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临城矿奥灰岩溶水综合防治实践 井陉矿务局 孙怀庭 高殿文 河北井陉 050100 摘要 临城矿下组煤储量占总工业储量的 86. 3 , 具有低灰、 高发热量、 质优等特点。下组煤开采 存在奥灰富水性强、 构造发育、 底板承受水压大、 有效隔水层厚度薄、 易突水等诸多不利条件。经多年实 践, 已安全采出下组煤 71. 6 万 t。综合防治奥灰岩溶水的尝试成功, 对于临城矿的安全生产具有重大意 义。 关键词 综合防治 岩溶水 带压开采 查清 结合 临城井田位于邯邢煤田北部, 水文地质单元属十 股泉泉域。单元以区域隔水层或大断层为水文地质边 界, 基本封闭, 面积 239km2, 最主要含水层奥陶系灰岩 厚 478m, 裸露面积 45. 7km2。 临城矿井建于井田中部, 占有工业储量 1. 46 亿 t, 其中受奥灰水威胁的下组煤工业储量 1. 26 亿 t, 占 86.3 。矿井 1989 年底建成投产, 1992 年底开采下 组煤, 目前已开采面积 25. 8 万 , 煤量 71. 6 万 t。期 间发生底板奥灰突水 6 次, 其中最大的一次是 1995 年 11月 29 日的首采区 0807 面采后底板突水, 水量 35 /min, 最终导致矿井被淹, 后经 651 天的地面注浆堵 水和其它工作, 于 1997年 9月恢复生产。目前仍以带 高压开采下组煤的 8 、 9下煤层为主。 1 煤层带压开采条件特征和主要突水因素 井田内煤层开采条件具有奥灰水动静储量大、 补 给充沛, 有效隔水层薄、 原始导高高、 煤层底板承压大, 张性、 张扭性构造发育, 突水系数、 频率高等特点。 1. 1 丰富的奥灰水动静储量奠定了底板突大水的物 质基础 厚 478m 的奥灰岩层是井田最主要、 富水性最强、 对安全生产威胁最大的含水层, - 400m 以浅奥灰水储 存量 1. 46 亿 , 补给量 0. 776 /s。岩溶发育, 漏水孔 率 16 。q 值平均 2. 428 / sm , K 值平均 8. 08 3. 6. 2 注浆加固底板成果根据修改后的注浆方案, 成 功地完成此项防治水工程, 具体见表 3。 3. 6. 3 检查孔情况 组检查孔 终孔 43. 20m, 水量 0. 01 /min, P 1. 6MPa 控制底板深度 20. 20m, 封孔压力 P 5. 0MPa 组检查孔 终孔 23. 3m, 水量 0. 06 /min, P 1. 6MPa 控制底板深度 20. 10m, 封孔压力 P 6. 0MPa 根据部颁∀矿井水文地质规程认为此项工程合 格。 4 2771 面注浆加固底板工程意义 4. 1 解释工作面水文地质异常本质 分析这三组钻孔的出水情况可以看出 18 号陷落 柱围岩裂隙是底板承压水上涌的主要通道, 探查钻孔 水量 0. 14 0. 4 /min; 陷落柱本身导水性较差, 钻孔 水量 0. 01 0. 13 / min仅 组 4 号孔较大 ; 工作面 底板裂隙导水性也不大, 为 0. 07 0. 08 / min。 因此可以分析得出, 原超前探放水三组 1 号先探 至 18号陷落柱围岩裂隙带上出水, 然后进入陷落柱, 水质为奥灰水, 与本次钻孔揭露情况一致。 2771面运输巷淋水通道为 18 号陷落柱本身裂隙 导引的结果, 其裂隙较小及煤层的阻水作用造成水量 较小、 流速缓慢, 与煤层其他成分相互作用形成老空水 的假象, 而本质仍为奥灰水。 4. 2 社会效益和经济效益 12771 面注浆加固底板工程施工钻孔 17 个, 群 孔水量 3. 