资源描述：
2 0 0 8年第1期能 源 技 术 与 管 理 龙固矿 2 1 2 0 1工作面带压开采防治水技术 吴超 1 , 周保精 2 1 .江苏天能集团 柳泉煤矿, 江苏 徐州2 2 1 0 0 6 ; 2 .中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 [ 摘要] 通过天能集团公司龙固矿2 1 2 0 1工作面带压开采防治水技术的成功实施,进一步 分析了龙固矿2 1 2 0 1工作面基于尖点突变模型底板突水危险性预测方法及底板突 水防治措施。 [ 关键词] 龙固煤矿; 工作面带压开采; 底板突水防治 [ 中图分类号]T D 8 2 3 . 8[ 文献标识码]B[ 文章编号]1 6 7 2 9 9 4 3 2 0 0 8 0 1 0 0 4 6 0 3 0引言 我国许多煤田水文地质条件十分复杂,煤层 开采过程中受到多种水体的威胁。 初步统计, 我国 有2 7 . 5 的国有重点矿井受到各种水体的威胁。 我国北方主要产煤的华北矿区, 东起徐州、 淄博, 西至陕西渭北, 北起辽宁南部, 南至淮南、 平顶山 一带几乎都受到石炭二迭纪煤系底部的奥灰强含 水层影响。 太原组煤层是徐州煤田、 山东滕县煤田 的重要可采煤层之一,对缺煤的华东地区和逐步 走向衰老矿井来说开采太原组煤层具有重要意 义,但是其下伏的奥陶纪灰岩水对其开采有着较 大的威胁。本文根据龙固矿2 1 2 0 1工作面带压开 采防治水技术的成功实施,对矿井带压开采防治 水技术进行进一步探讨。 1概况 龙固煤矿是江苏天能集团的一个新建矿井, 井田位于区域水文单元的中部,滕县背斜西南倾 伏端的西北翼, 为一单斜构造,地下水迳流为东北 到西南,为补给不良、 排泄不畅、 半封闭的单斜水 文地质块段。 龙固煤矿主采山西组7、2 1两层煤。 其中7煤 为矿井主采煤层, 煤质较好, 煤层厚度3 . 5 ～ 1 1m 之间, 平均5 . 5m左右。2 1煤赋存也比较稳定, 煤 层厚度在1 . 3 ～ 1 . 7m, 煤层倾角0 ～ 1 1 , 平均8 , 顶 底板条件较好, 是矿井的最佳配采煤炭资源。但 对2 1煤开采的最大威胁是距离煤层底板4 5m 左右的底板奥灰水。如何成功实现2 1煤带压安 全开采, 对龙固煤矿具有很好的经济效益和社会 效益。 2 2 1 2 0 1工作面基于尖点突变模型底板 突水危险性预测 在进行承压水上采煤时, 当煤层开采后, 底板 岩层的原始应力状态被破坏, 致使应力重新分布, 从而导致底板岩层失稳破坏形成导水裂隙,其结 果往往造成底板承压水通过采动裂隙突然涌入开 采作业空间, 形成底板突水。 这种煤层开采后,当底板岩层承受的水压超 过自身强度时, 发生的不连续的发散突变, 即底板 岩层失稳破坏形成底板突水的现象,属于突变理 论研究的范畴,故煤层底板突水可以引用突变理 论进行研究。 目前对突水分析主要采用了统计学方法、 力 学平衡、 能量平衡方法[ 1] , 本文以突变理论[ 2]煤层 底板突水突变模型,作为煤层底板水突出危险性 预测的一种主要手段,从另一角度探求煤层底板 突水机制。 以尖点突变模型描述煤层底板突水现象时, 这里选M R为突水阻抗因子, 其中R为单位水压 底板岩层厚度, 即底板岩层厚度h与水压P之比, M为正的系数;选N h 1为底板导水裂隙发展因子, h 1为底板采动导水裂隙带深度,N为正的系数。 M R和N h 1为控制煤层底板突水的两个基本因 子, 即控制变量。 底板岩层所承受的水压与其最小 主应力之比I p为状态变量, 如图1所示。需要说 明的是对一定的采场而言,在煤层开采前后底板 岩层厚度h和水压P是不变的, 只是煤层开采后, 由于应力的重新分布导致底板岩层产生一定深度 的破坏[ 3] , 这就降低了岩体强度, 削弱了隔水性 能, 当I p P / δ 1时, 便会引发突水。 