近距离煤层采空区水害探测与防治_刘治国.pdf

近距离煤层采空区水害探测与防治 刘治国1， 2 1. 煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013; 2. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013 ［ 摘 要］近距离煤层开采时采空区积水是下煤层开采的安全隐患。通过突水水源、采动裂隙 发育特征及其与采空区的连通性分析，以地质条件综合分析为基础，采用物探与钻探相结合的探放水 方法，查明了上煤层采空区积水范围，疏放了采空区静储量积水，排除了下煤层开采的安全隐患。 ［ 关键词］采空区积水，采动裂隙，矿井瞬变电磁，疏放水 ［ 中图分类号］ TD745［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201704- 0090- 04 Exploration and Prevention of Goaf Water of Contiguous Coal Seams LIU Zhi- guo1. 2 1. Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China; 2. Coal Mining ＆ Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co. ，Ltd. ，Beijing 100013，China Abstract Goaf water was potential safety hazard of lower coal seam mining in contiguous coal seams，and connectivity between water inrush resource，mining fractures development character and goaf was analyzed，it taking geological situation synthesis analysis as base，water detection and release with geophysical prospecting and drilling was applied，goaf water scope of upper coal seam was identified，goaf water was drained，and potential safety hazard of lower coal seam mining was excluded. Key words goaf water; mining fractures; mine transient electromagnetic ; water draining ［ 收稿日期］ 2017－02－16［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2017. 04. 023 ［ 基金项目］ 国家科技重大专项大型油气田开发项目 2016ZX05045007－003 ;中国煤炭科工集团科技创新基金面上项目 2016MS011 ; 天地科技 “公司研发项目”开采生产力转化基金 KJ－2015－TDKC－04 ［作者简介］ 刘治国 1978－ ，男，河北来源人，博士，副研究员，主要从事 “三下一上”采煤研究工作。 ［引用格式］ 刘治国 . 近距离煤层采空区水害探测与防治 ［J］． 煤矿开采，2017，22 4 90－93. 煤矿水害事故是我国煤矿主要灾害之一，而采 空区突水事故占 85左右，是煤矿企业重点防范 的透水灾害。采空区水害多分布于小窑、多水平开 采矿井以及改制和部分新建矿井，具有瞬时突发 性、冲击力强、破坏性大等特点，突水点作业人员 避灾困难，往往造成重大人员伤亡和经济损失 ［1 ］。 近距离煤层下行开采时，往往面临上部采空区 积水的威胁，并且由于煤层间距小，上层煤采空区 积水极易通过构造破碎带、采动裂隙、封孔不良钻 孔等导水通道进入下层煤掘进、回采工作面 ［2－7 ］。 