下组煤带压安全开采及防治水技术实践.pdf

第 7 期 山 西 焦 煤 科 技 No. 7 2005年 7 月 Shanxi Coking Coal Science 带压开采; 措施 团柏煤矿位于霍州矿区南部, 井田南部以下团 柏断层为界, 北部以上团柏断层为界, 东部以汾河为 界, 西部为人为边界。井田主要开采煤层有山西组 1 、 2 煤 为优质低硫肥煤, 称上组煤 和太原组的 10 、 11 煤 高硫肥煤, 称下组煤 。地质储量约 3. 7 亿 t, 其中上组煤 0. 6 亿 t, 下组煤为 3. 1 亿 t, 占 83. 9 , 受底板奥灰水或受由奥灰水补给的石灰系 K2灰岩水的威胁很大。 目前开采的 1、 2煤层随着 矿井的延伸厚度变薄到 1. 0 m 以下, 上部煤资源逐 渐枯竭。 为延长矿井服务年限, 只有考虑下组煤的开 采。 科学合理地开采下组煤优质煤炭资源, 实现安全 高效开采就成了该矿井迫切需要研究的技术难题。 团柏矿下组煤层水文地质条件复杂, 属带压开 采煤层。3 层可采煤层均处于 K2 和 O 2两层灰岩之 间。 其中K2灰岩为 9煤层直接顶板, 为影响下组煤 生产主要充水因素。O2灰岩位于 11 煤层下部, 距 11 间距 25 m 左右, 煤层底板承受水压 12 kg/ cm 2, 遇导水构造或底板薄弱地段时, 底板极易发生突水。 为解决好煤层底板突水问题才能保障下组煤安全开 采。 通过水文测试发现该矿石炭二迭纪底板中、 奥灰 水之上普遍存在的一层或多层小的独立、 稳定的含 水层。根据这些特点确定了团柏煤矿带压安全开采 的 4项关键技术。 它们分别是 底板突水的预测预报 方法、 下组煤带压开采期间围岩构造, 水文探测方 法、 下组煤带压开采的井田安全性分区和综合防治 水。 1 底板突水的预测预报方法 在奥灰岩上部的 K1灰岩中布设钻孔, 进行水 位、 水压观测。 通过对收集的数据进行分析、 预报, 实 现了突水预报在区域性与实时性方面的突破。 下组煤首采区共布置监测孔 13 个, 深度均以达 到 K 1为止, 孔口设套管, 水压传感器, 数据采用人 工收集, 计算机分析处理, 每日一报, 对采区的动态 涌水进行适时监测, 有效避免了水害发生。 2 围岩构造水文探测方法 利用地质雷达对巷道异常区超前探测, 查清异 常的范围及性质, 及时采取措施。 特别是对遇陷落柱 进行注浆, 一方面对顶底板的涌水进行了封堵, 另一 方面通过注浆对陷落柱松散性进行加固, 避免了巷 道掘进中片帮、 冒顶事故发生, 确保了巷道过陷落柱 顺利施工。 利用音频电、 直流电法的全空间电法勘探技术, 以岩石的电性差异为基础, 在全空间条件下建场, 在 地下巷道中进行电法测量工作。地下电流通过布置 在巷道内的供电电极在巷道周围岩层中建立起全空 间稳定电场。该稳定电场特征取决于巷道周围岩石 的电性特征及其赋存状态。 测量该电场的变化规律, 使用全空间电场理论处理和解释, 就可找到巷道周 作者简介 曹耀丰 男 1964 年出生 2004 年毕业于太原理工大学硕士研究生班 工程师 霍州 031400 围岩石中引起电场变化的水文、 地质构造等。 针对煤 层顶、 底板的富水情况, 特别是对煤层底板往下 45 m 范围内的突水带及导水构造赋存情况进行了探 查, 对探测出的顶板 K2灰岩富水带通过钻探放水, 提前释放。在 10- 101 工作面应用中, 探测出顶板 K2灰岩二个富水带, 通过对探测出的顶板 K2灰岩 富水带提前钻探放水, 最大泄水量达到 200 m 3/ h。 探测出 10煤层底板下 45 m 范围内存在三个富水 带, 后经过钻探验证, 三个局部富水带都不同程度的 存在富水现象。并对底板进行预注浆加固以防采动 后底板 O2灰岩发生突水, 确保了该工作面的安全 生产。 该技术在团柏矿下组煤进行的试验性探测, 探 出的 5 个可疑点经过回采基本上得到验证。说明该 技术在下组煤带压开采过程中, 特别是在可采煤层 上下部都存在较强含水层的条件下, 确实能够发挥 超前探测的作用。 充分发挥坑透技术的作用, 10- 105 工作面走 向长为 640 m, 宽为 100 m, 储量 18. 2 万 t, 原设计 为轻型综采。 工作面圈定后通过对工作面坑透, 探测 出存在一长轴 70 m, 短轴 50 m 陷落柱, 该陷落柱距 切巷 120 m 左右。通过钻探验证后, 及时修改了设 计方案, 确保了工作面安全生产。 如果在揭露陷落柱 后考虑重新打切巷搬家, 不仅影响时间更长, 而且在 揭露陷落柱后结束工作面就更加困难。而通过探测 陷落柱更改方案, 在陷落柱后部采用高档采煤, 同时 陷落柱前施工二切巷安装综采, 在后部高档回采完 毕后可直接进入综采面回采, 可多出煤炭 9 万 t, 而 且节省了大量人力、 物力、 财力。 