复杂条件下煤层底板突水防治对策探讨.pdf

科技信息 。矿 业论坛O S C I E N C ET E C HN O L O GY I N F OR MA T I O N 2 0 1 3年第 2 3期 复杂条件下煤层底板突水防治对策探讨 王伦马中升王斌刘猛 河北工程大学 资源学院 ， 河北 邯郸 0 5 6 0 3 8 【 摘要】 根据我国华北岩溶矿区大采深、 高水压、 高应力的复杂条件现状， 从降低奥灰水压、 提高煤层底板阻水能力和减小煤层底板破坏 度三个层面探讨 了防止煤层底板突水的对策 ． 并对各种对策在 实际运 用时的适 宜性进行 了分析 ， 提 出了以奥灰局部降压 、 底板 注浆加 固、 充填 开采、 奥灰顶部局部注浆加固相结合的综合防治水对策， 对我国复杂条件下实现深部煤层开采具有重大现实意义 【 关键词】 复杂条件； 深部开采； 华北岩溶矿 区； 底板突水； 防治对策 M e a s ur e s f o r Pr e v e n t i o n o f W a t e r I n r us h Fr o m Co a l Fl o o r Un d e r Co mp l e x Co n d i t i o n s W ANG Lu n M A Zho n g - s h e ng W ANG B -i n LI U M e ng R e s o u r c e I n s t i t u t e ． He b e i U l l i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g， Ha n d a n He b e i ， 0 5 6 0 3 8 ， C h i n a 【 A b s t r a c t ] F o r N o r t h C h i n a K a r s t m i n e m i n i n g d e p t h ， h i g h p r e s s u r e ， h i g h s t r e s s s t a t u s o f c o m p l e x c o n d i t i o n s ， f r o m t h e l o w e r O r d o v i e i a n l i me s t o n e wa t e r p r e s s u r e ，c o a l s e a m flo o r wa t e r ～ b l o c k i n g a bi l i t y a n d r e d u c e t h e c o a l s e a m fl o o r f a i l u r e t h r e e l e v e l s t o e x p l o r e p r e v e n t i n m s h f r o m c o al flo o r wa t e r c o u n t e r me a s u r e s 。a n d t h e s u i t a b i l i t y o f t h e v a r i o u s me a s u r e s we r e a n a l y z e d ，l o c a l p r e s s u r e ，Or d o v i c i a n l i me s t o n e flo o r g r o u t i n g ,b a c k fil l mi ni n g ，Or d o v i c i a n l i me s t o n e t o p l o c a l g r o u t i n g r e i n f o r c e me n t c o mb i n a t i o n o f c o mp r e h e ns i v e c o n t r o l l i n g c o u n t e r me a s ur e s f o r o u r e o u n t r y d e e p c o a l 一 一 ● mi ni n g c o mpl e x c o n di t i o n s o f g r e a t p r a c t i c a l s i g n i fic a n c e ． 【 K e y w o r d s ] C o m p l e x c o n d i t i o n s N o r t h C h i n a K a r s t m i n e ； Wa t e r i n r u s h f r o m C O al fl o o r ； M e a s u r e s f o r p r e v e n t i o n 矿井底 板水害一直 就是华北岩溶 矿区煤矿安 全生产面 临的主要 问题之 一 尤 其是 随着浅部煤层 的开采殆尽 ． 