三软急倾斜煤层高承压岩溶裂隙水防治的研究与实践

李辉

(禹州市富山煤业有限公司,河南 禹州 461670)

三软急倾斜煤层高承压岩溶裂隙水防治的研究与实践

李辉

(禹州市富山煤业有限公司,河南 禹州 461670)

本文提出了三软急倾斜煤层底板突水危险性的多因素综合防治办法及评价要点,根据禹州矿区鸠山地区水文地质、矿床工程地质及开采技术条件的特殊性,结合矿井采掘活动期间针对性地开展地面精密三维地震勘探、地质钻孔补勘、井下物探及钻探收集的成果资料,采取控制疏放水量、长观孔水位变化等合理的“带水压开采”措施,以此实现工作面的安全回采。实践表明,所研究的系列综合防治水技术方法是可行的,可为类似三软急倾斜煤层高承压水工作面的防治提供参考。

三软急倾斜;高承压岩溶水;防治

1 引言

高承压岩溶裂隙含水层上煤层的安全开采对赋存地层、煤(岩)层、地质构造等的稳定性、可靠性及准确性要求较高,但这些地质对象大多具有较强的隐蔽性,除了在长期的地质作用过程中发生不同程度的变形、断裂外,还受人为采掘生产活动的破坏极大,不可避免出现施工难度极大的防治水工程,针对高承压含水层上煤层安全开采的影响因素多、分布特征异常、空间规律性不明显等特征,正确认知、把握这些影响因素的彼此特性、分布规律,对提高含水层上煤层安全开采上限和安全系数,降低高承压水威胁程度都至关重要［1一2］。

为了准确把握这些影响因素的分布规律及其分布特征以及对煤层底板突水的影响,可采取地面三维勘探方法、井下物探及钻探方法等地质勘探的手段,获得这些因素的信息,并通过建立诸多因素对比、综合评价,制定针对性较强的施工方案,对矿井水害防治有重要的指导意义［3］。本文主要以禹州矿区鸡山地区某矿实现三软急倾斜煤层高承压含水层岩上安全开采为例,在矿井水文地质、矿床工程地质及开采技术条件特殊复杂的基础上对高承压水害进行了防治,值得学习借鉴。

2 研究区概况

某矿位于该市区西北向37km处鸡山镇赵庄村境内,由原官山一矿、赵庄煤矿、后沟七矿等四个矿井资源整合。矿井主采二1煤层,属三软煤层,采用三条斜井(“二进一回”)多水平开拓方式,走向长壁后退式采煤,采煤方法为炮采,垮落法管理顶板。截至2014年11月,矿井剩余可采储量497.65万t,矿井设计生产能力为21万t/年,剩余服务年限12.1年。

井田位于华北地台南缘嵩箕台隆中段,处于新华夏第二沉降与第三隆起带之交接部位,箕山背斜南翼,呈西高东低、北高南低之势,低山丘陵区。区内地层倾向130。～160。,倾角16。～42。,平均为36。,总体为一东南方向倾斜的单斜构造,发育有3条较大断裂,并伴有次生断层及重力滑动构造。地层自老而新依次出露有古生界寒武系、石炭系、二叠系以及中生界三叠系和新生界第四系等。本区是一个相对独立的水文地质单元,横向上位于区域分水岭箕山～荟萃山～风后岭背斜南翼的白沙向斜岩溶裂隙承压水文地质单元之西翼的浅部,属于区域地下水径流区的上游,工广内靠近西南部山麓出露大量灰岩露头,在岩溶水系统的补给一径流带上,受寒灰露头补给影响。区内的主要含水层有两组三段四层,由上至下依次为顶板裂隙砂岩含水层、太原组上段L7一8灰岩含水层、太原组下段L1一4灰岩含水层及寒武纪灰岩含水层,煤层上部砂岩裂隙水以淋水、渗水等形式充入矿床；太原组上段含水层由L7、L8灰岩组成,且多破碎,呈条带状不连续分布,导水性不均一,太原组下段L1一4灰岩含水层层位稳定,富水性较强,是主要防范治理对象,尤其是对11采区西翼工作面影响较大［4一6］。

