葛泉矿带压开采9# 煤底板突水危险性分析.pdf

葛泉矿带压开采 9煤底板突水危险性分析 白峰青1 ， 李 冲1， 徐玉增2， 张艳朋3 1. 河北工程大学 资源学院， 河北 邯郸 056038; 2. 冀力能源金牛能源股份有限公司 葛泉矿， 河北 邢台 054026; 3. 山西省地质矿产勘查开发局 217 地质队， 山西 大同 037008 摘要根据葛泉矿 1192 工作面的实际情况， 利用应力应变观测和注水试验对工作面底板的最 大破坏深度进行探测。结合葛泉矿水文地质条件分析结果及底板探测结果， 利用突水系数法对 工作面底板的突水危险性进行分析， 为葛泉矿 9煤的安全开采提供科学依据。 关键词 葛泉矿; 带压开采; 底板破坏深度; 突水系数; 危险性分析 中图分类号 TD745文献标识码 B 文章编号 1003 －496X 2010 06 －0106 －03 我国的煤炭资源开发历史悠久， 矿井水害一直 是岩溶矿区煤矿安全生产面临的主要问题之一 〔1〕。 随着浅部煤层的开采殆尽， 大部分矿区都将面临矿 井向深部延伸和开采下组煤的现实问题。尤其是 9煤的开采， 受其下部奥陶系灰岩高承压水的威胁 尤为严重。近 20 a 来我国煤矿发生多起煤矿重特 大突水事故 〔2〕， 其突水水源均为奥灰水。通过对葛 泉矿 1192 工作面水文地质条件进行分析， 采用注水 试验、 应力应变监测 〔3 －5〕等方法确定工作面底板破 坏深度， 结合突水系数， 对工作面底板的突水危险性 进行分析， 为煤矿实现安全带压开采、 解放受奥灰水 威胁的下组煤提供科学依据。 1工作面概况 葛泉煤矿 1192 工作面位于西翼运输大巷上方， 地面标高 101. 2 ～ 102. 6 m， 开采标高为 －50 ～ －140 m， 走向长度 75 m， 倾斜长约 410 m。主采煤 层为 9煤， 煤层平均厚度 5. 3 m，倾角约 10。工作 面所在地段总体构造形态表现为一单斜构造， 工作 面巷道掘进阶段共揭露断层 9 条， 落差在 5 m 以上 的断层 1 条， 其余 8 条均为落差 2 m 的小断层， 表 现为北东向正断层， 揭露后均干燥无水。1192 工作 面采用综合放顶煤开采工艺， 顶板管理方式为全部 垮落法。 2水文地质条件分析 1192 工作面 9煤回采过程中， 主要的充水水源 来自顶板大青灰岩含水层、 底板本溪灰岩含水层和 奥陶系灰岩含水层; 主要的充水通道包括导水断层、 导水裂隙带以及采煤引起的顶底板次生导水裂隙 等。 2. 1主要充水水源及其特征 1 大青灰岩岩溶裂隙含水层。大青灰岩含水 层为 9煤直接充水水源， 与9煤顶板平均距离 13 m 左右， 但局部地区为 9煤层的直接顶板。工作面回 采过程中， 大青灰岩处于冒落导水裂隙带范围之内， 将以顶板淋水的形式对工作面充水。根据大青灰岩 水疏放情况， 大青灰岩岩溶裂隙发育不均一， 富水性 中等， 具有地段不均一性。因此， 必须加强对该层水 的疏放， 减少顶板淋水对回采工作面的影响， 缓解回 采过程中工作面运输巷的排水压力。 2 本溪灰岩岩溶裂隙含水层。本溪灰岩含水 层为 9煤主要充水水源， 距离 9煤底板 14. 6 ～23. 7 m， 平均 18 m 左右， 层厚 9 m 左右， 岩层结构以粉砂 岩、 砂岩为主。据钻孔资料统计， 该区本溪灰岩含水 层裂隙发育程度较高， 富水性很强但不均匀， 阻水性 能一般。本溪灰岩承压水在局部地段存在原始导升 高度， 裂隙密集发育段可直接到 9煤底板。因此， 存在本溪灰岩水沿导水裂隙上升突破 9煤层底板 对井巷工程充水的危险性。井下钻孔本溪灰岩含水 层与奥陶系灰岩含水层水位一致， 并且从水质化验 资料来看， 部分钻孔本溪灰岩水质已呈奥灰水质特 征。加之本区岩溶陷落柱比较发育， 本溪灰岩水与 奥灰水之间水力联系较好， 存在奥灰水垂向越流补 给现象或其它形式的补给。 3 奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。奥陶系灰岩 含水层为富水性很强的岩溶裂隙承压含水层， 距 1192 工作面9煤底板41 ～45 m， 岩性以深灰色厚层 状石灰岩为主。目前， 该区奥陶系灰岩水水位标高 在 40 m 左右。