下层煤掘、采前，应全面分析矿井或采区的水文地 质以及开采条件，分析矿井地测资料，结合地球物 理探测、钻探等手段，分析可能的积水区分布情 况，划分积水线，预计积水量，最终通过探放水钻 孔验证、排除隐患。以榆神矿区黑龙沟煤矿防治采 空区积水为例，证明基于水文地质条件分析、水情 综合探测、水情信息监测的系统性防治采空区水害 方法的有效性。 1地质采矿条件 黑龙沟煤矿主要开采侏罗系延安组 2－2 煤和 3 －1煤层，属近水平煤层，倾角 1，其中 2－2 煤埋 深约 150m，厚 4. 11～6. 85m，平均 5. 36m，3－1 煤 厚 2. 59～3. 12m，平均 2. 84m。2－2 煤与 3－1 煤间 距为 27. 51 ～ 40. 04m，平均 32. 94m，属近距离煤 层开采。矿井采用综采一次采全高开采方法，全部 垮落法控制顶板。 21301 工作面为 3－1 煤层首采工作面，工作面 长 300m，推进长度 1470m，该面上部为 2－2 煤层 11201 和 11202 采空区，工作面长 240m，与 3－1 煤工作面重叠布置 图 1 。 2煤层开采充水水源 2－2 煤层顶板赋存的含水层主要有侏罗系延安 组孔隙裂隙承压水含水层、直罗组基岩风化带含水 层和新生界松散层孔隙潜水含水层，其中煤层顶板 延安组含水层富水性弱，虽然为矿井的直接充水含 水层，但涌水强度不大，不对矿井构成威胁; 直罗 组风化带含水层富水性中等，间接补给煤层直接顶 板延安组含水层，是矿井主要防范的富水含水层; 新生界孔隙潜水含水层具有垂向分带性，下部含水 层富水性略弱，上部萨拉乌苏组含水层富水中等， 09 第 22 卷 第 4 期 总第 137 期 2017 年 8 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 22No. 4 Series No. 137 August2017 ChaoXing 图 121301，11201，11202 工作面叠置关系 矿井开采实践证明，该含水层水未曾进入矿井，是 矿井的间接充水水源。 煤层开采后，覆岩发生破断失稳，采动裂缝向 上发展，形成垮落带和裂缝带，合称导水裂缝带， 位于导水裂缝带范围内的含水层将通过采动裂缝向 采掘空间充水，成为采空区积水的直接补给水源， 同时，与直接充水含水层有水力联系的其他含水层 也将对采掘空间形成间接补给。2－2 煤层开采后， 导水裂缝带将导通煤层顶板含水层，含水层对采空 区的动态补给量为 260m3/h，2－2 煤层顶板水积聚 在采空区形成 3－1 煤层开采的安全隐患。 3采动裂隙发育特征及其与采空区的连通性 3. 1导水通道与采动裂隙发育特征分析 矿井水害的充水通道主要分为天然导水通道和 人为导水通道，天然导水通道有地层原生的孔隙裂 隙、冲蚀带、地下溶洞以及断层、陷落柱等构造破 碎带; 人为导水通道主要有封闭不良钻孔、采动裂 隙、老井筒和巷道等 ［8 ］。该区域含煤地层产状近 于水平，沿走向、倾向的产状变化不大，无较大的 波状起伏、褶皱及断层，无岩浆活动，构造简单， 基本排除了构造导水的可能性。矿井不存在封闭不 良的钻孔、废弃井巷。因此，3－1 煤层回采后，采 动裂隙是 2－2 煤层采空区积水进入下层煤的主要 过水通道。 我国陕北侏罗系煤田煤层厚、开采强度大，加 之地层时代新，多分布有弱胶结岩层，形成了原生 裂隙发育，抵抗采动影响能力弱的地质特征 ［9－10 ］。 通过对该区隆德煤矿覆岩破坏高度的实测，发现该 区中硬覆岩条件下采动破坏高度数值相较于东部矿 区大，即当采厚 4m 时，实测垮采比 3. 83 ～ 6. 88， 裂采比 18. 1～19. 41; 采动裂隙在弱胶结岩层中发 育更充分 图 2 ，裂隙连通性好，垮落带向上发 育延展性好，垮落带中上部形成较多大的裂隙、孔 洞 图 3 。因此，该区采动裂隙发育，且具有良 好的导水能力。 图 2导水裂缝带中充分发育的采动裂隙 图 3垮落带中上部分布的裂隙－孔洞 3. 2下层煤开采与上覆采空区连通性分析 黑龙沟 3－1 煤层平均采高为 2. 8m，依照实测 的垮采比和裂采比计算，下层煤开采形成的垮落带 为 10. 72～19. 26m，导水裂缝带为 50. 68～54. 35m。 由于 2－2 煤采空区与 3－1 煤平均间距仅 32. 94m， 故 3－1 煤开采形成的导水裂缝带直接连通了 2－2 煤层采空区，且垮落充分、裂隙过水能力强。 