赵各庄矿深部开采底板突水特征及防治技术.pdf

收稿日期2010 －10 －13 作者简介丁自伟 1987 － ，男，山东临沂人，现为中国矿业大学 北京在读博士，主要从事采矿工程方面的 研究。 赵各庄矿深部开采底板突水特征及防治技术 丁自伟，赵志强，高洋，张振芳，温星星，李海峰 中国矿业大学 北京资源与安全工程学院，北京100083 摘要为了研究深部开采高水压条件下的底板突水特征及防治措施，根据赵各庄矿水文地质 条件，通过对深部14 水平122 煤层底板隔水层隔水性能、底板灰岩岩溶发育情况、揭露断层导水 性的分析，认为14 水平122 煤层底板突水特征为断层采动型，预防底板突水的重点是防治断裂带 采动滞后突水，并给出了在巷道掘进、回采等方面的防水技术措施，以及合理的防水煤柱宽度。通 过计算得出，东Ⅲ断层上、下盘防止突水发生的合理保护煤柱宽度分别为262m、233m。 关键词深部开采;底板突水;断层采动型;防水煤柱 中图分类号TD745 . 2 文献标识码B文章编号1671 －0959 2010 12- 0072- 04 赵各庄矿是一座具有百年开采历史的老矿，开采深度 已达千米以上，矿井地质条件及水文地质条件极其复杂， 曾在 9 水平东一石门西风道发生过突水事故，造成严重损 失。随着采深的加大，矿井深部底板水害威胁更加严重， 赵各庄矿 14 水平标高 －1200m，奥灰水压达到 11. 76MPa， 大采深、高水压加大了矿井防治水工作的技术难度，严重 威胁着矿井的安全生产。因此，对深部底板突水机理和特 征进行研究具有重要意义。 1矿井水文地质特征 赵各庄矿含水层从上至下分为 7 层，如图 1 所示。其 中第四系冲积层孔隙承压含水层 Ⅶ及 A 层以上砂岩裂隙 承压含水层 Ⅵ与深部煤炭资源开采联系不密切，该含水 层组不作为重点研究对象。深部资源开采主要影响因素是 Ⅰ ～ Ⅴ层含水层，其中Ⅱ ～ Ⅴ层含水层在回采阶段主要增 加了矿井排水量，一般不会造成淹井事故。威胁深部煤炭 开采的主要因素是奥陶系石灰岩岩溶裂隙承压含水层 Ⅰ ， 该含水层为煤系地层基底，距最下一个可采煤层 122煤 层 105 ～140m［1 ］。该含水层含水性强，联通性好，是一个 巨大的含水体，14 水平水压达 11. 76MPa，是威胁安全生产 的主要含水层。 214 水平 122煤层底板突水性分析 通过底板隔水层隔水性能、底板灰岩岩溶发育情况、 揭露断层导水性等方面对 14 水平 122煤层底板突水性进行 分析。 2. 1底板隔水层隔水性能 底板隔水层处于承压含水层与煤层之间，是煤层能够 图 1矿井含、隔水层垂向示意图 安全开采的屏障。正常底板 无断裂构造 条件下，大多数 矿井回采工作面依靠隔水层的隔水作用能够实现安全回采。 正常底板条件下隔水层的隔水能力主要取决于隔水层的厚 度、岩性与组合关系，厚度越大、岩石强度越高、岩性完 整性越好，则其隔水能力越强［2 ］。 主采煤层 122煤层至底板奥灰的距离即隔水层的厚度 一般为 105 ～ 140m，隔水层主要由中砂岩 14. 2 、粉砂 岩 18. 8 、砂质页岩 40. 3 、石灰岩 4. 7 和铝土 页岩 9. 2 等组成。隔水层的最下段是铝土页岩，厚度约 12m，这在我国华北煤田是最厚的，铝土页岩直接覆盖于奥 灰岩之上，起到良好的隔水作用。 隔水层中的中砂岩厚度一般大于 10m，中砂岩和粉砂 岩具有很高的强度，都属坚硬岩层，单轴抗压强度分别为 27 研究探讨煤炭工程2010 年第 12 期 201. 3MPa 和 115. 2MPa，见表 1，具有良好的整体强度。 表 1岩层力学参数 Et/MPaσc/MPa μ 细砂岩3. 1410473. 40. 21 粉砂岩3. 92104115. 20. 28 粗砂岩4. 9104201. 30. 15 现对赵各庄矿 14 水平 122煤层开采时其有效隔水层阻 抗水能力进行评价。 2. 1. 1岩体破裂条件评价 根据资料承压水压力 Pw11. 76MPa。 由水力压裂理论知 Pb 3σh － σ H T － P0 1 式中Pb 使岩体破裂时的临界液压，MPa; σh 作用于岩体的最小水平主应力，取 σh 11. 6MPa; σH 作用于岩体的原始最大水平主应力，取 σH 26. 1MPa; P0 岩体孔隙中的液体压力，取 P0≈0MPa; T 岩体抗拉强度，MPa。 由式 1 计算得Pb13. 3MPa。 Pw＜ Pb，故不具备压裂岩层条件。 