极复杂水文地质条件综放工作面防治水技术.pdf
第 48 卷 S1 煤 炭 科 学 技 术 Vol. 48Special 2020 年 1 月 Coal Science and TechnologyJan.2020 极复杂水文地质条件综放工作面防治水技术 高虎1, 程洪涛1, 位小辉1, 刘文涛1, 朱浩浩1, 巴贵明2 1.陕西彬长孟村矿业有限公司, 陕西 咸阳713600; 2.山西小回沟煤业有限公司, 山西 太原030400 摘要 为了提高矿井水害防治以及安全管理水平,针对彬长矿区孟村矿井巨厚洛河组富含水层特 厚起伏煤层综放工作面俯采期间断层区域防治水工作特点, 通过详细分析顶板导水裂隙带高度以及 涌水量, 给出了该矿区极其复杂条件下的主要防治水思路和具体设计方案, 总结了该条件下工作面回 采期间防治水工艺和管理措施, 并创造性制定提出了厚煤层综放工作面“走向‘波浪式’ 倾向‘倒 V 式’ 架后留疏水通道” 控水工艺, 展示了极其复杂地质条件下回采期间的防治水效果。本案例中通 过工作面防治水工艺和管理措施的实施, 采用走向‘波浪式’ 倾向‘倒 V 式’ 架后留疏水通道控水 工艺的综合治水措施, 结果表明 彬长矿区孟村矿 401101 综采工作面成功的将采空区 94的涌水分 流至 401101 措施巷和 401101 回风巷, 仅剩余 6的涌水从 401101 运输巷排出, 远超预期水害防治效 果, 有效的解决了彬长矿区孟村矿上覆的白垩系洛河组巨厚层状砂岩含水层水害防治问题, 证明了该 类型水文条件下采煤工作面水害是可防可控的, 在同类型极复杂地质条件下有极大的推广应用价值。 关键词 地质复杂; 水文地质; 综放工作面; 防治水 中图分类号 TD163文献标志码 B 文章编号 0253-2336 2020 S1-0150-06 Technology of water prevention and control for extremely coal complex hydrogeological conditions in fully-mechanized top coal caving face GAO Hu1, CHENG Hongtao1, WEI Xiaohui1, LIU Wentao1, ZHU Haohao1, BA Guiming2 1.Shaanxi Binchang Mengcun Mining Co.,Ltd., 713600 Xianyang, China; 2.Shanxi Xiaohuigou Mining Co.,Ltd., 030400 Taiyuan,China 收稿日期 2019-08-15; 责任编辑 曾康生 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51174112 作者简介 高虎 1986 , 男,陕西韩城人, 助理工程师。E-mail 317022680 qq.com 0引言 矿井水灾与矿井火灾、 矿井瓦斯、 矿井火灾、 矿 井瓦斯和矿井顶板并称为煤矿五大自然灾害。在煤 矿生产中, 透水是仅次于煤矿瓦斯突出的严重事故。 煤矿在建设和生产过程中, 常受到水的危害, 一旦发 生水灾, 不仅会影响矿井的正常生产, 给管理带来困 难, 有时还会造成人员伤亡和淹井事故, 导致矿井停 产和严重的经济损失, 危害十分严重。 彬长矿区井田内主要发育的含水层有松散潜水 含水层、 白垩系洛河宜君组含水层、 侏罗系直罗组、 延安组含水层。松散潜水含水层距离煤层较远, 期 间有数层泥岩隔水层存在, 不会威胁矿井安全生产。 侏罗系直罗组、 延安组含水层是 4 煤开采直接充水 含水层, 富水性弱, 厚度较小, 水量相对有限, 可通过 井巷和工作面进行疏放, 对矿井生产影响较小。而 白垩系洛河宜君组含水层为巨厚含水层; 井田内厚 度 220.00~337.90 m, 平均 304.91 m; 单位涌水量为 0.161 9~ 0.395 8 L/ sm , 富水性中等; 与煤层间 距较小, 为63.18~158.77 m, 平均117.74 m。彬长矿 区大部分洛河组含水层将被采动裂隙扰动, 使其成 为矿井的直接充水水源, 威胁矿井安全。据矿井涌 水量数据统计, 洛河组含水层水已成为矿井涌水的 主要组成部分。