3 工作面底板突水危险性评判

基于高承压岩溶含水层上采煤产生的水文地质工程地质问题的复杂性,与11采区西翼11041工作面地质及水文地质条件吻合,其上部为11021工作面采空区,下部为未开采实煤体,西为赵庄断层保护煤柱,东至副斜井井筒保护煤柱。该工作面走向长268m,倾斜长80m,由于煤层底板在工作面中部突然抬起,煤层变薄,煤层底板标高在一35.4m～+55.2m,顶、底板起伏变化较大,煤层倾角为32。～45。,平均为42。；煤层厚度不稳定,最大煤厚21m,最小0m。

3.1 地面精密三维地震查明区域地质构造情况

为进一步探索查明适合本区内的地质构造,指导井下基础水文地质工程的实施,结合实际揭露的地质及水文地质情况及毗邻钻孔的成果资料,经论证分析,需在对应地表选择具有代表性的点开展点上试验,以确定11041工作面底板隔水层分布情况、赋存规律及导水裂隙等因素。矿井与山东中煤物探测量总公司结合,在该区域内对应地表位置布设“束状8线8炮,中线发炮”的观测系统,施工52条检波线、98条炮线、1502个物理点,利用偏移叠加—偏移后再叠加(即叠前偏移)的方法对地震资料成像修正,如图1所示。

图1 工作面对应三维地震勘探成果图

测区控制点内的断层分布主要为图1中红色标示,运用空间叠加分析功能,进行多因素空间拟合,获得研究区多因素空间叠加分析结果,即该工作面属于受地质构造影响较大的突水危险性分区。为了精确反映地质构造的影响,对断层影响区域进行缓冲二次分区,并与传统的突水系数分区法、直流电法物探异常分区法相结合。

3.2 采用直流电测仪查明工作面水文地质条件

矿井标选河南理工大学对11041上、下顺槽、切眼进行直流电法物探,共布设15站、勘察180个物理点,根据提交的11041工作面直流电法物探勘察报告显示,二1煤层底板以下20m、40m处存在2个低阻异常区,经比对分析,在工作面11041切眼位置、11041下顺槽测点H9以里约40m范围内,存在A、B两个富水异常区,且煤层底板隔水层厚度为38m,在回采时,煤层隔水层受采掘扰动破坏影响,局部裂隙等导水通道可能增加或加大,存在可能突水危险。

3.3 对比井下水平长观孔水位值推算评价

根据+45m水平太灰长观孔的水压值2.40MPa,推算该工作面底板承压值为3.58MPa,二1煤层底板距L1一4灰岩含水层约38m,根据《煤矿防治水规定》,底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa/m,由突水系数计算公式Ts=P/M得出,11041工作面底板承受水压值为3.58MPa；突水系数为0.094MPa/m(Ts=P/M=3.58MPa/ 38m=0.094MPa/m)；大于临界突水系数,由此计算可知：11041工作面回采期间,底板隔水层受矿压叠加破坏,致使导水裂隙带升高,突水威胁较大［7一8］。

根据研究区勘探资料及水文地质、工程地质与开采技术条件分析,并结合现场试验测试资料,获得研究区各个主控因素的典型量化数据如表1。

由表1得出,影响工作面底板突水的主要因素依次为底板有效隔水层厚度、地质构造异常、煤层底板标高等,分析掌握这些因素,开展相对应的针对性措施有依可循。

表1 工作面各影响因素数据量化权重表

4 富水异常区域验证性钻孔的施工评价

4.1 验证性钻孔施工情况

根据以上三种手段的理论分析,钻探揭露实际情况研究分析表明,11041工作面的底板灰岩含水层除工作面的煤层底板20m～38m之间赋水性较丰富外,其余部位浅层砂岩赋水性相对较差。分段岩层岩性特征为：①煤层底板隔水层以中、粗粒砂岩,泥岩,炭质泥岩为主,局部泥岩厚度达到20m；②底板煤层赋存情况不稳定,个别钻孔见不到煤层,其中2一2孔见到2层煤；③各钻孔分别揭露至少2层灰岩层,灰岩层厚度在0.8～7.39m不等,实际出水位置均在灰岩层位中,各钻孔揭露灰岩层距二1煤层底板平均为38.0m。

