团柏井田带压开采防治水研究.pdf

1井田概况 团柏井田位于霍州矿区南部, 井田南部以下团柏断层为界, 北部以上团柏断层为界, 东部以汾河为界, 西部以人为边界。团 柏井田主要开采煤层有山西组1号、2号煤 为优质低硫肥煤, 称 上组煤 和太原组的1 0号、1 1号煤高硫肥煤, 称下组煤。 地质储 量约3 . 7亿t, 其中上组煤0 . 6亿t, 下组煤为3 . 1亿t。经过2 0年 的上组煤开采, 可采储量所剩无几, 这样, 矿井的发展主要依托 下组煤。由于下组煤位于井田内主要承压含水层之间, 而且煤层 标高均低于两含水层静止水位标高5 2 5m,对开采造成极大困 难。团柏矿研究了下组煤开采的可能性, 制定了开采设计方案和 防治水工作方案以及防治水措施, 经过认真组织实施, 取得了较 好的效果, 到目前为止已回采两个工作面, 共采出煤炭4 5万t。 为团柏矿井下组煤带压开采走出了一条新路子。 2井田水文地质概况 1 太原群共有3层灰岩, 自下而上为K2、K3、K4。 以K2为主, 该层稳定, 厚度3 . 1 5 m 1 0m, 裂隙溶洞发育, 含水性较丰富, 水 位标高5 2 2 m 5 2 5 m, 含水厚度不大, 露头范围较小, 因此该层地 下水主要通过断层及陷落柱等构造在一条件下接受奥灰水的补 给, 受奥灰影响较大。 2 奥陶系峰峰组上段岩深含水层, 距奥灰顶面0 6 0m, 该 层灰岩致密坚硬, 岩层破碎, 裂隙溶洞发育。在泉区该段含水性 极为丰富, 据钻探资料, 单位涌水量为1 5 L / h 5 0 L / h, 渗透系数为 3 1 m / d 1 4 8 . 3 m / d。 3 奥陶系峰峰组下段含水层, 距奥灰顶面8 0m 1 0 0m, 岩 性为泥灰岩夹石灰岩, 含水性较弱。其单位涌水量为4L / h 2 6L / h, 渗透系数为1 8m / d 9 7m / d, 静止水位标高5 1 9 . 5 9m 5 2 2 . 8 3 m。 4 奥陶系上马家沟组上段岩溶含水层, 距奥灰顶面1 3 0 m 1 6 0m, 岩 性 致 密 坚 硬,溶 洞 发 育 。 单 位 涌 水 量 为5 . 3 8L / h 2 9 . 6 L / h, 渗透系数为1 0 . 6m / d 9 8m / d, 静止水位标高5 2 3 . 0 m 5 2 5 . 0 5 m。 5 奥陶系上马家沟组下段岩深含水层, 距奥灰顶面1 6 5 m 2 3 0 m, 岩性致密坚硬局部岩溶发育。 单位涌水量为1 0 1 L / h, 渗透 系数为5 8 m / d, 静止水位标高5 2 4 . 4 3 m。 3下组煤水文地质条件分析 1 影响下组煤开采的主要含水层是K2和中奥陶系灰岩。K2 灰岩是下组煤9号煤层的直接顶板, 在开采中将形成疏干状态, 由于K2灰岩为薄煤层灰岩,从补给和岩溶裂隙发育都表现为强 含水性。1 0号煤层下距奥灰平均间距3 5 . 5 m,1 1号煤下距奥灰 间距平均2 6 . 0 m, 隔水层抗压强度常因断层的破坏而减弱, 在开 采过程中,当奥灰水压超过隔水层抗压强度时便会发生底板突 水事故。水源直接来自奥灰峰峰组, 而与含水性最强的马家沟组 水层被其间的泥灰岩石膏带相隔,在不破坏泥灰岩石膏带隔水 层的情况下, 对下组煤的开采是有利的。 2 团柏井田是一个 “袋形” 半封闭区, 井田西部为奥灰隐伏 区, 以罗云山断层为界, 井田北部边界为上团柏断层 F 1 , 该正断 层走向N 6 0 8 0 E, 落差3 3 0 m 2 6 0 m, 延伸1 0 k m以上。断层落 差西大东小, 团柏河以东, 断层南盘 团柏井田所在的下降盘 的 奥灰峰峰组与上升盘的奥灰马家沟组对接,造成马家沟组灰岩 水直接进入峰峰组, 形成断层导水。团柏河以西, 南盘中奥陶系 灰岩与北盘下奥陶系白云岩和更老的地层对接, 而且埋深大, 是 非导水的。 