贺西矿底抽巷放水试验及矿井防治水技术探讨.pdf

第 1 期 2 0 1 5年 1 月 山 西 焦 煤 科 技 S h a n x i Co k i n g Co a l S c i e nc e Te c h n o l o g y No ．1 J a n ． 2 0 1 5 试验研究 贺西矿底抽巷放水试验及矿井防治水技术探讨 刘德 旺 ， 1 ． 中国矿业大学 地球科学与测绘工程学院， j L - ． ．- ,- 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 山西焦煤集团公司， 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 为查明贺西矿 山西组 4 煤层开采受底板高承压太灰含水层的威胁 ， 基于地下水径流理 论 ， 对太灰含水层进行 了单孔放水试验 ， 得 出4 煤底板太灰含水层 的富水性 和补给排泄条件 。结果 表明 ， 太灰含水层岩溶发育且存在一定程度 的不均一性 ， 富水性差， 地下水径流不畅 ， 且地下水交替和 循环条件滞缓 ， 但有较高的水位 ， 位于 3 、 4 煤层之上， 有一定的危险性。在此基础上提 出了该矿深部 开采 以疏水降压为主、 注浆为辅 的底板 防治水技术措施 ， 为保 障 山西组 4 煤安全开采提供 了合 理 依 据 。 关键词深部开采； 单孔放水试验 ； 太灰水 ； 防治水 中图分类号 T D 7 4 5 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 2 0 6 5 2 2 0 1 5 0 1 0 0 0 4 0 4 贺西矿是山西焦煤汾西矿业 集团 有限责任公 司的生产矿井 ， 位于 山西省河东煤 田中段 ， 离柳矿 区 西南部 ， 离柳林 县城 1 2 k m 左右 ， 矿 区面积 1 8 ． 9 0 9 k m ， 属带压开采矿井 。该矿 主采二叠系山西组 3 、 4 煤层 ， 基本构造形态 为一走 向北西 、 倾 向南西 的单 斜构造 。随着矿井开采深度的增加 ， 4 煤层底板承受 水压加大 ， 工作 面底板最大承受水压为 0 ． 4 8～4 ． 2 8 MP a ， 相应突水系数为 0 ． 0 1 7～ 0 ． 1 5 1 MP a ／ m， 井 田内 部分区域突水系数大于安全开采的临界值， 当太灰水 在遇到陷落柱以及其他地质构造与工作面导通时 ， 有 可能随采掘活动扰动进入工作面 。同时 ， 奥陶系灰岩 水也存在通过大的导水构造 如隐伏陷落柱 、 基底断 裂等 突破煤层底板进入采场的可能。按照 煤矿防 治水规定 ， 该矿需进行井下放水试验或水文地质勘 探试验。井下放水试验是水文地质工作 中应用最多 的方法 。 因此 ， 该矿开展 了水文钻孔单孔放水试验 ， 通过 综合评价矿井太灰含水层水文地质条件 ， 提出高承压 太灰水防治的技 术措施 ， 为矿井 山西组 4 煤 层的安 全开采提供了依据和保 障。 1 矿区地质及水文地质背景 井 田位于鄂尔多斯盆地东缘 ， 河东煤 田中段 ， 新 生界松散层所覆盖于各时代基岩之上 ， 经钻孔揭露地 层有奥陶系、石炭系 、二叠系 、 第三和第四系， 地层 厚度 1 5 0 0 m．该 矿处 于王家会 背斜西翼 ， 基本构 造形态为一走向北西 ， 倾 向南西 的单斜构造 ， 地层倾 角一般在 3 。～1 1 。 ， 受构造影响局部倾角变化较大 。 根据生产实际揭露可知 ， 井 田内小断层较发育 ， 其规 模不大， 均为小的正断层， 一般走向北北西、 北西西， 落差 0 ． 4 4 m， 一般 2 m左 右。井下仅发 现 1条较 大的切穿 4 煤层的正断层 ， 落差 9 m， 走 向北北西 ， 倾 向南西西 ， 倾角 3 6 。 ． 井下还发现小型褶 曲， 走 向与地 层倾向一致， 起伏不大， 延伸较短。层间小断层、 小型 褶 曲发育部位 ， 常易形成煤层的局部增厚变薄 ， 对开 采造成一定的困难。 该矿矿井水文地质条件相对复杂， 矿井主要的直 接充水水源为 山西组 、 石盒子组砂岩水和 3 煤 采空 区积水 。间接充水水源为奥陶系灰岩水 、 太原组灰岩 水 、 地表水 。