葛泉矿东井9# 煤带压开采研究.pdf

葛泉矿东井 9煤带压开采研究 李德强 1 , 李德红 2, 刘利涛3, 周怀强4, 朱文敏1 1 河北工程大学资源学院, 河北 邯郸 056038; 2 防化指挥工程学院四系, 北京 102205; 3 上海市民生路 1518 号金 鹰大厦 B座 1804 室, 上海 200135; 4 河北省邯郸市中小企业局, 河北 邯郸 056002 [ 摘 要] 以葛泉矿东井水文地质条件为基础, 结合突水系数理论和涌水量计算理论, 通过实施物 探、 钻探、 水闸门、 底板注浆加固、 底板突水自动识别系统和突水水源判别系统等一系列工程措施, 总结出 一整套高承压岩溶含水层上带压开采下组煤的防治水技术, 分析得出葛泉矿东井下组煤带压开采的可行 性方法。 [ 关键词] 开采; 防治水; 可行性研究 [ 中图分类号] P641 461 [ 文献标识码] A [ 文章编号] 1004- 1184 2009 03- 0045- 03 [收稿日期] 2009- 02- 01 [作者简介] 李德强1980- , 男, 安徽颖上人, 硕士, 主要研究煤矿防治水, 注册安全工程师。 Gequan East Mine 9Coal Pressure Mining Study LI De- qiang1, LI De- hong 2, LIU Li- tao3, ZHOU Huai- qiang4, ZHU Wen- min1 1. Hebei University of Engineering HanDan, 056038, HeBei, China; 2. Four Dep. Antichemical Command Engineering College, Beijing 102205, China; 3. Room 1804, Building B, Shanghai Golden Ea gle Mansion, No. 1518, Minsheng Road, Shanghai 200135, China; 4. Handan SME Bureau, Handan 056002, H ebei, China Abstract T he article is based on hydrogeological condition of Gequan East Mining, combing with theories of the inrush coefficient and yield quantity, through implementation of geophysical prospecting, drilling, water gate, backplate grouting reinforcement, inrush water resources of automatic identifica tion system and other engineering measures, concludes a whole set of high- pressure karst aquifer pres sure on the group of coal mining under the control of water technology and achieves the feasibility of mining which mining of pressure underground coal. Key words mining, control water and feasibility study 长期以来, 开采 9 煤资源因受到底板奥灰水的威 胁, 一直都是煤炭行业面临的重大难题, 虽然采取了相 应措施, 却屡次遭遇水害或迫于奥灰水威胁而中止。 针对本区域复杂的水文地质条件, 葛泉矿东井采用了 井上井下相结合, 全方位多层次的勘探手段的同时, 采 用钻探和注浆反复结合等方法, 克服了高承压岩溶含 水层上带压开采下组煤的防治水技术难题, 顺利采出 了 9 煤, 以事实论证了葛泉矿东井 9 煤开采防治水 技术的可行性。 1 概况 葛泉矿东井 1907 年 5 月正式投产, 主采煤层为下 组煤 9煤。葛泉井田地表全为新生界地层所覆盖, 根 据钻孔及井巷揭露, 井田内发育的地层自老至新依次 为奥陶系中统马家沟组与峰峰组, 石炭系中统本溪组、 上统太原组, 二叠系下统山西组、 下石盒子组, 上统上 石盒子组以及第四系。采区位于葛泉矿东井, 北以 F12- 1 断层及 9 煤露头线为界, 南以 F13 断层为界, 西以 F6、 F12- 1 为界, 东以 9煤层露头线为界。井田 构造主要受 NE 和 NW 两个方向控制, 构造形态复杂。 小断层具有成群、 成带发育的特点。葛泉井田已揭露 陷落柱 123 个, 且多集中分布在下解向斜轴部附近, 其 密集区域随着大油村向斜轴部的偏转而发生变化。 