109 / min, 封堵水量 2. 949 /min, 堵水率 94. 8 。注浆工程消耗水泥 246t、 水玻璃 900kg, 钻探 注浆设备配件、 钻杆损耗若干, 整个工程实际造价 20 万元, 仅 2771 面解放煤量 3. 2 万 t, 新增产值 384 万 元。 2为 2770 采区其他工作面回采消除隐患, 人为 筑起一个挡水屏障, 预计其他各面可采煤量 30. 2 万 t, 产值 3624 万元。 3 在保障矿井安全体系方面做了有益的探索, 并 取得一定得成效。 4 保证矿井生产的合理布局和工作面正常衔接, 提高了资源利用率。 26河北煤炭 1999年增刊 m/ d, 水力梯度 0. 55∃ 。井田历史上突水淹井 4 次, 最 大突水量 35 /min, 累计突水点水量 97. 83 / min。 岩溶发育, 富水性强、 迳流畅通活跃成为底板突大水的 主要因素之一。 1. 2 张性、 张扭性断裂构造为本井田底板突水的主要 通道和控制因素 受区域构造运动影响, 井田内形成了近南北向张 断裂为主、 北东向和北西向为次的三组正断层, 至今井 田内未发现逆断层。其中近南北向晚近斯力学性质属 张性的走向断层控制着井田岩溶的发育。这些正断层 延展长, 切割深, 结构面常呈 开启 二是 引起底板零位破坏和原位张裂。8 煤顶板是不易塌落 的石灰岩, 开采中, 常悬顶板上百平方米, 造成底板压 力增大, 引起底臌诱发突水。该矿 6 次突水均为采中 和采后突水, 与底板遭破坏有直接关系。 2 安全开采下组煤的防治水综合保障系统 奥灰突水是该矿安全生产的一大重要因素。防治 它, 不仅是个技术问题, 更重要的是认识问题、 管理问 27孙怀庭 高殿文 临城矿奥灰岩溶水综合防治实践 题。 图 2 柱状图 2. 1 领导重视 制度健全 抓好落实 临城矿淹井的教训, 使局矿主要领导和业务部门 对防治水工作更加重视。安排生产, 首先考虑防治水 工作。进一步完善制度体系, 除执行原部颁规程、 条例 外, 局还制定了水文地质规程细则, 针对该矿具体条 件, 制定了 防治奥灰岩溶水技术工作规定 以防为主, 钻探与物探结合, 查治结 合, 综合治理的原则。 2. 2 综合防治水的技术途径 在与奥灰水斗争中, 因地制宜、 各种手段互相结 合、 互相弥补。具体技术途径可以归纳为 一个重点、 两项后盾工程、 三个查清、 五个结合、 全面分析评价。 2. 2. 1 一个重点即以防治工作面采中采后底板突水 为重点。采区工作面投产前必须对水文地质条件进行 认真分析, 采掘战场在工作面, 底板出水在工作面, 防 治水重点在工作面。 2. 2. 2 按设计建立两项后盾工程 按设计要求建立抗灾排水工程是保证矿井突大水 时不致被淹的重要后盾。该矿安设的 34. 5 /min 的 排水能力, 在矿井突水量达 35 / min 时, 坚持排水达 15天, 为抗灾赢得了宝贵的时间。复矿后, 根据矿井 突水能力, 将泵房灾害能力提高到 40 / min。 建立矿井分区隔离工程, 在首采区建筑 2 座小闸 门, 并坚持每年 2 次的关闭试验及日常维护。矿井发 生突水泵房排水紧张时, 迅速关闭了 2 座水闸门, 实行 有控排水, 从而有效地减缓了泵房压力, 避免水灾殃及 其它采区。回风巷水闸门在承压 1. 9MPa 时, 漏水量 仅 0. 05 / min。 2. 2. 3 三个查清 即运用钻探、 物探及一些必要的巷 探、 化探手段, 第一, 查清采掘工作面下方奥灰的富水 性、 隔水层厚度、 原始导高及导赋水能力。第二, 查清 断层位置、 产状、 落差、 导储水性及其奥灰水的联通状 况。第三, 查清工作面外围 15m 内的水文地质条件。 