4采空积水区综合探测与疏放 4. 1矿井瞬变电磁富水区探测 针对 21301 工作面与上覆采空区的空间布置关 系，在 21301 工作面回风巷布置 2 个探测方向 竖 19 刘治国 近距离煤层采空区水害探测与防治2017 年第 4 期 ChaoXing 直方向、向工作面内仰角 45方向 、运输巷布置 3 个探测方向 竖直方向、向工作面内仰角 45方 向、向工作面外仰角 45方向 ，在切眼处布置 2 个探测方向 竖直方向、向工作面内仰角 45方 向 ，测点间距 10m，控制巷道及工作面顶板岩层 富水范围。21301 工作面矿井瞬变电磁顶板探测范 围如图 4 所示。 图 421301 工作面矿井瞬变电磁探测示意 根据低阻区的圈定范围，把各方向相对富水区 按不同层位投影到 2－2 煤采掘平面图上，以高度 40m 视电阻率水平切片为主进行解释，地质解释成 果如图 5 所示。探测成果显示，21301 工作面顶板 上覆 2－2 煤采空区富水性相对较强，回风巷上方 富水性较运输巷上方富水性强，回风巷上方距切眼 0～89，220～391，720～970，1230～1330m 区段富 水性相对较强。探测结果与 2－2 煤底板起伏形态 基本一致，从异常空间位置来看，连通性较好。 4. 2钻孔探放水 煤矿探放水工作是矿井防治水工作的重要环 节，而钻探方法是验证物探成果的最直接、有效的 方法，最终利用钻孔将水体安全放出。为彻底消除 2－2 煤采空区积水对 21301 工作面开采的安全威 胁，必须将顶板采空区积水静储量基本疏干后方可 图 521301 工作面顶板 2－2 煤层采空区含水性矿井瞬变电磁法探测成果平面 确保 21301 工作面的安全开采。根据 21301 工作面 与上覆采空区积水的空间位置关系，在井下施工仰 上钻孔对采空区积水进行探放是最有效的疏干方 法。为此，在 21301 工作面两巷、切眼对疑似积水 区施工了 29 个仰上探放水钻孔，累计进尺 1743m， 查明了 21301 工作面上部采空区的主要积水区位 置，通过钻孔的初始涌水量和持续时间的监测，分 析了积水区的富水程度。 5采空区水害治理效果 5. 1采空区积水量预计 根据 2－2 煤综采工作面采空区出水情况，采 空区积水疏放时需要考虑积水的静储量和动态补给 量，动态补给量的存在要求有足够高的疏降强度， 静储量基本疏干后方可开采。根据 2－2 煤层专用 排水巷的区段联巷出水情况和 2－2 煤底板标高， 预计 4 号联巷位置积水深度 3m，8 号联巷位置积 水深度 5m，考虑最不利情况，可认为工作面范围 均有积水，据此分 2 段计算 2－2 煤层采空区积水 量。 采空区积水量 W W KSH 2cosα 式中，K 为采空区充水系数，一般取 0. 3～0. 5，本 次计算取 0. 3; S 为采空区积水面积，经测量积水 面积分别为 145000m2和 71000m2; H 为采空区积水 水头高度，分别取最大值 5m 和 3m; α 为煤层倾角 ，本区煤层倾角 0～1，取 1。 带入公式，求得 5m 积水区域积水量为 65260 m3，3m 积水区域积水量为 32000m3，采空区总积 水静储量 W 97260m3。因此，采空区积水静储量 约 1105m3。 5. 2疏放效果 施工的 29 个探放水钻孔中，17 个钻孔成功捕 捉到采空积水区，出水量较大，其他钻孔出水量极 小或无水，从而排除了疑似积水区。疏放水 1 个 月，钻孔放水量近 1. 4105m3，疏放了采空区主要 的静储量积水。以 21301 工作面主运巷 ZY1－1 钻 孔为例，初始涌水量和水压分别为 48m3/h 和 0. 38MPa，疏放 30d 后，涌水量最小仅 5m3/h，水 压表显示处于无压状态 图 6 。 ZY1－1 钻孔疏放水效果的动态曲线反映了处 29 总第 137 期煤矿开采2017 年第 4 期 ChaoXing 图 6 ZY1－1 钻孔疏放水效果动态曲线 理采空区积水的阶段性 第一阶段 第 1～7d为 降压阶段，将初始水压 0. 38MPa 降至 0. 34MPa， 孔口水头压力基本上等于煤层垂直间距，即采空区 水位基本上降至 2－2 煤层底板，基本上疏排了该 积水区的静储量;第二阶段 第 8 ～ 30d 为无压 疏排阶段，该阶段钻孔涌水未达到满管状态，压力 表显示为无压疏放状态，该阶段疏排的积水大部分 为采空区的动补给量。