焦作矿区煤层底板注浆加固工作面突水原因与防治_许延春.pdf

第42卷第4期 2014年8月 煤田地质与勘探Vol. 42 No.4 Aug. 2014 COAL GEOLOGY 2.焦作煤业（集团）有限责任公司，河南焦作454002 摘要焦作矿区水文地质条件极为复杂，煤层底板受到承压水的严重威胁，为此对工作面煤层底 板进行了注浆加固改造”但近几年底板注浆加固工作面仍发生交水事故，严重影响了矿井的正常 生产，并构成了安全隐患。通过对焦作矿区近年来8起底板注浆加固工作面交水事故进行调研， 详细分析了交水工作面主要充水水源、i主桨力口固改造情况、交水情况及原因，总结归纳了注浆力口 固工作面交水影响因素，利用实例计算验证了易突水位直，并进一步提出了水害防治措施。 关键词j主浆加固；底板交水；交水原因；高阻异常区 中图分类号.TD74 文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2014.04.011 Reinforcement of working face by grouting in floor in Jiaozuo coal mining area XU Yanchun 1, LI Jianghua 1, LIU Baizhou2 I. College o_f Resources and S旷etyEngineering, China University of Mining and Technology, Beijing I 00083, China; 2. Jiaozuo Coal Industrial GroupCo., Ltd., Jiaozuo 454002, China Abstract The hydrogeological conditions are very complex in Jiaozuo coal mining area and the floor is seriously thretened by confined water, so the floor of working face has been reinforced and transed by grouting. But water inrush accidents still have occured in working face reed in recent years, seriously influencing the normal production and causing hidden danger for safety in coal mines. Through investigation of eight water inrush accidents in Jiaozuo coal mining area in recent years, the paper analyzes the source of water inrush, the situation of reinforcement and transation by grouting, summarizes the effecting factors of water inrush, calculates and verifies the position prone to water inrush, then puts forward control measures to ensure the safe, high and stable production in coal mines. Key words grouting reinforcements; water inrush in floor; cause of water inrush; anomaly area of high resistivity 水患一直是焦作矿区重大安全生产隐患，历史 上曾发生过上千次突水，其中涌水量大于600m3/h 的突水75次，大于6000 m3/h以上的突水8次，最 大一次突水量为19200 m3/h。为了扭转防治水工作 的被动局面，于1999年引进煤层底板注浆改造技 术［I－坷，在九里iJI矿14041等工作面进行煤层底板注 浆改造试验，并获得成功I巧，至今已13a，解放了 上亿吨煤庆资源，安全回采了4000I04 t煤炭，工 作面突水次数、突水强度大大降低，打破了焦煤不 能进行综合机械化采煤的局面。但是自2006年，有 部分工作面底板注浆改造后，仍然发生了突水事故， 严重影响了矿井的正常生产。本文通过综合分析工 作面突水事例的原因，提出了水害防治措施。 1 焦作矿区水文地质特征 焦作矿区位于太行山南麓，北部山区出露I800 b甘 收稿日期2013-03-20 的奥陶系灰岩，接受大气降水补给，富水性极强， 该灰岩水以平均12.7。的水力坡度向南流至矿区， 流量为12～20旷Is。