新安矿13151工作面煤壁侧底板突水分析∗

李松营武 强滕吉文罗平平张春光

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京市海淀区,100083; 2.义马煤业集团股份有限公司地质研究所,河南省义马市,472300; 3.中国科学院地质与地球物理研究所,北京市朝阳区,100029)

★煤炭科技·地质与勘探★

新安矿13151工作面煤壁侧底板突水分析∗

李松营1,2武 强1滕吉文3罗平平2张春光2

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京市海淀区,100083; 2.义马煤业集团股份有限公司地质研究所,河南省义马市,472300; 3.中国科学院地质与地球物理研究所,北京市朝阳区,100029)

为了研究新安煤矿13151采煤工作面煤壁侧底板奥灰突水机理,结合物探、钻探和数值模拟等成果,从径流带、原岩应力、奥灰水原始导升、采动矿压持续作用等方面做了综合分析。研究表明:本次突水是地下水径流通过、原岩应力、水压和矿压综合作用的结果;为避免奥灰突水,可综合使用瞬变电磁法、槽波地震等多种物探方法来提高预测效果,薄弱区注浆改造必须彻底有效,停采线应避免靠近物探异常区等薄弱区段。

工作面突水 奥灰突水 突水预测 原岩应力 矿压 槽波地震 瞬变电磁

在我国华北地区煤矿,煤层底板灰岩溶裂隙承压含水层是威胁矿井安全生产的主要因素之一,预防底板突水是该类煤矿防治水工作的重点,也是矿井灾害研究的热点。针对底板突水的研究,经验公式类有突水系数法、递进导升理论、下三带和下四带理论等,以力学模型为基础的有原位张裂与零位破坏理论、薄板模型理论和关键层理论等,将非线性理论和信息技术融合应用的有支持向量机、神经网络、脆弱性指数法和Matlab等。以上理论主要用于开掘巷道和工作面采空区的突水危险性分析预测,而对采煤工作面煤墙内底板突水方面的研究较少。

新安煤矿13151采煤工作面在煤壁一侧墙体内发生了大型奥灰突水,十分特殊和罕见。对本次突水事件进行分析研究,有助于采煤工作面合理设计停采线及优化物探方法预测突水危险。

1 工程概况

1.1 矿井概况

新安煤矿位于河南省新安县境内,井田面积约50 km2,地处黄河一级支流畛河流域,生产能力为150万t/a,开采二叠系山西组二1煤,1988年12月投产。奥陶系灰岩承压裂隙岩溶含水层富水性强且极不均匀,平均距煤层约50 m,曾于1995年11月发生过掘进工作面特大型滞后突水而淹井。预防奥灰突水是矿井防治水工作的重点。绝大部分区域奥灰含水层并不富水,对采掘工程安全不构成威胁;只有富水(径流)条带才有突水危险。查找奥灰富水(径流)区段并避让或加以注浆改造是预防奥灰突水的关键。小浪底水库淹没了新安井田部分区域,并对奥灰含水层起到间歇性补给作用。矿井涌水量700～900 m3/h,矿井水文地质类型属极复杂型。

1.2 工作面简况

13151工作面走向长度560 m,倾斜长度145 m;煤层倾角7°～14°,平均10°;煤层厚度0～13 m,平均2.5 m;工作面平均高程＋30 m。13151工作面底板隔水层较薄,平均45.7 m,如图1所示,承受的奥灰水压约3.0 MPa。工作面开采之前综合利用瞬变电磁、直流电法、槽波地震和无线电波坑透等4种物探手段,预报了突水风险,并对突水危险区做了钻探验证和注浆加固。2011年3月开始回采,至11月回采长度207 m,接近瞬变电磁异常区,因小浪底水库水位超过该矿设定的警戒线,曾停采40多天。恢复生产前,对原异常区段的注浆效果进行了瞬变电磁复测,测试结果显示异常没有消除,在重新钻探验证和注浆加固之前,发生了底板突水事故。