4 煤安全开采存在较大威胁的含水层主 要有 煤系砂岩裂隙水含水层组、 太灰岩溶水含水层 收稿 日期 2 0 1 41 21 3 作者简介 刘德旺 1 9 7 2 一 ， 男， 山西平遥人， 1 9 9 6年毕业于山西矿业学院， 2 0 1 2级中国矿业大学 北京 在读硕士研究生， 高级工程师， 主要 从事水文地质工作 ， E ma il s x j m z y b 1 6 3 ． c o m 2 0 1 5年第 1期 刘德旺 贺西矿底抽巷放水试验及矿井防治水技术探讨 5 组和奥灰岩溶水含水层组。该矿位于太灰地下水 的 径流区内 ， 4 煤上下砂岩裂隙含水层是开采 4 煤层时 矿井直接 充水 含水层 。主要含水层为 L 1～L 5薄层 石灰岩 ， 单层厚度 2～1 0 m， 累计厚度 3 0 m左右。该 含水层富水性差 ， 地下水径流不通畅 ， 循环条件缓滞 ， 但有较高的水位 ， 位于 3 、 4 煤层之上 ， 所 以， 开采 4 煤层的间接含水层 ， 有一定的危险性 。 2放水试验 结合贺西矿的实际水文地质条件， 并为今后三 采深部高承压水上 的安全开采防治水方案 的制定做 准备 ， 需进行放水试验 。 2 ． 1 放 水 孔与 观 测孔 布设 为了控制巷道放水期间的地下水流场形态特征 ， 在 3 1 4底抽巷平台施工 3个孔 ， 在轨道巷施工 3个孔 ， 共施工 6个孑 L ， 并利用矿井原有的 3个观测孔 ， 共计 9 个孔。鉴于 4 煤层底板太灰含水层富水性不均一性 ， 利用地球物理探测技术划分富水区域 ， 选择钻孔。 2． 2放 水 试验 本次单孔放水试验采用一次降深的非稳定流观 测的方法。为保证放水试验安全 ， 协调了放水试验时 间、 排水能力 、 瓦斯检测等工作 。规定放水延续时问 不少于 3 6～ 7 3 ． 5 h ， 稳定时间不小于 8 2 3 h ， 满足规 范放水延续时间不少于 2 4 h ， 稳定时间不小于 8 h ． 每 个钻孔放水过程 中进行流量观测 ， 每次观测时间为 1 mi n 、 2 m i n 、 5 m i n 、 1 0 m i n 、 2 0 m i n 、 3 0 mi n ， 以后每隔 3 0 m i n观测一次 ， 采用堰箱观测流量 ， 读 数到毫米。流 量误差标 准按 煤炭 资源地质勘 探抽水试 验规程 煤地字 6 3 8号 ， 1 9 8 0年 6月 执行 ， 即流量应保持常 量 ， 单位涌水量小于 0 ． 1 L ／ s m， 误差不大于 5 ％． 本 次放水 9个钻孔 ， 相对误差 05 ％ ， 平 均 1 ． 6 8 ％ ， 满 足规范要求 。每 次放水前均 进行静水 压 位 的观 测， 放水结束进行恢复水压 位 的观测。观测精度 为0 ． 0 0 1 M P a c m ． 为 了进行放水水质监测 ， 9个放 水孔分别在放水试验临近结束前 ， 在 出水管 口采取有 代表性的水样进行全分析。取样采用塑料桶 ， 取样时 用所取水样冲洗塑料桶和桶盖 3次 以上 ， 每个水样 5 L， 并及时封存 、 标识清晰。按照设计要求 ， 对照有关 规程 、 标准对各次放水试验进行了综合评级验收 ， 完 成单孔放水 试验 ， 单孔 放水 试验合 格 9次 ， 合 格率 1 0 0 ％． 放水孔数据统计表见表 1 ． 表 1 放水孑 L 数据统计表 孔深 初始水压 恢复水压 涌水观 水量稳定恢复水压观 总计 终孔 ． ／ m ／ MP a ／ MP a 测 时间／ h 时 间／ h 测时间／ h 观测 时间／ h 层位 G1 G2 1 ． 8 3 5 1 ． 03 1 ． 2 7 O ． 8 8 1 ． 2 7 6 6． 5 4 1 ． 2 4 6 7． 2 1 ． 5 8 6 7 ． 0 4 1 ． 5 4 6． 7 1 ． 2 3 6 7． 6 1 ． 4 9 4 6． 9 1 ． 3 4 3 8 3 6 6 2 7 2 L1 3放 水试 验 结果 分析 本次共进行 了 9个钻孔的单孔放水试验 ， 其 中利 用 了 3 个原有井下钻孔 G 1 、 G 2 、G 3 ． 3 ． 1 初 始 和稳 定 涌水 量 钻孔的初始最 大涌 水量 差别较 大 ， 其 中 G 1和 G C 2孔最大 ， 分别为 4 O ． 