矿区位于太行山复背斜隆起的 南侧，处于东西向构造和新华夏系构造的复合部位， 主要以断裂构造为主，发育有东西、北东和北西向 3组构造。矿区构造主要为单斜构造，地层产状倾 向135。左右，倾角5-25。，平均15。～17。。 本区煤系（图I）属石炭一二叠系，主采煤层为 山西组二l煤，二l煤层底板主要含水层有八灰、 二灰和奥灰。八灰（Ls）距二l煤19.65-40.24m，水 位＋50←130m；二灰（L2）距二l煤85.58～l04.57 m，距 下伏奥灰一般为20m，层厚12m，富水性强，目 前水位＋33～＋82m；奥陶系（中统02）马家沟组 灰岩含水层为煤层底板主要含水层，厚400～ 450 m，奥灰在矿 区内具有统一的水位标高为 7985 m。 作者简介许延春1963－），男，河北唐山人，t学博士，研究员．博士生导师，从事近水体采煤研究． ChaoXing 第4期许延春等焦作矿区煤层底板注浆力口固工作面突水原因与防治 51 系 祟i十I I言以 J,1皮／ Im m 805.80 11飞 」 系 818.27 p 833.39 U豆豆Z 七 845.10 炭口l旦97.旦，＇. 900.01 系l ,0 , 9.76 6.64 928.18 C I 930.10 奥 向 系 。 ；；－层 出’二I陈 1层名称I士二主主 L,灰岩 L，灰n L，灰岩 －＇／＇－均出1禹Im 口～13.98 0.27 19.6540.24 27.07 85.58104.57 92.59 奥；－jl0172l 13.55 ’108.27 图l焦作矿区煤系综合柱状示意图 Fig. I Comprehensive columnar schematic diagram of coal measures in句aiazuomiming ar巳a 2 工作面突水情况 通过对焦作矿区8个注浆加固工作面近几年来 突水情况进行调研，并总结分析得出了底板注浆加 固工，作面主要充水水源、注浆加固改造情况、突水 情况及突水原因（表l）。 3 突水事故影晌因素 通过对近年来8起底板注浆加固改造工作面突 水事故的总结，研究认为导致工作面突水的因素是 多方面的，经归纳主要如下。 3.1 地质构造因素 断层及其伴生裂隙带是工作面突水的主要原 因，工作面突水事故基本都位于断层带或接近较大 断层。在断层破碎带，由于高承压水压力的作用， 易发生掘进和工作面突水事故。由表l可知，有6 起突水事故是由于工作面位于断层带或接近较大断 层，断层直接或间接影响了出水。 3.2 采动影响因素 a.采动影响分析 表l可看出34次事故是工作面处于初次来压期 间。另外，赵固一矿l111 l工作面突水时，工作面 周期来压明显。工作面来压期间底板破坏深度增加111, 因此易出水。 由突水事故发生的位置可以看出，突水一般发 生在来压期间风道和工作面交接的不远处，该位置 为采动后底板破坏深度最大的区域。 b.实例计算 赵固一矿l101 l飞作面，煤层平均厚度6.14m‘ 开采3.5m，沿顶版开采，采深570m，在煤层底板 下方的26m处是Ls灰岩含水层，水压最大达到IJ5.8MPa, 工作面长度180m，底板岩层主要为泥岩、砂质泥 岩和砂岩。 ①老顶来压时底板的最大破坏深度［6-9] 赵国一矿底板岩层平均抗压强度为σc 25.3 MPa。 将数据带入老顶来压期间底板的最大破坏深度计算 公式，得出底板最大破坏深度 h一l.57y2 H2 Lx 一－ max 4σ； l.57x9.82 x260025702 x 180 23. 16 m 425.3“ x 10 式中y为底板隔水层的平均重度，MN/m3;H为采 深，m;Lx为壁式丁．作面斜长，m；σc为岩体抗压强 度，MPa。 通过计算可以得出，在老顶来压阶段．工作面 长度为180m时，底板的最大破坏深度在23.16m 左右。 ②正常回采阶段底板破坏深度 根据岩石物理试验结果，对力学参数进行折减， 得出需要的参数煤的内摩擦角ψ＝28。’最大应力 集中系数n 1.6，内聚力Cm1.05 MPa，采厚 m3.5m, K＝丘豆旦旦＝2.77代人煤层塑性区宽度 1-sinq; 计算公式 L nyH Cmctgtp ln 2KtgψKCmctgtp 3.5 . 1.6 x 9.8 x 2600 x 570 x 10-3 1.051.89 Ln 2x2.77x0.53 2.77xl.05xl.89 9.95 m 将L和的＝37。代人底板最大破坏深度算式 ChaoXing 52 煤田地质与勘探第42卷 矿井 赵 罔 矿 古 汉 山 矿 九 里 Lli 矿 演 马 庄 矿 表1煤层底板洼浆力日固工作面突水情况及原因 Table 1 突水 The situation and the cause of water inrush in the coal mining face reinforced by grouting in floor 主要充水水源概况 底板注浆力日同 改造情况 突水情况突水原因 工作面 11111 12041 13051 13091 15071 14101 2206 2207 Ls灰平均厚度8.7口1.PIM值钻孔加哥半径20～25m. 2012年4月15日工作丽轨道顺槽与回撤通道交 0.18. T.