资源整合煤矿老空水致灾因素普查与治理.pdf

梁庆华. 资源整合煤矿老空水致灾因素普查与治理[J]. 矿业安全与环保,2016,43165-68. 文章编号1008-4495201601-0065-04 技技技术术术经经经验验验 资源整合煤矿老空水致灾因素普查与治理 梁庆华 中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400039 摘要煤炭资源整合矿井开采时间长,废弃老窑及采空区多,存在着采空区资料不清、积水情况不 明等问题,资源整合煤矿防治水形势严峻。 以山西和尚嘴煤业为例,分析了矿区水害特点,采用井上下 物探与钻探综合探查手段,查明了隐蔽致灾因素,制订出疏排放采空区积水的方案,总结了隐蔽致灾因 素治理效果。 研究表明地质与水文地质资料分析是资源整合矿井水害隐蔽致灾因素普查与治理的重 要基础手段,地面物探结合井下物探是解决多层采空区积水探查的较好方法,钻探结合物探技术是疏 放多层采空区积水较好的途径。 关键词资源整合煤矿;老空水;隐蔽致灾;超前探测 中图分类号TD745摇 摇 摇 文献标志码C摇 摇 摇 网络出版时间2016-02-03 0904 网络出版地址http/ / www. cnki. net/ kcms/ detail/50. 1062. TD. 20160203. 0904. 008. html Investigation of Gob Water Disaster-causing Factors and Its Control in Resource Integration Coal Mine LIANG Qinghua China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China Abstract At present, the resource integration coal mines are faced with a serious situation in mine water prevention due to their long mining time, more abandoned pits and mined-out areas, unclear gob data and unknown gob water accumulation. In this paper, analysis was made on the characteristics of water disasters in this mining area by taking Shanxi Heshangzui Coal Mine as an example, the hidden factors causing water disasters were found out by adopting both the surface and underground physical prospecting and exploratory boring s, the gob water drainage schemes were worked out, and the control effect of the hidden disaster-causing factors were summarized. The study showed that the analysis on the geological and hydro-geological data was the basic and important for the investigation and control of the hidden factors causing water disasters in the resource integration coal mine, the combination of the surface and underground physical prospecting was a better for prospecting multilayer gob water accumulation, and the combination of exploratory boring and physical prospecting was a better way to drain multilayer gob water. Keywords resource integration coal mine; gob water; hidden disaster; advance detection 收稿日期2015-04-29;2015-11-20 修订 基金项目国家科技重大专项2011ZX05041-003-005 作者简介梁庆华1980,男,山东日照人,副研究员, 博士,研究方向为矿井水害探测与防治。 