邯邢矿区大采深高承压水矿井防治水难点及对策

高春芳（冀中能源集团有限责任公司,河北省邢台市,054021）



邯邢矿区大采深高承压水矿井防治水难点及对策

高春芳
（冀中能源集团有限责任公司,河北省邢台市,054021）

摘要近年来针对邯邢矿区的一些突水事故,对底板奥灰突水特征进行了系统分析。结合突水实例,对大采深高承压水矿井底板奥灰突水致灾关键因素进行了深入剖析,系统地阐述了深部煤层开采底板奥灰水防治所面临的难题,针对性地提出了地面奥灰区域超前治理的防治水对策,变一面一治理为一个采区或一个水平进行治理;将治理目标层由薄层灰岩变为奥灰含水层顶部;变采前治理为掘前治理,目的在于从突水根源上消除奥灰岩顶部存在的地质缺陷,达到深部矿井安全开采的防治水目的,对大采深高承压水矿井防治奥灰水害具有重要的指导意义。

关键词大采深 高承压水 突水特征 致灾因素 防治难点 防治水对策

河北省南部邯邢矿区包括邢台矿区、邯郸矿区及峰峰矿区,属典型的华北型煤田,对煤层开采有影响的主要含水层自下而上依次为奥陶系灰岩含水层、本溪组灰岩含水层、大青灰岩含水层、伏青灰岩含水层、野青灰岩含水层、2＃煤层顶板砂岩含水层。

邯邢矿区构造复杂、陷落柱发育,奥灰含水层不仅通过断层、隐伏陷落柱、垂向裂隙直接威胁着开采煤层,而且通过隐伏的导水构造补给煤系薄层灰岩含水层间接威胁生产。尽管深部矿井奥灰含水层岩溶裂隙发育微弱,但仍不同程度发育有陷落柱,陷落柱发育层位低的,其导水性和隐蔽性更强,对生产潜在威胁更大。

冀中能源集团在邯邢矿区有35个矿井,其中,水文地质类型复杂矿井有18个,主要开采上组煤2＃煤层、4＃煤层（野青煤层）、5＃煤层和下组煤9＃煤层,主要煤层受底板大青灰岩水、奥灰承压水突水威胁。18个水文地质类型复杂矿井中有7个矿井开采下组煤9＃煤层,9＃煤层主要受顶板大青灰岩水、底板本溪灰岩水、奥灰水威胁,水文地质条件更加复杂。

邯邢矿区由于长期高强度开采上组煤,浅部煤炭资源已基本采完,大多数矿井进入深部开采,目前有10个矿井开采深度超过800 m,其中4个矿井开采深度超过1000 m,随着矿井开采深度不断增加以及下组煤大规模开发,煤层开采受煤系基底巨厚奥灰高承压底板突水威胁大幅增加。

近20多年来,邯邢矿区相继发生了12起较大以上的隐伏导（含）水陷落柱、断层及底板裂隙带突水事故,面临的防治水形势日趋严峻。因此,研究大采深高承压水矿井防治水所面临的难题对煤矿水害防治具有重要的现实意义。

1　邯邢矿区底板奥灰突水特征分析

1.1邯邢矿区底板突水概述

邯邢矿区随着开采深度加大,矿井水文地质条件日趋复杂,受底板奥灰高承压水威胁日益严重,相当一部分矿井煤层底板承受水压在7.0 MPa以上,个别矿井达到14.6 MPa。即使采取了一系列井上下勘探、超前探查和改造治理措施仍不能杜绝重大突水灾害。

近20年来,邯邢矿区国有煤矿发生了12起比较大的奥灰突水事故,其中底板承压水突水事故11起,9起事故发生在回采工作面,2起事故发生在巷道掘进,具体突水情况如表1所示。

表1　邯邢矿区国有煤矿底板突水一览表

1.2邯邢矿区煤层底板突水特征分析

1.2.1浅部底板奥灰突水特征

邯邢矿区浅部及中等采深煤层回采工作面的底板隔水层厚度与承水压之间关系有如下特点:

