深部煤层开采高承压水突水预报及控制.pdf

第 2 3卷第 6 期 V o 1 ． 2 3 NO ． 6 辽宁工程技术大学学报 J o u r n a l o f Li a o n i n g T e c h n i c a l Un i v e r s i 2 0 0 4年 l 2月 De c ． 2 O O 4 文章编号 1 0 0 8 0 5 6 2 2 0 0 4 0 6 0 7 5 8 0 3 深部煤层开采高承压水突水预报及控制 王希 良 ，彭苏萍 ，郑世 书 1 ． 石家庄铁道学院 交通系，河北 石家庄 0 5 0 0 4 3 ；2 _ 中国矿业大学 研究生院’ 北京 1 0 0 0 8 3 3 _ 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 以煤矿沉积岩体的工程地质、水文地质结构为切入点，利用地震和地质雷达技术实现软弱结构面的准确空间定位和岩体结 构的精细探测 。在 G I S的支持下 ，建立煤层底板 突水预 测模 型 ，提出底板突水评价指标体 系，为煤矿 深部开采提供系统的理论基础和 安全可靠 的技术方法 。采用 先进 工艺的注浆堵水技术 ，对高承压水实施封堵 ，堵水 效果 1 0 0 ％ 。为深部煤层高承压含水层上安全开采提 供 了一套较成功 的预报和 控制技术。 关键词 深部 开采；高承 压含水层突水预报；控制技术 中图分类号T D 7 4 2 ． 1 文献标识码 A Co n t r o l l i n g a n d p r e d i c t i n g wa t e r i n r u s h wi t h h i g h pr es s ur e i n dee p m l nl ng W ANG Xi l i a n g ， PENG Su p i n g ‘ ， ZHENG S h i s hu 1 ． De p a r t me n t o f T r a ffic , S h i j i a z h u a n g Ra i l w a y I n s t i t u t e ， S h i j i a Z h u a n g 0 5 0 0 4 3 ， Ch i n a 2 ． B e i j i n g C a mp u s Gr a d u a t e Co H e g e o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， B e i j i n g l O O O 8 3 ， Ch i n a 3 ． Co ll e g e o f Na t u r a l Re s o u r c e s and Ge o s c i e n c es o f Ch i n a Univ e rsi ty o f Mi n i n g an d T echn o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a Abs t r a c t Ke e p i n g t h e e n g i n e e r i n g g e o l o g y a n d h y d r o g e o l o g y s t r u c t u r e o f s e d i me n t a r y r o c k ma s s t o the p oi n t ， the e x a c t l o c a t i o n o f s o ft s t r u c t u r e an d c a r e f u l s u r v e y i n g are f u l fil l e d ． wi th the h e l p o f GI S， the mo d e l o f p red i c t i n g wa t e r i n r u s h i s e s t a b l i s h e d ，an d the i n d e x s y s t e m o f a s s e s s me n t f o r wa t e r i n r u s h i s p u t for ward ， S O ，the the o r y f o u n d a t i o n an d rel i a b l e t e c h n o l o g y for d e e p mi n i n g are p r o v i d e d ．