古汉山矿煤层底板加固与隔水层保护.doc

古汉山矿煤层底板加固与隔水层保护 郭国政 焦作煤业集团有限责任公司古汉山矿，河南焦作454000 摘 要随着矿井开采深度的增加，古汉山矿地应力越来越大，工作面回采时煤层底板破坏程度也在增加，煤层底板L8灰岩含水层水压越来越高，造成煤层底板加固的注浆压力不断增大，这样势必会引起在煤层底板注浆加固时破坏煤层底板与L8灰岩之间的隔水层。从而引起回采工作面在回采时底板突水。为防止煤层底板加固时破坏煤层底板与L8灰岩之间的隔水层，古汉山矿11031东回采工作面煤层底板加固时采用控制注浆压力的措施，既加固了含水层又保护了隔水层，效果很好。 关键词含水层；隔水层；底板加固 古汉山矿于1991年开工建设，2003年11月1日正式投产，第一水平标高为-450m。矿井设计年生产能力120万t，服务年限53．8a。 1 矿井地质及水文地质情况 1地质情况古汉山井田地层自老至新有奥陶系、石炭系、二迭系、三迭系及第三、四系，下二迭统山西组为主要含煤建造，由砂岩、砂质泥岩、泥岩和本井田主要可采煤层二1煤组成。二1煤位于山西组下部，厚度1．88～7．57m，平均厚度5 m，如图1所示。煤层下距L8灰岩26．5 ～49．0m，平均35m；煤层直接底板为灰黑色泥岩及砂质泥岩，致密细腻，含有丰富的植物化石，含炭质较高，并有星点状黄铁矿，有时有炭质泥岩作为煤层的直接底板，直接底板以下为15．0～22．0m的中细粒砂岩，致密坚硬，局部裂隙发育。 古汉山矿井位于焦作煤田的东北部，基本构造轮廓为一向南东缓倾的单斜构造，地层产状大致走向为北东或北东东，倾角为12～17，构造形式以断裂为主，局部出现小的挠曲。 2水文地质情况根据岩性、水力性质、空隙特征和富水程度，矿井含水层自上而下有以下几层。 I第三、四系冲洪积孔隙含水层，厚度一般100～250m，由北向南、由西向东逐渐变厚，最厚达626．72m。上部垂深50m含有丰富的孔隙潜水，在构造破碎带与下伏L8灰岩有水力联系。 Ⅱ二迭系砂岩孔隙承压含水层一含水性弱，对矿井充水主要为L8灰岩，层厚5．07～10．07m，平均8．30m，岩溶水影响不大。 Ⅲ太原组灰岩岩溶裂隙含水层，太原群上部岩溶承压裂隙发育不均，具细少裂隙，多被方解石脉充填，为二1煤突水的主要威胁。L8灰岩距二1煤层底板20.68～50．33m，平均35．55m，其间由泥岩、砂质泥岩隔水层和坚硬的砂岩组成；太原群下部承压岩溶含水层主要为L2灰岩裂隙承压含水层，层厚5．90-21．62m，平均12.57 m，岩溶裂隙发育不均。富水性大小不一，在断层附近，该层水与L8灰岩水力联系密切，易引起矿床突水淹井。 Ⅳ奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层，厚度400～600m，裂隙溶洞发育，广泛出露于太行山，含水性强，上部50m岩溶裂隙比较发育。由于该含水层水量丰富，水头压力高，距一2煤层近，所以是一2煤层底板的直接充水含水层，在断层附近，该层水尚与L2、L8灰岩水发生水力联系，严重危及矿井安全生产。 3隔水层根据岩性组合、厚度等，矿井隔水层自上而下有下列几个层。 I粘土类隔水层新生界地层中所夹的黄灰色-棕红色粘土柔软、细腻，透水性差，具有良好的隔水作用，可有效阻隔砂砾石含水层之间及孔隙含水层与基岩含水层之间的水力联系。 ii二叠系泥质岩类隔水层二1煤层上部二叠系地层中含有大量泥岩、砂质泥岩、粉砂岩等，这些岩层厚度大、层位稳定、透水性差，可有效阻隔冲洪积孔隙含水层对砂岩裂隙含水层的补给，以及砂岩裂隙含水层之间的水力联系。 Ⅲ二1煤层底板隔水层二1煤层底板至L8灰岩之间有一层厚25～51 m、平均32m、一般30～35m的泥岩、砂质泥岩局部夹薄层L9灰岩或细粒砂岩，该层层位稳定，对L8灰岩水进入矿坑有一定的阻隔作用，该隔水层的破坏与否直接影响煤层底板注浆的效果。 Ⅳ太原组中部砂泥岩段隔水层L8与L2灰岩间有平均厚49m的泥岩、细粒砂岩、粉砂岩夹薄层灰岩组成的地层，该段地层厚度大、层位稳定，可有效隔绝L8与L2灰岩水之间的联系，特别对防止奥灰水进入矿坑起着主要作用。 2 突水原因分析 2．1 采区底板加固及回采工作面底板突水情况 11采区布置有11041、11061、11081、11101、11011、11031西、11051、11071、11091两层共18个回采工作面，11041、11042、11061、11062、11011、11051、11052工作面在回采前没有对煤层底板进行加固，在回采时11041、11042工作面底板突水0．5～0．8m3／min，11011工作面底板突水2．0m3／min，11061、11062工作面底板突水5.0m3／min，11051、11052工作面底板突水0．6m3／min。而经过煤层底板含水层加固的回采工作面，煤层底板突水都比较大， 具体如表1所示。 2．