为达到上述目的, 规定掘前探水钻孔间距不大于 15m, 采前钻孔间距不大于 40m、 钻孔控制 8 煤底板下 20m, 其中掘采前探水钻孔必须各有一个终孔在奥灰 顶面附近。下组煤工作面圈出后, 必须进行物探。出 水钻孔必须进行水量水压水质监测。实际工作中, 已 施工钻孔 23401m, 平均万吨煤钻探量 326. 8m。用物 探手段探查 5 个工作面。 2. 2. 4 查治技术措施 1 分析与勘探相结合。每一个工作面在进行地 质、 水文地质勘探前, 都要根据工作面内外上下已有资 料进行预先分析、 评价, 然后在满足钻孔密度条件下, 有目的有重点往预分析中水情复杂区增加钻孔密度。 掘前探水后有分析小结, 为采前探水服务, 采前探水后 有分析小结, 为注浆加固和物探提供资料; 物探和钻探 互相印证, 并为注浆加固提供方向。如此循环往复, 既 能使勘探质量提高, 降低工程量, 又能迅速提高技术人 员业务水平。 2 掘前勘探和采前勘探相结合。一是从设计上 各有侧重, 掘前探水重点查清上下顺槽 2 帮 15m 范围 内水情, 采前探水重点查明工作面上下顺槽以里 1/3 处附近的水情, 并兼顾注浆加固隔水层; 从而采前探水 孔控制底板深度较深。二是其结果互相结合, 验证, 以 减少不必要的工程量 见图 3。 3 钻探和物探相结合。钻探与物探各有优缺点, 互补性强 见表 1 。近几年, 与河北煤研所、 西安煤科 院物探所合作, 应用无线电测深、 音频电透仪对 5 个下 组煤工作面进行物探, 检测出面积约 18702 的水文 28河北煤炭 1999年增刊 地质异常区 点 16 个, 为注浆治理提供了较可靠资料。 图 3 临城矿井下探水技术规定示意图 在局制定的防治奥灰水技术工作规定中, 每个工 作面圈出后, 必须使用物探, 并提交报告。对物探结果 再行验证, 注浆结束后再检查验证, 如此反复, 直到符 合标准要求。 4 查治结合, 查中有治, 治中有查。在施工探查 孔时, 如果遇有注浆条件 即单孔涌水量 0. 1 / min 以 上时, 都要注浆加固底板。主要是注浆加固改造隔水 层, 使含导水层变为隔水层。加固层位是避开底板破 坏深度以下的含导水层。治理的另一方面是封堵已知 出水点。迄今已经加固工作面底板注水泥 196. 979t, 粘土 47. 955t, 加固工作面 4 个; 向封堵奥灰出水注水 泥5715. 872t, 封堵出水点 3 个, 封堵水量 39. 1 / min。 5 井上下相结合。针对临城矿井下煤层底板承 受水压大3. 7MPa, 注浆量大, 起压困难, 注浆材料井 下运输距离远, 劳动强度大特点, 改以往井下打钻、 制 浆、 注浆工艺为井下打钻、 地面建注浆站、 制浆、 远距离 管道输浆到井下注浆, 利用井上下自然高差, 较好解决 了以上困难。自使用地面注浆站以来, 共注水泥浆 190. 279t, 加固工作面 3 个。优点是显而易见的 见表 2 。 2. 2. 5 采动技术措施及其他 1 采动底板破坏深度与工作面的长度有关系。 根据该局经验公式 h1 1. 86 0. 11L 式中 h1为底板破坏深度, m; L 为工作面长度, m。8 煤层工作面长度布置在 80m 以 内, 9下煤层限制在 60m 以内, 这样破坏底板深度可以 控制在 12m 以内。 2 对回采速度、 控顶距的限制。8 煤顶板为坚硬 不易垮落顶板, 易形成大面积悬顶, 引发底板集中压 力, 故规定回采推进应均衡快速, 悬顶距超过作业规程 规定的, 必须强制放顶。 3 防治水与极近距离煤层联合开采相结合。