矿井开采中导水断裂带控制技术研究

王建民,鲁 岩

(1.安徽省煤田地质局第三勘探队第七工程处,安徽宿州 234000; 2.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116)

矿井开采中导水断裂带控制技术研究

王建民1,鲁 岩2

(1.安徽省煤田地质局第三勘探队第七工程处,安徽宿州 234000; 2.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116)

矿井水害是影响和威胁煤矿安全主要因素之一,导水断裂带是引起矿井水害的重要方面。影响断裂导水的因素主要有岩层的富水性、导水断裂发育程度、矿山压力引起的断裂活化、含水层的水压、隔水层的性质等,其中绝大多数与导水断裂带有着直接关系。导水断裂的控制技术主要有注浆加固、留设防水煤柱、输水降压和截流堵水等。对于防治技术的选择要综合多方面因素。

导水断裂;注浆加固;化学注浆;防水煤柱;输水降压;截流堵水

1 引言

矿井水害的频繁发生,不仅严重制约了我国煤矿的安全高效生产,而且造成了重大的人员伤亡和财产损失。矿井水害主要表现在：采掘工作面出现淋水,对劳动条件和生产效率造成影响;排水费用增加,导致煤炭生产成本增加;对金属设备、支架、钢轨具有腐蚀作用,缩短生产器材的使用寿命等。因此,矿井开采中导水断裂带控制技术研究十分重要。

2 影响断裂带导水的主要因素

2.1 岩层富水性

富水性主要取决于岩溶裂隙发育程度、径流条件、构造及埋深等因素,它对矿井突水水害的规模和对矿井的危害程度起决定作用。查明水层的富水性和富水区域,可以为积极采取有效措施防治断裂出水提供可靠的依据。

2.2 导水裂隙带发育程度

在煤矿开采的过程中随着开采巷道的不断掘进、煤层的回采和矿井的延伸,矿井突水的潜在危险逐渐增加。研究构造断裂的发育程度和导水性对井田预防底板突水具有十分重要的意义。

2.3 矿山压力引起的断裂活化

根据现场观测,采矿过程中的矿山压力易引起工作面底板断裂活化。工作面初压和周期来压时,顶板悬顶面积最大,工作面附近煤体的支撑压力和煤壁处的剪切力达到峰值,煤层底板极易遭到破坏,底板最易突水。因此突水点多在初压及周压地段或煤壁处。一般工作面自切眼推至60m这段距离内,底板发生突水的概率最大[1]18-21。

2.4 含水层的水压

含水层的水压是工作面底板突水的动力,主要有静水压力和动水压力两种形式。含水层水压的大小直接影响断裂带和导水裂隙的导水能力,并对已存在的断裂带和裂隙具有扩张作用,加大出水流量,从而进一步扩大断裂和裂隙。

2.5 隔水层的性质

隔水层的阻水能力大小是由其厚度、岩性组合以及力学强度决定的。厚度越大,越不易出水。起阻水作用的大小取决于有效隔水层厚度。如果矿压对底板破坏深度大,导高又大,那么有效隔水层厚度相对减小,工作面底板就容易出水。

3 导水断裂的防治

3.1 注浆加固

煤层底板注浆加固技术,是在工作面巷道内大面积地布置注浆钻孔,通过注浆充填底板岩层,减弱含水层的富水性并切断水源补给通道,使受注含水层被改造为弱含水层或不含水,继而增强煤层底板隔水层的强度,以实现工作面不突水开采。注浆加固技术有物理注浆和化学注浆两种方式。物理注浆是采用混凝土注浆[2]9-13。具体参数根据被改造含水层具体水文地质条件确定。一般说来,在工作面每隔一定距离施工一个钻窝,钻窝距离要根据浆液的扩散半径以及含水层的富水性而定。化学注浆是将一定的化学材料(无机或有机材料)配制成真溶液,用化学注浆泵等设备将其注入到地层或缝隙内,使其扩散、胶凝或固化,以提高地层强度,降低地层渗透性,防止地层变形[3]18-21。对于不同的施工环境和断裂发育情况应采取不同的治理方案。

3.2 留设防水煤柱

留设断层防水煤柱是一种堵塞通道、隔断水源、防止断裂突水的重要措施。根据防水煤岩柱所处的位置划分防水煤柱的种类,其可分为覆水体防水煤岩柱、断层防水煤岩柱、矿井边界防水煤岩柱、水平隔离煤柱、老空积水区防水煤岩柱[4]30-33。防水煤岩柱留设的原则：留设防水煤岩柱必须考虑地质构造、水文地质条件、煤层赋存、围岩物理力学性质、煤层组合等自然因素,还要与采煤方法、开采强度、支护形式等人为因素相适应[5]35。