对洛河组含水层水害的治理, 成为 制约矿井安全回采的重要因素之一。 孟村煤矿位于彬长矿区黄陇侏罗纪煤田核心部 位, 设计年生产能力 600 万 t, 主要开采侏罗系中统 延安组 4 号煤层, 煤层平均厚度为 16 m。井田位于 孟村向斜区, 在大地构造位置上处于鄂尔多斯盆地 彬县黄陵坳褶带, 构造相对稳定。矿井采用综放机 械化采煤方法, 煤层上覆的白垩系洛河组巨厚层状 砂岩含水层对矿井安全开采形成了严重威胁。如何 051 高虎等 极复杂水文地质条件综放工作面防治水技术2020 年 S1 做好顶板水防治以实现安全回采, 已成为彬长矿区 亟待解决的问题[1-4 ]。 1工作面概况 孟村煤矿 401101 工作面可采走向长度 2 090 m, 由西往东回采, 倾向长度 180 m, 安装支架 105 架, 回采煤层平均厚度 11.6 m。工作面于 2018 年 6 月开始回采, 截至 2019 年 8 月 25 日已回采 1 545 m, 剩余 545 m。工作面运输巷侧于 2019 年 8 月 10 日约 1 500 m 运输巷先揭露 DF29 断层 落差 18 m、 倾角 60 , 运输巷已推采过断层 45 m。如图 1、 图 2 所示, 运输巷位于南侧, 回风巷位于北侧, 工作面整 体上沿走向成一向斜构造, 向斜轴距最东侧 500 m 左右, 方位角约 N60W, 工作面自开切眼推采至向 斜轴以前均为俯采, 过向斜轴以后为仰采。东西部 两头南高北低 运输巷高回风巷低 , 中部南低北高 运输巷低回风巷高 。从开切眼开始至回采了 1 346 m时运输巷高于回风巷, 在 1 3461 740 m 回 风巷高于运输巷, 在 1 7402 090 m 运输巷高于回 风巷。主要充水来源为白垩系下统洛河组砂岩空 隙-裂隙含水层, 厚度 340~380 m, 距离煤层顶板厚 度 140~180 m, 单位涌水量为 0.022 8 ~0.280 6 L/ sm , 水质类型 SO 4- -Na , 矿化度 0.930~5.103 mg/L。 工作面防治水难点 ①回采期间受顶板巨厚 洛河水严重威胁; ②回采到 1 500 m 始工作面揭 露断层, 存在断层导水风险; ③工作面向斜构造, 工作面起伏较大, 俯采期间工作面中部 400 多 m 回风巷高于运输巷, 存在大量涌水汇集到机头的 问题[5-10]。 图 1工作面底板标高模型示意 图 2工作面巷道平面布置 2工作面导水裂隙带高度模拟及涌水量预测 2.1导水裂隙带高度 2.1.1数值模拟 对工作面采宽与导水裂隙带发育的关系研究是 应用 FLAC3D软件, 通过建立矿井工作面三维数值计 算模型实现。模型尺寸为长 Y 宽 X 高 Z 500 m170 m200 m, 依照井田内主要钻孔揭示的 岩石力学特征值, 将模型概化为 17 个岩层进行数 值模拟, 数值计算模型如图 3 所示。 图 3数值计算模型示意 图 4斜长与导水裂隙带高度关系 根据不同的工作面宽度, 共建立 23 个模型进行 数值模拟计算, 计算结果如图 4 所示。由关系图分 析得出以下规律 工作面宽度为 80~140 m 时, 导水 裂隙带发育高度小于 100 m; 宽度为 140~150 m 时, 导水裂隙带高度递增趋势加剧; 宽度为 180 m 时, 导 水裂隙带高度达 160 m, 而后随面长增加缓慢增加。 401101 工作面面长为 180 m, 孟村井田范围内 4 煤 顶板至洛河组底板最小距离为 140 m, 随着工作面 的推采, 裂隙带的形成和扩展, 裂隙带高度将到达 160 m, 大于 4 煤顶板至洛河组底板间距, 导通洛河 组含水层, 间接充水层白垩系洛河组砂岩孔隙~裂 隙含水层亦在局部地段通过顶板导水裂隙带进入工 作面, 作 为 直 接 充 水 层 将 持 续 影 响 工 作 面 涌 水量 [11-15 ]。 2.1.2工程类比 参照相同矿区相同煤层相似条件的胡家河煤矿 综放工作面进行工程类比, 邻近胡家河矿工作面实 测采裂比约为 18.79, 结合 401101 工作面回采煤层 151 2020 年 S1 煤 炭 科 学 技 术 第 48 卷 厚度 10~12 m, 预计 401101 工作面因采动形成的裂 隙将达到 187.9~225.5 m。 