2. 1. 2按阻水系数评价。 14 水平 122煤层底板有效隔水层的厚度为 65m，经计 算总阻水能力为20. 722MPa，大于承压水压力 11. 76MPa ， 见表 2。 表 2 12 煤层底板岩体阻水能力 水平 深度 /m 破裂压 力/MPa 有效隔水 层厚度/m 平均阻水系数 / MPam －1 阻水能 力/MPa 12107012. 969750. 301622. 620 13117013. 339700. 310221. 714 14127013. 709650. 318820. 722 由表 2 分析，122煤底板隔水层具有良好的阻隔水性 能，14 水平的开采在正常完整底板条件下，不会发生底板 破坏型突水。 2. 2底板灰岩岩溶发育情况 在赵各庄矿井田范围内，根据已有钻孔钻探资料和煤 层开拓开采资料，深部是井田水文地质单元的隔水边界， 且没有发现奥灰有岩溶溶洞或地层陷落柱，在浅部奥灰岩 溶发育率随深度加大呈减少趋势，见表 3。可以初步判断 在矿井井田内，奥灰岩溶溶洞不发育，奥灰含水以溶蚀裂 隙和溶穴为主，且随埋深增大岩溶发育程度减弱。 表 3岩溶率分布表 标高/m0－90 －110－130－150－200－250 岩溶率/1. 51. 41. 48 1. 351. 31. 171. 01 厚层灰岩在不同的水文地质单元具有不同的岩溶发育 特征。根据厚层灰岩的岩溶发育程度、规模和特征，可以 把富水灰岩分为四类［3 ］①溶洞型，在灰岩强泾带上溶洞 平均直径 D ＞0. 5m;②孔洞型，灰岩强泾带上溶洞尺寸较 小，平均直径 D ＜ 0. 5m;③裂隙网络型，灰岩中溶蚀裂隙 发育，以裂隙和导水断层为主体构成导水裂隙网络;④节 理裂隙型，节理裂隙不够发育，富水量少，裂隙连通性 较差。 赵各庄矿位于开平煤田向斜盆地的北翼东部，浅部地 下水位的变化为岩溶发育提供了条件，奥灰系灰岩 14 水平 以上岩溶较发育，属于第二类的孔洞型。井田深部 14 水平 以下煤层倾角变缓，逐渐接近开平煤田向斜盆地的盆底， 灰岩水处于停滞状态，不具备岩溶发育的条件，岩溶发育 较差，含水系统是以断裂破碎带为主体的裂隙网络，属于 第三类的裂隙网络型。 2. 3已揭露断层导水性 赵各庄矿地质构造比较复杂，构造形式以断裂为主， 其次为褶皱。14 水平地质构造总体特征仍沿袭上巷格局， 并受矿井总体构造格架的控制。整个水平煤岩层产状变化 很大，分为 3 个块段①东翼倾斜区，区内有三条主要断 层，即东Ⅲ、东Ⅶ和东Ⅷ，其中东Ⅷ断层水平错距为 50 ～ 80m，由 5 ～7 个平行小断层组成。②井口及西翼缓倾斜 倾斜区，区内有三条断层，即西Ⅰ、东Ⅰ和东Ⅱ断层;③西 翼急倾斜区，发育西Ⅱ断层、西Ⅲ断层和 F2断层3 条大中型 断层。 根据上部各水平实际揭露资料，井田内已揭露并延展 到 14 水平的大中型断层，除东Ⅲ断层外，其余断层均不导 水和含水。东Ⅲ断层发生的九东突水，是在九东一石门开采 12 煤层第 2 分层时，由于采动对煤层底板及断层带的影响， 奥灰水经断层破碎带及煤层底板裂隙进入巷道和工作面， 发生突水事故。各石门采区内的小断层一般延展长度几十 米，落差 3 ～5m，这些小断层由于规模小，一般不足以穿 透隔水层切入奥灰，所以发生突水的可能性较小。 2. 4122煤层底板突水特征 经前面分析可知，井田深部奥灰岩溶发育程度较弱， 灰岩含水系统属于以断裂破碎带为主体的 “裂隙网络型” ， 122煤底板隔水层的隔水性能良好，在正常底板条件下足以 阻抗以裂隙网络形式贮存的灰岩岩溶水，不会发生底板破 坏型突水。由于井田内的主要构造都是不导水断层，发生 构造揭露型突水的可能性较小。14 水平发生底板突水的危 险性主要存在于断裂破碎带，就三种突水类型 Ⅰ构造揭露 型;Ⅱ断层采动型;Ⅲ底板破坏型 来说，122煤层底板突 水类型属于断层采动型［4 ］，即采掘工作面揭露断层时并不 导水，在工作面推进过程中，引起底板和四周煤岩体的移 动变形，造成断层面的相对移动，底板岩溶水沿断层上升， 发生滞后突水。因此断层采动型滞后突水应是矿井防治底 板突水危害的重点。 37 2010 年第 12 期煤炭 工程研究探讨 3底板断裂带突水防治技术 由于断裂带附近地应力和充填物强度较低，造成底板 阻水能力降低，存在突水危险性。因此，开采煤层遇到断 裂带时，必须根据断裂带规模和充填情况，采取有效工程 措施，合理留设防水煤柱。 3. 