据钻孔揭露情况， 奥陶系灰岩含水 601 煤 矿 安 全 Total 428问题探讨 层中上部厚约 270 m， 富水性强， 补给条件好， 水质 类型为 HCO3－ CaMg 水， TDS 为 0. 228 g/L。由 于岩溶发育强度随着埋藏深度增加而逐渐减弱， 奥 陶系灰岩含水层下部富水性较弱， 厚约 230 m。目 前钻孔尚未揭露该含水层， 工作面范围之内的奥陶 系灰岩含水层富水性尚待进一步查清。 由于奥灰含水层压力很大， 且局部与本溪组灰 岩含水层之间隔水层厚度最薄处仅为 8 m， 很容易 受构造破坏使二者发生水力联系， 从而使本溪灰岩 含水层局部富水性增强， 使 9煤底板以下至奥灰含 水层之间的隔水层阻水性能降低。奥陶系灰岩含水 层可能成为工作面的间接充水含水层。1192 工作 面 －100 m 以浅的块段即属于这种情况 本溪灰 岩水显示出奥陶系灰岩水的水文地质特征。 2. 2主要充水通道及其特征 1 断层及原生导水裂隙带。葛泉井田断裂构 造十分发育， 以正断层为主， 将井田内地层切割成大 小不等， 形态各异的断块， 与 1192 工作面密切相关 的为 SF2正断层， 工作面运输巷在 －60 m 标高附近 揭露该断层， 断层产状 H 9. 8 m， 走向 55， 倾角 50， 目前已经对该断层及其周边裂隙带进行了注浆 加固。在石门、 大巷、 上山以及工作面巷道掘进过程 中， 曾揭露大小不等的 12 条断层， 均表现为北东向 正断层， 其中部分断层揭露时发生过轻微出水现象， 水量很小， 均为本溪灰岩水。 2 次生导水裂隙带。由于东井 9煤底板隔水 层之下赋存有高压奥陶系灰岩水， 在煤层未开采前， 水岩处于一定的力学平衡状态之下。一旦煤层被开 挖， 在隔水层之上形成临空边界并产生应力释放后， 在矿压和水压的综合作用下， 隔水底板岩层必然受 到不同程度的破坏， 形成新的破裂面或使原有的闭 合裂隙活化 〔6〕。一旦这种破裂面或裂隙沟通底板 承压含水层水时， 必然导致底板之下承压含水层水 涌入矿井。 3工作面底板破坏深度探测 开采过程中， 地应力的重新分布引起煤层底板 的变形破坏。底板岩层的变形破坏深度直接影响煤 层底板的阻水能力和有效隔水层的厚度。底板突水 可以由构造引起， 也可以由底板破坏形成的次生裂 隙与下伏强含水层 奥灰含水层 沟通引起。底板 破坏深度和隔水层在带压开采中阻水能力对于防止 灰岩承压水突出起到至关重要的作用。因此， 探测 底板破坏深度对后续工作面的防治水工作以及实现 安全开采具有重大现实意义。针对葛泉矿 1192 工 作面的实际情况， 利用现场应变监测、 现场底板注水 试验等手段， 确定了 1192 工作面底板的破坏深度。 3. 1底板应力应变观测 底板应力应变观测主要是依据在底板不同深度 上安装的应力计随采煤进度所表现出来的变化特 征， 分析工作面底板破坏特征。结合 1192 工作面的 具体情况， 在运料巷中相应位置共设计布置 5 个观 测孔， 分别位于距切眼 30 m 顶板首次来压 、 75 m、 150 m 构造发育 和停采线两侧 20 ～ 30 m 位置。 钻孔开孔直径108 mm， 下3 ～5 m 套管后， 变径至89 mm 后钻至设计深度。在不同深度依次安放 2 ～ 3 个 KX －81 型空心包体式三轴应力计， 安放完毕后 注浆将钻孔封堵， 使应变传感器与岩层成为一体。 通过 218 d 的现场观测， 共采集 108 组有效数据， 反 应了底板不同深度的破坏情况。 3. 2底板注水试验观测 底板注水试验法是通过监测在采煤过程中注水 段的注水量的变化来分析底板产生的次生裂隙情 况， 由此确定底板的破坏情况。根据 1192 工作面实 际情况， 注水试验只能在靠近工作面停采线附近， 且 具有保留巷道的部位进行。共施工 6 个注水钻孔， 开孔直径≥89 mm， 钻至一定深度下套管， 后变径钻 至预定深度， 停止钻进。在钻孔底部进行加压注浆， 填充孔壁的裂隙， 待固结后再变径向下钻进 2 m， 作 为注水段， 注水段分别靠近运料巷部位和工作面中 间部位。现场试验采用连续注水， 间断观测的方式， 共进行43d， 取得1 100 多个观测数据。试验数据间 接反映了煤层底板在采煤过程中裂隙的变化情况。 3. 