3.3 疏水降压

在矿井开采过程中断裂带或裂隙连通的含水层的水压是影响断裂导水的一个重要因素。含水层水压的大小影响断裂导水的能力、出水量大小、裂隙扩张速度。对于有断裂存在的煤层一定要探明所处含水层水量的水压大小,对安全造成影响的含水层应采取输水降压措施。疏水降压技术是对威胁矿井安全生产的主要充水含水层水,通过超前预疏或疏降水压而减少或消除其对矿井安全的威胁。

3.3.1 疏水降压的实施

常见的三种含水层分别为松散含水层、裂隙含水层、喀斯特含水层。当充水介质为喀斯特含水层时,矿井的涌水量往往较大,喀斯特水是危害我国煤矿最严重、存在最普遍、分布最广泛的水害来源[6]124。查明断裂发育位置和发育程度以及导水性,建立和完善矿井上下水文地质长期观测系统;把握疏干或降压目的含水层的富水性在水平方向和垂直方向上的变化规律,分析水源发育分布规律、补给水源、水力交替运动条件、水力连通关系及水文地质边界条件,是进行疏干或降压之前必须做的工作。此外,对矿井疏干降压后可能引发的环境水文地质问题和地质灾害,也要进行分析预测和提出相应的措施。

3.3.2 疏水降压主要任务

降压工程优化设计的主要任务如下：提出最优的疏水孔位布置以便在确保满足疏水降压要求的前提下,使总疏水量最小;提出最优的疏水水量时间与空间配置,以便在确保满足疏水降压要求的前提下,使得过程疏水量最小;预测在不同疏水方案条件下,实施疏水降压工程后,目标含水层的疏水降压效果和疏水降压后目标含水层、相关含水层的地下水流场形态。

3.4 截流堵水

为了使开采区与水源隔开以及限制局部地段的突水不致波及其它地区造成淹井停产,可采用截流注浆技术在适当地点构筑水闸墙(门)。其方案设计如下：矿井突水后,在清楚了解突水水源、突水点位置及断裂导水通道位置的情况下,用2～3个钻孔打中位置清楚的过水巷道,注骨料使动水条件变为近似静水条件,然后注浆进行封堵。在几百米深的井下,井下巷道一般较窄,想打中巷道难度相当大,但打中巷道却是透巷截流注浆的前提条件。另外,突水巷道内一般水量大、水流急,封堵困难,须把动水条件改为静水条件后进行堵水。在突水流经的巷道布置2～3个钻孔(根据水量、水压的大小可适当增减)。如图1[7]54-64所示打透突水巷道,采用动水注浆封堵工艺,向巷道内大量充填骨料,控制流速,使突水水流由管道流变为骨料空隙间的渗流,然后实施旋喷注浆,使骨料固结形成充填式水闸墙。注浆使巷道底板及巷道周围岩体进一步得到加固,水闸墙形成后透巷孔应向下延深。对水源及突水通道注浆,在突水源头向突水层位布置一个堵源孔以达到治本的目的。突水点及过水巷道位置的准确确定,是钻孔透巷的关键因素,是布置透巷钻孔的先决条件。透巷钻孔施工时应该合理选择组合钻具及定向导斜工艺准确透巷,为后期注浆封堵提供有利条件。当突水量较大时,封堵时必须快速大量地向巷道内充填骨料,快速封顶;同时选择直径较小的石子作为主骨料。

图1 工程布置示意图

4 结语

在导水断裂带控制过程中,不同的控制技术既有其优点,也有其不足之处。矿井开采过程中导水断裂带控制技术的选择应该根据断裂带的导水性、含水性、水压、涌水量、补给水源确定,同时还要考虑采取技术的经济合理情况等因素,必要的时候可采取多种防治手段以防不测。

[1] 王档良,姜振泉.在建矿井井壁渗漏水的地质成因分析与化学注浆治理[J].建井技术,2008(5).

[2] 杜工会.焦作矿区水害治理技术[J].中国煤炭,2005 (05).

[3] 尹万才,尹增德,施龙青.矿井突水原因及防治[J].焦作工学院学报,1999(1).

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[5] 白峰青,姜兴阁,蒋勤明.断层防水煤柱设计的可靠度方法[J].辽宁工程技术大学学报,2000(4).

[6] 郭波,宋铁成,刘晓飞.关于疏水降压技术的应用讨论[J].科技风,2010(9).

[7] 乔留军.透巷截流注浆技术在矿井水害治理中的应用[J].中州煤炭,2007(03).

责任编辑：文 月

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1671-8275(2014)01-0115-02

2013-10-16

王建民(1967-),男,安徽宿州人,安徽省煤田地质局第三勘探队第七工程处处长,助理工程师。研究方向：煤田地质钻探。