8 煤、 9煤、 9下煤是极近距离煤层, 3层煤联合开采, 既可 29孙怀庭 高殿文 临城矿奥灰岩溶水综合防治实践 表 1 物探与钻探优缺点对比表 手段 优 点 缺 点 物 探 1 经济方便、 快捷、 代表性好 2 控制面广, 连续可以实现无盲区。 3 不破坏地层, 无损探测 4 对生产影响小。 1 不能对水量、 水压、 水质等定量监测。 2 受地压、 人工电场影响时, 数据误差大。 3 解译不一定很准确。 4 精度相对较粗。 钻 探 1 直观, 对水量、 水压、 水质等水文地质数据进行定 量观测, 分析效果好。 2 构造、 地层岩性结构可以定性定量分析。 3 兼作加固煤层底板。 1 点稀、 代表性差、 有盲区。 2 施工复杂、 费用高、 易产生掘探矛盾。 3 封孔不良时, 易成为突水诱发因素 表 2 临城矿不同注浆加固底板方式优缺点对比表 项 目 1 地面钻探控制注浆加固底板 2 井下钻探制注浆加固底板 3 地面制浆井筒输浆井下钻探注浆 采区中央采区北一采区中央采区北一采区中央采区北一采区 总费用1230. 086 万元368 万元415. 76 万元 吨煤新增成本6. 145 万/ t1. 84 元/ t2. 36 元/t 优 点 1. 输浆量大, 压力有保证 2. 操作方便。 3. 增大开采安全性。 4. 可以与井下勘探同步进行。 1. 投资省。 2. 钻孔控制密度大。 3. 灵活多变。 1. 吸收了 1 、 2 优点。 2. 输浆方便输浆量大, 压力有保证。 3. 钻孔控制密度大。 4. 危险地段可得到有效加固。 缺 点 1. 投资大。 2. 不能从根本上替代井下钻探。 3. 点稀、 控制密度有限。 1.造浆、 送浆不方便,造、 输浆量小。 2. 操作不方便。 3. 起高压困难。 4. 井下水泥运输困难。 1. 一次性投放稍大。 2. 井下输浆管路拆装繁琐。 3. 井上下联系不方便。 以省去很多掘进工程量, 又可减少防治水勘探注浆工 程, 降低分次开采顶板垮落时对底板冲击及破坏深度。 目前此项工作正在试验之中。 4 工作面内没有特殊地质情况, 不留设煤柱, 减 少煤柱造成工作面底板的剪切作用影响。 2. 4. 6 全面分析审议评价 根据掌握的掘、 采前探水资料、 注浆加固底板资 料、 物探资料及掘进地质资料, 全面进行分析评价后, 提交局技术部门审议。对于探、 注后达到要求的, 予以 开采; 注后仍达不到要求, 经检验孔证实后, 予以再次 注浆加固; 对于因现阶段经加固后未达要求, 再加固经 济上不合理, 安全上仍有突水危险的, 则留设煤柱。 0805 面即是加固后未达要求而留设的工作面煤柱。 3 带压开采下组煤的效益与意义 下组煤质优易售, 开采当年即扭亏, 次年盈利 40 余万元。 临城矿开采下组煤的水文地质条件, 无论是承受 水压, 还是有效隔水层厚度, 其突水系数达 0. 0925 0. 137MPa/ m, 在华北岩溶型矿井中是较典型的。综 合防治奥灰水尝试的成功, 不仅对该井田 1. 26 亿 t 的 下组煤开采有重要意义, 而且对整个邯邢煤田受奥灰 水威胁的约 25 亿 t 下组煤开采具有借鉴意义。 4 建议 4. 1 应积极开展开采对底板破坏深度的测试研究, 分 别找出不同顶板条件、 不同采高、 工作面长度、 采煤方 法等情况下底板破坏深度, 从而得出对原始导高, 有效 隔水层厚度等 三带有实际意义的数据, 指导防治水 工作。 4. 2 应开展对构造力学性质, 特别是顶底板裂隙力学 性质、 规律及其与突水关系的观测研究, 开展对隔水层 中导隔水层组合形式的观测研究, 为超高压开采提供 依据。 4. 3 极近距离煤层应联合设计开采, 从经济、 技术和 防治水方面都是较合理的。这对提高矿井综合经济效 益具有重要意义。 30河北煤炭 1999年增刊