4.2 钻孔施工过程中存在的问题

孔壁垮塌：在施工1一1孔时,钻进煤层底板松软破碎、裂隙发育的岩层时,虽加入泥浆护壁,但泥浆配比不易把握,有效护壁的作用不大；同时,测孔的水压过大,在接口不严处形成涡流,直接冲刷孔壁；置钻加固不牢,钻杆震动剧烈,碰击孔壁。

岩粉沉积聚集：钻进软岩时,钻探速度过快、送水量过小、泥浆使用不及时、泵压不足,水未至孔底便返回、不能使岩粉及时排出；停泵过于频繁或时间较长,而钻具不能及时提离孔底一定高度或退钻,直接导致埋钻事故发生。

钻具脱落：在补打1一1孔时,由于钻头与导向杆丝扣部位保护不好,连接过松,未对正即强行扭接,造成丝扣变形、磨损、产生凹痕等,使钻杆与接头丝扣连接松弛,出现滑扣,钻具脱落。

5 结论

建立了煤层底板突水危险性多因素综合评价模型,根据研究区的水文工程地质及开采技术条件分析可知,影响研究区高承压水体上采煤安全性的因素多且复杂,确定了煤层底板破坏深度,煤层底板抗压强度,煤层底板隔水层厚度,煤层底板水压,煤层底板标高,断层密度,高承压含水层顶板标高,高承压含水层水位标高8个影响本研究区煤层高承压水体上开采的主控因素。

以山西太原组岩溶高承压水采掘为例,应用高承压水体上采煤危险性多因素综合评价模型,获得工作面的开采危险性指数分区等级图,并与传统的突水系数分区法相比,可知本文提出的煤层底板突水危险性的多因素综合评价更加精确,并且能综合反映断层构造的影响范围及影响强度。

［1］尹传理,李化敏.我国煤矿深部开采问题探讨［J］.煤矿设计,1998(8):7一11.

［2］李化敏,付凯.煤矿深部开采面临的主要技术问题及对策［J］.采矿与安全工程学报,2006,23(4):468一471.

［3］王作宇,刘鸿泉.承压水上采煤［M］.北京:煤炭工业出版社,1993.

［4］杨天鸿,唐春安,等.岩体破坏突水模型研究现状及突水预测预报研究发展趋势［J］.岩石力学与工程学报,2007,26 (2):268一277.

［5］武强.基于GIS的地质灾害和水资源研究理论与方法［M］.北京:地质出版社,2001.

［6］Wu Qiang,Zhou Wanfang.Prediction of inflow from overlying aquifers into coalmines［J］.Environmental Geology, DOI 10.1007/s00254一007一1030一1,2008.

［7］武强,张志龙,马积福.煤层底板突水评价的新型实用方法I——主控指标体系的建设［J］.煤炭学报,2007,32(1): 42一47.

［8］武强,张志龙,张生元.煤层底板突水评价的新型实用方法II——脆弱性指数法［J］.煤炭学报,2007,32(11):1121一1126.

[栏目责任编辑 贺跃通]

Research and Practice on the Prevention and Control of Three Soft SteeP Seam High Pressure Karst Water

Li Hui
(Yuzhou Fushan Coal Co.,Ltd,Yuzhou Henan 461670)

This paper proposed multi一factor comprehensive prevention and control measures and key points for evaluation of three soft steep coal seam floor water inrush risks,according to the particularity of the hydrology and geology,ore deposit engineering geology and mining technological conditions in Jiushan of Yuzhou mine area,combined with achievement data collected in the coal mining activities carried out targeting at ground precision 3 d seismic exploration,geological drilling exploration,downhole geophysical exploration and drilling,taking the reasonable measures of“exploration with water pressure”,such as controlling water release and long hole water level change,in order to realize safety mining of working face,the practice also shows that the studied method of serial comprehensive water prevention and control technology is feasible,providing reference for steep coal seam high confined water prevention and control of similar three soft working face.

Three soft steep；high pressure karst water；prevention and treatment

TD12

A

1003一5168(2015)07一0088一3

2015一6一29

李辉(1982一),男,研究方向:煤矿安全管理、生产组织及党建工作等。