（1）实现安全回采的采面底板承压水水压在3.0 MPa以下,底板隔水层厚度一般在35 m以上;或底板隔水层厚度在20 m以上,承压水水压在1.5 MPa以下。

（2）发生底板突水最突出的特点一般是隔水层厚度在35 m以下,大部分在30 m以下,承压水水压在3.0 MPa以下。

1.2.2深部矿井底板奥灰突水特征

随着采深的加大,煤层底板承压奥灰水突水的威胁日趋凸显。2000－2014年以来,邯邢矿区发生了10次由于导（含）水地质构造所造成的底板承压奥灰突水事故（见表1）,经分析,大部分突水事故发生在大采深矿井,造成煤层底板奥灰突水事故基本上是隐伏型构造,其中对邯邢矿区深部矿井开采威胁最大的是陷落柱组合构造类型。隐伏陷落柱组合构造类型示意图如图1所示。

图1　邯邢矿区隐伏陷落柱组合构造类型示意图

2　大采深高承压水矿井底板奥灰突水致灾因素分析

2.1导水陷落柱对大采深矿井上组煤开采突水威胁

岩溶陷落柱属于隐伏垂向构造,其导致的底板突水具有隐蔽性、随机突发性和突水量大等特点,对煤矿安全生产、地下水环境及水资源保护危害极大。邯邢矿区2000年以来的10起突水事故中有4起是由于岩溶陷落柱导致的突水淹井事故,造成了极大的经济损失。随着开采深度的增加,煤层底板承受的水压及地应力不断增大,陷落柱致灾威胁凸显。

通过分析,邯邢矿区隐伏垂向导水构造具有以下几个特点:

（1）发育且类型多、分布复杂。邯邢矿区隐伏垂向导水构造自然条件下呈隐伏、孤立的垂向点状形态,分布复杂,尤其是小型的隐伏陷落柱发育层位低、其横向扩展范围小,增加了超前探测的难度和不可预知性,更具有潜在的突水威胁。

（2）在采动影响下导水性能发生变化。煤层底板岩层中存在的隐伏导水构造,尤其是一些隐性断裂构造、陷落柱、裂隙带等,在自然条件下不导水,与煤系薄层灰岩含水层水力联系不密切,但在高应力、高承压水和采动耦合作用下,易于活化导水,即其导水性会发生质的变化,导水裂隙通道在高压水和采动作用下,导水能力增长极快而发生灾害性突水。

2.2矿井深部小型陷落柱隐蔽性强,探测难度大

奥灰含水层本身具有非常好的富水性,水压高,补给量充足。采深大、水压高以及导水通道形成的复杂性和影响因素的多样性决定了大采深矿井的水文地质条件的复杂性。在大采深高承压水矿井,即使开采上组煤2＃煤层,在地下水径流滞缓条件下,如遇隐伏导水陷落柱等大的导水构造同样会造成灾害性突水。

2014年7月25日梧桐庄矿2＃煤层2306工作面发生陷落柱突水淹井,陷落柱发育规模只有7 m（短轴）×19 m（长轴）,发育高度只到2＃煤层底板下约60 m。同样,九龙矿4＃煤层15423N工作面发生的陷落柱突水,陷落柱发育规模只有7.0 m（短轴）×14 m（长轴）,发育高度在4＃煤层底板下约43 m。这些导水陷落柱发育规模小,极难探查。

奥灰岩溶含水层分布面积广、厚度大,具有巨大的弹性储存水量,是影响深部矿井安全开采的主要强含水层。深部矿井煤层底板导水构造隐蔽性强,特别是发育层位低、规模小的导含水陷落柱等超前探测难度大,而此类导含水构造对矿井安全威胁非常大,无论矿井处于奥灰岩溶含水层的强径流带还是弱径流带,受采动影响,极易造成突水事故。