3 井田安全技术分区 1 临界突水系数和带压开采。 煤层下履含水层 的水害威胁在我国北方和南方都存在, 在北方主要 是奥灰水和受奥灰水补给的石炭系灰岩水对下组煤 层开采威胁。 但人们在实践中发现, 在一定水压下可 以不疏降下履含水层的水压而不发生突水, 实现煤 层的安全生产。 煤层底板所承受水压是有限的, 当超 过这个限值时, 通常要发生突水。 根据水文地质规程 和有关试验, 将底板能否发生突水通过底板承受水 压, 隔水层厚度和采矿造成的底板破坏深度之间关 系 突水系数 反映出来。即 TS P M - LP 式中 TS突水系数; P 底板承受水压, kgf; M 隔水层厚度。 实际资料表明, 大多数的突水都和隔水层中的 断层裂隙带有关, 规程中所规定的临界水系数已包 含了一般断层和原始导升高度两种因素。 2 团柏井田突水系数等值线图和安全一危险 程度分区。 对下组煤开采有明显影响的含水层是 K2 灰岩和奥灰, K2灰岩是 9 煤层的直接顶板, 但 K2 灰岩是薄层灰岩, 涌水量有限, 主要水害威胁来自奥 灰。奥灰伏于下组煤底板之下, 距 11 煤层间距 25 m 左右, 在奥灰压力水头之下开采下组煤层存在奥 灰突水威胁。 直接威胁层是奥灰顶层一峰峰含水层。 根据突水系数计算公式, 计算绘制了 10 、 11 煤层 突水系数等值线图, 划分了突水危险区 突水系数大 于临界值 0. 6 ; 相对安全可采区 突水系数大于零, 小于 0. 6 ; 绝对安全区 突水系数为零, 奥灰压力水 头 520. 5 m 。如把隔水层厚度按平均值考虑, 计 算出危险区与相对安全可采区分界线的平均高程 根据公式 TS 525- Hs临 / 10 M平均- 10 式中 Ts临界突水系数; M平均煤层底板平均隔水层厚度, m; Hs临危险区与相对安全区分界线平均高程, m; 10 煤高程 h临 525 - 10 Ts临 M平均- 10 358. 02; 11煤高程 h临 525 - 10 Ts临 M平均- 10 419. 4 m。 3 不同安全分区可开采和可解放的下组煤层 储量。 根据计算原团柏井田范围内, 相对安全区可采 储量, 即奥灰水位之下, 临界突水系数为 0. 6 以下, 在 10煤层底板标高 358 m 之上, 11煤层底板标 高在 419. 4 m, 这部分储量可以在采取防水措施条 10 山 西 焦 煤 科 技2005 年第 7 期 件下进行不疏降带压开采, 仅矿井原范围内 10煤 可利用储量 5600 万 t。 4 下组煤层开采可行性分析。 根据突水系数计 算和安全条件分析, 团柏矿井田下组煤层开采水文 地质条件可分绝对安全可采区、 相对安全可采区和 突水危险区。 在水文地质条件上, 团柏井田在团柏河 西侧是一个三面隔水一面进水的袋形构造, 含水强 度由西向东逐步减弱, 在第Ⅱ勘探线 团 7- 团 9 以 东为极强和强含水区, 这两个区奥灰岩溶发育, 离郭 庄泉排泄带近, 一旦发生突水奥灰水将从排泄带倒 补给矿井, 涌水量将很大。 因此在目前技术经济条件 下不能进行下组煤层的开采, 在第Ⅱ勘探线以西, 为 较弱和弱含水区, 由于处于三面隔水的半封闭状态, 岩溶发育较弱, 距郭庄泉排泄带远- 6 km 以上, 因 此奥灰疏降水量或矿井涌水量较小。而井田Ⅱ勘探 以西, 峰峰含水组含水性弱, 下履的马家沟含水组含 水性强, 在两含水组之间普遍存在一层隔水层 灰岩 石膏带 , 而峰峰组位于奥灰顶层, 是下组煤层开采 的直接突水威胁含水层, 水量相对要小, 因此在对顶 部 K 2水提前疏放而不疏降奥灰水的条件下, 在下 组煤层相对安全可采区范围内通过采取有效的防治 水措施, 可进行安全生产。 4 防治水技术综合运用 1 突水监测。 利用监测孔监测层对矿井的涌水 区域、 时间进行预报, 在该矿已实施了 2 年, 到目前 为止 10- 101、 10- 103、 10- 105 工作面开采已经结 束。预测结果还没有突水的可能性, 与实际情况一 致, 说明监测系统有一定的可信性。 2 留设防水煤柱, 建立防水设施, 排水系流。 在 查明采区地质及水文地质条件基础上留设合理防水 煤柱。 团柏下组煤防水煤柱均考虑两个因素, 其一是 采煤层方向的突水, 其二是考虑煤层底板方向的突 水。 根据实际需要, 团柏矿在首采区轨道巷、 皮带巷 入口分别施工了防水闸门, 并制定了符合实际的管 理制度; 建立了与涌水量相匹配的水仓以及与之适 应的排水设施; 同时完善了排水系统。 在首采区左翼 施工了泄水巷, 该泄水巷已服务了三个回采面, 对回 采安全生产起到了无法估量的作用。 3 注浆加固异常区。 对于下组煤底板岩层中的 含水层, 当其富水性较弱、 厚度较小时, 采用向这些 含水层注浆的措施, 变含水层为隔水层, 有效避免采 掘工作中突水。 4 采掘前疏水降压。 