在钻孔疏排过程中，钻孔涌 水量呈现逐渐减少的趋势，最终稳定在 5～8m3/h。 通过钻孔的有效疏放，消除了 21301 工作面上 部采空区积水的威胁，工作面实现了采空区水体下 的安全回采。 6结论 1采空区水源一般来自于顶板水体，顶板 水体的富水特征决定了采空区水量，特别是动态补 给量的大小。榆神矿区黑龙沟煤矿采空区主要补给 水源为顶板砂岩、基岩风化带孔隙－裂隙含水层， 补给量稳定。 2该区煤层开采后实测裂采比 18. 1 ～ 19. 41，3－1 煤层开采形成的导水裂缝带高度为 50. 68～54. 35m，导通了上覆 2－2 煤层采空区，采 动裂隙发育充分，裂隙连通性较好。 3实践证明，近距离煤层采空区水害可通 过 “水文地质条件分析物探先行钻孔探放”综 合防治方法进行有效防治。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 刘国林，潘懋，尹尚先 . 煤矿采空区水害特征及其防治技 术 ［J］． 中国煤炭，2009，35 1 78－80. ［ 2］ 煤炭科学研究院北京开采研究所 . 煤矿地表移动与覆岩破坏 规律及其应用 ［M］． 北京 煤炭工业出版社，1981. ［ 3］ 刘治国 . 中硬覆岩导水裂缝带发育高度与条带开采尺寸的关 系研究 ［D］． 北京 煤炭科学研究总院，2004. ［ 4］ 樊振丽 . 纳林河复合水体下厚煤层安全可采性研究 ［D］． 北 京 中国矿业大学 北京 ，2013. ［ 5］ 朱现民，刘聚友 . 煤矿采空区积水探放技术与方法 ［J］． 煤 炭技术，2009，28 11 87－88. ［ 6］ 轩大洋，许家林 . 煤矿老采空区水害防治技术分析 ［J］． 煤 炭科技，2008 4 38－41. ［ 7］ 李银柱 . 综采工作面上覆采空区含水预测及水害防治 ［J］． 山西煤炭，2013，33 6 63－67. ［ 8］ 樊振丽 . 煤矿陷落柱水害特征与防治技术研究 ［J］． 煤炭工 程，2011 8 93－95. ［ 9］ 叶贵钧，张莱，李文平，等 . 陕北榆神府矿区煤炭资源开 发主要水工环问题及防治对策 ［J］． 工程地质学报，2000，8 4 447－455. ［ 10］ 张玉军，康永华. 覆岩破坏规律探测技术的发展及评价 ［J］． 煤矿开采， 2005， 10 2 10－12.［责任编辑 张玉军］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 82 页 ［ 3］ 陆菜平，窦林名，王耀峰，等 . 坚硬顶板诱发煤体冲击破坏 的微震效应 ［J］． 地球物理学报，2010，53 2 450－456. ［ 4］ 牟宗龙，窦林名，张广文，等 . 坚硬顶板型冲击矿压灾害防 治研究 ［J］． 中国矿业大学学报，2006，35 6 737－741. ［ 5］ 窦林名，曹胜根，刘贞堂，等 . 三河尖煤矿坚硬顶板对冲击 矿压的影响分析 ［J］ ． 中国矿业大学学报，2003，32 4 389－393. ［ 6］ 李铁，张建伟，吕毓国，等 . 采掘活动与矿震关系 ［J］． 煤炭学报，2011，36 12 2127－2132. ［ 7］ 潘俊锋，宁宇，毛德兵，等 . 煤矿开采冲击地压启动理论 ［J］． 岩石力学与工程学报，2012，31 3 586－596. ［ 8］ 潘俊锋，毛德兵，蓝航，等 . 我国煤矿冲击地压防治技术 研究现状及展望 ［J］． 煤炭科学技术，2013， 41 6 21－25. ［ 9］ 潘俊锋， 王书文， 刘少虹， 等 . 基于集中静载荷探测的冲击地压 危险性预评价［J］．岩土工程学报， 2014， 36 7 1227－1234. ［ 10］ 齐庆新，欧阳振华，赵善坤，等 . 我国冲击地压矿井类型及 防治方法研究 ［J］． 煤炭科学技术，2014，42 10 1－5. ［ 11］ 潘俊锋，蓝航，毛德兵，等 . 冲击地压危险源层次化辨识 理论研究 ［J］． 岩石力学与工程学报，2011，30 S1 2843－2849. ［ 12］ Zheng Jiangtao，Ju Yang，Zhao Xi. 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