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科技创新 邢台矿区下组煤带压开采水害防治技术的探讨 王社平 河北金牛能源集团有限责任公司, 河北省邢台市中兴西大街 191 号, 054021 摘 要 阐述了邢台矿区的水文地质特征, 影响下组煤开采的主要充水因素,重点总结 了公司下组煤带压开采的实践经验、技术路线和关键的防治水技术。 关键词 下组煤 带压开采 防治水技术 邢台矿区金牛能源股份有限公司下辖 6 矿 7 对 矿井, 矿井分布纵贯邢台地区南北。为典型的华北 型石炭 二叠系煤田, 其下组煤普遍受煤系底部巨 厚奥陶系灰岩强岩溶含水层的威胁而不能大规模开 采。下组煤储量占到了总储量的近 70 ,为了实 现上、下组煤合理配采,稳定矿井产量, 下辖的章 村矿于 1985 年就开始了试采下组煤 9 煤,截止 2005 年 12月底已有 4 对矿井相继开展了下组煤试 采工作,已安全采出 9煤 560万 t。 1 矿区水文地质特征 邢台矿区各井田处于邯邢水文地质单元中单元 百泉水文地质单元的上、中、下游地段。百泉 水文地质单元面积 3843km 2, 寒武系及奥陶系灰岩 裸露面积为 645km2,直接接受大气降水补给,全 区补给量约为 6 911m 3/ s。百泉水文地质单元为一 基本独立且封闭的单元。 西部山区的灰岩裸露区是奥陶系灰岩地下水的 集中补给区, 大气降水是其直接补给源。区内的主 要河流北洺河、马会河、沙河、七里河、白马河等 地表径流的渗漏补给 主要集中在雨季 ,是奥陶 系灰岩地下水的线状补给源。 区内地下水径流受地形、地质构造控制, 自南 西、西、西北主要沿强径流带向排泄区运动, 百泉 及达活泉是邯邢中单元百泉汇水带地下水的主要排 泄区, 对开采 9煤构成极大的威胁。 影响下组煤开采的直接充水含水层有大青灰 岩、本溪灰岩和中奥陶灰岩,其特征分述如下。 1 1 大青灰岩岩溶裂隙含水层 大青灰岩为 8煤直接顶板,局部地区 8、9 煤合槽,也是 9煤直接顶板。本层石灰岩致密坚 硬,蜂窝状溶孔与小溶洞发育,层厚一般 6m 左 右。钻孔单位涌水量 0183 1 626L/ s m,为富 水性中等岩溶裂隙水, 一般易于疏通。 1 2 本溪灰岩岩溶裂隙含水层 本溪灰岩为灰、浅灰色,化石稀少。中上部夹 煤 10 0 5m 左右,与底部铝土质泥岩接触关 系明显。厚度 08 11 5m, 一般 3 7m。蜂窝状 溶洞和裂隙发育, 被泥质和钙质充填。钻孔单位涌 水量为 0 0064 3 438L/ s m,为富水性较强的 岩溶裂隙水。但本溪灰岩的厚度、富水性各矿表现 极不均一。该层上距 9煤 10 20m,下距奥灰 15m 左右, 因距奥灰较近,易接受奥灰水补给。 1 3 奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层 奥陶系中统马家沟灰岩厚约500 600m, 由青 灰、深灰色的厚层灰岩、角砾状灰岩、白云质灰 岩、泥质灰岩、结晶灰岩等组成。其厚度巨大、分 布稳定,属富水性很强的岩溶裂隙承压水,是区内 最主要的强含水层,也是开采 9 煤的主要充水含 水层。 奥陶系灰岩含水层富水性极不均一, 具有明显 的分带特点, 在垂向上全组按岩性、结构及富水性 可分为三组八段, 即峰峰组划分为三段、上马家沟 三段、下马家沟二段。其中二、四、五、七段为含 水段, 特别是奥灰上部峰峰组七段最富水,钻孔单 位涌水量为 0 0027 24 16L/ s m,一般为 2 5L/ s m。 2 带压开采隔水层条件分析 隔水层作为带压开采的防护层, 其阻抗突水的 34 中国煤炭第 32 卷第 5 期2006 年 5 月 能力与岩性、厚度及其岩石组合情况有着密切的关 系,分析研究隔水层岩性、厚度变化及其组合情况 具有重要意义。 根据地质勘探资料,9煤底板至奥灰顶面之 间隔水层厚度为 18 55m, 一般为 30 35m, 其岩 性组成主要为∀ 铝土质泥岩; 细砂岩;∃ 粉砂 岩; 煤;∋ 泥岩;细砂岩。 归结起来,由 5 种岩性组成∀ 铝土岩; 砂 岩;∃ 煤; 灰岩;应用随机场理论研究 隔水层中导高的分布规律; 应用钻孔注水试验测试 隔水层带压系数。 