许多矿 区都将 面临矿井 向深部 延伸 和开采下组煤 的现实 问题 随着开采深度增 大 ． 在矿压和 水压的联合作用下． 煤层底板隔水层发生破坏的程度将会加大． 致使 底板隔水层阻水能力降低 ． 使发生底板突水的概率增加， 矿井防治水 形势变得更加严峻Ⅲ 因此． 如何将这些受底板水害威胁较大的煤层解 放出来 ． 实现安全生产和经济效益的和谐统一． 已成为现阶段亟需解 决 的问题 1 开采条件现状分析 1 ． 1 地质 、 水文地质条件复杂 我国华北岩溶矿区主要含煤地层为晚古生代的石炭～二叠系地 层． 可采煤层集中分布在太原组和山西组． 基底为富水性极强、 岩溶裂 隙发育极不均一的巨厚奥陶系灰岩 华北岩溶矿区构造和奥陶系灰岩含水层岩溶裂隙普均比较发育， 不同规模和不同序次的断层密集分布． 岩溶陷落柱大量存在。断层和 陷落柱的发育和分布． 往往成为岩溶地下水活动的主要场所。特别是 一 些难以探查的隐伏导水断层和陷落柱． 采动条件下成为煤层底板危 害性极大的突水通道 ． 威胁矿井安全。 1 ．2 开采深度大 对 于一般 的地下 工程而 言． 深度大指 的是开挖工程将 导致围岩 中 出现超应力状态． 使岩体产生破坏或失效日 。深度只是一个相对的概 念． 不同领域的学者对大深度的界定有着不同的解释。开采深度是否 为大深度主要取决于工程层位的岩体强度． 对于煤矿而言通常认为开 采深度则超过 5 0 0 m为大采深[31 目前 ． 我 国华北岩溶矿区矿井平 均开 采深度 已达 6 4 7 m． 且每年仍以 l O m ～ 2 0 m的深 度递增 ． 其 中有相 当一 部分矿井开采深度达到 8 0 0 m以上． 个别超过 1 2 0 0 m 与开采深度不断增大相对应 ． 煤层底板隔水层所承受 的水压也越 来越大．目前大部分矿井煤层底板隔水层承受奥灰水压超过 6 M P a ， 个别矿井超过 1 0 MP a 。现场动态监 测结果表 明． 在 矿压 与底板水压 的 耦合作用下． 底板岩层破坏的程度明显增大． 底板岩层阻水性能降低， 当煤层底板承受水压超过底板隔水层产生的抗力时． 便会发生底板突 水灾害【1 J。 1 _ 3 高地应力 随着 工作面 的开 采 ． 破坏 了原有 的应力平衡 状态 ． 将会 引起 回采 空间围岩应力的重新分布． 由于采空区的形成． 其周围煤柱上会出现 应力集 中的现 象。开采深部煤层 ． 仅重力 引起 的垂直应 力通常就可能 会超过工程岩体的抗压强度． 而由于工程开挖所引起的水平应力集中 则远大于工程岩体的强度． 由此造成工作面和巷道的高地应力状态 。 高地应力会引起矿井围岩 、 支护的变形和破坏． 并引起矿井的动力现 象 ， 是诱发冲击地压、 岩爆 、 水害、 煤与瓦斯突出等事故灾害的主要因 素之一。 高应力问题． 不仅加剧煤层底板岩层的破坏程度， 而且使矿井 防治水工作难度加大。 2 煤层底板突水判定标准 随着一些新 方法 、 新技术 的引人 ． 煤层底 板突水判定 方法有 了较 大的进展。 诸如灰色理论方法[7 1 、 脆弱性指数法 、 专家系统f9 】 、 地理信息 系统_ l0 1 、 人工神经网络_I l】 、 模糊数学㈣ 等。但利用上述方法作为煤层底 板突水判定标准在实际操作中难以获取． 存在参数不易确定 、 所需资 料无法获得等问题 目前， 在 煤矿防治水规定 中依然采用突水系数作为煤层底板突 水与否分判定标准． 并依据煤层底板的完整程度划定了两条红线。 单纯从突水系数公式所表达的含义来理解． 无疑降低煤层底板水 压和增大隔水层厚度可以最大限度降低煤层底板突水 增强煤层底板 强度和减小煤层底板破坏程度无形中提高的煤层底板的隔水性能． 应 是突水系数所表达的深刻内涵 3 煤层底板突水的防治对策 3 ． 1 奥灰局部疏水降压 奥灰含水层厚度大． 具有较大的弹性储存量． 疏水降压不能保证 降低整个区域的奥灰水压。比较可行的是进行奥灰局部疏水降压。 即 预先对拟开采的采区或工作面影响范围内的奥灰水进行疏降． 将奥灰 疏降至或接近安全水头以下． 以最大限度地降低煤层底板奥灰突水风 险。 奥灰局部疏水降压需结合补充勘探进行专门论证 ． 疏水降压孔的 位置、 数量、 疏降水量应结合综合物探、 钻探和水文地质试验的结果进 行考虑。 但对于补给和联通条件好的地段疏水降压存在排水周期长和 高额的排水处理费用等问题 对于比较封闭的块段， 由于奥灰水质差 同 样存在高额的水处理费用问题 3 ． 2 煤层底 板注浆 加固 煤层底 板注浆 加固是通 过采前 注浆方式 ． 充填 和胶 结底板岩层 中 的裂 隙 ， 从 而增 大底板 隔水层 的强度 ． 