特高压水上开采防治水技术研究.pdf

文章编 号 1 0 0 3 5 9 2 3 2 0 0 4 0 3 0 0 9 2 --0 3 特高压水上开采防治水技术研究 常兴 民 ， 何 均伟 1 ．河南神火煤电股份有限公司， 河南 永城 4 7 6 6 0 0 ； 2 ．中国矿业大学， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 本文针对神火矿 区在特高压水上开采的实践， 分析 了矿井充水的主要 因素及深部煤层 开采过程 中突水机理和突水产生的条件， 提 出了适合矿 区特殊条件下防治水的技 术途径和水文地质安全保障体 系， 取 得 了显著的经济、 社会效益。 关键词 深部开采； 特高压水上开采； 防治技术 中图分类号 T D8 2 3 ． 8 3 文献标识码 A 河南神火煤 电股份有 限公司所属 的新庄 煤矿 、 葛店煤矿均 为技术 改扩矿井 ， 目前主采煤层均受 到 下伏太灰或奥灰特高压强含水层的严重威胁， 随着 生产规模 的扩 大 和矿 井不 断 向深 部 延 伸 ， 2 煤底 板隔水层承压约 6 ～7 MP a ， 底板灰岩突水灾害时 有发生 ， 严重威胁着 矿井 的安全 生产 ， 影 响着 经济 效益 。据不完 全统 计 ， 永 夏矿 区各生产矿井共发 生 突水灾害 2 0多起 ， 其中大于 2 0 0 m 。 ／ h的 5起， 大 于 1 0 0 m。 ／ h的 1 5起 ， 频繁 的突 水事 故表 明 ， 特 高 压 的太原群灰岩 及奥 陶系 灰岩 水 已成 为制 约此地 区煤矿安全开采 的主要 因素 。 因此 ， 利用 当前 先进 科学技 术 ， 研究 深部 煤层 开采过程 中突水机 理和突水产生 的条件 ， 提 出适合 神火矿 区特殊 条件 的防治 水技 术途 径 和水 文地 质 安全保障体 系 ， 增加矿井抗灾 能力势在必行 。 1 地 质及水文条件 1 ． 1 地 质 构 造 永夏煤 田位 于华北 板块 的南部 ， 郯庐深大断裂 的西侧 ， 嵩 山隆起 的东部倾 伏 端 ， 其构 造形迹 为华 北 与华南板块碰撞及 郯庐 断裂形成与活动 的产物 。 煤 田的 主要 构 造 行 迹 以 NNW 向及 近 WE 向 为 主 ， 其 次为 NWNNW 向及 NE向 。总 体上 为多 个 NNE向展布 ， 近 WE向排列 的地堑地 垒构造 组 合 。 区域 内有岩 浆岩 入侵 ， 在 本 区的陈 四楼 煤矿 、 葛店煤矿 等多 处发 现 花 岗岩 ， 花 岖 闪 长岩 及 闪 长 岩 、 闪长玢 岩的侵入 ， 反映 了本 区构造 的多期性 和 基底构造 的复杂性 。 1 ． 2 水 文 地 质 永夏矿区仅次于华北冲积平原的东南边缘、 淮 河冲积平原的北部， 全区地势西北高 、 南东低， 地表 标高一般为 2 8 4 0 m。区 内基岩全被 新生界地 层 所 覆盖 。据 钻 孔 揭露 和 区测 资料 ， 可 按含 水 层 岩 性、 埋藏条件、 富水性等因素， 将区内的含水层划分 为三大 含水 岩组 、 九 个 含 水层 段 。各 段特 点 见 表 1 ， 可知 ， 含水层 V、 Ⅵ、 Ⅶ、 Ⅷ对矿井 充水 有重要 意 义。 表 1 井田含水层特征表 收 稿 日期 2 0 0 4 0 5 1 4 作者简介 常兴民 1 9 6 6 一 ， 男， 高级工程师， 1 9 8 8 年毕业于焦作工学院采矿工程专业 ， 现任河南神火煤电股份有限公司副总工程师， 中 国矿业 大学工 程硕 士研 究生 。 