综上所述, 数值模拟和工程类比结果均表明, 洛 河组砂岩含水层是矿井的间接充水含水层, 其分布 广, 厚度大, 富水性中等~强, 水量大, 受工作面推采 长度影响, 将通过裂隙带进入工作面, 造成较大涌出 水, 对工作面开采存在较大威胁 [16-20 ]。 2.2DF29 断层区域超前探放水 为进一步探明 DF29 断层富水性状况, 于 2018 年 11 月 25 日12 月 20 日在 401101 措施巷施工富 水性探查孔 6 个, 累计进尺 930 m, 单孔涌水量为 0.6~3.4 m3/h, 基本查明该断层的发育特征及富水 性特征; 初步分析 DF29 断层发育明显, 预计落差大 于 10 m, 且富水性较差。 2.3工作面涌水量预测 分别采用 “大井法” 和“比拟法” 对工作面涌水 量进行预测计算。 2.3.1“大井法” 计算矿井涌水量 Q1.366K 2H-M M-h2 lgR0 -lgr 0 R 10 槡 S K ; R0 R r0 式中 Q 为矿井涌水量, m3/d; K 为渗透系数, m/d; M 为含水层厚度, m; H 水头高度, m; S 为疏降高度, m; R0为引用半径, m; r0为预测区折算半径, m; R 为影 响半径, m; h 为潜水含水层水位, 取 0。 采用 “大井法” 方式工作面洛河组涌水量预测 为 2 412 m3/h, 计算结果见表 1。 表 1洛河组涌水量计算参数 参数数值备注 K0.460 6 m/d据精查时期和水文补勘资料取得 r0710.2 m401101 工作面 M112 m S295 m R2 002.092 m R 10 槡 S K R02 712.292 mR0 R r0 Q2 412 m3/h 2.3.2“比拟法” 计算矿井涌水量 参照邻近煤矿胡家河矿首采面涌水量, 采用比 拟法计算。具体计算如下 胡家河首采面工作面宽度为 175 m, 长度为 1 463 m, 上分层煤层厚度为 0 ~ 17.6 m, 平均采高 12.0 m, 最大厚度达 14.0 m。胡家河矿首采面正常 涌水量为 547.39 m3/h。故孟村矿 401101 工作面正 常涌水量为 QZ563.03 m3/h。 依据彬长矿区工作面涌水特点, 最大涌水量一 般取正常涌水量的 1.3 倍, 为 Qmax 1.3QZ 731.94 m3/h。401101 工作面回采期间的正常涌水量为 563.03 m3/h, 最大涌水量为 731.94 m3/h。 2.3.3计算结果评价 通过比较大井法和水文地质比拟法计算获得的 矿井涌水量, 两者结果相差较大。采用“大井法” 计 算数据较该矿井实测资料、 周边矿井实测涌水量均 偏差较大, 故采用比拟法计算结果作为矿井涌水量 预测量, 即孟村矿井首采工作面回采期间的正常涌 水量为 563 m3/h、 最大涌水量为 732 m3/h。 3防治水设计方案 3.1工作面巷道水仓、 排水管路、 水泵设计 根据 401101 工作面巷道起伏情况, 在运输巷最 低点和措施巷最低点各设置一集中排水点, 其中运 输巷 435 m 处施工一处容积 800 m3的环形水仓 1 号水仓 , 配备 2 台 BQW500-30X2-160 潜水泵和 2 台 BQS500-30X2-90KW 潜水泵 两用两备 , 安装 2 趟 315PE 管路, 一趟与 401 盘区辅运巷 273 排 水管路相连通, 一趟排入盘区辅运巷水沟, 确保有效 排水能力达到 800 m3/h 以上。措施巷 300 m 处施 工一容积 400 m3的集水池 2 号水仓 , 配备 2 台 BQW600-30X2-160 潜水泵和 2 台 BQS500-30X2- 90KW 潜水泵 二用二备 , 安装 2 趟 315PE 管路, 与措施巷口自流排入盘区辅运巷水沟, 确保有效排 水能力达到 800 m3/h 以上。在涌水量正常的情况 下, 1、 2 号水仓涌水直接通过工作面巷道 315PE 管、 401 盘区辅运巷 273 mm 排水管路排至中央水 仓, 当工作面涌水量增大时, 关闭与盘区辅运巷 273 mm 排水管路相连通的电磁阀, 工作面涌水排 入 401 盘区辅运巷水沟, 自流入 401 盘区水仓, 经 401 盘区水仓排水系统排至中央水仓。 