提高底板隔水层的阻水能力。目 前． 煤层底板注浆加固技术和工艺已趋于成熟． 并在相应矿井得到成 功应用。 但进行煤层底板注浆加固的关键是煤层底板必须具有一定厚 度且裂隙或岩溶较发育的含水层 对于不具备底板注浆加固条件的矿 井． 通过煤层底板注浆加固提高底板阻水能力的设想无法实现 3 - 3 充填开采 充 填开采技术 已经比较成熟 ．已经在金属矿 山和煤矿得成功 运 用。 目 前常用的充填材料主要包括煤矸石、 粉煤灰、 尾矿、 沙子、 高水和 超高水材料等B 3 1 实践证明． 充填开采法与传统的顶板垮落法相比可 明显地降低煤层底板破坏程度． 减小对煤层底板有效隔水层阻水能力 的影响． 从而达到降低底板突水风险的目的 但对于需要开采的解放 层释放上部煤层瓦斯或特殊地质环境煤层的开采． 无法利用充填开采 作者简介 -Lf Ck 1 9 8 8 -- ， 男 ， 山西晋城人 ， 硕士 ， 地质 工程 专业 ， 矿井防治水方向。 4 01 2 0 1 3 年第 2 3 期 S C I E N C E T E C H N O L O G Y I N F O R M A T I O N O矿业论坛。 达到提高煤层底板阻水能力的目的 3 ． 4 奥灰顶部局部注浆加固 奥灰顶部的局部注浆加固一方面相当于增强了底板隔水层的厚 度． 提高了底板隔水层的阻水能力． 另一方面可以消弱或直接切断奥 灰水和上部含水层的水力联系， 因此可以从根本上解决煤层底板奥灰 突水的问题 通常可以在开采受奥灰水威胁大、 构造复杂的局部地段和当煤层 底板无法进行注浆加固或加固后效果不显著地段 ． 根据实际情况预先 在地面施工一定数量的钻孔对奥灰顶部富水性强的层位实施预注浆 但是由于奥灰含水层具有岩溶裂隙发育极不均匀的特点． 单纯通 过施工垂直钻孔实施注浆难以保证注浆后的封堵效果 目 前定向钻进 技术已比较成熟． 因此可以利用垂直和定向钻进技术相结合的工程措 施， 以实现奥灰顶部局部注浆加固。 基本思路是在垂直钻孔施工至奥灰顶部一定深度时． 采用定向钻 进技术最大限度沟通奥灰含水层中岩溶裂隙． 为奥灰顶部注浆加固创 造条件 ． 参见图 1 。 4 结论 复杂条件下防治煤层底板突水技术的研究． 对我国现阶段以及今 后的煤矿开采都具有重大的现实意义 结合我国华北岩溶矿区的复杂 状况， 可以采取奥灰局部降压 、 底板注浆加固、 充填开采 、 奥灰顶部局 部注浆加固等技术措施来进行防治。 在具体的实际工作中需要针对各 矿井的实际情况． 选择合适的单种或多种方法相结合的综合矿井防治 水对策。 ● 【 参考文献】 [ 1 ] 李冲． 邯邢地区煤层底板破坏规律研究[ D ] ． 邯郸 河北工程大学。 2 0 1 1 ． [ 2 ] 虎维岳． 华北东部深部岩溶及煤矿岩溶水害特征『 J 1 _煤田地质与勘探， 2 0 1 1 ， 3 8 2 2 3 2 7 ． [ 3 ] 刘同有， 周成浦．矿山地质力学与环保『 R 1 ． 金川有色金属公司研究报告， 1 9 9 6 ． [ 4 ] 虎维岳， 何满潮． 深部煤炭资源及其开发地质条件[ M 1 ．北京 煤炭工业出版 社 ． 2 0 0 8 ． [ 5 ] 梁军成， 刘美军． 煤矿深部开采相关灾害问题及应对措施的探讨『 J l _价值工 程 ． 2 0 1 2 2 9 5 2 9 6 ． [ 6 ] 李建民， 张壮路， 张瑞玺．赵各庄矿深部带压开采评价【 J 1． 煤炭学报 ， 2 0 0 5 ， 3 0 5 5 5 0 5 5 3 ． [ 7 ] 肖有才， 张秀成， 顾志民． 浅埋型矿井涌水量预测预报的灰色模型f J ] ． 中国安 全科学学报． 2 0 0 0 ， 1 4 5 1 8 2 0 ． [ 8 ] 武强， 张志龙， 张生元， 等． 煤层底板突水评价的新型实用方法 Ⅱ 脆弱性 指数法f J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 7 ， 3 2 1 1 1 1 2 1 ～ 1 1 2 6 ． [ 9 ] 高延法， 章延平， 张慧敏， 等． 底板突水危险性评价专家系统及应用研究【 J ] ．岩 石力学与工程学报， 2 0 0 9 ， 2 8 2 2 5 3 2 5 8 ． [ 1 O ] 3 希良， 王磊 ， 郑世军， 等． G I S 支持下的煤矿底板突水预报研究[ J ] ． 中国矿 业， 2 0 0 1 ， 1 0 2 6 9 7 1 ． [ 1 1 ] 邱秀梅， 王连国． 煤层底板突水人工神经网络预测[ J 】 ． 山东农业大学学报 ， 2 0 0 2 ， 3 3 1 6 2 - 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