9 2 2 0 0 4 ． N o 3矿 山压力 与项板 管理 维普资讯 表 2井 田内隔 水层 特征 表 隔水层可减少矿井 充水 ， 井 田主要 的隔水层见 表 2 。 1 ． 3 2 煤顶底板 岩性特征 2 煤 顶底板多为砂 质 泥岩及 细 、 中粒 砂岩 ， 岩 石完整 性较好 ， 裂 隙不 发育 。老顶 分布 面积大 ， 直 接顶分布面积较小 ， 伪顶零 星分 布 。煤矿 自开采 以 来 ， 未 发生 过大 的冒顶 和底鼓 现 象 ， 只有 遇 到断层 破碎带时 ， 岩石原生 结构 遭 到破 坏 ， 往往 裂 隙较发 育 ， 有局部 冒顶和片帮现象 ， 故顶底板 管理 较易 。 2矿井充水因素分析 2 ． 1 充 水 水 源 本矿 区主采 2 煤 ， 以本 区地 层结构看 ， 2 煤 隔 水层层 数虽 多 ， 但厚 度较小 ， 隔水性 能差 。根据井 田水文地质 条件及 生产矿井实践 ， 对充水水源 有以 下认识 1 井 田内既无煤层 出露 地表 ， 又无 大型地表 水体 ， 且较小 的地 表水 体远 离煤 层 ， 下 面又 发育 多 层稳定 的 良好粘 土 隔水层 ， 因此 ， 在 不破 坏 新生 界 隔水层 的情况下 ， 大气 降水 、 地 表水 均不 会成 为矿 床充水水源 。 2 开采 3 煤 、 2 煤 ， 顶板砂 岩裂 隙承压水是 矿床充水 的主要 因素之 一 。在 煤层 浅部 风 氧化带 附近 ， 煤层 顶板砂 岩风 氧化 带常 松散 富水 ， 局 部地 段 在新生界底部缺 失粘土隔水层 的情况下 ， 可能与 新生界第 Ⅲ含水 层 沟通 ， 因此 ， 在采 掘露 头线 附近 煤层 时 ， 应 留有 防水 煤柱 。在 煤层 深部 ， 由于埋藏 深 ， 裂 隙不 发育 ， 地 下水处 于封 闭环境 ， 迳流滞 缓 ， 含水性弱且 以静 储量 为 主 ， 随着 矿井 回采 的进 行 ， 顶板砂岩含水层基本 处于疏干状态 ， 故煤层顶板砂 岩裂隙水一般不会 引起矿床突水 。 3 2 z 煤底 板距 太原 群灰 岩含 水层 的第一 层 K。灰岩 4 8 ． 8 0 ～6 3 ． 5 7 m， 平均 5 2 m， 由于煤 层开 采 以后底板破坏使 隔水层厚度减少 ， 另外在受 断层 影响 的情况 下 ， K。灰 岩与 2 煤 间距缩 小 ， 岩 石完 整性遭到破坏 ， 强 度降低 ， 高压 岩溶 裂 隙水将 以断 层 带作 为通道突 入井 巷 ， 成 为主要 充 水水 源 ， 危 害 矿井安 全生产 。 2 ． 2充 水通 道 1 冒落带 冒落带发育 的高度 约 6 0 m 左 右 ， Ⅵ含水 层基本位 于冒落 带范 围以内， 所以 冒落带成 为 Ⅵ含水层 的充水通 道 。 2 断层 、 裂隙 断层和裂 隙是 2 煤 底板 含水 层 的主要突水通道 。从 理论上分析 ， 断层发育 区底 板 隔水层 的完整性被 破坏 ， 而灰岩的溶蚀裂隙发育 强烈 ， 地下水 交替条件好 ， 具有 良好 的过水 通道 ， 易 发生突水 。 3 底板 突水 机理分析 2 煤 的底板隔水层厚 5 0 m 左 右 ， 深部水 平承 压约 6 MP a以上 ， 突水系数为 0 ． 1 2 MP a ／ m 以上 ， 远大 于 0 ． 0 6 MP a ／ m 的临界 突水 系数 ， 故 回采 2 煤具有突水危 险。 断层和裂 隙是 2 煤底板含水层 的主要 突水通 道 。断层 和裂 隙 在 原始 状 态 下 导 水性 差 ， 但 回采 后 ， 由于矿山压力作用 。使 断层 、 裂 隙重新 活化 ， 成 为突水 的通道 。葛店煤矿 、 陈四楼 煤矿及车集煤矿 底板灰岩 出水 均属此 种情况 。