峰局五矿下组煤带压开采的可行性与建议.pdf

收稿日期 2001-01-15 峰局五矿下组煤带压开采的可行性与建议 刘唐生1 邵爱军2 1. 石家庄经济学院 050031 2. 峰峰矿务局五矿 056201 摘要 峰局五矿是多年开采的老矿。近些年, 随着开采深度的不断增加和开采层次的逐渐下移, 来自 底部岩溶高承压水的威胁日趋严重, 实际生产能力逐年下降。下组煤能否开采是关系到矿井生存与发展的 大问题。作者根据多年的研究成果和工作实践, 就下组煤带压开采的可行性, 谈一些看法和建议。 关键词 下组煤 带压开采 矿井突水 中图分类号P641. 461 文献标识码B 文章编号 1007-1903 2001 01-0016-05 峰局五矿属华北型煤田, 煤层储藏于石炭二叠系, 可采煤 7 层, 按煤系基底承压水对 开采安全威胁的程度, 分为上下 2 个煤层组。目前主要开采上组煤 上四层 大煤、 一座、 野 青和山青, 年产量近百万吨, 截止到 1998年底上组煤可采储量仅剩 364 万吨。下组煤 下三 层 小青、 大青和下架煤可采储量 4062. 2 万吨。 上组煤的实际可采储量已非常有限, 下组煤 能不能开采, 已成为影响其生存与发展的严重障碍。下组煤位于岩溶水文地质类型区, 水文 地质条件极为复杂, 煤层底板承受较高的水头压力, 极易引发矿井突水事故, 从而造成巨大 的经济损失并遗留下诸多难以消除的隐患。 要保证下组煤炭资源的开发, 必须摆脱突水灾害 的困扰, 采取实事求是、 积极稳妥的科学态度, 制定出安全、 经济、 合理的技术路线, 正确地解 决防治水问题, 这是峰局五矿所面临的一项非常紧迫任务。 1 水文地质条件概述 查清水文地质条件是制定合理的开采方案和有效的防治水措施的基础。 经过地质探查, 结合环境同位素、 渗透张量、 数值模拟等多种方法的综合研究, 进一步查清了五矿的水文地 质条件, 掌握了大青和奥灰水之间的补给运移规律。 1. 1 主要含水层及其特征 大青灰岩含水层 大青灰岩为大青煤直接顶板, 位于山青煤以下 45m, 小青煤以下30m。 层厚4～6m, 分布 比较稳定。 裂隙发育, 富水性强, 裂隙率 4 。 大青灰岩为非均质各向异性含水介质。 井下单 涌水量一般 2～3m 3/ min, 最大 7. 4m3/ min, 最小不足 0. 3m3/ min。水化学类型为 HCO3- SO4- Ca- Na 型水, 矿化度 0. 45～11g/ L, pH 值 6. 4～8. 0。大青灰岩主要通过断层的透水 段接受奥灰强含水层的补给。 目前水位标高80～120m。 本层为富水性强的裂隙岩溶承压水。 奥陶系灰岩含水层 中奥陶系灰岩为煤系地层的基底。根据岩性组合和沉积旋回划分为 3 组 8 段, 其中 2、 4、 5、 7 段为强含水段, 其余各段为相对隔水段或弱含水段。井田内 8 段厚 15～20m, 岩溶裂 隙多被充填, 为相对隔水段。7 段厚 85m, 裂隙岩溶发育, 富水性极强, 井下钻孔单孔涌水量 2001 年北 京 地 质第 1 期 为 1. 5～4m 3/ min。水质好, 矿化度低, 水化学类型为 HCO3 - SO 4- Ca- Mg 型水, 矿化度 0. 5g/ L, pH 值 7. 4～9. 3。目前井田内水位标高为 124m。本层为富水性极强的岩溶承压含 水层。 1. 2 地下水运移规律 奥陶系灰岩在鼓山裸露区接受大气降水补给渗入地下后, 受地形、 构造的控制, 顺岩层 倾向由西向东径流, 遇到煤系受阻后向南运动, 至黑龙洞泉群排泄。地下水在由鼓山向东径 流的过程中, 由于受煤系的限制, 由裸露区潜水转化为埋藏区承压水。天然状态下以泉为主 要排泄方式, 非天然状态下以矿井排水、 突水以及工农业生产、 居民生活用水的抽取为主要 排泄方式。 大青灰岩厚度较小 4～6m , 储水量有限, 在矿山常年排水、 突水等因素的影响之下, 如 果没有奥灰水的补给早已疏干。 井田内断距较大断层两侧的奥灰与大青灰岩对接, 奥灰水通 过断层直接补给大青灰岩。另外, 井田内封孔质量不佳的钻孔使得奥灰水与大青水沟通, 二 者发生水力联系, 造成奥灰水对大青水的补给。