承压水上工作面带压开采技术研究与应用.pdf

櫴櫴櫴櫴 櫴 櫴櫴櫴櫴 櫴 毷 毷 毷 毷 试验研究承压水上工作面带压开采技术研究与应用 叶东生 陕西陕煤澄合矿业有限公司 陕西 澄城县 715200 摘要 为解决澄合矿业有限公司董家河煤矿 22501 工作面开采过程中的突水问题， 采用煤层 底板注浆改造技术， 对 22501 工作面下部岩层进行改造， 补强了工作面下部隔水层的阻水性 能， 增加了隔水层中有效隔水层段厚度， 成功地对位于奥灰强含水层上的 22501 工作面进行 了带压安全开采。 关键词 承压水上注浆改造带压开采 中图分类号 TD823． 83文献标识码 A文章编号 1006 － 0898 2011 01 － 0014 － 03 1前言 澄合矿区位于渭北煤田中部， 属华北型煤田 的大水矿区。澄合矿区董家河煤矿水文地质条 件复杂， 主采煤层 5 号煤距奥灰强含水层近， “突 水” 危险严重威胁矿井的生产安全， 董家河矿在 5 号煤开采过程中， 曾经发生过多次揭露奥灰岩层 突水和煤层底板突水事故， 为此分析开采区域具 体水文地质条件， 制定切实可行的防治水方案和 安全防护措施， 解放受承压水威胁的煤炭资源， 是十分必要的。 2区域水文地质条件 5 煤顶底板裂隙相对发育， 5 煤顶底板及奥 灰均存在明显的含富水异常显示， 下伏灰岩水对 开采存在潜在威胁， 煤层底板石炭系及奥陶系地 层存在中 ～ 强的含富水异常。 5 号煤层下伏厚层奥陶系石灰岩和石炭系薄 层灰岩含水层水压较高， 致使矿区主采 5 号煤层 开采安全受到威胁。其中煤层底板以下石炭系 太原组地层中的 K2段石英砂岩、 灰岩含水层组 厚度 6． 41 ～ 22． 87m， 平均约 15m， 上距 5 号煤层 底板 15m， 下距奥陶系灰岩顶面 10m， 其单位涌 水量为 0． 0316 ～ 0． 732L/sm， 属富水性弱至中 等的含水层。 待采工作面区域 5 号煤层开采承受该含水层 组 水 压 1 ． 2 4 MPa ，其 突 水 系 数 为 0 ． 0 8 ～ 0． 25MPa/m 底板破坏深度按 10m 计算 ， 高于 煤矿防治水工作条例 中安全开采区经验值 0． 06MPa/m。奥陶系含水层为一巨厚的具有多 层结构的复合承压含水体， 是威胁 5 号煤层开采 的主要含水层， 其奥灰顶部的峰峰组二段地层为 强富水含水层， 单位最大涌水量为 72． 9L/sm， 上距 5 号煤层底板约 30 ～ 40m， 目前奥灰水位标 高为 370 ～ 382m， 待采工作面区域 5 号煤层 底板隔水层承受奥灰最大水压 1． 62MPa， 突水系 数为 0． 054 ～ 0． 081MPa/m 底 板 破 坏 深 度 按 10m 计算 。 3煤层底板注浆改造技术及原理 带压开采技术是基于煤层底板至承压含水 层间隔水层具有阻水性能， 并且其阻水性能具有 普遍性和稳定性而发展起来的一项防治水技术。 但是由于矿井水文地质和构造地质条件具 有复杂多样性的特点， 煤层底板至承压含水层间 隔水层所具有的阻水性能往往达不到理想状态， 隔水层可能存在薄弱区段和薄弱层段， 使煤层底 板隔水层不能满足带压开采的要求和条件。其 中的薄弱区段主要是因为构造切割使隔水层阻 水能力下降而产生， 而其中的薄弱层段一般情况 下是指隔水层地层组合中存在极易与下伏高压 强含水层发生水力联系的弱含水层，  从而使隔水 个方面都管理到位， 采用综合措施来综合治理， 才能有效防治， 收到好的效果。 作者简介 凌青 1963 － ， 男， 江苏姜堰人， 中央党校， 现任秦源煤业有 限公司综采工区书记。 收稿日期 2010 － 07 － 06 41 第 1 期 2011 年 3 月 水力采煤与管道运输 HYDRAULIC COAL MINING ＆ PIPELINE TRANSPORTATION No． 