3.2疏水通道开挖、 维护 1 在回风巷、 运输巷、 措施巷分别施工 800 mm 600 mm; , 600 mm800 mm、 600 mm600 mm 宽 深 的混凝土水沟。另外在运输巷煤墙侧巷道全程 施工300 mm200 mm 宽深 临时水沟。 2 措施 泄水 巷联巷维护。为了充分利用措 施 泄水 巷道排水作用, 采用打密集木垛的方式对 回风巷与措施巷间的 3 号联巷进行维护, 保证其在 进入采空区后仍然完好, 作为良好的疏水通道。 251 高虎等 极复杂水文地质条件综放工作面防治水技术2020 年 S1 3.3排水方案 根据工作面巷道布置, 工作面现场排水分为 3 阶段。 1 开切眼至 3 号联巷 长度 1 310 m 。该区域 为俯采段, 运输巷高于回风巷 1~12 m, 工作面涌水 通过回风巷水沟流至 2 号水仓, 运输巷少量设备冷 却水及顶板淋水经回采煤墙侧临时水沟流入 1 号 水仓。 2 3 号联络巷至开切眼外 1 740 m 长度 430 m 。该区域为俯采段, 运、 回风巷高差出现逆反, 回 风巷总体高于运输巷, 高差最大 15 m, 工作面涌水 以 3 号联络巷为分界, 3 号联络巷里侧涌水量主要 通过 3 号联巷经措施巷排至 2 号水仓, 3 号联络巷 至开切眼外 1 740 m 的涌水部分通过运输巷流至 1 号水仓。为防止工作面采空区水由回风巷流经工作 面至运输巷, 工作面在中部抬高层位形成一道挡水 梁, 控制采空区水由回风巷水沟流入 2 号水仓。 3 开切眼外 1 740 m 至 1 890 m 长度 350 m 。 该区域, 运输巷高于回风巷 0~10 m, 因此回风巷为 主要排水线路。涌水大部分将通过回风巷 2 号联巷 流至 2 号水仓。 3.4排水能力 结合工作面涌水量变化情况, 提前在 401101 工作面运输巷和措施巷各形成排水能力不小于 1 500 m3/h的排水系统, 保证工作面回采期间安全 生产。 4回采期间防治水工艺及管理措施 4.1走向 “波浪式” 层位挡水 “波浪式” 开采的具体做法是, 将安装在工作面 机头支架上的激光调整好平直, 工作面以 50 mm/刀 的幅度进行仰采, 整个工作面抬高至 1 000 mm 后, 工作面开始慢慢转平, 待整个工作面支架底座全部 转平后, 将工作面按照 50 mm/刀的幅度进行俯采, 俯采至整个工作面落低至与 2 个工作面巷道底板保 持一个水平后, 完成整个 “波浪” 过程。整个“波浪” 过程由安装在机头支架上的激光控制。通过对工作 面 “波浪” 回采, 人为的在工作面采空区形成一道围 堰, 在生产过程中减少采空区的水从架后流入工作 面, 使采空区的积水在采空区沉淀后由进风巷水沟 流出, 流出的清水直接用水泵排入水仓。 4.2倾向倒 “V” 式层位分流 如图 5 所示, 回采过程中沿倾向将工作面布置 成倒“V” 型层位, 将最高点处底板称作“挡水梁” , 作为工作面出水的“分水岭” , 挡水梁以上区域出 水由工作面自流至回风巷排至 1 号水仓, 挡水梁 以下区域出水由工作面自流至运输巷排至 2 号 水仓。 图 5工作面倾向倒 “V” 型布置、 挡水梁位置 彬长矿区孟村煤矿 4101 工作面分流控水工艺 如图 6、 图 7 所示, 采空区出水滞后采煤工作面约 100 余米, 采空区出水大部分都被分水岭“截流” 在 分水岭北, 从泄水措施巷、 回风巷排至 2 号水仓。从 分水岭下方“溜走” 的少部分出水则被“波浪式” 围 堰截流, 从机头下隅角过水通道经转载机机尾水沟 排出至 1 号水仓。 图 6工作面分流控水工艺平面示意 根据工作面两巷高差、 出水量调整挡水梁位置, 在 2586 号架范围逐步调整, 随高差增大, 挡水梁 向机尾移动, 高差减小, 挡水梁向机头移动; 分流原 则为 “水走机尾为主, 水走机头为辅” 的原则, 最大 限度往机尾分流, 减少机头过水量, 减轻机头控水压 351 2020 年 S1 煤 炭 科 学 技 术 第 48 卷 图 7采空区 “倒 V 式” 层位分流控水工艺立体示意 力, 减少水上系统, 提高煤质。回采期间两巷高差、 挡水梁位置布置情况见表 2。 