4 6 2 0 0 8年第1期 图1平衡曲面与分支曲线 其中曲线I由A点开始, 随着N h 1值的增大 而连续前进, 其所对应的水压应力比亦随之逐渐 升高, 当达到J点时, 若底板采动导水裂隙带深 度h 1稍有增加, 则水压应力比将剧增, 底板岩层 将失稳破裂, 底板承压水沿裂缝突出, 在模型中 表现为系统状态由非突水区的J点跳跃至J ′点而 达突水区。曲线Ⅱ从B点起, 随着N h 1的不断增 加,I p值连续增长达到突水区,而无突变现象, 它 是一种底板岩层逐渐破坏形成导水裂隙而发生 突水过程。 平衡曲面对应坐标系的方程式[ 2] 为 I p- 1 3 [ N h 1 M R/ 2 - 3]I p- 22 N h 1 1 01 式 1 即为底板岩层水压应力比I p随底板突 水阻抗因子和底板导水裂隙发展因子而发展直至 突水的尖点突变模型规律。由该式即可求得煤层 底板岩层的水压应力比I p。当Ip 1时, 发生突水, 而当I p 1时, 不会发生突水。 M , N值确定。根据对大量突水案例的统计分 析, 突水工作面底板岩层厚度h 3 0m时, 一般水 压为0 . 7 ～ 1 . 3M P a;突水工作面底板岩层厚度h 3 0 ～ 6 0m时, 一般水压为1 . 5 ～ 3 . 0M P a。因此, 在本 模型中M,N的确定考虑以下两种情况①底板岩 层厚度h 1,表明2 1 2 0 1工作面采用 1 2 0m的面长开采存在突水危险,应采取必要的 防治水措施。 3底板突水防治措施 3 . 1疏水降压 水压是底板突水的动力,水和水压会造成底 板变形破坏, 水压越高, 破坏力越大; 因此只要把 高承压水的水压控制在一定值以下, 采动破坏、 水 压破坏就不会相互沟通,底板突水灾害就可以避 免。 疏水降压即疏放承压含水层的水压,降低水 头, 实现带压安全开采的技术措施。 这对于富水性 强、 静储量大的底板灰岩水来说, 技术可行, 安全 可靠, 经济合理。因此, 工作面回采时采取打钻孔 的方法对底板承压水采取疏水降压措施。 3 . 2底板注浆加固 开采对底板扰动破坏及水压破坏的研究表 明, 底板岩层强度、 结构和厚度是影响隔水层阻隔 水性能的主要因素, 因此, 只要增加底板隔水层的 强度就可以减小采动破坏深度,降低水压破坏的 深度, 而充填节理、 裂隙可使水在岩体中的水楔作 用难以发挥, 控制水压作用的进一步发展。 底板注 浆加固正是达到以上目的的有效途径。 根据对该工作面底板的构造及水体的情况 进行探查, 发现2 1 2 0 1面联络下山侧底板有构造 异常区, 并确定了异常区域的范围。为保证工作 面的正常安全回采, 对2 1 2 0 1工作面主要采用注 浆加固底板异常区域提高底板岩层的强度和整 体性, 来确保工作面推进异常区域不会发生突水 事故。 1 注浆孔布置原则。按注浆液扩散半径2 0 ～ 3 0m布置, 力求使浆液在需注浆加固的地段的覆 盖率达8 0 以上;钻孔揭露被注层段尽量长些, 所以打斜孔为宜;钻孔的方向尽量要和断裂发育 方向斜交或平行。 注浆孔布置技术参数如表1所示。 吴超等龙固矿2 1 2 0 1工作面带压开采防治水技术4 7 2 0 0 8年第1期 表1注浆孔布置技术参数表 2 注浆参数。①注浆材料是注浆技术中的重 要部分, 浆液的结石体最终强度要高; 浆液结石率 高与岩体具有良好的黏附性; 浆液流动性好, 配比 易调; 浆液具有足够的稳定性; 浆液成本低廉无毒 无味。故注浆材料选用4 2 5 普通硅酸盐水泥。浆 液水灰比为0 . 7 ∶ 1 ～ 1 ∶ 1。②注浆压力一般取静水压 力的1 . 5 ～ 2倍,本工作面静水压力为2 . 9 ～ 3 . 3 M P a, 单位吸浆量不大于4 0L / m i n, 稳定时间3 0m i n即 结束注浆。 3 钻孔及注浆设备。钻机采用1 5 0型钻机, Ф 1 0 8m m取芯钻,Ф 7 3m m无芯钻。 注浆泵采用高 压注浆泵, 注浆压力应大于1 0M P a, 单位吸浆量 应大于1 0 0L / m i n。