Us i n g g r o u t i n g me tho d wi th a d v an c e d t e c h n o l o g y , the wa t e r i n r u s h wi th h i g h p r e s s u r e i s s u c c e s s f u l l y p e r v e r t e d u p ． S u c c e s s f u l p r e d i c t i n g an d c o n t r o l l i n g t e c h n o l o g y for s a f e t y mi n i n g c o a l o n the a q u i f e r wi th h i g h p r e s s u r e are p r o v i d e d． Ke ywo r d s d e e pmi n i n g wa t e r - b e a r i n gwi th h i g hp res s u r e ；f o r e c ast i n gfor wa t e r i n r u s h ；c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y 引 言 华 北地 区石炭二 叠系煤 田受底板奥 陶系灰岩 水 的威胁越来 越大 ，突水 淹井 事故时有发 生，严重地 影响和制约 了煤炭企业的发展 。因此，研究煤矿底 板突水规律及机理，采取有效地方法进行预测预报， 为 受岩 溶 水 威 胁煤 层 开 采提 供 可 靠 的水 文地 质 依 据 ，已成 为煤矿 安全生产 中急需解决 的重大课 题 。 自从煤矿底板突水问题出现 以后，即引起 了国 内外 学术界和 工程界等领 域 内的专家 、学者 的高度 重视和极大兴趣 ，他们从各 自的领域出发，结合现 代科 学的先进 理论和技术 ，在煤矿 底板突 水机理 、 预测预报和防治等方面取得了丰富的成果① 侧 重于水文地质方面研究的突水系数和 “ 下三带”理 论 ；② 重点研究煤层底板岩体变形破坏 的零位张 裂与破坏、梁板模型和关键层理论等。 然而 ，由于煤矿 底板岩溶水突出的影响因素多、 机 制复杂而 使传统 的底 板突水 预测 方法遇 到 了前所 未有的挑战，这些理论和技术虽然在不 同程度上为防 治底板突水起 到了积极的作用 。 但 预测预报的精度仍 然较差，特别是在指导深部煤炭资源开发时困难更 大， 突水淹井事故时有发生， 造成了很大的经济损失。 随着现代数学和信息技术的出现，为解决煤矿 底板突水问题提供了契机，以 G I S为代表的信息技 术提供 了有力 的理论依据 和技术支持 ，它能综合考 虑与底板突水有关的地质、水文地质和开采条件等 因素 ，建立 的突水危 险程度分 区图像和 突水预报模 式 比较符合实际情况，以其快速处理、实时决策的 特点， 为煤矿安全开采提供正确、 直观的地质依据 。 在邢台煤矿底板开采实践中，将地质雷达和地 震探测技 术 、GI S和具有 先进工艺注 浆技术 应用于 高承压突 水预报 和控制 ，取得 了较好 的效果 。 收稿 13期 2 0 0 3一l 02 7 基 金来 源河 北省教育 厅博士基金资助项 目 B 2 0 0 2 1 1 5 作 者简 介王希 良 1 9 6 6 一 ，男， 山东 平度人，博士 ，副教授 。本文编校 唐巧风 维普资讯 第 6 期 王希 良等深部煤层开采 高承压水突水预报及控制 7 5 9 1 煤层底板突水机理和主影响因素 多年开采实践及大量突水事例和理论表明，奥 陶系灰岩含水层的存在是煤层底板突水的物质基 础 ，其水压和岩溶发育程度直接影响了突水危险程 度和突水量的大小。水压的大小和隔水层的工程岩 体力学特性是决定底板能否突水的一对矛盾 ，当水 压和隔水层的稳定性处于相对平衡状态时，断层起 控制作用，使矛盾由不突水向突水方向转化【 l 】 。 概括地说，影响煤层底板突水的主要因素有四 种奥陶系灰岩含水层的富水性、奥陶系灰岩含水 层作用于煤层底板上的顶托压力、对底板突水起控 制作用的断层 、抑制突水的底板隔水层厚度。 煤矿底板突水预测方法 煤层底板突水的发生，受地质、水文地质和开采 条件等多种动态因素的影响， 突水模式的建立和预测 方法的确定应既能反映底板突水机理， 又能同时考虑 多种突水因素及其它们之间的相互作用。 研究的目标 是在地理信息系统的支持下应用信息复合的方法， 构 造一个包含多变量的、具有实际物理意义的数学模 型，以反映多因素对底板突水的综合作用及机理。 