井田南部边界的下团柏正断层F 2是阻水断层, 该断层 走向N 6 5 E, 基本与上团柏断层平行, 倾向S E, 落差2 5 0m 3 6 0 m, 延伸1 0 k m以上, 由于上盘下降, 使南盘的二叠系、 石炭系的 隔水岩层与井田所在北盘的奥灰相接, 致使断层具阻水性, 从而 使各含水层含水强度差异较大。总体来看, 团柏井田是一个三面 阻水, 一面导水的 “袋形” 半封闭区, 袋卧向N E E, 袋口位于团柏 河-汾河一端。 3 岩溶灰岩含水性东强西弱, 由于井田在水文地质条件上 呈袋形半封闭区, 必然在开放的东端, 即郭庄泉岩溶地下水系的 排泄区含水性最强, 而向西含水性逐渐减弱。 4下组煤层开采可行性分析 根据突水系数计算和安全条件分析,团柏井田下组煤层开 采水文地质条件可分为绝对安全开采 突水系数≤0 的范围, 相 对安全区 突水系数0 0 . 6之间 ; 突水危险区 突水系数大于临 界值0 . 6 。在井田的中东部 团7和团9孔连线以东 为极强和 强含水区, 在目前技术条件不能进行下组煤开采。在中西部, 峰 峰含水组含水性弱, 下伏的马家沟含水组含水性强, 但其间有稳 定的隔水层, 因此在井田中西部范围内, 在对顶部K 2水提前进 行疏放而不疏降奥灰水的条件下,可通过采取有效的防治水措 施, 对安全区和绝对安全区进行开采是可行。 5防治水措施 1 按照预计的首采区涌水量首先形成了防排水系统。首采区设 计面积F为4 .7 6 k m 2 , 疏降水平为4 0 0 m,K2灰岩厚度M为1 0 .0 m, K2灰岩水头高度H为1 7 0 . 2 5 m, 渗透系数K为1 . 5 9 7 m / d, 降深S 团柏井田带压开采防治水研究 刘继平 霍州煤电集团汾河焦煤公司,山西临汾0 4 1 6 0 0 摘要文章通过对团柏矿下组煤开采的可能性进行研究, 制定出了开采设计方案和防 治水工作方案以及防治水措施, 经过认真组织实施, 取得了较好的效果。 关键词井田; 开采; 防治 中图分类号T P 3 9 3文献标识码A文章编号1 0 0 0 - 8 1 3 6 2 0 0 7 1 1 - 0 0 7 7 - 0 2 科学之友F r i e n do f S c i e n c eA ma t e u r s2 0 0 7年1 1月B 7 7-- 为1 2 5 m, 根据大井法计算, 选用承压转无压公式 Q 1 . 3 6 6 k 6 8 4 m 3 / h1 式中R 0 R r 3 3 8 2 mr 1 2 3 1 m,R 1 0 S 2 1 5 1 m,Q 1 2 0 9 m 3 / h。 根据以上计算结合K 2实际揭露涌水情况,为安全起见, 我 们选择1 2 0 9 . 5 m 3 / h。 在选择水仓时, 按照不破坏含层, 而且位置最低的原则, 通 过计算, 在采区最低位置 4 0 0m设计水仓, 水仓最低处距含水 层顶面之间的隔水层厚度应大于7 . 0 m, 并进行了安全施工, 形成 了容量3 2 0 0 m 3的水仓、 2 0 0 0 m 3 / h的排水能力, 奠定了下组煤防 治水工作的基础。 2 工作面开采宽度的合理确定。下组煤最下部的1 1号煤 层底板距奥灰顶面隔水层厚度2 0m 2 5m,隔水层承受水压 P 1 1 . 2 M P a, 而底板隔水层所承受的水压对底板的破坏深度与工 作面宽度关系, 可以用式 2 表示 h 1 0 . 3 0 3 L x 2 P 2 A1[ h - h 12 s T r h ] P1 3 式中h 1 底板隔水层受采动破坏深度,m; L x 工作面宽度,m; P 2 底板所能随的极限压力,M P a; L y 工作面初次垮落步距,m, 取3 0 m; h 隔水层厚度,m, 取1 0 m; S t 底板岩层平均抗拉强度,M P a / m 2 , 取1 . 7 5; r 底板岩层平均容重,t / m 3 , 取2 . 5; P 1 隔水层承受水压,M P a。 当L x 1 0 0m,h 2 5m时 ,h 1 1 2 . 1m,P2 2 . 4 4M P a P1; 当 L x 9 0m,h 2 5m时,h 1 2 5m时,h1 1 1 . 