大青水主要通过矿井排水、 突水等方式进行 排泄。 总之, 大青和奥灰含水层彼此不是孤立的, 在一定的条件下互相沟通, 形成了以奥灰水 为主体, 以大青水为次的复杂的地下水系统。 1. 3 水文地质分区 根据五矿井田地质构造和水文地质条件, 由西向东将井田划分为 3 个水文地质区。 西北区 位于井田的西北部, 介于两断层之间, 在地质构造上为一地堑构造。大青灰岩含水层放 水试验表明该区与中央区无水力联系, 为一独立的水文地质地段。该区目前为非生产区段。 中央区 位于西北区和东翼区之间, 包括五矿的大部分地区, 为五矿的主要生产区, 面积约 9km 2。区内由于背斜、 向斜和断层等构造的存在, 使其大青水和奥灰水在空间上存在差异 性, 水文地质特征不尽相同。该区为地下水径流区, 水量丰富, 水文地质条件复杂。 东翼区 位于五矿东部, 介于两断层之间, 南北长2400m, 东西最宽处约 700 余 m。 属于径流条件 相对较弱的封闭型水文地质单元。 大青含水层具有水压高、 水量小、 易于疏降的特点, 单孔涌 水量 0. 1～1. 3m 3/ min, 水位 115～ 120m。奥灰含水层平孔涌水量 3. 8m3/ min, 水位 122～ 124m。 2 矿井突水主因分析 峰峰矿区是突水比较严重的矿区之一, 截止到 1996 年底发生比较严重的突水事故 23 起。根据峰峰突水点现场观测资料, 对比未突水的安全采区, 分析突水与不突水的原因和条 件, 可以看出煤层底板突水是多种因素综合作用的结果。 其中起主导作用的制约因素有五个 方面, 正确认识这些因素在突水中的作用, 是合理制定防治水措施的关键。 2. 1 水压是引发突水的重要作用力之一 高水头压力是引起突水的一个重要条件。 位于煤层底板的含水层, 采掘工作面一般不能 直接揭露, 中间隔有不透水或弱透水岩层。 承压水要进入采掘空间必须要有一种力突破隔水 17 2001 年北 京 地 质 层或冲刷扩大其中的弱透水裂隙, 并经过物理弱化作用克服水在裂隙中的流动阻力。 若下伏 承压水的压力较小, 完不成上述过程则不可能形成突水。因此, 水头压力在突水中的作用是 至关重要的。 2. 2 结构面及其物理性状对突水起决定作用 结构面 包括断层、 节理、 裂隙、 褶皱轴面等 是煤层底板地下水运动的主要通道。“ 突水 必有隙, 有隙不一定突水” , 这就是说, 并不是所有的结构面都能将承压水导入工作面, 还要 根据结构面的物理性状具体问题具体分析, 来判断突水与否。结构面在承压水环境条件下, 按照各自的水力联系, 有的充满了水, 并潜伏着一定能量的水压势能。这种有水压能量的潜 伏裂隙水, 在工程采动的影响下极易形成强渗通道诱发突水。 突水量的大小与水源和距采掘 工作面的距离有关。总之, 对于每个矿区、 采区和采掘工作面的结构面应进行细致的调查研 究, 找出它们的分布规律和特征, 结合其它条件就能定性地确定可能突水的地段与位置。 2. 3 工程采动效应是诱发突水的重要原因 当工作面从切眼开始回采之后, 采面围岩体的应力状态将发生变化。随着工作面的推 进, 煤层底板前方处于支承压力的作用下而受到压缩。 工作面推过后, 应力释放, 底板处于膨 胀状态。随着顶板的塌落, 采空区冒落矸石的压实, 工作面后方一定距离的底板又恢复到原 岩应力状态。 由于工作面总是处于不断地推进过程中, 从而导致底板出现压缩膨胀压缩 的状态。而在压缩与膨胀变形的过渡区, 底板最易出现剪切塑变而发生破坏。 在工程采动作用的影响下, 能够引发原有结构面的再次扩展, 与新老结构面一起, 在煤 层底板形成采动裂隙带。 裂隙带将会削弱底板的阻水作用, 极易形成强涌通道, 而导致突水。 采动破坏影响深度是有一定限度的, 理论计算和实际观测资料表明, 最大的破坏影响深度一 般在 20m 左右。 对于近水平的煤层底板最大破坏深度位于上、 下出口处, 对于倾斜煤层底板 最大破坏深度位于下出口处。 2. 4 回采面积对突水的影响 在正常的地质条件下, 只有当采空面积达到一定的范围所产生的采动效应, 才能使隔水 层阻水能力降低到不能阻抗水压而发生突水。