底板 、 断层突水特点 是水压 大 ， 水量 初期 迅猛 ， 对 矿井危 害大 。突 水点 水量变化有 以下 特征 a 初期 水位 较 高 ， 含水 层 弹性释放强度 大 ， 因此 突水点水量 大 ， 水压较高 ， 如 1 9 8 5年葛 店煤 矿 w 一 灰 岩突 水最 大 2 7 0 m。 ／ h， 稳 定 在 1 0 0 m。 ／ h ， W 一 最 初 3 7 0 m。 ／ h， 稳 定 在 1 5 0 m。 ／ h 。 b 从 量 比关系看 ， 同一采区早期 突水 点 比值 较高 ， 而后期突水量 比较小 。 井 田内落差 大于 3 0 m 的断层 ， 引起 2 煤层与 K。 灰 岩之 间的距 离缩 短 ， 甚 至 与灰 岩对 接 。在 自 然状态 下 ， 当巷道未 揭露 断层 时 ， 地下 水处 于一 定 的压力平衡状态 ， 断层带 导水 性差 ， 甚 至成 为阻 水 断层 ； 当巷道揭 露断层时 ， 压力平衡遭破坏 ， 高水头 的灰岩岩溶裂 隙承压水 很 可能沿 断层 薄弱 带突 入 井巷 ， 或 直 接 涌入 井 巷 煤 层 与 灰 岩 对 接 的情 况 下 ， 成 为矿井充水 的主要来 源之一 ， 从 而危害矿井 安 全生 产 。因此 ， 断层 和裂隙在采 动影 响下 重新活 化是引起底板突水 的内在原因 。 4 煤层底板 突水的预测和预 防 底板突水的预测和预防是一项综合工程， 结合 神火矿 区的底 板突水特点 和机理 ， 采取 了以下 主要 方法 矿 山压 力与 顶板 管理 2 0 0 4 ． N o 3 9 3 维普资讯 1 通过放 水 试验 确定 太 灰 含水 层 的渗透 系 数 、 贮水系数 、 给水度等水 文地质参数 ， 绘 出水位 的 历 时曲线 ， 矿 区的等水位线 图 ， 最大 降深等值线 图 ， 分 析太灰水的渗流场 ， 结合水化学 分析其与奥灰水 的水 力联系 ， 最 终 了解矿 区包括迳 流 、 排泄 、 越流补 给 、 水文地质边 界性 质 、 断层 的 阻导水 性 等水 文地 质 条件 。 2 通过放水孔 、 观测孔 和直 流电法 或音频 电 透视 确定 2 煤 底板 隔水 层 总 体厚度 ， 灰 岩水 的导 升 高度及底板隔水层 的有效厚度 ； 通过岩石力学试 验 测定底板岩石 的强度 ， 运用 套筒致裂法探测底板 不 同深度原位地应力 值和抗张强度 。 3 通过测 定 采 面 附近放 水试 验 观 测孔 的水 压 在开采过程 中的变化 ， 了解 矿压 对太灰水压 的影 响 ， 将这一 水压作 为动 荷载 ， 将 静水 压力 作 为静荷 载， 将底板岩体视为有一定渗透性、 裂纹和损伤的 材料 ， 建立孔 隙岩体 力学 模 型 岩水 耦合 模型 ， 并 编写相应 的有 限元计 算程序 ， 计算和分析在采动矿 压和动 、 静水压荷载下裂 隙的扩展 。在实验 室以采 面的条件 为边界 条件进行相似模拟 ， 观察底板水 头 的入侵过程 ， 从而对突水机理 有所 认识 。 4 根据 底 板 的 电法探 测结 果 ， 布置 监测 点 ， 监测底 板水 压 、 水温 、 应 力 、 应变 的变化 ， 并 以实测 数据反求 岩体力学参数 ； 以套筒致裂法测定 的原位 地应力 为初始地应力 ， 以监 测过程 中得到 的二 次地 应力 为附加地应力 以变换 力学参数体现 ， 以裂隙 中动 、 静水压 和矿压 为荷 载 ， 以开 采参 数 和地质 构 造为边界条件， 利用前面建立的耦合模型， 模拟开 采过程 ， 计算 出工作 面的应 力场 、 渗流场 、 裂 隙的扩 展高度 、 底板 岩体的破坏情况 。