1揭露断层破碎带的防水措施 14 水平的底板奥灰水压已达到 11. 76MPa，在这样大的 水压条件下，断层、断层破碎带等构造区的突水系数都超 过临界突水系数，具有突水危险性。除留设防水煤柱外， 在巷道掘进、回采等方面都必须加强防治措施。具体措施 如下 1核准 包括补钻探明 断层产状、位置，分析断层带 的富 导 水性，判断断层在 14 水平产状和导水性的可能变 化。 2掘进巷道接近主要断层时，必须超前探水，超前距 离应为 30 ～50m。通过注浆封堵出水通道，断层或断层带 内的巷道采用砌喧支护，并进行巷道围岩注浆封闭，增大 围岩强度完整性。 3开采过程中的断裂带，采用截流堵水，疏水降压和 留设断层防水煤柱，避开出水地段，以保证安全生产。 3. 2防突水断层煤柱留设 井田有 4 条主要断层延展到了 14 水平，即东Ⅲ、东Ⅶ、 东Ⅷ和西Ⅰ断层。其中的东Ⅲ断层为张扭性断层，产状 280 SW∠36，落差 15 ～30m，是一条由数条张性小断层所组成 的张性断裂带，曾在 9 水平东一石门西风道发生过突水事 故。 3. 2. 1东Ⅲ断层上盘防隔水煤柱宽度计算 1按底板隔水能力计算 。矿井水文地质规程煤柱 宽度计算公式 L H安/sinα 没有考虑断层与煤层斜交的情 况，东Ⅲ断层和煤层是斜交的，如图 2 所示。故修正计算公 式为 ［5 ］ L H安 ctg α － β 2 H安 P V 10 3 式中α 断层倾角，36; β 断层倾向剖面上煤层的伪倾角，10; P 防水煤岩柱所承受的水压，取 11. 76MPa; V 突水系数，取 0. 1MPa/m。 由式 2 和式 3 计算得H安127. 6m;L 261. 6m。 2按断层稳定性计算。防止开采扰动引起断层破碎带 的移动变形，从而避免因断层破碎带移动变形引起穿过东Ⅲ 断层的底板巷道变形破坏，而发生突水，如图 3 所示。 L L1 L2 L3 h/sin α － β L2 L3 4 式中L 煤柱总宽度，m; L2 保护带煤柱宽度，20m; L3 超前支承压力分布带宽度，58m; 由式 4 计算得 L 146. 4m，即为了保护底板断层带的 稳定性，断层煤柱宽度不得小于 146. 4m。 综上计算结果，两种计算结果取较大值，则确定东Ⅲ断 层上盘保护煤柱宽度在 14 水平取 262m。 3. 2. 2东Ⅲ断层下盘保护煤柱宽度计算 L L1 L2 L3 H安/cosθ H裂ctgθ H裂ctgδ 5 式中L 防隔水煤柱宽度，m; L1，L2，L3 分段宽度，m; H裂 最大导水裂隙带高度，45. 6m; θ 断层倾角，36; δ 岩层塌陷角，75; H安 导水裂隙带至含水层间防水岩柱的厚度， 127. 6m。 通过式 5 计算，确定 122煤层下盘煤柱宽度为 233m。 4结语 通过对赵各庄矿深部开采高水压条件下矿井底板突水 影响因素的分析，14 水平 122煤层底板隔水层隔水性能良 好、底板灰岩岩溶发育较差、揭露断层不导水，可以得出 14 水平的开采在正常完整底板条件下，不会发生底板破坏 型突水，煤层底板突水特征为断层采动型，防治断裂带采 动滞后突水是防突的重点。在巷道掘进、回采等方面都必 须采取防水技术措施，同时还应留设合理的防水煤柱，通 过计算得出，东Ⅲ断层上、下盘防止突水的合理保护煤柱宽 度分别为 262m、233m。 47 研究探讨煤炭工程2010 年第 12 期 收稿日期2010 －08 －04 基金项目建设部立项科研研究项目 08 － K4 －17 作者简介毕远志 1958 － ，男，吉林洮南人，副教授，1995 年毕业于中国矿业大学，现在江南大学环境与土木工程 学院主要从事岩土工程及地下工程支护材料研究和教学工作。 混杂纤维混凝土喷层在锚网喷支护中的 研究应用 毕远志1，傅清国2，陈季斌2，胡金华2 1. 江南大学，江苏 无锡214122; 2. 上海大屯能源股份公司，江苏 徐州 221600 摘要针对煤矿深井巷道支护结构要求高强高韧的特点，提出了将高韧性合成 粗 纤维 与高弹模纤钢纤维混杂掺加到水泥基材料中形成复合水泥基材料，通过喷射工艺在围岩表面形成 支护层与锚杆、锚索形成共同支护体的施工方案，结合孔庄煤矿深部巷道施工的实例，对施工中 遇到的纤维的选择、纤维掺量的确定、喷层厚度确定、纤维掺加工艺等关键技术进行了论述，并 给出了支护效果和经济效益分析，为该技术的推广提供借鉴。 