3小结 通过对试验数据的分析研究， 底板应变监测结 果表明， 采动过程中， 靠近切眼和停采线的位置受采 动影响最大， 初次来压步距约 30 m， 周期来压步距 为 18 ～21 m; 底板的破坏深度为 12. 5 m; 注水试验 结果表明， 注水孔的累计注水量与钻孔的位置相关， 采煤对注水孔影响距离 24 m， 底板破坏深度为 11.87 ～12. 40 m。通过综合分析， 确定 1192 工作面 底板受采动影响的最大破坏深度为 12. 5 m。 4底板突水危险性评价 为了保障 9煤层的安全开采， 结合以上研究成 果， 利用突水系数法对工作面底板突水危险性进行 评价。突水系数法突出考虑了矿山压力对隔水层的 扰动破坏， 同时还考虑了岩性、 构造等地质因素。计 701 问题探讨煤 矿 安 全 2010 －06 算公式为 TS p M － CP 式中TS 突水系数， MPa/m; p 奥灰含水层承压水作用在隔水层上的 水压， MPa; M 9煤至奥灰含水层间隔水层的厚度， m; Cp 煤层回采过程中， 采动应力对底板隔 水层的破坏深度， m。 据钻孔资料揭露及现场试验结果， 1192 工作面 9煤底板至奥灰顶面隔水层厚度 41 ～45 m， 9煤隔 水层底承受着 1. 21 ～2. 15 MPa 的奥灰水压， 采动对 底板扰动破坏深度为 12. 5 m。根据突水系数计算 公式， 计算得该面突水系数在 0. 042 ～0. 066 MPa/m 之间。根据 矿井水文地质规程 及带压开采理论， 对突水系数作以下规定 相对安全区 T 0. 15 MPa/m。 根据突水系数计算结果， 1192 工作面大部分区 域均处于相对安全区， 只有停采线附近小部分区段 处于过渡区， 有一定的开采风险。但是由于 1192 工 作面底板下伏本溪灰岩含水层与奥陶系灰岩含水层 之间局部存在水力联系， 使本溪灰岩含水层富水性 增强并局部存在导升高度。因此， 只有通过人工干 预的方式补强隔水层的阻水性能， 才能使 1192 工作 面具备带压开采的条件。 5结论与建议 根据葛泉矿 1192 工作面水文地质条件分析结 果以及底板破坏深度探测试验结果， 利用突水系数 对工作面带压开采 9煤进行底板突水危险性分析， 得出如下结论 1 1192 工作面所处区段水文地质条件较为复 杂， 9煤底板下伏本溪灰岩含水层富水性较强且局 部存在导升高度， 本溪灰岩含水层与奥陶系灰岩含 水层之间局部存在水力联系。 2 通过现场试验观测， 确定采动条件下， 1192 工作面煤层底板破坏深度为 12. 5 m。 3 根据 1192 工作面底板的突水系数值及底 板隔水层的实际情况， 1192 工作面带压开采 9煤具 有一定的风险， 需对 1192 工作面底板隔水层进行加 强处理， 才能使 1192 工作面具备带压开采的条件。 针对 1192 工作面的具体情况，实现 9煤的安 全开采， 提出如下建议 1 注浆封堵工作面底板隐伏导水裂隙带， 加 固煤层底板有效隔水层段， 补强其阻水性能。 2 对本溪灰岩含水层进行全面注浆改造， 将 其改造为相对隔水层， 从而有效阻隔奥灰水导升裂 隙的向上发展。 参考文献 〔1〕 白峰青， 卢兰萍， 缑书宝， 等. 德盛煤矿特大突水治理 技术 〔J〕 . 煤炭学报， 2007， 32 7 741 －743. 〔2〕 陈红， 谭慧， 祁 慧. 中国煤矿重大水害事故规律 分析 〔J〕 . 中国矿业， 2005， 14 8 23 －26. 〔3〕 施龙青， 朱鲁. 矿山压力对底板破坏深度监测研究 〔J〕 . 煤田地质与勘探， 2004 6 20 － 23. 〔4〕 高航， 孙振鹏. 煤层底板采动影响的研究〔J〕 . 山东 矿业学院学报， 1987 1 12 － 17. 〔5〕 李抗抗， 王成绪. 用于煤层底板突水机理研究的岩体 原位测试技术〔J〕 . 煤田地质与勘探， 2003 3 31 － 33. 〔6〕 冯启言. 煤层开采底板破坏深度的动态模拟 〔J〕 . 矿山 压力与顶板管理， 1998 3 71. 作者简介 白峰青 1963 － ， 男， 博士， 教授， 河北青县 人， 从事矿井防治水研究与教学。 收稿日期 2009 －11 －23; 责任编辑 郭瑞年 801 煤 矿 安 全 Total 428问题探讨