如底板 的破 坏区或 裂隙扩展贯通底板 ， 则认为将发生 突水 。这样 就实 现了底板 突水 的预测 预报 。根据 计算 确定 主要 导 致 突水的因素 ， 改变这些因素 ， 例如工作面在宽度 、 采高 、 水压 、 底板 强度等 ， 采用放 水卸 压 、 加 固底板 等防治水措施 。 5 技术及经济效 果分析 开展高压水开采 的灰 岩水 害防治技术和研究 ， 能查清导致底板突水 的主要 因素 ， 寻求一种 水情评 价 、 水 害预测 和 治理 的技术途 径 。近 年来 ， 公 司在 2 煤 的回采过 程 中， 一 直 采用 带压 开采 的 防治 水 方法 ， 通过 对工作 面进行 超前 探测 、 底 板 突水前 兆 预测 、 底板加 固和合理 留设断层 防水煤柱 的工作程 序 ， 杜 绝 了重 大突 水事故 ， 确 保矿井 安 全、 高 产 、 高 效 ， 可望解放公 司两矿深部水平 的水 困煤炭储 量约 5 0 0 0万 t ， 具有 巨大的社会 和经济效益 。 上接 第 9 1页 3 3 2 0 7面 可悬 露长 度计算 。该 面直接 顶 岩 块的长度 z 约 3 ～5 m， 直接顶厚度 h一2 ～3 m， 煤 层倾角 a一 3 5 。 ， 岩石容 重 y一2 ． 71 0 N／ m。 ， 直 接顶岩性也为灰绿岩，[ ]取 6 5 0 1 0 N ／ m。 ， 代 入公式计算可得 n约 为 4 ， 则 直接顶悬 露 长度 约 8 ～ 16 m 。 由以上计算结 果可知 ， 当顶板 的悬露长度不 超 过 8 ～ 1 6 m 时， 顶 板形成 “ 拱 ” 是铰接平 衡结 构 ， 不 易 冒落 。 3工作面倾斜方 向顶板 悬露跨度控制试验 临沂煤 田西 高 都煤 矿 三采 区开 采 为 山西组 3 煤 ， 赋存 情 况 不很 规律 ， 煤 厚 2 m 左 右 ， 煤层 倾 角 2 5 ～2 8 。 ， 顶 板 为细 中粒 砂 岩 ， 采 区位 于 一4 0水 平 至8水平 之 间 ， 第 四 系冲积 层 平均 厚 1 4 m。为 了确保地面水 与流沙不导入井下 ， 在 限制顶板垮 落 的情况下采用 了注 浆形 成 隔离 层堵 水 。由于工作 面采空 区较大 ， 达不到“ 铰接体 ” 式结构顶板 的力学 平衡 ， 需要 采用水砂 充填 法 来控 制顶 板 的垮 落 ， 注 9 4 2 0 0 4 ． N Q 3 矿 山压 力与 顶板 管理 浆形 成隔离层创 造条 件 。由于煤 层赋 存 的极不 规 则 ， 水砂 充填 不可 能实 现全部 充填 ， 加 之 充砂 费用 过高企业难 以负担 。因此 ， 经过科学计算 后采用部 分充填 。使其顶板 的悬 露 长度不 超过 顶板 抗压 强 度允许 的悬 露 长 度 ， 从 而保 持 顶 板 的拱 式 铰 接 平 衡 ， 达到控 制顶板下沉 的 目的。现场试 验中根据前 面的计算 ， 将 上 覆 岩层 的悬 露 长 度控 制 在 8 m 范 围之 内。 该矿经过近 三年 的实 践 ， 地表 未发 生变 形 ， 井 下涌水量并未 因采动 而增 加 ， 实践证 明此研究成果 是成功 的。 4 经 济效益 分析 临沂地 区是 缺煤 地 区， 井 田内西高都 煤 矿 ， 在 一 7 0至1 0水 平进行试 验共采煤 1 3 ． 2万 t ， 地表 未发生较 大变 形 ， 矿 井 涌水 量 由 以前 的 3 8 0 m。 ／ t 下降到现在 的 1 6 0 m。 ／ t ， 每 小时下 降 2 2 0 m。 ／ t 。节 约排水基础设施投资 4 2万元， 每年节约排水费 7 3 ． 2万元 ， 实现 了安全生产 。 维普资讯