2 水害分析 对采煤产生影响的主要含水层为大青灰岩含水 45 2009 年 5 月 第 31 卷 第 3 期 地下水 Ground water M ay , 2009 Vol 31 NO 3 层、 本溪灰岩含水层和奥陶系中统灰岩含水层。大青 灰岩岩溶裂隙发育不均一, 富水性具有不均一性特点。 奥陶系灰岩含水层为富水性很强的岩溶裂隙承压含水 层。自然条件下本溪灰岩水与奥灰水之间存在明显的 水力联系。奥灰含水层与上覆本溪组地层呈假整合 接触。 试采区奥灰顶面距下组煤主采煤层 9煤底板 38 55 m, 奥灰含水层是开采 9煤主要充水水源, 主要 的充水通道包括导水断层、 原生导水裂隙以及采煤引 起的顶底板导水裂隙等。 葛泉东井井田含水层之间的隔水层, 从上至下划 分为三个隔水层组, 即 1 第四系底部砾石含水层与石盒子砂岩含水层 之间的隔水层; 2 基岩各含水层之间的隔水层; 3 9煤底板至奥灰含水层之间的隔水层, 其中 9 煤底板至奥灰含水层之间的隔水层是我们开采下组 煤 9煤所关注的隔水层, 此隔水层的隔水性能直接影 响采煤的安全性。 综上所述, 葛泉矿东井主要水害是沿原生裂隙、 导 水陷落柱或次生裂隙发生突水的 9 煤底板下伏奥灰 承压水。 3 防治水措施 针对葛泉矿东井构造形态, 充水水源以及充水通 道的特点, 在防治水工作方面制订了以下具体措施 1 根据不同地质构造情况采取相适应的防治水 措施; 2 选择合理的采煤方法; 3 对 9煤底板水文地质条件进行物探; 4 留足断层防水煤柱; 5 建立分区隔离水闸门 墙 ; 6 进一步完善矿井排水系统, 增强矿井抗灾能力 7 对底板进行注浆加固; 8 开发突水水源判别与水质快速检测系统。 总之, 通过对 9煤层底板承压水水文地质特征分 析, 积极采取科学有效的预防措施, 加大防治水安全投 入, 完全能够实现安全开采, 最大限度地回采煤炭资 源, 减少不必要的损失和浪费。 4 利用突水系数和涌水量计算分析开采 9 煤的安全性 41 利用突水系数分析开采 9 煤的安全性 奥灰承压水上煤层, 最关注的是煤层底板是否会 发生突水。而突水系数作为评价底板突水可能性的一 种方法, 在煤矿生产实践中得到广泛使用。 突水系数 TS P M- CP 式中 TS为突水系数 Mpa/ m ; P 为奥灰含水层 承压水作用在隔水层上的水压 Mpa , 可根据奥灰水 位和奥灰顶面标高求得; M 为 9煤至奥灰含水层间隔 水层的厚度, 它由两部分组成, 一部分是 9煤至奥灰 顶面间的隔水层, 另一部分是奥灰顶部风化壳; CP为煤 层回采过程中, 采动应力对底板隔水层的破坏深度 m , 本次综采放顶煤开采, 采面斜宽 100 m, 因此根据 底板破坏理论预计采动对底板破坏深度 12 m。 利用上式, 求得试采区突水系数值, 见表 1。 通过长期生产实践, 我国华北煤田各矿井对奥灰 顶部充填带作用都有着不同认识, 为此就隔水层厚度 一项, 便以含与不含奥灰顶部充填带, 分别计算突水 系数。 表 1 葛泉矿东井 9煤试采区突水系数值表 奥灰 水位 隔水层厚度 m 与组成 采动破坏 深度 m 底板标 高 m 奥灰水 压 MPa 突水系数 M Pa/ m 28 09 51m 含奥灰顶部充填 13 - 1101 780 039 - 1502 180 048 40m 不含奥灰水顶部充填 13 - 1101 780 070 - 1502 180 086 50 92 51m 含奥灰顶部充填 13 - 1102 010 044 - 1502 410 053 40m 不含奥灰水顶部充填 13 - 1102 010 079 - 1502 410 095 76 33 51m 含奥灰顶部充填 13 - 1102 260 050 - 1502 660 058 40m 不含奥灰水顶部充填 13 - 1102 260 089 - 1502 660 105 关于构造对底板突水系数的影响, 根据矿井水文 地质规程 附录四, 对突水系数作了如下规定 安全区 T 0 15 Mpa/ m 由表 1 可以看出, 试采区 - 150 水平以上, 绝大部 分范围都小于 0 06 Mpa/ m, 属安全区, 而只有一小部 分地段略高于 0 06 Mpa/ m, 达到 0 07 Mpa/ m 左右; 其它范围全部都处于过渡区。然后针对奥灰水富水地 段与底板隔水层薄弱带及潜在导水通道进行注浆加 固, 这样对 - 150 水平以上带压开采是可行的。 4 2 奥灰水涌水量预计分析 本次涌水量计算, 采用裘布依公式和比拟式进行 计算。计算过程中, 根据以往水位变化观测统计资料, 其最高水位为 76 33 m, 平水年平均水位为 5092 m。 