煤层底板承压含水体上带压开采研究.pdf

0前言 煤层底板是否突水主要是保护层与下部承压水 相互抗衡的结果。 研究煤矿底板突水及其防治技术 主要是研究保护层的阻水性能和承压水的作用，其 中包括采动效应，隔水层岩性结构及其完整性、地质 异常体（断层、裂隙密集带、陷落柱）探查，底板薄弱 带改造、 加固适当扩大工作面排水能力和降低承压 水头的措施。 目前最常用评判带压开采安全的标准 是突水系数， 突水系数用地下水水压与隔水层厚度 的比值来表示，即 Ts P M-Cp ， Ts突水系数，MPa/m； P水压值，MPa； M隔水层厚度，m； Cp采动后的底板破裂带厚度，m。 事实上这个判别式的依据是深部虽有高压水的 存在， 但由于隔水层的防护作用， 可削减部分水压 值，因此在开采煤层时，无需将水位降低到煤层底板 以下，或者在水压降较低时甚至不需降压，即可安全 开采，这就是带压开采的理论基础。 带压开采的理论研究在澄合矿区已解放受水害 威胁煤储量亿吨以上， 为矿井防治水工作作出了重 要贡献。 但该关系式仅仅反映了承压水头与隔水层 厚度的关系，而未揭示隔水层本身阻水特性，也就是 当煤层底板与承压水含水层水头的空间位置确定 后， 突水系数就是一个定值， 它对隔水层的阻水性 能、岩性、岩层结构、采煤方法、矿床充水程度、含水 层的富水性和水动力学特征等重要的因素没有描 述，其结果很难逼近客观实际。 为此，根据隔水层一 煤层底板承压含水体上带压开采研究 叶东生，杜飞虎 （澄合矿务局，陕西 澄城715200） 摘 要渭北煤田5、10号煤层底板以下的奥陶系灰岩强含水层，水头压力大，对采煤的威胁严重，历史上曾经发生多 次底板突水事故，造成重大人员伤亡。 以澄合矿区为例，研究了带压开采防治水的技术路线，提出了底板注浆加固的 防治水方法，并成功应用于董家河煤矿，不仅安全开采了5号煤层，而且保护了渭北地区岩溶水的统一水位标高，使 区内各岩溶大泉流量稳定、黄河湿地生态安全得以保证，促进了生物多样性和工农业用水安全，为渭北及华北型煤 田底板承压水体上带压安全采煤找到了技术途径。 关键词带压开采；岩溶水；带压系数；底板突水；保水采煤 中图分类号P641.134；TD745文献标识码A 作者简介叶东生（1963），男，陕西澄城人，高级工程师，从事矿井 水文地质、采矿技术工作。 收稿日期2010-06-30 责任编辑樊小舟 Mining under Safe Water Pressure of Coal Floor Confined Aquifer Ye Dongsheng, Du Feihu Chenghe Mining Bureau, Chengcheng, Shaanxi 715200 Abstract The Ordovician limestone strong aquifer under Nos.5 and 10 coal floors has large head pressure and seriously threatening coal mining. Water bursting had happened time and again in history and caused heavy casualties. To take the Chenghe mining area as an example, studied technical route of mining under safe water pressure of aquifer to control mine water, put forward coal floor grouting as the means. The has applied in the Dongjiahe coalmine, not only mined out No.5 coal seam without accident, but also protected karstic water unified water level elevation in the Weibei area. Thus made steady flow discharge of large karstic springs in the area, and