作面具有突水危险深度60m.注浆终压达叉口东帮巷道在极短时间内突然底鼓，随即发周期来压 性［6]到13MPa 生突J].工作面涌水量稳定在200m3/h左右 钻孔加｜菌半径20～25m. 2012年4月2日工作丽回采至62m发生初次来 Ls灰平均厚9m. 1）（压实视1J最断层影响；初 深度达65m。注浆终压压.7）（量达到1]280m3/h左右。突水点位置位于 高为4.5MPa. P/M值0.157次来If. 达到13MPa 上顺槽距切0140-60m处 Ls灰平均厚7.0m，距二l煤平注浆加罔半径20～25m.2010年l月3日下风道及上部断层带附近突水． 均30m.水斥2.7-3.5MPa, 深度60m，注浆终压达工作丽突水量稳定在444m3月1，出水位置基本 PIM值。l到10MPa 上稳定在上风道断层带。 断层丰背影响．初 次来压；工作而 外但IJ未加罔 注浆加固半径20-25m. Ls灰平均厚7.0m. 7.Klf.3.0 2010年l l月25日回采长度49m时，工作面切Iii断层影响；初 深度60m。注浆终压达 3.8 MPa. P/M值。13内发生底板突水．稳定涌水盘108m3/h 次来压期间 到10MPa Ls灰平均厚7.0m.距二l煤平 注浆加固半径20～25m, 201 l年7月5日工作面推进468m时，切DE向上 均33m，水压3.0-3.8MPa. , 断层影响 深度60m 78 m处突水．稳定时涌水量288旷／h PIM值0.115 2005年门月工作面上安全口出水，最后稳定至 Ls灰平均厚8.0m.水压平均注浆加固半径15～25m, 2 400旷／h;2007年9月工作面继续回采过程中 2.0 MPa 深度30m发生突水．最大涌水量I800 m3/h.最后稳定在 I 200旷／h.工作而再次停止因采 加l商工程量不足 初次来压 ；底 2009年工作面回采至下风道42.0m时．在1作面 Ls灰平均厚8.13m.距二l煤注浆加固半径15～60m., 板力H罔技术不 运输巷槽头处发生突J].涌水量l140m切左右 平均21.06m 深度30m。’完善；小断层 回采至下风道250.0m时．涌水量360.0m3/h左右 密度大 每隔50-60m设计一个201l年8月28日工作面回风巷施工底板注浆改造 Ls灰平均厚8.71m，距二l煤小断层F94深 钻场，富水异常区布孔孔回4孔时，F94断层附近巷帮渗水．钻进57m时 平均17.91m 部水导通 间距不大于60mo 钻孔出水量约180m3 /h D一LCOS向β号）ta max 2cos（主＋坠） 曹 于60m；工作面外围改造范围达到30m以上。 b.加固工程范围不明确 4 2 9.95 xcos37仔＋孚）xtan37 e斗2180 20.75 m 37 2cos（一＋一一－） 4 2 180 通过计算可以得出，在正常开采阶段，工作面 长度为180m时，底板的最大破坏深度在20.75m 左右。 2010年之前没有对注浆工程前后底板的富水 性进行系统检测，因此难以掌握加固工程效果。也 没有对底板破坏深度进行探测，未能指导加固工程。 如古汉山矿13091工作面底板注浆加固改造后，开 切眼40～87m为低阻异常区（图3），为易出水区域， 表明注浆加固工程不完善。 3.4 对高阻异常区的疏忽 通过以上计算表明，工作面来压期间，矿压显 现比较剧烈的部位，底板破坏深度比较大，是突水 的高发区域。 3.3 洼浆加固改造技术因素 a.加固工程参数偏小 2010年之前的出水事例中，底板注浆加固改造 技术不完善是重要原因，主要表现于加固深度偏小 一般为Ls灰或Ls灰下10m；工作面外侧没有加固， 工作面外侧的底板移动和破坏易出水；钻孔间距局部 较大，钻孔间距达到60m。如古汉山矿13051工作 面采用单侧钻窝钻进，工作面外侧没有加固（图2）。 2010年以后，赵固一矿和赵固二矿进行了改进，浆 液扩散半径按25～30m；钻孔设计深度（垂直煤层）大 当岩体裂隙发育并且充水时表现为低阻异常， 但岩体裂隙发育而没有充水时则表现为高阻异常［10）。 通常采用电法和电磁法预测突水危险区时，主要探 测低视电阻率（简称“低阻”）的富水区，并划为异常 区，而疏忽了高阻异常区，导致电法解释突水点的 准确率下降［协12）。而注浆工程也注重对低阻富水区 的注浆改造。受采动影响当裂隙发育的“高阻区”与 含水层导通则发生突水。如赵固－矿l111 l工作面 及丸里山14101工作面的出水点均表现为电法探测 的高阻异常区。 赵固一矿l111 l工作面位置及附近没有断层， 电法探测表明没有低阻的富水异常区。岩体正常视 ChaoXing 第4期许延春等焦作矿区煤层底板注浆力口固工作面突水原因与防治 53 电阻率为80～130Qm，但是在轨道巷出水点位置， Ls灰及下部有2处小范围（宽度20m左右）的高阻异 60m洲巳」卫3.0m 常区（图的，表明不充水裂隙发育，且未对此区域注 浆加固，表现为对高阻异常区的疏忽。 