制浆机采用功率5 . 5k W的 Z J - 4 0 0型制浆机。 4 孔口套管的安装及技术要求。①先用 Ф 1 0 8m m取芯钻头开孔2 0m, 然后用清水清洗干 净孔内岩粉, 下入Ф 8 9m m套管, 并在套管外侧焊 接一定数量的肋条。固管材料为5 2 5 普通硅酸盐 水泥。 套管底距孔底留0 . 2m间距, 以利于浆液循 环。②固管时间不小于4 8h。③耐压试验 以 Ф 7 3m m钻头孔至0 . 5m时, 进行耐压试验。压力 为6M P a, 稳定时间不低于2 0m i n, 孔口管周围不 渗漏水且牢固可靠, 否则重新注浆封孔。④达到固 管要求后, 在套管口安装高压开关后, 必须在开关 外加上固定装置和挡板, 防止高压水喷出, 同时防 止孔口管和煤岩壁突然鼓出。 5 注浆技术要求。 注浆开始前先以最大泵量 向钻孔压送清水,以冲刷注浆通道和检验设备运 转状态。压水时间不低于3 0m i n, 如果泵压值高 于孔口水压0 . 5M P a以内, 即可进入注浆程序。 3 . 3其他措施 在2 1 2 0 1工作面形成以后,利用掘进好的回 采巷道,利用探测仪器对工作面内的构造发育情 况, 有无隐伏导水构造和富水区域进行探测。 在工 作面回采过程中应加强井下涌水的观察,注意流 量、 水温和水质的变化。 选择适宜的开采方法和工 艺,根据数值模拟和理论计算结果工作面长度不 要超过9 0m。加快工作面推进速度或保持正常均 匀的推进速度。 尽量减小工作面控顶距, 减小采空 区顶板悬露跨度,如果工作面采空区顶板不随工 作面推进而及时冒落, 必须采用人工强制放顶, 使 冒落矸石及时充填采空区,降低支承压力集中程 度,最大限度地减小采动对底板的扰动和破坏深 度。 4结论 1 本文建立了煤层底板岩层水压应力比I p 随煤层底板突水阻抗因子和导水裂隙发展因子而 发展直至突水的尖点突变的模型。依据本模型可 求得I p之值, 当Ip 1时, 发生突水; 当Ip 1时, 不 会发生突水。 2 通过对2 1 2 0 1工作面构造异常区域注浆 加固, 有效地封堵了围岩裂隙, 使工作面成功地推 过构造异常区。 3 工作面不同开采宽度, 采动对底板破坏深 度不同,工作面长度越大采动对底板破坏深度越 大。 因此建议工作面开采宽度最好不超过9 0m为 宜, 将工作面布置成短壁工作面更为合理。 4 在采用适宜的开采方法和工艺, 对构造异 常区域注浆加固后,在工作面回采过程中还必须 采取对工作面涌水进行观察,对工作面控顶距进 行控制等综合预防措施。 [ 参 考 文 献] [1]赵全福, 煤矿安全手册矿井防治水分册[M].北京 煤 炭工业出版社,1 9 9 2 . [2]王连国, 宋扬, 缪协兴.基于尖点突变模型的煤层底板 突水预测研究[J].徐州 岩石力学与工程学报,2 0 0 3 , 4 . [3]王连国, 宋扬.煤层底板突水[M].北京 煤炭工业出 版社,2 0 0 0 . [ 作者简介] 吴超1 9 6 4 - , 男, 江苏睢宁人, 工程师,1 9 9 0年毕业 于安徽淮北职工大学, 主要从事煤矿生产技术管理和研究 工作, 现任江苏天能集团公司柳泉煤矿矿长。 [ 收稿日期2 0 0 7 - 1 1 - 0 7] 孔 号 孔位 孔深 / m 方位 / 倾角 / 孔径/ m m终孔 层位开孔终孔 1联络巷里1 0 m2 31 0 85 01 0 88 9十五灰上段 2联络巷里1 0 m2 92 5 04 81 0 88 9十四灰层位 3联络巷里1 0 m3 105 21 0 88 9十四灰上段 4联络巷里1 0 m3 32 7 55 21 0 88 9十五灰上段 5联络巷里3 m5 62 7 53 71 0 88 9十五灰上段 6联络巷里6 8 m3 03 3 05 21 0 88 9十四灰顶板 7联络巷里6 8 m3 53 3 05 41 0 88 9十五灰上段 能 源 技 术 与 管 理4 8
展开阅读全文