so that ecological security of Yellow River wetland can be guaranteed, biodiversity and agricultural and industrial water safety promoted. Therefore, the technological approaches of mining under safe water pressure of coal floor confined aquifer in Weibei and all the North China typed coalfields have found out. Keywords mining under safe water pressure of aquifer; karstic water; coefficient of safe water pressure; floor water bursting; groundwater protected coal mining 中 国 煤 炭 地 质 COAL GEOLOGY OF CHINA Vol．22 No．11 Nov．2010 第 22 卷 11 期 2010 年 11 月 文章编号1674－1803（2010）11－0038－04 doi10.3969/j.issn.1674-1803.2010.11.11 11期 般由不同岩性组成， 不同岩性阻水性能存在差异的 特点，通过采场钻探试验方法，实际测试不同岩性的 阻水系数，最后综合评判隔水层实际阻水性能，该系 数即“带压系数”。带压系数引入与实际应用，极大地 丰富了带压开采技术内函， 扩大了带压开采技术的 应用前景。 带压开采技术广意上涵盖了“条件探查”、“薄弱 带或导水裂隙带注浆改造”、“防排水系统”等方面配 套技术。 1矿区开采现状 澄合矿区位于渭北石炭二叠纪煤田的中段， 地处陕西省澄城、合阳两县境内，矿区西起洛河与蒲 白矿区相邻， 东至黄河西岸， 北以黄龙山南麓为边 界，东北端以龙亭、百良一线与韩城矿区接壤，南至 5号煤层露头线。 矿区东西长68km， 南北宽约 30km，总面积1686km2。矿区含煤地层为上石炭统太 原组和下二叠统山西组， 二者厚82.11m， 含煤11 层，总厚8.72m。其中可采煤层1层，为5号煤，厚4～ 5m，赋存于山西组底部；局部可采煤层4层，为山西 组2层（3、4号煤），太原组2层（6、10号煤），分别位 于各组的中下部，其余各煤层均不可采。矿区煤炭总 资源/储量36.937108t。 区内主要含水层有6层，自上而下依次是第四 系砂砾石含水层、 上石盒子组底部K5砂岩含水层， 下石盒子组底部K中砂岩含水层、山西组底部K4砂 岩（5号煤层顶板）含水层、太原组石英砂岩K3（5号 煤层底板）、K2灰岩含水岩组和煤系基地奥陶系岩 溶裂隙强含水层。 奥陶系石灰岩顶面至5号煤层底 板间距一般为27m。 石英砂岩、K2灰岩含水层组夹 于5号煤层和10号煤层之间，厚度6.41～22.87m，平 均15m，上距5号煤层底板一般17m，下距奥陶纪灰 岩顶面10m，其水位与区域奥灰水位接近，单位涌水 量为0.0316～0.732L/（sm）， 渗透系数为1.649m/d， 属富水性弱～中等的含水层。 研究区奥灰水静止水 位标高为370380m，开采10号煤层时，在距奥灰 岩较近，底板岩柱不足以抵抗奥灰水压力时，下伏奥 灰岩溶水将构成矿井直接充水含水层， 即发生底板 透水。开采5号煤层时，对矿井安全生产构成危害的 是5号煤层底板含水层，即K2、奥灰岩含水层，而K2 含水层本身含水量不大， 但是当其与下伏奥灰含水 层导通时涌水量将会很大，突水危险性较高。20世 纪90年代至今，研究区地方煤矿发生淹井及局部淹 井死亡事故4起， 共造成41人死亡、2人失踪。 因 此，加强煤层底板承压含水体上带压开采研究，对提 高区内煤炭资源开采水平， 保护矿工生命安全至关 重要。 2带压开采安全评价 2.1参数确定 2.1.1奥灰含水层水位高程 澄合矿务局目前实际观测奥灰水位标高为 370～382m，计算时采用的奥灰水水位标高为371m。 2.1.2隔水岩柱厚度 采用5号煤层底板到奥灰岩顶面全部岩柱的厚 度，即30m。 