3 用地质雷达和地震技术探测岩体结构 1 地质雷 达探 测 ① 探 测原理在 已破坏 和未破坏 的岩 层分界 处，形成了两种介质，已破坏的岩层对电磁波吸收较 大， 电磁波速度小， 未破坏的岩层对电磁波吸收较小， 电磁波速较大，因此， 在雷达剖面上已破坏岩层与未 破坏岩层会产生明显的界面【4 J ； ② 试验区地质、 开采 条件 煤层总厚度 6 ．4 IT I ，倾角 4 0 ～1 2 0 ，煤层顶板为 9 ．5 1 6 ．3 m的粉砂岩、 砂岩， 节理发育， 煤层底板为 一 层厚 7 ． 5 m粉砂岩 ，下部为 0 ． 2 m 薄煤 层，煤层下 部为中粒砂岩。 工作面埋深 3 3 4 3 8 4 1 13 、 倾斜长度为 1 0 0 m。采煤方法为放顶煤开采，采用长壁倾斜、区 域后退垮落式分层开采，分层采高为 2 ．8 ～3 ．0 m；③ 试验结果 试验结果表明，工作面最大破坏深度为 1 1 ．7 m，在最大破坏深度范围内，底板岩体以下各段 破坏程度不同，自底板以下其破坏程度依此减弱，亦 即当它们受到水压作用 时，其阻水 能力是不同的。 2 地震 探测 ① 探测原理在工程岩体结构松动破碎区，地 震波波速较小而振幅衰减较快，反之，在岩体结构 较完整区，地震波波速较大、振幅衰减较慢。破坏 ∽ - 口 3 01 1 0 01 l l o0 l l l o ol 2 01 1 0 01 l lo ol 1 01 10 01 1 lo o 1 l lo ol l l o ol 图 1单 炮 记 录 解释 Fi g ． 1 S d o no f s e i s mi c s u r v e yf o r e n g i n e e r i n gg e o lo g yo f wo r k i n gf a c e 范围 的岩 体与其周 围未破裂 的岩 体 的结构不 同 ，它 们之间形成一个明显的波阻抗界面，因此，可以利 用地震波频率波速的变化曲线来划分不同的工程地 质区【5 闫；② 探测结果分别在巷道的顶板、底板、 两帮布置检波器，获得各断面的单炮记录 ，通过 比 较直达波和折射波频率的相对高低、采用多点交汇 法作 图，划分 工作面的工程地质 范 围 从图 1可 以 看出，工作面不 同部位地震波的频率是不同的，这 反映了地震波在不同的岩体结构介质中的传播速度 是不同的，也说明了巷道围岩结构的复杂多样性。 如图 1 ，1 2 ～ 1 8 、2 3 ～ 2 7道地震波速最低 ，岩体结 构最松散、工程地质条件最差，5 - 9 、9 ～ 1 2道地震波 速度较低， 岩体结构较松散， 工程地质条件较差； 1 ～ 5 、 2 7 ～ 3 0道地震波速较高，岩体结构较完整，工程地质 条件较好；1 8 ～ 2 3道地震波速最高，岩体结构相对其 他区段最完整，工程地质条件最好。根据以上分析， 工作面可划分为表 1 的 4 个工程地质区。 表 1 工作面工程地质条件分类 T a b ． 1c l a s s i l l e a t i o no f e n g i ne e r i ngg e o l o g yo f wo r k i n g f a c e 4 G I S支持下突水模式的建立与预测 对奥陶系灰岩含水层水压、奥陶系灰岩岩溶发育程 度 、断层 网络复 杂程度 和隔水层有 效厚度 4种 因素 量化后，利用 A R C ／ I N F O的数据输入功能，将量化 结果输入计算机 ，绘制成等值线图，建立拓扑关系 后，以专题层的形式存储。 在 GI S的支持下， 对影响煤层底板突水的因素 逐一分析，确定与底板突水相关程度较高的主要因 素 ，根据底板突水机理，构筑初始数学模型，并与 实际突水点进行复合处理 ，经反复运算，最后得出 比较符合实际的突水模式 维普资讯 7 6 0 辽宁工程技术大学学报 第 2 3卷 K。 K。 ／ M 式中 突水指数； 一岩溶发育程度；J}l，厂 奥陶 系灰岩含水层水压； 断层分维值； 隔水层 有效厚度。 根据突水模式的输出结果，对煤层底板突水危 险程度进行划分，如图 2 。① 突水区 z ≥1 ． 5 突水 点大 多发 生在此 区域 ，这些 地区在 开采之前必 须做专 门的矿井水文地质探查，并采取切实可行的 防治水措施；② 可能突水区 O ．7 4T s z 1 ．5 本区 在安全开采取得经验的基础上再进行开采，并制定 切实可行的防治水措施 ； ③ 基本安全区 T s z O ．7 这些地区在正常地质条件下一般不会发生突水，但 在开采之前仍应进行矿井水文地质探查、编制开采 方 案和制 定相应 的防 治水 措施 。 