图1 13151工作面地层柱状图

1.3 突水简述

2012年1月16日7时,11＃钻场(距临时停采线5～8 m,距原切眼215 m)右上方出水,涌水量50 m3/h;8时,涌水量增至150 m3/h,11＃钻场煤墙在顺煤层、沿切眼方向已形成长约5 m的喇叭形洞穴,水从底板涌出,水色浑浊含泥沙; 16时,涌水量增至371 m3/h,喇叭形洞穴扩大至10 m,洞口高约1.3 m,宽约3 m;20时,洞穴延伸至20 m,仍可看到水从底板涌出;17日,涌水量达到400 m3/h,仍浑浊;20日,涌水量增至约700 m3/h。

2 突水水源与导水通道

2.1 突水水源

突水水源是奥陶系灰岩水,依据如下:

(1)距离突水点490 m的奥灰水文孔水位累计下降50 m,堵水结束后水文孔水位恢复正常。

(2)现场看到水从煤层底板涌出,涌水量最大达到700 m3/h。新安煤田底板含水层只有奥灰有如此大的出水能力。

(3)水质类型为HCO3-Ca·Mg型,经比对表现为明显的奥灰水特征。

2.2 导水通道

突水初期,现场看到主突水点沿同一方向朝煤墙内部延伸。结合井上下堵水钻孔揭露情况分析,突水通道应为在原岩应力、水压、矿压等综合作用下薄弱底板隔水层被突破而形成的压裂式的非单一导水通道。

3 突水分析

3.1 存在富水区段

新安煤田奥灰含水层富水性极不均匀,大部分区域并不富水,可安全回采,仅少部分区段富水,采掘通过时有突水风险。井下瞬变电磁勘探时富水区段显示电性低阻,可以预测突水风险。工作面回采前,分别对工作面上、下巷进行了瞬变电磁垂探和内侧俯探。根据井下瞬变电磁勘探成果,上巷不存在电性低阻区,下巷存在一处明显的电性低阻区段,垂探与侧俯探的电性低阻区位置一致,在勘探剖面上显示浅灰色或黑色条带,见图2。其位置处于切眼朝外约210～230 m,即第11钻场前后约20 m并向工作面内部延伸约30 m,如图3所示,在低阻区施工4个钻孔对其富水性、径流条件等进行了验证,经综合分析:瞬变电磁低阻区奥灰含水层富水性较强,处于奥灰水径流带,存在突水风险。

图2 运输巷底板瞬变电磁剖面

图3 瞬变电磁低阻异常区及突水点平面位置

3.2 应力集中

槽波是只在煤层中传播的管道波,其在传播中携带大量的煤层和顶底板相关信息,对采掘生产有一定的指导作用。槽波速度高的区域,一般存在煤层薄化、应力集中等问题,提示存在开采风险。在煤层开采之前,利用透射法在上巷放炮,在下巷利用检波器接收槽波信息,对工作面进行槽波地震勘探,所采集的槽波数据经SPW软件处理并采用125 Hz频率成像显示,槽波速度最低小于800 m/s,最高大于2300 m/s,工作面勘探区主要存在3处波速大于2300 m/s的区段,见图4。3号异常区煤层厚度没有明显变化,分析可能为应力集中区。应力集中区岩层易受到应力破坏,完整性变差,一方面为溶隙的形成和发展、地下水径流创造了条件,另一方面使得底板隔水层的阻隔承压水能力降低。

图4 槽波波速等值线

3.3 奥灰水导升

工作面煤层底板承受水压3.0 MPa,高水压为突水提供了动力条件,在其长期作用下,奥灰水在突水前可导升一定高度并潜伏于煤层底板隔水层。回采前,经井下瞬变电磁向下竖直勘探和内帮俯角60°勘探,突水区域显示电性低阻,40 m以深低阻明显,并向下延伸至奥灰含水层。电性低阻区疑似奥灰富水条带,预测有突水危险,建议钻探验证。

