 家煤矿技术科从事矿井地质工作。