1 Mar． 2011 层中有效隔水层段变薄， 达不到带压开采理论中 突水系数所规定的相对安全厚度。 基于上述原因， 需要以人工干预的方式补强 隔水层的阻水性能， 增加隔水层中有效隔水层段 厚度， 于是煤层底板注浆加固与改造技术应运而 生。 注浆改造作为改变岩体水文地质条件的方 法和手段， 其基本原理是 在一定压力作用下， 使 浆液在注浆目的层原来被水占据的空隙或通道 内脱水、 固结或胶凝， 并使结石体或胶凝体与围 岩岩体形成联合阻水体， 从而改变不利于采矿的 水文地质条件。 注浆改造的作用 ①在注浆压力作用下， 浆 液在薄层灰岩岩溶裂隙含水层中沿溶隙、 溶孔、 溶洞、 裂隙扩散， 将赋存于岩溶裂隙含水层之中 的水推挤， 并结石、 充填含水层的储水空间， 从而 使其不含水或弱含水， 并具有一定的阻水能力; ②在注浆压力作用下， 浆液通过薄层灰岩岩溶裂 隙， 在将含水层之中的水推挤的同时， 跟随被排 挤出来的水向其补给通道运移， 并结石、 胶凝、 充 填或部分充填补给通道， 从而封堵或缩小导水通 道， 减少薄层灰岩岩溶裂隙含水层的补给量; ③ 在注浆压力作用下， 浆液沿煤层底板隔水岩层构 造裂隙和导升裂隙扩散、 结石、 胶凝， 并充填此类 裂隙， 与煤层底板隔水岩层形成统一的阻水体， 从而在增强隔水岩层阻水能力的同时， 降低直至 消除薄层灰岩岩溶裂隙水的导升裂隙发育高度。 煤层底板注浆加固与改造原理如图 1 所示。 图 1煤层底板注浆加固与改造原理示意图 4注浆材料选择及孔位布置 4． 1注浆材料 目前用于煤层底板注浆加固与改造的注浆 材料主要有单液水泥浆类、 水泥 － 粘土类、 水泥 － 砂浆类、 水泥水玻璃类、 水玻璃类、 砂砾石等骨 料类以及有机化学材料类等。 经过对国内各矿区煤层底板注浆材料的综 合考察， 结合本区实际情况和现场试验结果， 在 保证浆液质量的稳定性、 可控制性和注浆改造工 程质量的可靠性， 从经济有效的角度考虑， 采用 粘土 － 水泥混合浆液对煤层底板隔水层及薄层 灰岩含水层进行灌注， 达到了预期的工程目的。 4． 2注浆孔布置 针对 22501 工作面 5 号煤层底板下 15m 范 围的 3 个低阻异常区， 布置了 9 个钻场， 22 个水 平角和倾角不同的注浆孔， 钻孔净进尺 630m。 布置方法和原则 ①影响钻孔布置的主要因素是浆液扩散半 径， 根据其它矿区经验， 结合东井实际情况， 采用 浆液扩散半径为 20m， 即注浆加固范围内钻孔终 孔位置间距应不大于 40m; ②考虑煤层底板采动破坏深度， 注浆加固的 目的层为煤层底板下 10m 至 K2段底板下 2m 的 含导水构造; ③钻孔裸孔段应尽可能多的穿过注浆加固 的目的层段; ④钻孔方向尽可能垂直于构造裂隙发育方 向， 以利于浆液向垂直裂隙带扩散; ⑤注浆钻孔对物探异常区、 断层带的探查与 加固有所侧重; ⑥工作面切眼位置、 初次来压位置、 周期来 压位置、 巷道直接底板两侧 15m 范围内和停采线 附近作为重点加固区段; ⑦起钻位置即钻窝位置应该在利于排水、 通 风、 逃生的同时， 选择围岩相对完整的区段; ⑧注浆钻孔一般布置在利于施工与运输的 巷段; ⑨注浆钻孔的布置在满足注浆技术要求和 上述原则的前提下， 兼顾“经济有效” 的原则， 充 分利用现有勘探孔对煤层底板进行注浆改造。 5应用效果分析 董家河矿 22501 工作面施工注浆孔 22 个， 总进尺 630m。对 22 个注浆孔全部进行了一次 注浆 和 二 次 补 注 浆 工 作，总 计 完 成 注 浆 量 6606m3。 