开采面积的扩大, 周期来压次数增多, 对底板 多次反复作用, 使底板采动裂隙越来越发育, 阻抗能力越来越低。反之, 当采动活动停止, 矿 压趋于稳定并逐渐恢复到原来的平衡状态, 底板裂隙部分压闭收缩。因此, 缩短工作面长度 或对煤层采用串、 穿采等方式, 可以减少采动和矿压对煤层底板的影响和破坏深度, 是遏制 突水的有效手段之一。 2. 5 隔水底板岩层厚度对突水起重要的制约作用 隔水底板由于自身向下的重力作用和阻抗能力, 对承压水起到压盖作用。 水要突破隔水 层或冲扩其弱透水的裂隙, 必须克服压盖阻力。显然, 隔水底板愈厚, 阻力愈大, 突水的可能 性越小。 对于有断层存在的隔水底板应具体分析, 其隔水层厚度应采用突水点至断层另一盘 含水层的最短距离。对于导水断层, 隔水层厚度应采用突水点至断层的最短距离。 以上 3 个方面是煤层底板突水的主要影响因素, 其中结构面和水压是形成突水的基本 条件, 采动是诱导因素, 隔水层厚度是制约因素, 水压和回采面积是可人为控制的因素。 在具 体突水过程中五个因素之间的相互作用关系是错综复杂的, 在预测突水时应具体问题具体 分析。 18 峰局五矿下组煤带压开采的可行性与建议第 1 期 3 带压开采的可行性与建议 所谓“ 带压开采” 就是利用底板隔水层的阻水作用, 在不降低水压或少量疏水降压的条 件下, 带水压进行开采。带压开采经济效益好, 但不能确保不发生突水事故。 关于带压开采下组煤的可行性, 从 20 世纪 70 年代末期, 峰局各矿做了许多研究、 探查 和试验工作, 取得了一定的成效和经验。但目前尚不能大面积正常开采, 其主要原因是 1 开采区往深部 - 100m 以下 延伸, 其地质和水文地质条件比较复杂, 不容易搞得十 分清楚, 对奥灰承压含水层地下水运移的规律不易掌握。 2 底板突水是由多种作用影响和多种条件制约的煤层围岩体变形破坏失稳的特殊问 题。 由于作用影响和条件制约因素十分复杂, 许多因素不仅难于确定, 而且更难于定量表达, 无法准确地预测出严重突水事故的发生地点, 以便有针对性的制定预防措施。 3 矿井目前的排放能力, 尚不能应付在下组煤开采中, 强含水层 大青和奥灰 突水的威 胁。 4 制定安全可靠的防治水措施, 往往需要高额费用。 5 峰局各矿目前成功地带压开采下组煤的例证不多。 6 一些老矿 包括五矿 大多有四、 五十年的开采历史, 进行大规模技术改造困难很大。 7 带压开采下组煤, 一旦发生突水事故, 其危害很大。 基于上述原因, 五矿要带压开采下组煤, 必须遵循先局部后整体、 先易后难、 先浅后深、 先滞流区后径流区的原则, 认真研究和学习带压开采下组煤的成功经验, 合理制定开采方 案。综合几年来的科研成果分析, 五矿东翼区已初步具备带压开采下组煤的基本条件。 东翼区已探明的地质储量 小青煤 221. 2万吨、 大青煤 314. 1 万吨、 下架煤 467. 3 万吨, - 100m 水平以下山青煤地质储量 75. 5 万吨, 可采储量 36. 5 万吨。 由于受断层切割, 东翼区 呈阶梯状抬起, 煤层埋藏较浅。 经 1983 年、 1996 年两次放水试验证实, 与强径流带中央区没 有水力联系, 属于径流条件相对较弱的封闭型水文地质单元。 如果进行采掘, 可先在- 125m 水平以上的山青煤和小青煤层进行试采, 取得经验后再推广。在具体制定采掘方案时, 要特 别注意以下几个方面 1 首先要认真研究和学习峰局处于相同条件下其它矿区带压开采下组煤的成功经验。 从地质、 水文地质条件, 煤层埋深, 防治措施等诸方面进行对比, 对不成功的例证, 也应从上 述几个方面进行对比, 总结经验, 吸取教训, 以便定出较为合理的采掘方案。 2 断层是导致突水的关键, 必须在预采区彻底查清, 绘制相应的断层分布图。对于落差 大于30～50m, 切穿大青含水层的大断层, 应尽量绕避, 不能绕避的要进行预注灌浆封堵。 落 差在 10m 左右的断层, 在探清产状、 断层带透水性和含水层之间的联系, 如有透水危险应适 当留设防水煤柱保护断层带不受破坏。对在掘进中揭露的有渗水现象的小断层和涌水的裂 隙, 采前要进行预注浆加固, 堵塞渗水通道, 同时要控制和减少采动的影响。 