1m,P2 2 . 3 5M P a P1; 当 L x 9 0m,h 2 0m时,h 1 1 1 . 1m,P2 1 . 2 3M P a P1;当L x 1 3 0m, h 2 5 m时,h 1 1 4 . 8 7 m,P2 1 . 1 7 2 M P a P1。 从上面计算可知, 当底板隔水层厚度在2 0 m时, 为了使煤层 底板随压力P 2不小于P1,则工作面切巷长度的选择范围不应超 过9 0 m; 当底板隔水层厚度在2 5m时, 工作面切巷长度不应超 过1 3 0 m。 3 在巷道施工过程中利用地质雷达对巷道异常进行超前 控测, 提前查清异常的范围及性质, 及时采取有效措施。特别是 遇陷落柱要进行钻探注浆, 一方面可以提前查清它的导水性, 二 是通过注浆对陷落柱松散性进行加固,可以避免巷道掘进过程 中发生片帮、 冒顶事故。 4 通过对K2灰岩裂隙产状、 裂隙走发育情况及涌水量变化 情况的分析, 提出有效疏水方案。裂隙向与盘区巷道近似垂直, 在裂隙发育段淋水较大, 在裂隙发育较弱段几乎无淋水, 且随着 巷道的前掘会引起新出水点增加, 后部K2裂隙水逐渐变小, 甚至 出现干涸现象,而下组煤总涌水量随着K灰岩揭露面积增大而 涌水量变化不明显。 说明K2灰岩裂隙之间联通性较差, 水源补给 不充分, 在一定范围内可经过短期放水而达到疏水的目前。进而 确定了加快盘区准备巷道掘进, 提前进行疏水的方案, 致使在采 首采面回采时, 涌水量仅增加1 2 0 m 3 / h。 5 通过施工泄水巷缓解掘进、 回采期间排水难度。由于地 质构造复杂, 在首采区右翼存在一些较小褶曲构造, 工作面巷道 坡度沿煤层送巷出现起伏变化, 工作面涌水不能自流排出, 造成 工作面在生产期间的排水困难。为确保工作面安全正常生产, 通 过分析工作面煤层底板等高线变化情况,确定了在工作面最低 处施工泄水巷方案, 共施工2 7 0 m泄水巷, 使工作面涌水通过泄 水自流到水仓,从而使工作面及两巷的排水问题得到了彻底解 决, 减少了排水环节、 排水费用和人员占用。目前该泄水巷已服 务了两个工作面, 取得了较好的经济效益。 6 利用音频电和直流电法, 提前查清了工作面顶底板的含 水性。在首采面的应用中, 探测出顶板K灰岩含水层共有两个富 水带, 采取了提前钻探放水, 最大泄水量达2 0 0 m 3 / h。探测出煤层 底板4 5 m范围内的3个富水带, 随即进行了钻探验证, 证实了3 个富水带的存在, 并进行了预注浆, 以防回采时造成底板破坏而 导通奥灰水涌出, 确保了该工作面的安全生产。 6效益分析 当前团柏矿已经带压开采下组煤两个工作面, 共采出1 0号 煤4 5万t。带压开采的成功, 不仅保证了矿井的正常接替, 而且 为下一步1 1号煤的带压开采积累了经验和资料, 还可解放下组 煤储量约60 0 0万t, 按年生产能力9 0万t计算, 可延长矿井服 务年限3 0年。 P e s e a r c ho fE x p l o i tP r e v e n t i o na n d C u r eWa t e ri nT u a n B ow e l l c r o p l a n d L i uJ i p i n g A b s t r a c t T h ea r t i c l er e s e a r c ho fe x p l o i tc o a lm i n e , l a yd o w nt h ep l a na b o u te x p l o i td e s i g na n dp r e v e n t i o na n dc u r ew a t e r , t h er e s u l t i sw e l l . K e yw o r d s w e l l c r o p l a n d ; e x p l o i t ; p r e v e n t i o na n dc u r e 专题研究刘继平 团柏井田带压开采防治水研究 7 8--