煤矿导水通道综合探查及防治.pdf

第 32 卷 3 期 2020 年 3 月 中 国 煤 炭 地 质 COAL GEOLOGY OF CHINA Vol. 32 No. 3 Mar.2020 doi10. 3969/ j. issn. 1674-1803. 2020. 03. 08 文章编号1674-1803202003-0039-04 煤矿导水通道综合探查及防治 孙秉成1 , 刘旭东1, 肖 健2, 马世忠2, 许 峰3, 石 磊3 1. 国家能源集团神新公司乌东煤矿,乌鲁木齐 830002; 2. 国家能源集团神新公司地测中心,乌鲁木齐 830027; 3. 中煤科工集团西安研究院有限公司, 西安 710054 摘 要针对煤矿导水通道探查难度大的问题,提出了野外踏勘、水化学分析、物探以及钻孔相结合的综合探查方 法,并采用该方法对乌东煤矿北采区东翼第四系潜水补给老窑采空区的导水通道进行了探查,确定了集中导水通 道的位置即位于地表塌陷坑处。 为切断潜水和地表水对采空区源源不断的补给,消除老空积水影响,拟采取“封堵 注浆构筑水泥浆帷幕体”的防治方案,实现矿井安全开采。 关键词导水通道;物探探查;钻探探查;帷幕体;乌东煤矿 中图分类号TD745. 2 文献标识码A Integrated Exploration and Control forCoalmine Water Conducted Channels Sun Bingcheng1, Liu Xudong1, Xiao Jian2, Ma Shizhong2, Xu Feng3 and Shi Lei3 1. Wudong Coalmine, CHN Energy XinjiangEnergy Co. Ltd. , Urumqi, Xinjiang 830002; 2. Geodesic Center, CHN Energy Xinjiang Energy Co. Ltd. , Urumqi, Xinjiang 830027; 3. Xi’an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xi’an, Shaanxi 710054 AbstractIn allusion to coalmine water conducted channel hard to prospecting issue, has put forward an integrated exploration combined field reconnaissance with hydrochemical analysis, geophysical prospecting and drilling. By use of the carried out ex- ploration for water conducted channel recharging Quaternary phyreatic water into gob area in east limb of north winning district in the Wudong coalmine has ascertained the position of centered water conducted channel is just at the surface subsidence hollow. To cut phyreatic water and surface water steady recharging into gob area and eliminate impact from gob ponding, a control scheme of “plugging grouting plus cement slurry curtains” is proposed to realize coalmine safe mining. Keywordswater conducted channel; geophysical prospecting; drilling; curtains; Wudong coalmine 第一作者简介孙秉成1981,男,新疆乌鲁木齐人,高级工程师。 收稿日期2019-06-05 责任编辑樊小舟 煤矿水害一直是制约我国煤炭高效安全开发的 重要因素之一[1-2]。 矿井涌水发生的必备条件主要 为充水水源和充水通道[3-5],两者为煤矿水害防治 的重点。 相比充水水源,充水通道更加难以探查,其 需要通过采用野外踏勘、水化学分析、物探与钻探探 查等多种不同的调查及勘查方法来查明[6-10]。 只有 明确了充水水源,查清了导水通道,才能够制定针对 性强且有效的防治工程及措施。 乌东煤矿北区采区东翼存在曙光村老窑采空区 图 1,在实际采掘过程中发现曙光村小窑与矿井 自身采空区连通,而与此同时曙光村煤矿的老窑巷 道已经开挖至东部铁厂沟河底部,采动塌陷致使河 流和第四系松散层水补给曙光村老窑采空区,从而 进入乌东矿井下,使得矿井北区东翼采空区涌水自 2016 年以来一直稳定在 100m3/ h 左右, 威胁了 575m 及以下水平煤层的开采。 因此,查明充水水 源的补给通道,开展有针对性的防治工程和措施十 分必要。 1 研究区地质及水文地质条件 乌东井田范围内地层从上往下分别为第四系、 侏罗系头屯河组、侏罗系西山窑组以及三工河组。 井田内发育有八道湾向斜,致使井田内出露地层分 布于八道湾向斜的南、北两侧,而本文研究的乌东矿 北区即位于八道湾向斜北侧,主要开采侏罗系西山 窑组 45和 42煤层,煤层倾角 45左右,向南倾斜, 开采方式为分水平综放开采。 乌东煤矿北区东翼靠近铁厂沟河,沟流水来源 于研究区南部雪山融雪。 