瞬变电磁低阻区经钻探验证富水性强之后进行了注浆加固。钻孔施工过程中进行了简易水文地质观测,随着钻进深度增加,4个探查钻孔水压、涌水量均增加。水压从进入太原组上部灰岩段初次出水时的1.0 MPa增至揭露铝土岩时的1.3 MPa,涌水量也由初始的2～3 m3/h增至12～17 m3/h。物探、钻探结果表明:电性低阻区处于奥灰水径流条带;回采之前,奥灰水已越过本溪组铝土岩,导升后潜伏于太原组地层下段。

3.4 矿压破坏

13151工作面停采40余天,临时停采线紧临瞬变电磁低阻区。煤壁侧高应力长期作用于瞬变电磁低阻区,使得底板持续受到剪切破坏,进一步减弱了底板的阻隔水性能。应用FLAC 3D数值模拟表明:工作面剪应力呈蝴蝶形分布,如图5所示,临时停采线底板剪应力集中区位于工作面前方10～15 m,深15～23 m;临时停采线前方约7 m处出现压应力集中,最大达6.93 MPa,其煤壁下伏塑性区深度最大达19 m,如图6所示。工作面长时间停采,临近停采线煤层底板受到持续剪切破坏作用,导致底板裂隙进一步发育并向四周扩散,底板充水区域扩大。这与瞬变电磁复测低阻区扩大的结果相一致,见图7。突水区段距工作面5～8 m,正位于垂直应力集中、底板剪切破坏严重地带。

图5 工作面围岩剪应力等值线

图6 工作面底板岩体应力状态分布示意

图7 两次瞬变电磁低阻异常区对比图

4 结语

(1)本次井下采煤工作面煤壁侧奥灰突水,是多种因素综合作用的结果。原岩应力集中,使得岩层完整性变差,阻隔水性能减弱;高压奥灰水导升与长期临时停采导致低阻区底板持续受到矿压破坏,从上、下两个方向缩减了有效隔水层厚度,降低了底板隔水性能,最终形成了压裂式的非单一导水通道而导致奥灰富水区段突水。

(2)采用综合物探手段,槽波地震与电法勘探联合使用,高应力区与低阻区相结合,再加以钻探验证,可以更准确地预报突水危险。

(3)注浆改造区段还应进行物探、钻探复查和及时复注,直到消除异常、排除突水危险。井下工作面临时停采和终采应避开物探异常区所反映的薄弱区段,避免煤壁侧突水等特殊情况发生。

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Analysis on floor water inrush at the downside of coal wall in No.13151 working face of Xin＇an Coal Mine

Li Songying1,2,Wu Qiang1,Teng Jiwen3,Luo Pingping2,Zhang Chunguang2
(1.College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.Institute of Geology,Yima Coal Industry Group Co.,Ltd.,Yima,Henan 472300,China; 3.Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Chaoyang,Beijing 100029,China)

To investigate the mechanism of Ordovician limestone floor water inrush at the downside of coal wall in No.13151 working face in Xin＇an Coal Mine,the following factors were analyzed,such as underground water runoff zone,stress of primary rock,original guide rise of Ordovician water and continued effect of mining pressure.The research results showed that the water inrush was the results of the combined effects of these factors.In order to avoid the water inrush in Ordovician limestone,the comprehensive utilization of transient electromagnetic method and channel wave seismic exploration method could improve effectively the forecast results, then grouting and reconstruction should be thorough and effective in weak zone,and the stopping line should be avoided closing to the risk area such as the geophysical anomaly zone.

water inrush in working face,Ordovician limestone water inrush,water inrush prediction,primary rock stress,mine pressure,channel wave seismic exploration,transient electromagnetic method

P64

A

李松营(1967－),男,河南巩义人,教授级高工,博士学位,主要从事矿井地质、防治水与物探等方面的研究

(责任编辑 郭东芝)

国家自然科学基金资助项目(41130419、51174289、41102180),煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题,中央高校基本科研业务费资助项目(2010YD02)