2.3底板裂隙带极易成为导水通道、治理难度大

矿井开采深度大、水压高,在采煤过程中受下伏含水层高水压及采动压力影响,煤层底板破坏深度较浅部明显增加,底板奥灰水导升裂隙递进发展,贯穿底板中各类断裂构造及破坏损伤带而成为导水裂隙通道,诱发奥灰水突出。如邢台矿区采深最大（采深1260 m）的邢东矿2＃煤层底板隔水层承受奥灰水压5.0～14.6 MPa。2011年4月13 日,该矿最深部2127工作面在回采阶段发生了底板奥灰出水,该面2＃煤层开采标高－1140～－1200 m,底板奥灰水压高达12.4 MPa,在物探及钻探探查无任何地质构造异常的情况下发生了底板突水。

随着采深的加大,即使注浆改造煤层底板薄层灰岩含水层和加固隔水层,也不能完全满足安全开采条件,仍然存在着奥灰强含水层突水的危险。

3　深部煤层开采奥灰水防治难点分析

3.1浅部矿井防治水经验不能满足深部开采需要

在大采深高承压水开采条件下,高承压水使岩体中的微裂隙、节理、小断层等软弱结构面产生软化、张裂、扩展与破坏,发生水力劈裂导升,使得底板的阻水性能大大弱化。同时,随着采深的增加,工作面底板破坏深度增大,也增加了底板突水几率。底板薄层灰岩往往富水性弱、裂隙不发育,可注性差,底板存在的隐伏导水断裂及裂隙难以探明,注浆改造及探查的作用不能有效发挥,突水隐患无法得到完全排除。这说明在大采深条件下,水文地质条件愈加复杂,原有的防治水措施和经验无法完全保证矿井防治水安全。

3.2大采深底板突水机理研究不足,传统底板突水预测及安全评价方法不适应深部开采

随着采深加大和下组煤大规模开采,高地应力、高水压、高水温和高瓦斯压力等问题逐渐显现,影响矿井突水因素随之增多,突水类型呈复杂多样化特征,延迟滞后突水现象逐渐增多。

多年沿用的突水系数理论是浅中部煤炭资源开采的经验理论,而深部开采的围岩应力条件、矿压扰动和开采破坏条件都与浅中部有很大的不同,如果沿用原有的理论,必然会给生产和安全带来误导。传统的突水系数法的评估对于矿井深部开采条件下,尤其厚隔水层条件下的上组煤开采技术指导与实际有较大偏差,其标准或指标与矿井深部开采不能简单地一概而论。

3.3大采深高承压水开采条件下超前探测隐伏导水构造技术难度大

矿井水害防治特别是奥灰岩溶水的防治,至关重要的是陷落柱的探查和防治,时至今日,其理论、方法、手段都尚在探索、改进和完善中。由于小型陷落柱、小断层及裂隙带等隐伏构造的隐蔽性、孤立性及个体的差异性,其有效的探查和防治是一个探索性很强的难题。大采深高承压水开采条件下煤层底板奥灰突水一般是隐伏构造组合型突水,突水通道基本是导水陷落柱、断层、裂隙带等多种不同组合类型,在一定程度上大大增加了探查难度。

3.4下组煤开采接近突水系数规定上限

邢台矿区下组煤资源由于受到了下伏奥灰高承压水的威胁,随着采深的加大,底板突水危险性也越来越大。邢台矿区5对下组煤开采矿井中,随着采深的不断加大,带压逐渐升高,已接近《煤矿防治水规定》有关带压开采突水系数规定的0.1 MPa/m上限。而突水系数大于0.1 MPa/m的－450 m水平以深的下组煤储量尚有4.9亿t,下一步大力开发这部分下组煤已成为当务之急,因此寻求新的、有效的下组煤安全开采方法是延长矿井服务年限、保持公司可持续发展的最有效途径。

