煤层顶板淋水防治技术研究.pdf

1 4 2 点堪晨 科技 2 0 1 4 年 第 7 期 矿井地质与水文地质 煤层顶板 淋水 防治技术研究 李 勇 山东煤矿安全监察局鲁中监察分局 ， 山东 济南2 5 0 0 3 1 摘要山东鑫 国煤电公 司二采 区上石炭统 太原组煤层的开采受其上覆含 水层淋 水影响， 导致排 水费用增加 ， 生产 条件恶化。 该 文通过对 区域构造特征、 充水水源及 通道进行分析 ， 提 出了针对性防治措施。 关键词 地质条件 充水水源及通道分析封源截流 注浆封堵顶板淋水 中图分类号T D 7 4 5 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 52 8 0 1 ． 2 0 1 4 ． 0 7 ． 6 6 华北型煤田的主要含煤地层上石炭统太原组含煤 地层 C 3 t 为海陆交替相含煤岩系， 沉积有多层含水石 灰岩层 ， 各含水石灰岩层与煤层相间分布， 有的为煤层 直接顶板， 煤层回采时， 石灰岩含水层水以淋水形式进 入工作面， 恶化了工作条件， 增加了排水费用。 1 井田地质 山东鑫国煤电有限责任公 司处于山东省肥城市 湖屯镇行政区内， 隶属泰安市， 井 田走向长 6 ． 0 k m， 倾 斜宽 0 ． 5～1 ． 8 k m， 面积 8 ． 5 6 6 5 k m 。 山东鑫国煤电有限责任公司井田位于肥城煤田 西南部。井 田被第四系表土层覆盖， 在井田最南端 有煤系隐蔽露头分布 ， 走 向长约 1 4 0 0 m， 地表水迳流 方向与隐蔽露头线走向呈斜交及垂交关系。矿井地 层自下而上有 奥陶系、 石炭系、 二叠系、 第四系。 1 ． 1 煤 系地层 石炭系太原组， 为该矿最主要含煤地层， 地层厚 1 3 4 ． 1 3 m， 煤岩分层共计 3 3层 ， 其 中岩层 2 3层， 以深 灰色页岩为主， 砂岩次之， 间夹一灰、 二灰、 三灰、 四 灰和多层粘土岩， 海相沉积为主， 间有过渡相沉积 ； 含 煤 1 0层 ， 有 7个可采煤 层 ， 其编 号为 5 、 6 、 7 、 8 、 9 、 1 0 I、 1 0Ⅱ， 多集中于中下部。 二叠系 山西 组 ， 为 该 矿 重要 含 煤 地层 ， 地 层 厚 1 2 8 ． 2 m， 煤岩分层共计 1 9层 ， 其 中岩层 1 3层， 灰至 白色中粒砂岩为主， 深灰色粉砂岩次之， 间有薄层粉 砂质泥岩和粘土岩， 为滨海平原过渡相沉积， 与石炭 系太原组连续沉积； 含煤6层 ， 有 5个可采煤层， 其编 收稿 日期2 0 1 4 0 31 7 作者简介李勇 1 9 6 7一 ， 男， 汉族， 山东德州人， 高级工程师， 硕 士研 究生。 号为 1 、 2 、 3 I、 3 Ⅱ、 4 。 1 ． 2井田构造 肥城煤田位于鲁西断块肥城断陷盆地内， 是一 个被第四系覆盖的全隐蔽式煤田。从区域地质构造 来看， 沂沭断裂带以西， 齐河广饶断裂以南的广大鲁 西地区， 其基底为太古界泰山群变质岩系， 盖层为下 古生界寒武、 奥陶系。盖层构造以断裂为主， 并具有 明显的继承性和多期性。井 田为背向斜及中小断层 发育的地堑构造， 地层走 向基本稳定， 在 N 4 0 。 E左 右， 倾向东南， 地层倾角4～1 5 。 ， 局部 3 I I～ 3 0 4孔 达 3 0 。 ， 一般在 1 O 。 左右 。 1 ． 3井田水文地质 井田为四面环 山向西南开阔的盆地 ， 基岩被第 四系表土层覆盖 ， 井 田内无水库及大的河流 ， 只有一 条季节性冲沟， 由北向南流人井田东南部的小汇河 ， 在井田南部流人康王河。井 田内主要含水层 自上而 下分为 第 四系砂及砂礓含水层 、 山西组砂岩含水 层、 太原群石灰岩含水层 、 本溪组徐家庄石灰岩含水 层及奥 陶系石灰岩含水层 。 1 ． 3 ． 