Tel023-68683157, E-maillinqing1110 sina. com。 摇 摇 为有效遏制煤矿重特大事故多发的势头,从 2006 年开始,有关煤炭企业根据国务院关于预防 煤矿生产安全事故的特别规定 [1]要求,进行了煤炭 资源整合。 自煤矿资源整合以来,发生了几起较大 的水害事故,如2010 年华晋焦煤有限责任公司王家 岭煤矿“328冶特别重大透水事故,有 38 名矿工遇 难;2013 年 山 西 汾 西 正 升 煤 业 有 限 责 任 公 司 “928冶重大水害事故,造成 10 人死亡,直接经济损 失1 756 万元。 由此可见,目前资源整合型矿井所面 临的老空水害威胁十分严重,成为制约矿井安全生 产的主要因素之一。 武强等人划分了中国煤矿水文 56 第 43 卷摇 第 1 期 2016 年 2 月 摇 摇 摇 摇摇 摇摇 矿业安全与环保 MINING SAFETY 王增全提出通过建立健全防治水机构,并配备 必要的防治水设备,提高全员防治水意识等途径,搞 好整合矿井的防治水工作[3];严军等人针对郑煤集 团资源整合矿井的开采条件,分析资源整合矿井水 害安全管理的主要问题,提出了落实“三项评价冶的 具体方法[4];另外,其他学者还提出一些防治水治理 经验[5-15]。 山西省煤炭资源整合矿井开采时间长,矿井数 量多,分布范围广,形成了大量的废弃老窑老井、老 巷及采空区,“多小散乱冶“私采乱挖冶遗留的采空区 积气积水状况,存在着资料不清、积水积气情况不明 等问题,且都有不同程度的充水,老空水存在较为普 遍[7]。 由于整合前各矿井及老窑水文地质资料缺乏 或不准确,致使整合后煤矿防治水形势严峻。 为此, 以山西和尚嘴煤业为例,介绍了山西资源整合矿井 隐蔽致灾普查案例,对于其他资源整合矿井具有同 等推广应用价值。 1摇 矿区水害特点 1郾 1摇 矿区概况 山西和尚嘴煤业为资源整合矿井,批准井田面 积 7郾 431 4 km2,批准开采层位为 2、7、8、11、12、 14煤层,批准生产规模为 0郾 60 Mt/ a,首采工作面布 置在 14煤层。 井田内赋存的地层由老到新分别为 寒武系,石炭系中统本溪组、上统太原组,二叠系,侏 罗系下统永定庄组、中统大同组、云岗组和第四系。 井田内多被第四系黄土覆盖,局部零星出露侏罗系 大同组地层。 据该矿整合地质报告所述,井田内 2、11煤层 大部分已采空,12煤层部分采空,7、8煤层部分开 采,现采 14煤层。 因此,14煤层上部多层老空区积 水已成为威胁该矿安全生产的重大隐蔽致灾源。 1郾 2摇 水害特点 对于资源整合矿井,大多煤矿的上组煤层均受 到不同程度的前期开采破坏,留下许多无法实地勘 测的采空区域,加之一些老矿区固有老空区的存在, 直接导致了矿井受采空积水这一重大水患的威胁, 为新矿井的建设生产带来困难。 以和尚嘴煤业为例 说明资源整合矿井水害特点 1地质与水文地质条件不清。 和尚嘴煤业井田 内由 5 个煤矿整合而成,周边有 7 个矿井,且各矿井 开采年代早、地质勘查工作不充足,水文地质勘查工 作较少,因此各矿井地质条件尤其是水文地质条件 不明,造成资源整合后矿井地质资料不足,难以为矿 井安全生产提供充足保障。 2采空区位置及积水量难以确定。 和尚嘴煤业 资源整合前各矿井资料准确程度较低,提供的资料 和图纸与实际开采范围差别较大,原来的采空区已 经关闭,无法进行准确测量和计算,并且随着近几年 的采掘活动,采空区积水范围与积水量时刻发生变 化,因此采空区分布范围、积水位置、积水量等难以计 算,是目前资源整合矿井水害防治的主要技术难点。 3多层采空区积水。 随着开采煤层的增多,多 煤层采空区积水已经成为一个较为普遍的现象。 多 煤层采空区积水疏放也成为一个新的难题。 2摇 隐蔽致灾因素分析与探查 2郾 1摇 隐蔽致灾因素分析 山西和尚嘴煤业现采 14煤层,其厚度 0郾 35 3郾 69 m,平均厚 1郾 80 m。 首采工作面上覆 2、7、 11、12煤层已采空,采空区存在积水。 2煤层总体 来说积水量不大,但因其埋深较浅,采空区可通过导 水裂隙带接受峰子涧河洪水季节的入渗补给,经过 长期日积月累,在一些密闭的采空区内仍会积存一 定的水量。 且 2煤层开采年代久远,目前难以收集 到该煤层的开采资料,故此积水具体位置难以确定。 