根据显水带、导水带及阻水储备带 导高带至 底板破坏带之间 相对 9 煤在空间上的赋存状况, 归纳出 6 种带压开采判别模型, 针对不同模型,采 取直接带压开采、预注浆加固、留设防水煤柱等不 同的防治水对策。 4 3 带压开采安全评价量化研究 应用 岩水应力关系说∗ 把复杂的煤层底板突 水问题,归纳为岩 底板隔水岩体 水 底板承压 水 应力 采动应力与构造应力 关系, 利用原位 地应力测试技术测试采前与采动过程中岩体应力分 布与变化情况,计算分析采动引起的底板破坏强度 与深度。利用物探、钻探手段探测奥灰水原始导升 高度。根据钻探 三量∗ 水压、水量、水温 测 试和原位应力测试结果,计算出不同层段的带压系 数,评价底板隔水层阻水性能, 进而评价带压开采 安全性。 4 4 底板突水前兆实时监测及突水预测预报 引起煤层底板突水的因素是极其复杂的。30 多年来,通过对煤层底板突水问题的研究,尤其是 对其突水机理研究的进一步深化,人们认为, 虽然 影响煤层底板突水的因素是多种多样的, 但其基本 影响因素可以用若干物理、力学指标来表征, 如底 板应力、应变、地温、孔隙水压力等。受采矿活动 影响, 在煤层底板发生底鼓的 4 个阶段即渐增阶 段、持续阶段、底鼓阶段以及破裂突水阶段。以上 各项指标与进尺变化曲线之间有着较好的对应关 系,即这 4 项指标参数能够比较真实可靠地反映煤 层底板突水现象的发生、发展过程。底板原位测试 具有地应力普查和采前突水预测的特点, 突水前兆 实时监测具有实时动态监测的优势, 二者结合起来 形成煤层底板突水预测预报配套技术,在东庞矿 9103 工作面带压开采实践中,充分发挥了这两套 技术的综合优势, 互为验证,取长补短, 为回采工 作的安全提供了全方位指导,取得了良好效果。 4 5 底板注浆加固与改造 隔水层的完整性和足够的阻水性能是带压开采 安全的有利条件, 但由于受沉积条件及构造破坏的 影响, 在隔水层中一般存在薄弱带或潜在导水通 道,对带压开采的安全性构成威胁。特别是夹在隔 水层中的薄层灰岩本溪灰岩,易于奥灰水沟通,个 别井田较为富水, 对 9开采直接造成威胁。因此, 必须通过对底板注浆加固与改造,达到加固隔水 层,改造本溪灰岩为隔水层,起到双重防治水效 果。煤层底板注浆改造是实施带压开采的重要技术 手段。在底板注浆改造过程中, 探索出了 特殊钻 孔处理∗、 互动式注浆工艺∗、 微水钻孔观测技 术∗、 跟管钻进工艺∗、 高压水钻孔及防喷装置∗, 和 双液孔底反灌浆固管技术∗、 化学浆快速固管 技术∗ 等新工艺新方法。 5 结语 下组煤开采是一项极其复杂的牵涉到多学科多 领域的系统工程, 其中最主要的是防治水问题。邢 台矿区今后面临大规模开采 9煤的现实,随着开 采水平的不断延伸,防治水工作难度将更加突出。 因此, 在前期防治水技术与经验基础上, 必须在矿 区、采区和工作面水文地质条件探查方面,隔水层 阻水性能试验与评价方面, 在隔水层富水区段与潜 在导水通道探查与注浆改造技术方面,在突水危险 区预测、监测与突水预警、预报方面,进一步开展 研究工作, 以期达到带压开采更加成熟的防治水技 术。 责任编辑 王雅琴 上接第 26 页 业务规则, 这就减少了转换成本。 3 对现有的应用或者流程加以封装,为它们 提供 Web 服务接口。封装方法具有几个优点。首 先,底层系统本身用不着改动 因而也用不着重新 测试 。其次,可以采用任何级别的粒度进行封装, 既可以为数据库查询这么简单的应用创建服务,也 可以把整个入库单录入流程封装成一项服务。需要 的话, 较低级的服务也非常容易组合成较高级的流 程。第三, 在大多数情况下,这种方法是把现有资 源引入面向服务世界, 因而有望带来最大投资回报 的最快捷、最稳当的途径。最后,对于无法查看源 代码的套装应用而言, 这也许是让系统成为 Web 服务的唯一切实可行的途径。 4 可以获得服务。越来越多的套装应用和系 统在交付时随带 即开即用∗ out- the- box 的 Web 服务支持功能。譬如说, 获得一些大的设备、 材料供应商以及客户的面向 Web 服务, 及时了解供 应商的产品情况及客户信息。 责任编辑 张大鹏 36 中国煤炭第 32 卷第 5 期2006 年 5 月
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