1 第四系砂及砂礓含水层 第四系砂及砂礓含水层距地表 2～1 0 m， 厚 1～ 3 m， 主要成分 由钙质结核及粘土组成， 结核具小孔 ， 水即储藏其内， 为孔 隙性潜水， 井筒穿过本层时， 涌 水量约为 2 0 m ／ h ， 主要接受大气降水补给， 下部含粘 土砂礓及砂礓粘土层， 具有良好的塑性和隔水性 ， 对 矿井开采无影响 。 1 ． 3 ． 2 山西组砂岩含水层 本组含水层主要有 3 煤层顶、 底板砂岩和4煤层 顶板砂岩三层岩性为灰 白色长石英中粒砂岩 ， 钙质 胶结 ， 开采过程中， 涌水量 6 0 2 8 2 m ／ h ， 是上组煤开 2 0 1 4年第 7期 堪蒺科技 1 4 3 采过程 中的主要充水 水源。 1 ． 3 ． 3 太原群 石灰岩含水层 主要有一灰、 二灰、 四灰三层。一灰、 二灰对矿 井充水影响很小 ， 四灰为影响开采的主要含水层。 四灰厚 2 ． 5 4～ 7 ． 1 3 m， 平 均 4 ． 9 7 m， 为 8煤 层 直 接顶板， 四灰水为岩溶裂隙承压水， 原始水位标高为 6 0 ． 4 4 m， 是下组煤生产的主要充水水源。 1 ． 3 ． 4 本溪组徐家庄石灰岩含水层 简称五灰 五灰厚 6 ． 2 29 ． 4 4 m， 平均 7 ． 4 8 m， 上距 1 0 Ⅱ煤 平均 1 6 ． 5 6 m， 下距奥灰平均 1 0 ． 2 m， 中间夹六灰 即 草埠沟灰岩 0～ 2 ． 2 m。五灰质纯致密 ， 岩溶裂隙发 育 ， q9 ． 3 1 2～0 ． 1 1 2 lMs m， k1 ． 0 3 4～2 5 5 ． 4 7 m ／ d ， 含水量极丰富， 原始水位标高 6 1 ． 0 8 m， 由于断层 的升降 ， 五灰与太原群煤系地层多处对 口接触， 成为 四灰的直接补给水源 ， 是矿井充水的主要水源层。 1 ． 3 ． 5 奥陶系石灰岩 简称奥灰 奥灰厚 8 0 0 m， 为质纯致密的结晶灰岩 ， 在煤 田南部山区大面积出露 ， 裂隙洞穴发育 ， 直接接受大 气降水补给， 动水量达 2 ． 8万 m ／ d 。在井田 F 7 、 F 2 5 边界断层地段 ， 奥灰与太原群煤系地层对 口接触。 浅部 q 6 6 ． 6 7～ 1 ． 9 3 2 L ／ s m， k 2 6 ． 6 7～5 ． 3 7 m／ d ， 深 部 q 1 ． 6 4 7 ～0 ． 0 0 4 L ／ sm， k4 0 ． 1 5 0 ～ 0 ． O 1 4 5 m ／ d ， 为富水 性极 丰富 的含水 层 ， 原 始 水位 标 高为 6 1 ． 2 6 ， 是矿井充水的主要补给水源。 2 9 2 0 0采区北翼及其顶板淋水情况 2 ． 1 区域 概 况 9 2 0 0采区北翼位于 一 2 1 0 m水平二采区北翼， 走 向长 6 2 0 m， 倾 向长 4 8 0 m， 面积 2 3 5 0 2 0 m 。可采储 量 3 9 ． 5万 t 。采区东至 G F 1 9断层上盘断煤交线； 西 及西北至 F 3 、 G F 1 断层下盘断煤交线； 南至 9 2 0 0轨 道保护煤柱线 ， 北至 7 8 2 0 0采区边界。 2 ． 2顶板水情 况 9 2 0 0采区南翼开采过程 中 ， 通 过 一 2 5 0 m泄水巷 向顶板 8 煤 层 老空 区施 工 了多个 放水 孔 ， 加上 各工 作面顶板淋水 ， 稳定水量约5 0 m 。 ／ h 。 3 水源及通道分析 3 ． 1 地 质构 造 根据上覆煤层开采资料， 区内断层发育， 主要断 层分布情况见 图 1 ， 断层特征见表 1 。 表 1 断层特征表 构造 产状 褶 曲轴面 编号 走 向 倾 向 倾角 落差 实见位置及控 制情况 性质 。 。 。 