注浆孔小寸二30mlhl t水点。 注浆孔大于30m/h自011水点/ ’ 价驳孔大千10m-lhR9l,Jc点,A 占1作而I水点位7i皿7 图2古汉 山矿13051工作面突水点位置及煤层底板注浆工程分布图 Fig.2 The water inrush location and the distribution of grouting engineering in face No.13051 of Guhanshan mine. 图3古汉山矿13091工作面注浆后上顺槽视电阻率断面图 Fig.3 The cross-section of apparent resistivity in the upper gate road of face No.13091 in Guhanshan mine after grouting 0 E 生S 25 800 高阻异常仄 l作而走向长度Im 图4赵固一矿l111 l工作面轨道巷出水点位置高阻异常区 Fig.4 The anomaly area of electrical resistivity at water inrush location in the railway transportation gateway of the face No.11111 of Zhaogu mine No. I 4 水害防治技术措施 在十分不利的水文地质条件下，经过焦作矿区 广大工程技术人员的不懈努力，已经将水灾事故起 数大幅度减少，危害程度大幅度降低。如近几年赵 固二矿以及赵固一矿改造工程中已经采取了加密钻 孔，加大深度，扩展范围和加大压力的措施；普及 采前采后电法探测的措施，从而使改造前突水危险 性很高的多个工作面没有出现突水事故。为实现上 述目标，以后仍需在以下方面采取措施 a.加强全区水文地质特征的探查与研究，扩大 探查范围。 b.加强物探工作，提高准确性。注浆加固前对底 板进行探测及做出突水预测，注浆加固改造工程完成 后仍需进行探测与检测，对低阻异常区与高阻异常区 要兼顾，同时考虑；加强物探人员的培训｜｜，提高物探 成果解释水平，培养高水平物探成果解释人才。 c.改进、优化底板加固改造技术，提高加固改 造的效果。对于断层带采用立体注浆加固的技术措 施；对于初次来压区域和物探低、高阻异常区域， 适当增大注浆加固改造工程参数。 d.加强突水规律和突水机理的研究，指导防治 水工作。探测和研究裂隙区的状态以及注浆、采动 ChaoXing 54 煤田地质与勘探第42卷 影响后其隔水性的变化；对于尚未观测工作面底板 破坏深度的矿井进行观测，认识导水通道的形成与 发展的动态过程。 e.加强突水快速治理方法的研究，减少不利影 响。一旦出现突水事故，如何快速判断水源，查明 导水通道，快速治理，减少突水对于生产、效益和 安全的影响程度。 5结论 a.通过对近年来焦作矿区底板注浆加固工作面8 起突水事故原因综合分析，认为复杂的地质、水文地 质及矿压的影响依然是造成底板突水的因素，即使工 作面实施注浆加罔后亦不能完全排除水害，故不能忽 视对含水体、构造的探视rJ和对矿压的监测。 b.由实际突水位置并结合实例计算表明，工作 面来压期间，矿压显现比较剧烈的部位，底板破坏 深度较大，是突水的高发区域。 c.虽然对工作面进行了注浆加罔，但加固技术不完 善并对它的认识不足。比如加国深度较小、局部钻孔 间距过大，造成加固不能完全覆盖工作面或工作面中的 含水区域；对底板破坏带的认识和探测的不足，造成加 固深度的不合理和对工作面外围加固的忽视。 d.虽然有的工作面加固比较全面，但由于注浆 加罔改造工程量和生产压力大，从而导致钻孔量多， 出现不合格钻孔的可能性增加。 e.注浆后底板的岩体结构发生变化，同时物探 和钻探表明赵罔一矿12041工作面的裂隙带宽度仅 （上接第49页） [12］马军杰．尤建新．陈震基于改进粒子群优化算法的灰色神经 网络模础［J］.同济大学学报向然科学版.2012.405740--743. [13］必il牛．曾光明．遗传算法；在水环绕灰色非线性规划中的应 用［J］.水科学迸展.2002. 131 31- 36. [14] HSlAO YT. HUANG TL. CHANG SY. F山zymodeling with grey prediction for designing power system stabilizers[J]. Granular Computing and lntelligence Systems. 2011 13 219-235. [15］王利．吕大炜．吴古r荣1在于灰色列1论与模糊数学相结合的矿 山地质灾害预测［J］.煤炭丁．程.20094 77一79. [16］张佯f.沈幸I］，蔡焕杰．基于灰色Jll论和回归分析的需水量组合 预测研究［J］.四北农林科技大学学报．