该河在由南往北径流的过 程中侵蚀切割地层,并在长期冲刷堆积过程中,沿沟 流及河床两岸形成第四系冲洪积砂砾石层。 沟流水 与砂砾石层潜水相互转化,向南部相对低海拔区域 径流。 同时, 河床两岸的潜水亦渗透补西山窑组基 40 中 国 煤 炭 地 质第 32 卷 图 1 乌东矿东翼与曙光村小窑平面位置关系 Figure 1 Position relationship betweeneast limb of Wudong coalmine and Shuguang Village small coalmine 岩裂隙含水层,西山窑组基岩裂隙水是 45和 42煤 层开采的直接充水水源,前期勘探资料表明,该含水 层单位涌水量为 0. 000 10. 008 9L/ sm,渗透 系数只有 0. 000 1 0. 009 7m/ d,富水性极弱。 因 此,研究区涌水水源初步判断来自铁厂沟河潜水含 水层。 2 导水通道综合探查技术 2. 1 水文地质野外踏勘 在丰水季,选取了铁厂沟上下游 3 个典型断面 图 2,对河流量进行了测量。 1 号、2 号和 3 号断 面流量分别为 531、562 以及 256。 沟流水在断面 1 至断面 2 径流过程中未下渗,并且略有补给;而断面 2 至断面 3 过程中,沟流水下渗明显,下渗量达到 300m3/ h。 而断面 2 至断面 3 为小窑开采的 45煤 层露头及附近区域。 同时,在野外踏勘过程中,于铁厂沟河西岸靠近 45煤露头处发现一处塌陷坑,塌陷坑直径约 20m 左右。 通过发现的塌陷坑表明曙光村老窑已采至铁厂 沟底部,地表沟流下渗补给第四系潜水,同时两者共 同补给老窑采空区,初步判断导水通道即位于断面 2 至断面 3 之间。 图 2 沟流量测量断面布置 Figure 2 Gutter gauging sections layout 2. 2 地面物探 通过前期踏勘确定 42与 45煤层露头间的铁 厂沟河床以及沿河条带分布的第四系砂砾石含水层 为重点探查区域。 本次采用高密度电阻率法探查第 四系砂砾石层的厚度以及底界起伏。 经过探查、数 据采集及成果分析得到了主要探测区域典型剖面的 反演电阻率断面图图 3。 图 3 典型测线反演电阻率断面 Figure 3 Typicalprospecting line inversion resistivity section 3 期孙秉成,等煤矿导水通道综合探查及防治41 断面图显示,51 至 54 号点之间存在一处低阻 异常区,而踏勘发现的塌陷坑即位于 53 号测点附 近,推断该低阻异常区应为其含/ 富水的电性反映。 2. 3 地面钻探 在重点研究区布置施工了 14 个钻孔,钻孔均施 工至基岩,完整揭露松散含水层。 通过测量的潜水 位标高表 1,绘制出该区域的潜水面标高等值线 图图 4。 表 1 钻孔潜水位标高统计 Table 1 Statistics of borehole phyreatic water level elevations m 钻孔 编号 水位 标高 钻孔 编号 水位 标高 钻孔 编号 水位 标高 S1783. 2S6S11781. 2 S2775. 3S7778. 3S12779. 2 S3772. 2S8781. 4S13782. 8 S4781. 7S9782. 2S14784. 2 S5783S10781. 4 通过水位统计数据显示,铁厂沟上游方向钻孔 潜水面略高于下游钻孔,符合天然状态下的潜水面 流态特征。 S3 号钻孔水位标高772. 2m,为整个探 查区域的水位低点。 同时,铁厂沟河东侧的潜水位 要高于西侧采坑侧。 整个探查区潜水面呈现出 一个比较典型的降落漏斗形态,漏斗中心位于 S3 号 钻孔附近,而 S3 号钻孔刚好布置在地表塌陷坑处, 加之,贴近 S3 号孔管壁能听见孔中孔附近有流 水声音,基本判断此塌陷坑区域存在潜水补给采空 区的集中通道。 3 导水通道危险性评价及防治措施 3. 1 集中导水通道威胁性分析 经过前述多种方法探查显示,地表塌陷坑处为 一集中垂向通道。 因集中通道的存在,矿井采空区 一直以来以及今后较长时期将受到铁厂沟河潜水源 源不断的补给,从而损失和浪费了宝贵地下水资源, 同时增加了矿井污水处理、排水以及探放水工程成 本,给矿井安全生产带来隐患的同时,增加了较大的 经济和环保负担。 此外,在雨季暴雨形成的地表洪 水也有可能通过该通道灌入采空区带来突水灾害, 隐患较大。 图 4 探查区潜水位等值线 Figure 4 Isogram of phyreatic water levels in exploration area 3. 2 防治方案与对策 为消除采空区积水带来的威胁,拟采用直接注 浆封堵构筑水泥浆帷幕体的方案来封堵或围截松 散层潜水补给采空区的集中垂向通道。 首先,在塌陷坑处设计布置两个注浆孔开展松 散砂砾石层受注试验,与 S3 号成三角形布置,布置 间距 5m 左右。 通过受注试验,掌握砂砾石层中浆液 的扩散效果,为下一步水泥浆帷幕体的构筑提供关键 参考,同时,根据吃浆情况分析直接封堵的可行性。 其次,以塌陷坑为中心,在其外围施工钻孔进行注浆, 形成注浆帷幕体,半径约为 15m,阻挡潜水流进入塌 陷通道区域图 5。 注浆钻孔的布置参数见表 2。 表 2 注浆钻孔参数设计 Table 2 Grouting borehole parameters design 钻孔位置孔数孔深/ m注浆段孔径/ mm套管长度/ m 受注试验孔2559110 帷幕注浆孔10559110 42 中 国 煤 炭 地 质第 32 卷 采用分段下行式注浆方案,注浆材料为普通硅 酸盐水泥,在吃浆量较大的情况下考虑采用较大粒 径骨料。 图 5 注浆钻孔布置 Figure5 Grouting boreholes layout 考虑到多年一遇的丰水季,潜水面抬升,或地表 沟流漫过塌陷坑。 