突水 区 可能突水区 基本安全区 图 2邢 台煤矿下组煤 开采 突水危险性分区 Fi g． 2 Z O n e So fwa t e ri n r us hf r o m c o a l S ． a r l l flo o r 5应用注浆技术治理高承压含水层突水 该矿 一工作 面发生突水 ，突水 量 3 6 4 m3 ／ h ，水 压 3 ．2 MP a ，围岩裂隙发育，岩体完整性差，针对 突水地点的水文地质、工程地质条件，采取了具有 新型材料和工艺的高、低压注浆 的方法。① 注浆 设备 双液调速注浆泵，最大注浆压力 2 1 MP a ，最 大注浆量 1 8 0 L ／ m i n ， 通过调挡，可实现高、低压 注浆。辅助设备包括搅拌机、水玻璃罐等；② 注 浆材料以水泥、水玻璃、水为主要原料 ，辅 以高 凝胶化剂按一定比例制成化学浆液，这种浆液具有 可灌性、粒间渗透能力强，抗压、抗剪能力高、稳 定性和可抗老化性能强等特 点，辅助材料包括粘 土，锯木屑等 ；③ 浆液配比。浆液配 比不固定， 它随突水量的大小、围岩的工程地质条件及注浆半 径的大小而变化 浆液配 比原则是要使浆液凝固 快，水泥与水玻璃的比例适当加大，并辅以一定量 的高凝胶化剂；要使注浆半径加大，则必须减少水 泥 与水玻璃 的 比例 。经多次试验 ，获得理想 的配 比 为 ， w 水 w 水玻璃 1 1 ～ 1 ． 5 ， w 水 w 水泥 1 O ． 5 ～O ． 7 ，w 水泥浆 w 水玻璃浆 3 1 ，凝固时 间为 2 5 s ；④ 施工工艺 主要包括浅孔注浆 、固结 围岩和深孔注浆 ，充填、加固深部围岩。注浆的目 的在于固结一定深度范围内的岩体，使围岩完整、 强度提高。注浆孔呈梅花型布置在突水点周围，孔 深 1 ．8 ～2 ．0 m，控制距离 3 ～5 m。采取间歇注浆的 方法并注意掌握好注浆节奏，一 开始注较浓 的浆 液，适当加大水玻璃的比例和质量浓度，同时，加 入一定量的高凝胶化剂。 深孔打至较完整的围岩，以浆液扩散至出水口 1 ～2 m为准 ，为防治跑浆过多， 在浆液中加入 了一 定量的高凝胶化剂，堵水效果 1 0 0 ％。 6 结论 ① 根据岩体结构理论及电磁波、地震波的传 播特性，采用地质雷达和地震技术可以对软弱结构 面和岩体结构进行精细探测 ；② 应用地质雷达和 地震技术进行地下工程岩体结构的探测，突破了传 统的以地质素描为手段 的工程地质条件定性认识 的局 限性，提高了工程地质条件评价的定量化水 平 ；③ 从突破的观点来看 ，工程岩体的破坏及底 板突水总是先从工程地质条件最差的地段发生，然 后才 由点到面，逐渐扩展到全部，因此在制定防治 水方案 时应 对突 破点 I I I 、I V区首先进行 控制 ； ④ 应用 GI S预测预报煤层底板突水的危险性，克 服 了传统预测方 法 的局 限性 ，对 突水机 理的认识更 加深刻 ，评价结果比较符合实际情况；⑤ 可以利 用地理信息系统快速运算能力和实时决策的特点， 进行底板突水的短期实时预报，为煤矿安全生产提 供可靠 的水文地质保障；⑥ 化学浆液是一种具有 可灌性、粒间渗透能力强、抗压抗剪力学性能指标 高、稳定性和抗老性能好等特点的优异浆材，特别 适应于岩石类突水点的堵水工程；⑦ 整个治水过 程，设计合理，注浆工艺简单，成本较低，施工时 间短，堵水效率高。既节约排水费用，又消除了事 故隐患，同时，也保护了宝贵的岩溶水资源，经济 效 益和社会 效益十 分 明显 。 参 考文献 【 1 】张大顺， 郑世书． 地 理信 息系统技术 及其在煤矿底 板水害预测 中的应 用[ M】 ． 徐州 中国矿 业大学出版社， 1 9 9 6 ． 【 2 】 王 希 良 ． GI S 支 持 下 的 煤 矿 底 板 突 水 预 报 研 究 ． 工 程 勘 察， 2 0 0 1 ， 1 2 O 一 2 ． [ 3 1王则才． 国庄矿北大巷 突水通道分 析[ J 】 ． 煤 田地质与勘探， 2 0 0 1 ， 6 6 - 7 【 4 】杨 永杰 ． 巷 道 围岩 松 动 圈 的地 质 雷达 探 测 及 应用 【 J 】 ． 工 程 地 质学 报． 1 9 9 7 ， 3 7 6-8 1 ． 【 5 】王 辉， 黄鼎成． 地 震层析成 像方法及 其在岩体 结构 中的应用 ． 工程 地质学报 ，2 0 0 0 ， 1 9 1 7 ． 『 6 1陆基孟． 地震勘探原理及 资料解释【 M】 ． 北京 石 油工业出版 社， 1 9 9 1 ． 维普资讯