关键词支护结构;深井;韧性材料;合成 粗 纤维 中图分类号TD353文献标识码B 文章编号1671 －0959 2010 12- 0075- 04 Research and Application of Mixed Fiber Shotcrete Layer to Bolt/Steel Mesh/Shotcreting Support BI Yuan － zhi1，FU Qing － guo2，CHEN Ji － bin2，HU Jin － hua2 1. Jiangnan University，Wuxi 214122，China;2. Shanghai Datun Energy Company Ltd． ，Xuzhou 221600，China AbstractAccording to the high strength and high tenacity features required by the support structure of the deep mine roadway in the coal mine，the high tenacity synthetic thickfiber and the high elastic modulus steel fiber would be mixed and added to the cement base material to the complex cement base material． The shotcreting technique applied to a support layer on the surrounding rock surface of the mine roadway as well as the bolt and anchor would be applied to a combined support construction plan． In combination with the construction case of the deep mine roadway in Kongzhuang Mine，the paper stated the determination of the fiber selection and fiber added quantity，the determination of the shotcreting layer thickness，the fiber mixing technique and other key technology in the construction operation． The paper provided the support effects and the economic benefit analysis which could provide the references to the promotion of the technology． Keywordssupport structure;deep mine shaft;tenacity material;synthetic thickfiber 在深井条件下开采，巷道围岩表现出工程软岩的特性， 即在工程力作用下能产生显著塑性变形，出现非线性大变 形的特点。深井支护要求支护结构要有一定的变形量 支护 前期 和支护强度高 支护的后期 。 櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗 目前煤矿深部岩巷普 参考文献 ［ 1］李建民，张壮路，张瑞玺．赵各庄矿深部带压开采评价 ［J］． 煤炭学报，2005，30 5 550 ～553． ［ 2］赵铁锤． 华北地区奥灰水综合防治技术 ［M］ ．北京煤炭 工业出版社，2006． ［ 3］虎维岳． 矿山水害防治理论与方法 ［M］ ． 北京煤炭工业 出版社，2005． ［ 4］施青龙，韩进． 底板突水机理及预测预报 ［M］．徐州中 国矿业大学出版社，2004． ［ 5］钟亚平． 开滦煤矿防治水综合技术研究 ［M］． 北京煤炭 工业出版社，2001． ［ 6］钟亚平，李建民． 开滦矿区煤矿综合防治水技术理论与实践 ［ J］． 煤炭科学技术，2006，34 1 12 ～15． ［ 7］刘衍高． 深部开采区导水断层防水煤柱合理留设探析 ［J］． 煤矿开采，2008，13 1 21 ～22． 责任编辑张宝优 57 2010 年第 12 期煤炭 工程研究探讨