2 分析突水原因 根据11采区回采工作面的煤层底板含水层L8灰岩加固及突水情况，可以发现，所有采用煤层底板含水层L8灰岩加固的回采工作面，煤层底板突水都比较大，没有进行煤层底板含水层L8灰岩加固的回采工作面反而突 水比较小。以前我们采用的比较传统的煤层底板含水层L8灰岩加固的方法是在回采工作面上下风道布置钻孔，对回采工作面的煤层底板L8灰岩进行注浆加固。钻孔布置原则是以粘土水泥浆在L8灰岩裂隙中扩散半径为30m为依据工作面均匀布孔，力求使浆液在该工作面注浆改造覆盖率接近100％。钻孔结构钻孔开孔时采用146mm钻头穿煤、泥岩约6～7m下φ146mm护壁管，下管后采用φ108mm钻头打至L9灰岩底板下1～2m，下入φ108mm岩芯管，必须在L8灰岩顶板以上5 m将岩芯管下好，以防误揭L8灰岩，下好后注浆固结套管，套管固结后必须进行耐压试验，合格后，换φ75 mm钻头向下继续钻进穿透灰岩2m左右终孔。注浆参数的选择视单孔涌水量及岩溶发育程度而定，粘土浆的粘度为17～25 s，粘土水泥浆的粘度为25～60s，一般是先稀后稠再稀，单孔注浆结束标准当泵量小于80L／min以下，工作面注浆孔孔口压力达到终孔压力，持续时间不低于20min，即可结束，由于古汉山矿L8灰岩水压较高2．9MPa，所以注浆压力需要选择在水压的2．5倍为7.5～8 MPa。在对顶层回采工作面进行注浆加固时，由于岩溶裂隙发育程度不均，在以往的注浆加固过程中常常出现注浆量与钻孔涌水量不符的情况，注浆达不到预期目的，注浆效果较差，工作面回采时容易发生突水事故；在对中层回采工作面进行注浆时，由于煤层底板已经遭到破坏，注浆量比顶层工作面要大的多，但由于注浆压力过高，煤层底板遭到了二次破坏，隔水层强度减小，工作面回采时容易发生突水事故；古汉山矿矿压很大，在工作面回采过程中对煤层底板隔水层的破坏也相应较大，这样导致经过加固的回采工作面仍发生突水，威胁生产。 3 底板泄水巷及保护隔水层的底板加固方法 31 11031东回采工作面底板加固的方法 根据回采工作面煤层底板突水的原因分析，突水的原因主要是在对煤层底板含水层L8灰岩加固的同时，也破坏了煤层底板与L8灰岩之间的隔水层，由于古汉山矿矿压较大，工作面回采时，煤层底板破坏严重，尤其是底臌，这样就会导致回采时煤层底板突水，因此，在进行11031东回采工作面煤层底板L8灰岩注浆加固时，采取了有针对性的控制注浆措施 1加固钻孔尽量采用大倾角，大倾角钻孔可以使注浆过程中最小程度的破坏煤层底板隔水层。 2对于进入L8灰岩的钻孔，如果孔内出水量较小或者不出水，说明该地域L8灰岩比较完整，没有溶洞，这些孔不作为主要加固钻孔，最大注浆压力不得超过4．5 MPa。 3对于孔内出水量大于0．5m3／min，说明该地域L8灰岩的裂隙比较发育，对这些钻孔进行重点加固，采取严格的加固措施，注浆终孔压力需要选择在水压的2．5倍以上（7．58 MP a）。 3．2 底板泄水巷在古汉山矿的应用 由于古汉山矿煤层底板含水层L8灰岩加固效果很差，2003年，在11采区的东西两翼分别施工了两条煤层底板泄水巷，泄水巷布置在距煤层底板5m的砂岩内，在工作面开始回采时可以非常有效的将回采工作面的水通过底板泄水巷导出。11082工作面在回采时于2004年7月发生底板突水，水量为7.0m3／min，为了减少突水对回采的影响，从西泄水巷施工两条斜巷与11082工作面下风道贯通，利用泄水巷进行疏水，避免水流冲刷下风道，极大地改善了工作面作业环境，如图2所示。 为改变突水水流向，在泄水巷布置钻场向工作面内施工泄水钻孔，设计钻孔终孔位置位于煤层底板下0．5～1.5m，充分利用采后矿压对煤层底板造成的裂隙，将突水导向泄水钻孔，并且针对突水点位置随着工作面的推进而移动及时调整钻孔参数，保证泄水钻孔能够很好地连通因采煤产生的底板裂隙，减少工作面突水水量，改善作业环境。西泄水巷在八个钻场内共施工钻孔113个，总长度9033.8m，东泄水巷在四个钻场内共施工钻孔35个，总长度3811.5m。经过钻孔导水，使11082回采工作面由原来的煤层底板突水7．0m3／min降到1．5m3／min。 4 结论 根据11采区回采工作面的煤层底板含水层L8灰岩加固及突水情况，可以发现，所有采用煤层底板含水层L8灰岩加固的回采工作面，煤层底板突水都比较大，没有进行煤层底板含水层L8灰岩加固的回采工作面反而突水比较小。原因在于注浆压力过高，煤层底板遭到了二次破坏，隔水层强度减小，工作面回采时容易发生突水事故；另外古汉山矿在应力大，在工作面回采过程中对煤层底板隔水层的破坏也相应较大。 分析研究后，采取了新的底板加固方法，辅以底板泄水巷，加固钻孔尽量采用大倾角，根据出水量选取注浆压力。在11采区的东西两翼分别施工了两条煤层底板泄水巷，泄水巷布置在距煤层底板5m的砂岩内，在工作面开始回采时可以非常有效的将回采工作面的水通过底板泄水巷导出。采取措施后，有效地减少了突水事故。 8