3 加大东翼区井下排水能力, 以保证进行必要的大青和奥灰水文地质钻探, 降低大青水 位, 确保安全开采。五矿东翼区目前的排水系统其允许排水能力为 4m 3/ min, 峰局历史上最 大突水量 70. 2m 3/ min 一矿奥灰水 , 邻矿牛儿庄 56603 工作面突水量最大达39. 8m3 / min 大青水 , 均大大超过东翼区目前的允许排水能力。突水量一旦超过排放能力, 就会造成停 产、 淹井等严重事故。所以五矿应按局的设计要求, 扩充泵房水仓容积, 在- 100m 水平东翼 19 2001 年北 京 地 质 泵房增设备用排水设施, 以便应急, 增大排放量, 减轻突水危害。 4 分区控制隔离开采。利用上组煤集中开拓大, 用分区或采区石门开拓下组煤, 采区或 分区之间要留设区间隔离煤柱, 分区或采区石门内设安全防水闸门, 实现下组煤层层隔离、 采区间隔离, 上组煤与下组煤隔离。 各分区或采区内, 要有可靠的安全出口、 避灾路线和畅通 的流水系统。 5 削弱和减轻矿山压力的作用。 回采工作面的突水点大多发生在上下出口附近, 下出口 处尤多。 这往往与该处留有局部煤柱, 支柱未撤尽形成局部应力集中有关。 第一次顶板垮落 式老顶周期来压期间是发生突水的诱导因素, 也是发生突水的最危险时刻。 为了减少矿压活 动的影响, 可因地制宜地采用一部分小工作面的方法, 加快工作面推进速度, 减少周期来压 对底板作用的时间效应。 第一次放顶可采用人工迫降, 减少大面积冒落时的冲击压力。 淄博 各矿还较多地采用了带状充填 用矸石砌充填带 的办法, 某些突水危险性较大的地段还采 用了“ 条采” 方式。这些都收到了良好的安全效果。 总之, 带压开采下组煤应采取实事求是, 积极稳妥的科学态度, 制定一条既经济又合理 的技术路线, 先搞试点, 逐步推广, 带压开采东翼区下组煤将是可行的。 THE FEASIBILITY AND SUGGESTION ON THE EXPLOITING OF THE LOWER SERIES COAL WITH WATER PRESSURE IN FENGFENG FIVE MINE Liu T angsheng1 Shao Aijun2 1. Shij iazhuang University of Economy 050031 2. Fengf eng Five Mine 056017 Abstract The Fengfeng Five Mine is an old mine. With increasing the depth of mining and low- ering the level of mining as well as facing the more seriously dangerous resulted from the higher karst water pressure in the coal floor, the real productive capacity has annually de- creased in recent years. It is a big problem about the living and development of the mine whether the lower series coal can be exploited or not. In the light of some scientific re- searches and productive practices for years, in the paper authors try to demonstrate some opinions and suggestions about the feasibility of mining the lower series coal with water pressure. Key words lower series coal, mining with water pressure, water burst in mine 20 峰局五矿下组煤带压开采的可行性与建议第 1 期