因此,在帷幕体构筑的同时配合 施工地表开挖和地表防渗等工程。 由于塌陷坑西侧 为河岸台地,高出河床 7m 左右,因此开挖工程在塌 陷坑东侧河床沿钻孔轨迹呈半圆布置,开挖深度 10m 左右,配合施工 400mm 厚的混凝土防渗墙。 4 结论 1采用地表踏勘、水化学分析、物探与钻探相 结合的综合探查手段,查明了地表沟流水与第四系 潜水补给老窑采空区的垂向集中通道,并制定了注 浆封堵、构筑水泥浆帷幕体结合地表开挖防渗的综 合防治方案。 2多种探查技术相结合的方法为确定导水通 道的位置提供了良好的基础,同时也为水害综合防 治方案的制定提供了有力的支撑。 参考文献 [1]虎维岳,王广才. 煤矿水害防治技术的现状及发展趋势[J]. 煤田 地质与勘探,19972517-23. Hu Wei-yue,WangGuang-cai. Development of Technique of Controlling Water Hazard on Coal Mine[J]. Coal Geology and Exploration,1997 2517-23. [2]靳德武. 我国煤矿水害防治技术新进展及其方法论思考[J]. 煤 炭科学技术,2017,455141-147. JinDewu. New development of water disaster prevention and control tech- nology in China coal mine and consideration on ology[J]. Coal Science and Technology,2017,45 5 141-147. [3]房佩贤,卫中鼎,廖资生. 专门水文地质学[M]. 北京地质出版 社,1994. [4]武强,崔方鹏,赵苏启,等. 矿井水害类型划分及主要特征分析 [J]. 煤炭学报,2013,384561-565. WU Qiang,CUI Fang-peng,ZHAO Su-qi, et al. Type classification and main characteristics of mine water disasters[J]. Journal of China Coal So- ciety, 2013,384561-565. [5]吕玉广. 水文地质复杂矿井突水水源综合判别方法研究[J]. 煤 炭科学技术,2017,4510155-161,175. LV Yu-guang. Study on comprehensive judgment of mine inrush water source in complicated hydrogeological mine[J]. Coal Science and Technology,2017,4510 155-161,175. [6]杨武洋,王文祥,智建水,等. 华北煤矿地下导水通道性质的研究 [J]. 煤炭学报,2007,324369-372. YANG Wu-yang, WANG Wen-xiang,ZHI Jian-shui,et al. Study on the characteristics of water-conducting in the coal fields of North China[J]. Journal of China Coal Society,2007,324369-372. [7]王文波. 龙口矿区海下采煤导水通道类型及防水措施[J]. 煤炭 科学技术,2011,395112-115. WANG Wen-bo. Water Flowing Channel Type as well as Prevention and Control Measures for Coal Mining Under Sea in Longkou Mining Area [J]. Coal Science and Technology,2011,395112-115. [8]牛向东,张运霞,韩自豪,等. 瞬变电磁法在探测导水通道中的应 用[J]. 山东科技大学学报,2005,24231-34. NIU Xiang-dong,,ZHANG Yun-xia,HAN Zi-hao,et al. Application of Transient Electromagnetic in Underground Water course Detection [J]. Journal of Shandong University of Science and Technology,2005,24 231-34. [9]李旭,魏丹丹,许光泉,等. 示踪试验在矿山岩溶通道探查中应用 [J]. 煤矿安全,2016,47356-59,63. LI Xu,WEI Dan-dan,XU Guang-quan,et al. Application of Tracing Channels Test in Detection of Mine Karst Pipeline[J]. Safety in Coal Mines,2016,47356-59,63. [10]成雪纯,郑晓琛,张昌锁. 霍洛湾煤矿东南边界 2 -2 煤过水通道 探查及防治措施[J]. 煤矿安全,2016,474168-170,176. CHENG Xue-chun,ZHENG Xiao-chen,ZHANG Chang-suo. Explora- tion and Prevention Measures for 2 -2 Coal Water Channels in Southeast Boundary of Huoluowan Coal Mine[J]. Safety in Coal Mines,2016,47 4168-170,176.