4 m ／ h和 3 0 ． 7 m ／ h ， 一般 1 5 m ／ h 左右， G 3 孔最小仅 0 ． 2 8 8 m ／ h ． 稳定涌水 量一般 为 3～5 m ／ h ， G C 3孑 L 最 大达 7 ． 3 m ／ h ， G 3 孔最小仅0 ． 1 4 m ／ h ． 初始最大涌水量 与稳定涌水 量的差异较大 ， 其 中 G 1孔 的瞬时最 大涌水 量是 稳定涌 水量 的 1 0 ． 6 倍 ， 一般钻孔为 3 ． 9倍。说明井 田内揭露太灰的初见 水量将远大于稳定水量 ， 因此 ， 在设 防时必须考虑这 一 因素。 水观 涌总 髓 定测问 稳观时 无量测 u u u u u 5 卯 5 5 9 “ 4 1 5 5 9 n 5 2 拍 l l 1 ∞ 吣 ∞ Ⅲ 肥 2 0 1 5年第 l 期 刘德 旺 贺西矿底抽巷放水试验及矿井防治水技术探讨 ． 7． 2 含水层的富水性差别极 大 ， 最大单位涌水量 高出最小单位涌水量达 2 7 7倍之多。 4 4 煤带压开采的防治水技术措施及探讨 通过放水试验中的水位、 水量观测 资料分析 ， 认 为矿区太灰含水层 L 1～ L 5具有弱富水 、 高承压 的特 点， 水文地质参数存在非均一性 ， 但其静储量较小， 侧 向补给强度有限， 因此 ， 区域 内太灰含水层是可疏 降 的 ， 4 煤层开采 的防治水技术措施是结合物探方法以 疏水降压为主 ， 辅 以底板注浆加固。 1 工作面疏水降压。工作面采取预先疏降作为 贺西矿深部带压开采 的重要防治水措施 ， 主要是在受 太灰底板水害威胁较 大的开采 区域经济合理疏 降太 灰水头 ， 确保带压 系数在煤层底板可承受 的范 围内。 根据 以往带压开采 经验 ， 矿 区临界突水 系数为 0 ． 0 6 MP a ／ m， 放水试验放水孑 L 及其附近观测孔水位已达到 安全水头之下 ， 疏水钻孔布置应在采区主要巷道 中布 置。在采区巷道掘进过程中进行物探 ， 查找太灰富水 异常区， 并用钻探验证。根据现场实际情况选择水量 较大且排水较方便 的钻孔作为疏水孔进行保 留。通 过水量预测 ， 合理地布置疏放水孔并进行疏放水孔设 计 ， 实现疏放孔的最优化布置 ， 以达到最有效 、 最经济 的疏降效果 。 2 底板注浆加 固。底板注浆加 固措施作为带压 开采的辅助方法配合使用 ， 当疏干降压工程不能完全 满足矿井生产的需要 如安全保证 、 环境影响等 时 ， 可在疏干降压的同时 ， 在底板富水异常 区或裂隙发育 带辅助采用底板注浆加固的技术措施， 以提高煤层底 板岩层的强度和隔水性能 ， 确保贺西矿深部高承压水 上安全开采。为达到最佳效果 ， 在注浆改造前可采用 瞬变电磁勘探 、 直流 电法或其他物探手段进行工作面 底板富水性异常区的探查工作 ， 为合理布置注浆工程 提供依据 。 3 需针对隐伏陷落柱 、 大断层进行地面 、 井下全 方位探查 。对井 田中西部生产未揭露 的地区进行地 面三维地震探查 ， 对补充勘探 中查 出的疑似构造进行 进一步精细探查 ， 提高物探 、 钻探技术水平 ， 应重点对 东部临近金家庄矿 的工作 面巷道严格执行 “ 预测预 报 ， 有疑必探 ， 先探后掘 ， 先治后采 ”的方针 ， 提高物 探方法在超前探测 中的预测预报作用。 4 井 田内以前 的地质孔 、 水文孔部分可 能 已被 破坏或者出现封孔质量问题 ， 可能会形成联系奥灰与 太灰含水层的人为导水通道， 可进行专项排查治理。 参考文献 [ 1 ] 国家安全生产监督局 ， 国家煤矿安全监察局． 煤矿防治水规定[ M] ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 9 6 9 7 2 [ 2] 魏大勇． 优化疏降方案在刘桥二矿工作面水害防治中的应用[ J ] ． 