m F 3 正断层 N E N W 6 0 9 0～3 O 上组煤及钻孔揭露 控制 GF 2 正断层 N E l 5 N Ⅵ r 7 5 6 8 0～7 8层煤揭露控制 G F 1 6 正断层 N E 3 5 N W5 5 6 5 O～1 4 8层煤 揭露控制 G F 2 2 正断层 N E 1 3 N ■ 7 5 5 0～1 5 7层煤揭露控制 G F 1 正断层 N E 3 O N Ⅵ r6 0 4 5 1 0～ 4 5 根据钻孔 资料推断 下组煤通过地面打钻 分析 ， 出水点 G F I 9 正断层 N W 2 4 O ～ 2 O 处有该断层 ，但资料不清。 n3 正 断层 N E 8 N W8 2 7 0 O～ 2 8层煤揭露控制 G F 3 正断层 N El 0～3 5 N W5 5～8 0 3 0～8 O 0～ 4 0 上组煤揭露控制 3 ． 2 工作 面顶板涌水水源及通道分析 因北部边界断层 F 3阻水 ， 该 区域 内经开采 证 明 G F 1 6 、 G F 2 2 、 G F 2中型断层 ， 且均为阻水断层 ， 从构造 及放水试验资料分析 G F 3与 G F 1 6断层 间， 因二者 走向平行 ， 倾向相反 ， 形成一个小型地堑构造， 地堑 内的五灰与东测 G F 3断层下盘奥灰对 口接触， 与西 侧 G F 1 6断层下盘奥灰间距缩小， 东侧的奥灰为侧向 补 给五 灰 ， 补 给 量 大 ， 五 灰 富水 强。该 区 因 G F 1 6 、 G F 2 2 、 F 3断层阻水 ， 仅在 G F 1 6断层 尖灭端 处的狭小 区域五灰水经 G F 1 6断层北端绕流至开采块断， G F 3 断层是本采区的主要进水边界，奥灰主要通过东部 G F 3断层补给五灰 ， 顶板四灰水由采区东北侧 G F 1 9 下盘五灰通过断层补给 ， 见图2 。 1 4 4 山童娃晨 舛技 2 0 1 4 年 第 7 期 图 1 主要 断层 分布 图 图 2 顶板四灰水源补给 图 4 治理措施 4 ． 1 五灰帷幕截流 从 G F 1 6断层向北， 沿 G F 1 9断层防水煤柱线从 9 煤层施工五灰帷幕孔， 以截断五灰补给四灰的通道 ， 钻孔平面布置见图 3 ， 五灰帷幕孔剖面见图4 。 图3帷幕孔平 面布 置图 4 ． 2 四、 五灰联合帷幕截流 在采区北部沿边界从 7煤层布置四、 五灰联合 帷幕孔 ， 截断五灰补给四灰的通道， 同时截断四灰水 进入开采区域， 钻孔平面布置见图 3 ， 四、 五灰联合帷 幕孔剖面见图 5 。 图4 五灰帷幕截流孔预想剖面图 图5 四、 五灰联合帷幕截流孔预想剖面图 4 ． 3 帷幕截流工程量及效果 共施工帷幕孔 3 6 个 ， 合计钻探进尺 2 2 8 3 ． 6 m， 形 成 四灰帷幕 带长 度 2 4 5 m， 形 成五 灰帷幕 带 长度 7 1 6 m； 四 灰 段 单 孔 累 计 水 量 1 2 3 m ／ h ， 共 注 浆 1 6 5 ． 0 6 m ， 注水泥 5 6 ． 4 9 t ， 注粘土 1 6 ． 6 9 t ， 注入干料合 计 7 3 ． 1 8 t ， 吨水干料 0 ． 5 9 t ， 每米帷幕带注干料 0 ． 3 t ； 五灰段单孔累计水量 1 0 6 8 m ／ h ， 共注浆 4 0 4 9 ． 7 1 m ， 注水 泥 7 9 3 ． 2 9 t ， 注 粘 土 6 9 9 ． 8 1 t ， 注 入 干 料 合 计 1 4 9 3 ． I t ， 吨水干料 1 ． 4 0 t ， 每米帷幕带注干料 2 ． 0 9 t 。 帷幕前北翼 9 2 0 6运 中、 风道及 1 } } 、 2 总淋水量 5 0 m ／ h ， 帷幕后总水量约为 5 m ／ h ， 帷幕效果 9 0 ％。 5 结论 山东鑫国煤电有限责任公司二采区北翼帷幕截 流采区顶板淋水的实践 ， 通过对采区地质条件、 充水 水源及通道的分析， 确定 了此类顶板水害 的防治方 法 封源截流 ， 即先对充水水源曾五、 奥灰含水层注 浆封堵 ， 然后对过水通道四灰含水层注浆封堵 ， 从而 减小顶板淋水 ， 改善工作面劳动条件。本工作面顶 板淋水的治理方法 ， 对相似条件 的华北型石炭二叠 系煤田石炭系太原组煤层顶板淋水的治理具有很好 的借鉴意义。