通过对 K2灰岩裂隙产状、 裂隙发育情况及涌水量变化情况分析, 提出疏水方 案 从巷道揭露 K2灰岩裂隙情况分析, K2灰岩裂隙 成带状分布, 裂隙走向与盘区巷道近似垂直, 在裂隙 发育段淋水较大, 在裂隙发育较弱段几乎无淋水, 且 随着巷道的前掘新出水点增加, 后部 K2裂隙水逐 渐变小, 甚至出现干涸现象, 而下组煤总涌水量随着 K2灰岩揭露面积增大而涌水量变化不明显。说明 K2灰岩裂隙之间联通性较差, 水源补给不充分, 在 一定范围内可经过短期放水而达到疏水目的。进而 确定了加快盘区准备巷道掘进提前进行疏水的方 案, 从而确保了回采首采面涌水量仅增加 120 m 3/ h。 该项技术基于多含水层的水力联系, 合理选择 了安全性较高的标志含水层作为奥灰突水预测预报 的监测层, 建立了奥灰突水预测预报理论, 并将其技 术化, 应用于工程实际, 以突水系数为指标进行了带 压开采的安全性评价, 综合运用了先进的物探技术。 包括 利用地质雷达探测技术对巷道异常区进行超 前探测, 利用音频电和直流电法对回采工作面顶、 底 板的异常区进行超前探测; 利用坑透技术对回采工 作面内部构造进行超前探测; 对探明的采、 掘工作面 前方的异常区进行了有效的预注浆防水处理。通过 在团柏煤矿应用, 实现了团柏矿下组煤 10层的安 全回采, 为 11煤层开采积累了经验。从 2002 年到 2003 年共采出煤炭 50 万 t, 创造产值 1. 3 亿 元, 效 益7500 万 元。 在资源利用方面, 目前仅团柏矿井可 解放 10煤储量 5600 万 t; 在安全效益方面, 在不进 行疏降水的条件下, 通过采取各项措施确保了矿井 安全生产。 不仅解决了团柏矿可采资源紧张的难题, 而且为该矿的持续发展提供了技术保障。 收稿日期 2005- 04- 24 下转第 42 页 112005 年第 7 期曹耀丰 下组煤带压安全开采及防治水技术实践 投资、 财务管理等都有着重要作用, 若忽视资金的时 间价值可能会给企业带来很大的损失。 收稿日期 2005- 05- 02 Think of Debt Recomposed Standard Ren Xiu Abstract Compares old with new enterprise accounting, discusses the existing problems in coruse of cuting new enterprise accounting standard, makes a suggestion on new standard tandard. Key words Debt; Recomposed; Fair and proper value; Standard 上接第 11页 Safety Mining with Water Pressure Prevention and Treatment Water Measures for Hypoground Coal Cao Yaofeng Abstract Studies the forecast s of floor water inrush, hydrology survey s of surroud rock construction and selects the position of first mining area in T uanbai coalfield, adopts prevented and treated water measures to realize safety mining with water pressure. Key words Hypoground coal; Mining with water pressure; Measures 上接第 17页 二号井田内O2s水质良好, O2f水质较差。 人为加 大取水量, 有利于改变地下水的迳流、 排泄条件, 使 水质淡化。 收稿日期 2005- 05- 17 The Characteristics of 2 Well Ordovicion Karst in Baijiazhuang Mine Area Hao Fengming Abstract Analyses characteristics of 2well ordovicion karst of Baijianzhuang coal mine, studies hydrologic drilling in and surround Baijiazhuang mine area. Key words Constructive conditions; Hydrologic drilling; Ordovicion karst; Pressurized mining 42 山 西 焦 煤 科 技2005 年第 7 期