表 2两巷高差、 挡水梁位置 标高/m 机头机尾平均 工作面两 巷高差/m 挡水梁 位置 1 228.11 230.81 229.453.525 号架 1 275.41 275.61 275.51.727 号架 1 315.41 3181 316.70.330 号架 1 362.61 3621 362.3 -1.3 37 号架 1 377.81 379.21 378.5 -3.3 40 号架 1 386.61 388.81 387.7 -4.0 46 号架 1 402.61 404.01 403.3 -5.2 53 号架 1 419.41 420.81 420.1 -7.8 57 号架 1 431.61 433.61 432.6 -9.4 66 号架 1 439.61 442.41 441.0-11.069 号架 1 465.31 469.81 467.55-13.375 号架 1 524.21 525.71 524.95-14.286 号架 4.3机头架后留设通道疏放 对于分流到机头方向的水量排放方式就是“绕 道” 至架后通道、 转载机机尾, 疏放至运输巷水沟排 出至水仓。在下隅角采用的办法就是在机头 1-3 号架架后引小木跺, 从转载机尾后将水引到工作面 下隅角, 避免水上系统, 下隅角的封堵留设必要的过 水通道。 5防治水实践效果 5.1分流控水情况 工作面回采期间涌水疏放分流情况统计见表 3。目前工作面机尾比机头高 15 m, 最大涌水量达 780 m3, 成功向机尾方向分流 730 m3/h, 机头仅分流 50 m3/h 左右, 分流效果非常显著。 若不采取有效措施, 大量采空区涌水汇集采面 以及运输系统, 将严重制约正常生产, 甚至停产, 同 时严重影响煤质。经采用走向‘波浪式’ 倾向‘倒 V 式’ 架后留疏水通道控水工艺成功的将采空区 94涌水分流至措施巷和回风巷, 仅剩余 6的涌水 从运输巷排出, 远超预期水害防治效果。 表 3工作面控水分流实测涌水量情况统计 观测 日期 工作面 两巷 高差/m 挡水 墙位 置 工作面涌水流向及水量/ m3h -1 措施巷回风巷运输巷合计 5 月 3 日3.5 25 号架660 660 5 月 19 日1.7 27 号架660 660 6 月 1 日0.3 30 号架650 20670 6 月 10 日 -1.337 号架 63060690 6 月 18 日 -3.340 号架 63060690 6 月 27 日 -4.046 号架 580100680 7 月 3 日 -5.253 号架 580100680 7 月 9 日 -7.857 号架 560130690 7 月 13 日 -9.466 号架 550150700 7 月 16 日 -11.069 号架 550150700 7 月 27 日 -13.375 号架 53018015725 8 月 18 日 -14.286 号架 46526550780 5.2回采产量、 煤质情况 本工作面俯采且运输巷低于回风巷期间, 在 6~ 8 月产量均顺利完成计划生产任务。煤炭发热量均 在 5 200 cal 21 736 J 以上, 完成煤质指标任务。 5.3防治水效果总结 401101 工作面现已回采 1 440 m, 期间涌水量 最大为 780 m3/h, 正常涌水量为 600 m3/h, 水仓、 水 沟、 水泵规格型号均可满足工作面排水; 工作面涌水 控制有效, 未出现推送系统拉水现象。煤炭发热量 在 5 200 cal 2 1736 J 以上, 各项指标符合要求。 6结论 1 根据本研究与实践, 可以认为巨厚洛河组富 含水层特厚起伏煤层综放工作面水害是可防可治 的, 经组织管理到位, 不会影响正常生产任务的 完成。 2 孟村矿井巨厚洛河组富含水层特厚起伏煤 层综放工作面采用“走向‘波浪式’ 倾向‘倒 V 式’ 架后留疏水通道” 控水工艺效果显著, 有效的 解决了彬长矿区上覆的白垩系洛河组巨厚层状砂岩 含水层水害防治问题。 3 本研究与实践, 创新了极复杂水文条件下起 伏煤层俯采综放工作面防治水工艺, 为相似地质类 型采煤工作面防治水工作积累了经验, 具有极大的 451 高虎等 极复杂水文地质条件综放工作面防治水技术2020 年 S1 推广应用价值。 参考文献 [ 1]王飞, 赵强, 武光辉. 特厚煤层综放开采条件下顶板水防 治技术[J]. 水力采煤与管道运输, 2012 1 74-76. 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