考虑到对5号煤层底板下伏K2段富水 水段进行注浆改造，通过注浆改造底板，提高隔水层 有效厚度和完整性，增强其阻水性能，将K2含水改 造成了隔水层，故没有减去其中煤系含水层的厚度。 另外， 煤层底板到奥灰岩顶面之间的隔水岩柱是由 大量隔水层和含水性较弱的少量含水层互层组成 的。 含水层被隔水层相互隔断， 之间不存在水力联 系，处于相对封闭状态。 隔水性好的岩层强度较差， 但隔水性较差的含水层强度较高， 二者的组合既满 足了强度上的要求，又满足了隔水要求。 因此，计算 隔水岩柱厚度为煤层底板到奥灰岩含水层顶面之间 的厚度。 2.1.3底板破裂带厚度 1986～1989年澄合矿区作为 “华北型煤田奥灰 岩溶水综合防治”工业性试验的一个主要试验点，在 澄合矿务局权家河煤矿进行了煤层底板压水试验测 试，测试结果表明，5号煤层底板下采动破坏带厚度 为10m，之后未再进行过测试，因此，目前仍然采用 10m。 2.2安全评价 2.2.1评价标准 突水系数的大小采用我国北方突水矿区在矿井 生产中积累的经验值，以Ts0.06MPa/m为经验标志 （即临界值），突水系数Ts＜0.06MPa/m为带压可开采 区，0.06～0.09MPa/m为带压开采危险区，＞0.09MPa/ m为带压极危险区。 2.2.2评价结果 依据上述隔水层底板 （隔水层） 承受的水头压 力、隔水岩柱厚度（为主要依据）以及采矿对底板隔 水层的扰动破坏厚度（底板破碎带），分别计算了各 施工钻孔的突水系数，并绘制了突水系数等值线图， 如图1所示。 从奥灰突水系数等值线图上看出， 该区5号煤 层底板突水系数为0.13～6.0MPa/m， 仅在二水平的 Dy33、Dy5、Dy6、131、Dy8、DB4等钻孔的南部小于 叶东生，等煤层底板承压含水体上带压开采研究 39 第22卷中 国 煤 炭 地 质 0.06，属于带压可开采区。 在董家河井田的扩大区几 乎全部大于0.06MPa/m。 在石家庄和段家庄，即X6、 X1、CH26钻孔以北、以西的大部分区域突水系数均 大于0.09，属于带压极危险区。 在突水系数为0.06～ 0.09MPa/m的区域为带压开采危险区。 另外，整个井 田范围内，由南向北、由浅向深，突水系数不断增大， 煤层开采的危险性越来越大。 3带压开采防治水技术 为了实现区内煤层安全开采的要求， 结合突水 危险系数评价结果，在董家河煤矿5号煤层开采时， 采用了底板探测技术、 底板加固技术及钻探验证技 术等，取得了满意的效果。 3.1底板探测技术 工作面掘进前， 在地面进行了三维地震和瞬变 电磁法勘探， 初步查明工作面构造情况及5号煤层 底板隔水层富水异常区形态。 在地面物探基础上，工作面巷道掘进过程中，利 用直流电法对地面物探异常区进行超前探测， 其超 前探测有效距离一般为60～80m；在井上、下物探基 础上，利用钻探进行超前钻探验证。 工作面巷道形成后，利用音频电透视、高分辨直 流电法对工作面底板进行了综合探测， 对工作面底 板构造及其富水性进行评价， 并圈定出可能发生的 突水危险区。 3.2底板加固技术 通过钻探验证物探探测成果， 设计和施工工作 面底板探放水钻孔， 目的层位为5号煤层底板下伏 （K2段）含水层，该段从5号煤层底板下10m至9号 或10号煤顶板为探放水和注浆加固层段，5号煤层 底板下10m为5号煤层开采底板采动破坏带，底板 注浆时应避开该采动破坏带。 对工作面底板的注浆 改造的钻孔布置密度应考虑其注浆液的扩散半径， 对整个工作面底板进行全方位覆盖， 钻孔以斜孔为 主，尽可能多揭露底板K2段中裂隙密集带，通过高 压注浆，堵塞裂隙，驱赶K2段地下水，强化底板，从 而保证带压安全开采。 3.3注浆加固结果检查技术 董家河煤矿未采区主要分布在二水平的北部， 其中一采区开采已经基本结束， 二采区已经开采了 22501～22504等几个工作面。 在22501工作面注浆 完成后，采用井下直流电法对注浆效果进行了探测， 平面上，底板下1030m浅部，在大部分区域注浆后 的电阻率值大于注浆前的4倍以上， 说明该区域注 浆液停留较多。 在K3石英砂岩地层中，存在浆液沿 构造裂隙带从轨道巷向运输巷运动或连通的趋势。 