根据该矿地质报告预计 2煤层采空区积水量 162 500 m3;7煤层采空区积水量 331 000 m3;11煤 层采空区积水量 1 184 500 m3;12煤层采空区积水 量 123 000 m3。 由于 14煤层首采工作面上方距离 11、12煤层 采空区较近,工作面回采后会导通上覆采空区积水, 存在极大的安全隐患。 因此,该矿的隐蔽致灾因素 主要是 11、12煤层采空区积水。 2郾 2摇 隐蔽致灾因素探查方法及装备 对煤矿水害隐蔽致灾因素的普查,普遍采用井 上下物探与钻探综合探查手段,分述如下。 1地面物探探查。 采用地面瞬变电磁法探测技 术,可圈定采空区及含水层富水区的富水性。 采用 大定源回线测量方式,确定在该矿首采区地面勘探 范围的各测线视电阻率剖面图上重点分析 3 个电性 层层位,查清深度在 50 120 m 的 2煤层,130 180 m 的7、8煤层和200 300 m 的11、12、14煤 层富水性。 2井下掘进点探查。 采用井下瞬变电磁结合矿 井探地雷达探测,查明井下涌水通道和老空积水情 况。 在首采工作面布置过程中,掘进巷道每隔 70 m 进行 1 次超前瞬变电磁法勘探,重点区域结合探地 雷达综合探测分析。 超前物探结果作为探放水钻孔 66 Vol郾 43 No郾 1 Feb郾 2016 摇 摇 摇 摇摇 摇摇 摇 摇 矿业安全与环保 MINING SAFETY 于存在穿层疏放水问题, 井下放水孔施工需穿过12煤层采空区后疏放11煤 层采空区积水,增加了钻探施工难度及放水难度。 针对以上技术难点,制订了以下相应的方案在 井下施工钻孔疏放 11、12煤层采空积水;根据放水 成果预计工作面正常涌水量,为工作面排水系统设 计提供依据;因 2、7煤层积水可沿煤层向斜轴部补 给,故在回采中做好排水工作来解决 2、7煤层积水 问题。 根据以上方案,设计钻孔施工程序钻孔定位寅 开孔钻进至孔口管设计深度寅下入孔口管注浆封 闭寅浆液凝固后钻进至 12煤层底板超前 3 m寅下 套管寅继续钻进至设计层位。 具体钻孔设计如图 2 所示。 在钻孔钻进 12煤层不是采空区的情况下,可 用 椎65 mm 钻头直接钻进至 11煤层,不再使用 椎89 mm 的花管;在部分区域要求 11煤层积水不要 进入 12煤层采空区情况下,可以将花管替换为地质 管材。 图 2摇 钻孔结构设计图 76 第 43 卷摇 第 1 期 2016 年 2 月 摇 摇 摇 摇摇 摇摇 矿业安全与环保 MINING SAFETY 另 外,首采工作面整体为一向斜构造,上覆 12、11煤 层采空区积水也基本汇集在向斜轴部附近,因此在 回采至此处时,涌水量也可能增大。 在该矿探放水过程中,胶带巷 4 个出水孔涌水 量总计最大约 60 m3/ h,以此预估首采工作面回采时 运输巷正常涌水量为 60 m3/ h。 由于该首采工作面 回风巷和运输巷标高相差不大,在首采工作面回采 时,工作面回风巷和运输巷各自排水系统正常排水 能力均应大于 60 m3/ h,并做好局部低洼地段和部分 盲巷积水引发涌水量突然增大的应急措施,尤其是 顶板初次来压和回采至向斜轴部时,必须配备备用 水泵,并保证排水泵、排水管路的正常运行,以确保 工作面的安全回采。 4摇 经验与结论 通过和尚嘴煤业探放水案例,可以得出资源整 合煤矿水害隐蔽致灾因素普查与治理的一些经验与 结论 1地质与水文地质资料分析是资源整合矿井水 害隐蔽致灾因素普查与治理的重要基础手段。 通过 分析矿井地层、构造条件、矿井充水条件等相关因 素,查明煤矿水害隐蔽致灾因素,进而确定资源整合 矿井水害隐蔽致灾因素探查的科学方法、实用装备 及可靠的治理措施。 摇 摇下转第 72 页 86 Vol郾 43 No郾 1 Feb郾 2016 摇 摇 摇 摇摇 摇摇 摇 摇 矿业安全与环保 MINING SAFETY ENVIRONMENTAL PROTECTION摇 摇 摇 摇 摇摇 摇 第 43 卷摇 第 1 期 2016 年 2 月 3本次测试所获得的底板岩层破坏特征值对矿 井安全生产具有重要的指导意义,可为煤矿防治水 技术参数利用提供对比。 对于 B 组煤层其他工作面 开采的后续防治水工作,具有一定的指导意义。 参考文献 [1] 刘盛东,刘静,岳建华. 中国矿井物探技术发展现状和关 键问题[J]. 煤炭学报,2014,39119-25. [2] 程久龙,李飞,彭苏萍,等. 矿井巷道地球物理方法超前 探测研究进展与展望[J]. 煤炭学报,2014,3981742- 1750. [3] 张文泉,张红日,许方军,等. 大采深倾斜薄煤层底板采 动破坏形态的连续探测[J]. 