华北科技学院学报 ， 2 0 0 6， 3 2 5 8 ． Di s c u s s i o n o n Dr a i n a g e Ex p e r i m e nt o f Bo t t o m Dr a i n a g e Ro a d wa y a n d W a t e r Pr e v e n t i o n a n d Co n t r o l Te c hn o l o g y i n He x i Co a l M i n e LI U De wa ng Ab s t r a c t I n o r d e r t o fin d o u t t he t h r e a t o f No ． 4 c o a l s e a m mi n i n g b y h i g h p r e s s u r e t h e Ar c h a e a n e r a l i me s t o n e a q u i f e r i n Sh a n x i f o r ma t i o n o f He x i c o a l mi n e，ba s e s o n t h e t he o r y o f g r o un d wa t e r flo w ，s i n g l e h o l e d r a i n a g e e x pe r i me n t o n t he Ar c ha e a n e r a l i me s t o ne a q ui r i s c a i e d o u t ，o b t a i ns t h e wa t e r a b u nd a n c e a nd t h e r e p l e n i s h me n t a n d d r a i n a g e c o n d i t i o n s o f t he Ar c ha e a n e r a l i me s t o n e a q ui r i n No ． 4 c o a l s e a m flo o r ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e Ar c h a e a n e r a l i me s t o n e a q ui r k a r s t d e v e l o p me n t h a s a c e r t a i n d e g r e e o f h e t e r o g e n e i t y a n d t he wa t e r a b un d a n c e i s p o o r ， g r o un d wa t e r flo w i s s l o w，gro u n d wa t e r a n d c y c l i n g c o n di t i o n s a r e a t t e n u a t e，b u t t he r e i s a hi g h wa t e r l e v e l o f whi c h i s a bo v e t h e c o a l s e a m o f No ． 3 a n d No． 4，t h e r e i s a c e r t a i n d a n g e r ． On t he ba s i s p u t s f o r wa r d t h e t e c h n i c a l me a s u r e s o f fl o o r wa t e r p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l ，i t p r o v i d e s t h e r e a s o n a b l e b a s i s f o r g u a r a n t e e s a f e mi n i n g o f S h a n x i f o rm a t i o n N o ． 4 c o a l s e a m． Ke y wo r ds De e p mi n i n g；S i ng l e h o l e d r a i n a g e e x p e rime n t ；L i me s t o ne wa t e r i n Ta i y u a n f o r ma t i o n；W a t e r pr e ． v n t i o n a n d n n t r o 1