4 2 1 根据裘布依公式 46 第 31 卷 第 3 期 地下水 2009 年 5 月 Q 2 73 KmS lgR0- lgr 式中 Q 为奥灰涌水量, m 3/ h; K 为渗透系数采用补 30 孔, 取值 2 627 2 m/ d;m 为奥灰 7 段厚度,取 79 m; 1 最大涌水量 S为水位降深,取值 226 33 m;r为假设突水半径, 取 值 0 14 m;R 为影响半径, R 10 SK, 取值 3 668 5 m; Q 2 73 2 627 2 79 20092 lg3 6885- lg014 29 028 85 m3/ d 1 209 5 m3/ h 2 正常涌水量 S 为水位降深, 取值 200 92 m; R 为影响半径, R 10SK, 取值 325 6 6 m; Q 2 73 2 627 2 79 20092 lg3 2566- lg014 26 094 28 m3/ d 1 087 26 m 3/ h 42 2 根据比拟式计算 Q Q1 S S1 式中 Q 为奥灰涌水量, m3/ h; Q1为 1120 工作面 风巷底板突水, 涌水量 600 m3/ h; S1为突水点标高 - 138 m, 奥灰水位标高为 52 m, 其降深取值 190 m; 1 最大涌水量 S为- 150 m 水平, 奥灰水位降深, 取值 226 33 m; Q 600 226 33 190 71473 m3/ h 2 正常涌水量 S为- 150 m 水平, 奥灰水位降深, 取值 200 92 m; Q 600 200 92 190 63448 m 3/ h 根据上述计算结果, 综合试采区水文地质条件, 矿 井奥灰水疏降至 - 150 m 水平以上, 其正常涌水量为 634 48 m 3/ h, 最大涌水量为 1 209 5 m3/ h。葛泉矿东井 正常排水能力为 576 m3/ h, 最大排水能力为 1 152 m 3/ h。设有内外水仓两个, 总容量 2 499 m3。符合要求, 试 采区在正常涌水量和最大涌水量方面具备开采条件。 5 结论 针对葛泉矿东井 9煤复杂的水文地质条件, 经实 践探索分析, 在突水系数和涌水量计算满足实际要求 的基础上, 通过反复实施物探、 钻探、 水闸门、 底板加固 和突水判别系统等一系列防治水技术, 安全采出下组 煤 9煤, 以事实论证了葛泉矿东井 9煤开采防治水 技术的可行性, 形成了一整套预防煤矿开采水害事故 发生的技术措施, 对促进公司经济增长和提高科技创 新能力具有重要意义。 参考文献 [ 1] 段水云 煤层底板突水系数计算公式的探讨[ J] 水文地质 工程地质 , 2003, 01 [ 2] 汪明武, 金菊良, 李丽 煤矿底板突水危险性投影寻踪综合 评价模型[J]煤炭学报 , 2002, 05 [ 3] 刘兴锁, 葛泉矿大倾角综采工作面开采实践[ J], 河北金牛 能源股份有限公司地测部 河北邢台, 2008, 02 [ 4] 煤炭科学研究总院西安分院 华北型煤矿奥灰水防治研究 [M] 西安 陕西人民出版社, 1990 [ 5] 房佩贤, 卫中鼎, 廖资生, 等 1 专门水文地质学[ M] 1 北京 地质出版社, 1987 [ 6] 黎良杰, 张建军 煤层底板突水的计算预测及应用[ J] 煤 田地质与勘探, 1995 , 234 [ 7] 李加祥, 连传杰, 郭维嘉, 等 厚煤层重复采动时底板岩体 的破坏深度[ J] 煤田地质与勘, 1995 234 上接第 37 页 和地下水的水量、 水质进行统一监测, 逐步建立自动监测和遥测系统; 加强对取、 供、 用、 排水 的计量管理, 建立水资源评价、 规划和取水许可等水资 源管理信息系统, 完善水资源信息采集、 传输、 处理、 存 储、 服务一体化的信息系统。加强水资源信息服务, 随 时随地为各级领导和有关部门及全社会提供服务。 34 加强水资源分析与研究, 实现水资源合理利用 近 20 年来, 随着人类大规模经济活动的影响, 用 水量大幅度增加, 从而造成水资源不断衰竭, 河川径流 量日趋减少, 经常发生断流, 局部地区的地下水位不断 下降。另外, 水污染日趋严重, 生态环境遭到破坏。这 些必需调查水资源开发利用现状, 评价地表水、 地下水 资源数量和质量, 进行∀ 四水转化水文模型和地下水 数值模型的研究, 分析区域水文循环规律及水文地质 条件。根据朝阳市水中长期供需计划和国民经济发展 计划, 进行国民经济发展与需水、 不同水平年可供水量 预测和水资源供需平衡分析。 3 5 加强水资源管理与保护, 适应水利可持续发展 建立全市水资源综合管理机制, 制定符合水资源 特点和社会经济发展规律的水资源综合规划, 优化配 置水资源, 使之与生产力布局相协调; 建立科学用水管 理制度, 在实施取水许可制度的基础上, 运用定额管 理、 干旱风险控制管理和公众参与等机制, 使水量调 配、 计划用水、 节约用水相互结合, 提高水资源的利用 效率; 建立水资源开发利用与水资源承载能力相协调 的水资源保护机制, 把水功能区划分、 水体污染物总量 控制等水资源保护措施作为水资源可持续利用的基 础, 维护和改善水生态环境。 47 第 31 卷 第 3 期 地下水 2009 年 5 月