煤田地质与勘探,2000, 28239-42. [4] 张红日,张文泉,温兴林,等. 矿井底板采动破坏特征连 续观测的工程设计与实践[J]. 矿冶研究与开发,2000, 2041-4. [5] 刘传武,张明,赵武升. 用声波测试技术确定煤层开采后 底板破坏深度[J]. 煤炭科技,200344-5. [6] 段宏飞. 采动过程中煤层底板破坏特征及破坏深度分 析[J]. 煤炭科学技术,2014,42517-20. [7] 徐智敏,孙亚军,巩思园,等. 高承压水上采煤底板突水 通道形成的监测与数值模拟[J]. 岩石力学与工程学报, 2012,3181698-1704. [8] 张平松,吴基文,刘盛东. 煤层采动底板破坏规律动态 观测研究[J]. 岩石力学与工程学报,2006,25S1 3009-3013. [9] 张平松,刘盛东,舒玉峰. 煤层开采覆岩破坏发育规律动 态测试分析[J]. 煤炭学报,2011,362217-221. [10] 张朋,彭岩,刘盛东. 采煤面底板变形与破坏地电性动 态测 试 [ J]. 西 安 科 技 大 学 学 报, 2013, 33 2 198-201. 责任编辑李摇 琴 蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛蕛 上接第 68 页 摇 摇 2地面物探结合井下物探是解决多层采空区积 水探查的较好方法。 和尚嘴煤业对于物探手段的基 本经验是地面瞬变电磁结合井下物探,包括井下瞬 变电磁、探地雷达及无线电坑透。 地面物探可以解 决上部 2、7煤层采空区积水的探测问题,井下物探 可以解决下部 11、12煤层的采空区积水探测问题, 因此能够较为准确地控制老空积水的范围。 这也是 解决多煤层采空区积水问题较好的方法。 3钻探结合物探技术是疏放多层采空区积水较 好的途径。 现在物探技术发展迅速,但是需要钻探 的验证。 通过物探技术,结合物探与钻探的“点面结 合冶布置原则,有针对性地对异常区域进行钻探,指 导钻孔施工,减少了钻探工作量,较好地解决了多层 采空区积水问题。 参考文献 [1] 国务院关于预防煤矿生产安全事故的特别规定[EB/ OL]. 2005-09-06[2014-04-02]. http/ / www. gov. cn/ zwgk/2005-09/06/ content_29440. htm. [2] 武强. 我国矿井水防控与资源化利用的研究进展、问题 和展望[J]. 煤炭学报,2014,395795-805. [3] 王增全. 浅谈搞好整合矿井防治水工作的途径[J]. 山 西焦煤科技,2013428-30. [4] 严军,刘瑞,牛保才,等. 资源整合矿井水灾害防治方 法[J]. 科技创新导报,20092584. [5] 孟磊, 冯启言, 段现军, 等. 梁北煤矿寒灰突水综合防 治技术研究[J]. 矿业安全与环保, 2009, 36 3 28-30. [6] 鲍道亮, 邱占林. 福建煤矿水害防治现状分析与对策[J]. 矿业安全与环保, 2014, 411 99-101. [7] 岳修德. “五分法冶 煤矿防治水技术体系在山西煤炭运 销集团的应用[J]. 矿业安全与环保, 2014, 416 90-92. [8] 林平, 张晓更. 桃园煤矿 10 煤层底板灰岩水防治原理 及方法[J]. 矿业安全与环保, 2005, 325 52-53. [9] 张建荣. 资源整合矿井防治水安全管理及防治对 策[J]. 山西焦煤科技,2011752-53. [10] 蔡海兵. 资源整合矿井水害隐患及对策措施探讨[J]. 能源与环境,2012277-78. [11] 陈少华. 资源整合矿井老空水害分析与防治对策[J]. 河南科技,201415161-162. [12] 岳拥军, 白云来, 贾安立, 等. 复杂水害威胁矿井充水 因素分析及防治[J]. 矿业安全与环保, 2011, 382 63-65. [13] 刘贵卯. 浅谈资源整合矿井防治水工作实践[J]. 能 源与节能,2013366. [14] 董书宁,靳德武,冯宏. 煤矿防治水实用技术及装 备[J]. 煤炭科学技术,2008,3638-11. [15] 梁庆华. 矿井全空间小线圈瞬变电磁探测技术及应用 研究[D]. 长沙中南大学,20125-15. 责任编辑熊云威 27 Vol郾 43 No郾 1 Feb郾 2016 摇 摇 摇 摇摇 摇摇 摇 摇 矿业安全与环保 MINING SAFETY ENVIRONMENTAL PROTECTION摇 摇 摇 摇 摇摇 摇 第 43 卷摇 第 1 期 2016 年 2 月