向然科学版，2010, 388 223 227 [17］李玲．施勇一种新的时间序列l综合分忻法和应用［J］.水科学 进展.2002. 13 31- 36. [18］杨永同灰色时序组合模型及其在矿井涌水量预测中的应 用［JJ，水文地质工程地质.1996. 236 36-38 [19] U N Y, LIU S F. A systemic analysis with data Il[J]. Intemational Journal of General Systems UK. 2000. 296 989- 999. [20］李鹏程．主以群．张力人误原因因素灰色关联分析［J］.系统 ｜丁程理论与实践.2006 3 131 135. 10 m左右，注浆钻孔的连通性差，这种情况下，容易 形成小范围的未充水的岩体薄弱带，在电法探测中形 成小范围的高阻异常区，采动影响下裂隙带导通突水。 参考文献 川张伟．庞迎春，王永龙．工作而底板浅部灰岩注浆改造技术与 实践［J］.煤炭技术.2008. 2710 102-103. [2］材四平．张文广工作丽底板沌浆加i剖技术［J].中州煤炭． 2011 11 79-82. [3］杜工会．煤层底板含水层，注浆改造技术在焦作矿区的应用［J]. 煤矿安全，2004,351 1 19 2 I. [4］陈成字’王建合．陈彦昭复杂水文地质条件下底板灰岩rt. 加｜司技术［J］.能源技术与管理.20门（469 7 1 [5］邢文平．张占全.xJi气宙焦作矿区底板介；）＇（层注浆改造技术研 究与应用[J］.焦作工学院学报I句然科学版.2004. 23 4 267-270. [6］国家煤炭工业局．建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与 压煤开采规程［SJ.北京煤炭工业出版社.2000. [7］刘洋矿山压力对煤层底板破坏深度的数值分析［J］.西支平斗 技大学学报，2008,281 11- 13. [8］张金才．张玉卓，x,J天泉岩体渗流与煤层底板突7K[MJ.北 京．地质出版杜.1997 [9］孟有平．王保玉，徐良伟．等煤炭开采对煤层底板变l后破坏 及渗透性的影响［月煤田地质与勘探，2012.402 39-43 [10］许延春，陈新明．姚依林．高水压突水危险l；作丽防治水关键 技术［J］.煤炭科学技术.2012, 409 99- 103 [11］岳建华，李志鹏．矿井直流电法及在煤层底板突水探测中的应 用［J］.中国矿业大学学报.1997 . 261 94-98 [12］于最咽I.刘志新.X,j树才深部采场突水构造矿井瞬变电磁法 探查理论及应用[J］.煤炭学报.2007, 328 818 821. [21] LIN S J, LU I J, LEWIS C. Grey relation perance correlations among economics, energy use and carbon dioxide emission in Taiwan[]. Energy Policy, 2007, 353 1948一1955. [22］陈.＼消．胡小芳．吴成宝．用基于邓氏灰色关联度的聚类为法 对煤种进行聚类的研究［JJ.中同粉煤技术.2010. 163 19-21 [23］金菊良．魏－P.鸟．丁品．基于改ill层次分析法的模糊综合评价 模型［J］.水利学报，2004365- 70. [24］陈士军．荆各庄矿动态涌水综采工作而回采的实践［J］.煤炭科 学技术.2006. 344 85 87. [25] KNOπERS M . VAN W ALSUM P E Y. Estimating fluctuation quantities from time series of water-table depths using models with a stochastic compone叫J].Journal of Hydrology. 1997 197 25-46 [26] HES. LI Y. WANG R Z. A new approach to perance analysis of句ectorre仕igerationsystemusing grey system theory[ J]. Applied Thermal Engineering. 200929 1592- 1597. [27] GUO J J , WU J Y , WANG R Z. A new approach to energy consu- mption prediction of domestic heat pump water heater based on grey system由eory［几Energyand Buildings. 2011 43 1273- 1279 [28］刘新梅．徐润芳．张若勇．邓氏灰色关联分析的应用模型［J］.统 计与决策.200820 23- 25. ChaoXing