运输巷51号孔扩散（影响）范围较小（小于50m）；底 板下3060m深部， 在大部分区域注浆后轨道巷的 电阻率值大于注浆前的2～4倍以上，说明注浆液在 此处进入奥灰中较多。 轨道巷59号孔、 运输巷的 图1澄合矿区董家河煤矿5号煤层底板突水系数等值线图 Figure 1 Isogram of No.5 coal seam floor water bursting coefficient in Dongjiahe coalmine, Chenghe mining area 40 11期 1111111111111111111111111111111111111111111111 （上接第21页） ③通过数理模型及数值模拟的应用， 计算结果 与实际生产数据拟合一致程度较高， 验证了新模型 及其数值解， 表明该模型可以用于指导单一松软煤 层瓦斯抽采工艺的确定。 ④本数理模型是基于基质均质各向同性建立起 来的， 未考虑邻近层和围岩瓦斯对钻孔抽采过程中 的补给量以及煤层气水两相渗流作用， 对于单一松 软煤层煤层各向非均质的实际情况尚需进一步的深 入研究。 参考文献 [1]苏现波，林晓英．煤层气地质学[M]．北京煤炭工业出版社，2009. 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[4] Harpalani S, Chen G.Gas Slippage and Matrix Shrinkage Effects on Coal Permeability [C]//Proceedings of the 1993 International Coalbed Methane Symposium.Tuscaloosa,AL,USAUniversity of Alabama, 1993 285-289. 51、64号孔在奥灰内注浆很少或没有。 22501工作面从2007年7月8日开始回采，至 2008年5月20日结束，共采出原煤27.4万t，底板 未见明显出水，说明注浆效果良好。 3.4带压开采效果分析 本次“三维”地震及瞬变电磁法勘探的范围内， 包括8个煤柱面及6个工作面，费用280万元，第一 个 注 浆 加 固 的22501工 作 面 钻 探 及 注 浆 费 用 237.447 6万元， 物探费用30万元， 三项费用共计 547.447 6万元，22501工作面共出煤27.4万t，价值 7 161.538万元 （按2007年价格261.37元/t计算）， 费用还不到22501一个工作面所出煤价值的10， 效益显著。 本项目中的22501工作面，如不进行底板加固， 则肯定要出水，按80m3/h计算，该工作面回采时间 10个月（293d），共出水562 560m3，按现在排出一方 水费用2元算，就需费用112.512万元。 如按有关规 定，每排出一方污水罚款0.5元，还需交罚款28.128 万元。 由此可见本项目的经济社会效益显著。 4结论及建议 ①董家河煤矿受奥灰水的影响大， 矿井涌水量 较大，必须保证矿井水的正常排放。加强老空水防治 工作，特别是二水平一采区的积水，必须引起足够的 重视，确保5号煤层安全生产。对施工的探放钻孔在 工作完成后应及时封闭， 以免后期回采时造成排水 量的增加。 ②供排结合是国内外都关注的一个重要问题， 通过增加岩溶水的抽水量与使用量， 可有效降低承 压水头的高度与压力，既解放煤炭资源，又解决矿区 用水问题。 但奥陶系岩溶水水位下降后， 岩溶泉干 涸，渭北地区大面积的黄河湿地会受到影响，王双明 等（2010）提出的生态水位保护不仅是陕北生态脆弱 区煤炭开发的理念， 也是渭北煤田开发面临的重要 课题， 只不过陕北保护的是第四系地下水水位和萨 拉乌苏组泉流量稳定， 渭北保护的是岩溶水水位标 高和岩溶泉流量的稳定。 ③建议进行专门水文地质勘查研究工作， 进一 步了解奥陶系石灰岩含水层的岩性差异、 抗阻水性 能及富水特征， 同时开展一些煤层底板破坏扰动深 度、底扳岩性抗压阻水的试验工作，进行含水层导高 及富水规律研究， 为正确评估带压危险区煤层开发 条件提供依据。 参考文献 [1]徐田高.煤矿突水危险度研究[J].中国煤炭地质，2009，21（2）43- 45. 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