目前该工作面已经回采结束， 工作面底板未 见明显涌水， 安全回采说明采用注浆改造达到了 51 2011 年 3 月叶东生 承压水上工作面带压开采技术研究与应用 第 1 期 工业广场煤柱开采技术研究与实施 李卫林 中平能化大庄矿 河南 平顶山 467045 摘要 通过对工业广场地面建筑物的不同特点及地质情况分析， 提出合理的开采方法， 在保护 地面设施的同时， 尽可能多采出煤炭资源， 延长矿井服务年限。 关键词 煤柱采煤地表移动 中图分类号 TD823． 83文献标识码 A文章编号 1006 － 0898 2011 01 － 0016 － 03 0前言 大庄矿自 1967 年底投产以来， 经过 30 多年 的开采， 目前资源严重枯竭， 截至 2006 年 12 月 底， 剩余工业储量 257 万 t， 可采量 118 万 t， 现主 要开采己16 － 17煤层剩余阶段煤柱及边角煤。为缓 和接替紧张局面， 延长矿井服务年限， 稳定矿区 秩序及职工队伍， 2003 年底开始开采工业广场煤 柱， 为保证工广煤柱的安全开采， 矿、 集团公司协 同中国煤炭学会， 对即将开采的工广煤柱进行技 术、 经济、 安全等方面论证。通过对其地质、 水文 条件和开采沉陷影响程度等全面分析， 提出合理 的开采方案。 1工业广场煤柱概况 1． 1储量情况 工业广场煤柱位于大庄矿井田中央， 走向长 约 795m， 倾斜宽约 560m， 面积约 44． 5 万 m2 ， 平 均煤厚 3． 75m， 原总储量为 371． 6 万 t。由于历 年变动减少及摊销 336． 6 万 t， 剩余储量为 35 万 t。 2． 2开采条件 工业广场主要包括办公大楼、 调度楼、 绞车 房、 主扇房、 机修车间、 劳动公司、 水厂、 碳化硅厂 以及职工宿舍楼等。地面建筑复杂， 有 6 ～ 7 层 的楼房， 也有结构简单的平房， 楼房有框架结构 也有砖混结构。与矿井生产紧密联系的主要厂 房是办公大楼、 绞车房、 主扇房和机修车间。 工业广场煤柱范围内有一对中央竖井和一 中央斜风井。二水平的井底车场、 水仓、 运输大 巷以及主要硐室均位于开采煤层的顶板， 距开采 煤层 30m。要求在整个开采过程中， 矿井的生产 系统应能正常使用， 特别是一对竖井和中央斜风 井在开采结束后也不能遭受严重破坏， 主要为一 水平煤柱的开采服务。 1． 3技术要求 1 开采以后， 地面主要建筑物所承受的变 形控制在规程规定一级采动损害变形范围之内， 其余建筑物的变形控制在二级以内。 2 在保护地面建筑物的同时， 尽可能多采 出煤炭资源， 提高采出率。 2地质条件 2． 1地层 大庄井田含煤地层为石炭二叠系， 下伏地层 为寒武系、 震旦系， 上覆地层为第三系、 第四系及 东部覆盖的火成岩。 2． 2煤层 大庄矿井田含煤岩系为石炭二叠系， 煤系总 厚为 390m， 含煤 29 层， 煤层总厚 15m 左右。其 中可采煤层共 6 层， 分别赋存在丁煤组段、 戊煤 组中 段 和 山 西 组 下 段 地 层， 编 号 为 丁5、 丁6、 戊8、 戊9、 戊10及 己16 － 17煤 层 ， 可 采 煤 层 总 厚 约 14． 49m， 含煤系数4 。 己16 － 17  煤层是矿井目前 带压安全开采的目的。 通过对 22501 工作面 5 号煤底板注浆改造， 回采过程中底板出水量大大减少， 减轻了矿井排 水负担， 节省了矿井排水量和费用， 从而降低了 吨煤防治水成本， 还减少了矿井排水对当地环境 的污染。取得了显著的经济效益和社会效益。 作者简介 叶东生 1963 － ， 男， 陕西澄城人， 副总经理， 高级工程师， 1986 年毕业于西安矿业学院， 矿建专业。 收稿日期 2010 － 07 － 08 61 第 1 期 2011 年 3 月 水力采煤与管道运输 HYDRAULIC COAL MINING ＆ PIPELINE TRANSPORTATION No． 1 Mar． 2011