4　大采深高承压水矿井带压开采防治水对策

鉴于邯邢矿区近年来所发生的矿井底板突水事故基本上都是大采深高承压水矿井和开采下组煤所遇的隐伏导水构造、特别是很难超前探明的微小型导（含）水构造所致。有突水量大、隐蔽性和突发性强的特点。因此提出地面区域超前治理奥灰的防治水对策,采取超前主动、区域治理、全面改造、带压开采的矿井防治水指导原则。由原来一面一治理变为区域治理;防治水探查治理目标由原来底板的隔水层延伸到奥灰含水层顶部。

4.1采取更加超前主动的防治水指导原则

为适应大规模开采的需要,采取更加超前主动的防治水措施,打破以往的思维定式。积极研究应用定向钻探技术,采取井上、下相结合的方式,对采区或更大规模的区域进行超前钻探及预注浆改造。这样使带压开采前期所必要的探查及预注浆改造大大提前,使工作面采场钻探注浆70%的工作量提到前期完成,大大缩短工作面采场的后期注浆改造工期,有利于采区的采掘衔接。同时,也保证了工作面超前高承压钻探,实现先治后掘。

4.2区域性治理奥灰水害技术要求

矿井防治水工作要实现区域性治理,打破一面一治理的常规模式,适应规模化开采的需要。区域化治理一般采取地面和井下相结合的方式,应用多分支定向水平钻探技术进行区域化治理。区域治理一般以采区或更大区域为治理地质单元,提高矿井防治水主动防御范围和大区域采掘正常衔接保障程度。

4.3区域全面改造延至奥灰顶部

目前,国内注浆改造是以薄层灰岩含水层为治理目标,可以安全采出受水威胁的浅部煤炭资源。随着采深的加大,即使完全注浆改造煤层底板含水层和加固隔水层也不能完全满足安全开采需要,依然存在着煤层底板奥灰含水层突水的危险。因此,将薄层灰岩含水层注浆改造技术应用于奥灰含水层顶部改造已成必然趋势。

5　结论

（1）深部矿井底板突水特征比浅部更为复杂,主要是底板隐伏构造或构造组合裂隙扩展沟通所致,治理难度大。

（2）大采深高承压水矿井突水机理研究程度不足;垂向导含水构造隐蔽性强,分布复杂,探测难度大;地质构造在高水压作用下导水性能发生变化;传统的突水系数法不能完全适应深部矿井防治水安全评价;浅部的防治水经验不能满足深部矿井开采安全需要等是大采深高承压水矿井近年突水事故频发的关键致灾因素。

（3）针对大采深高承压水矿井所面临的防治水难题,提出了地面奥灰区域超前治理的防治水对策,变一面一治理为一个采区或一个水平进行治理;将治理目标层由薄层灰岩变为奥灰含水层顶部;变采前治理为掘前治理,目的在于从突水根源上消除奥灰岩顶部存在的地质缺陷,达到深部矿井安全开采的防治水目的。

参考文献:

［1］赵庆彪,高春芳,王铁记.区域超前治理防治水技术［J］.煤矿开采,2015（2）

［2］赵庆彪,赵昕楠,武强等.华北型煤田深部开采底板“分时段分带突破”突水机理［J］.煤炭学报, 2015（7）

［3］王经明,刘文生,关永强等.华北煤田陷落柱的地下水内循环形成机理［J］.中国岩溶,2007（1）

［4］关永强.梧桐庄矿治理野青灰岩含水层的有效途径研究［J］.中国煤田地质,2004（5）

［5］高春芳,李冲.大地压影响下出水钻孔封堵技术研究［J］.中国煤炭,2014（9）

［6］赵庆彪,张建公,王海桥.华北型煤田深部开采底板突水机理与区域治理关键技术［J］.华北科技学院学报,2015（4）

［7］赵庆彪.奥灰岩溶水上带压开采区域超前治理防治水技术［J］.中国安全生产科学技术,2014（10）

（责任编辑张艳华）

★节能与环保★

The difficulties and countermeasures of water inrush prevention of mine with deep mining depth and high pressure water in Handan-Xingtai mine district

Gao Chunfang
（Jizhong Energy Group Co.,Ltd.,Xingtai,Hebei 054021,China）

AbstractAiming at some water inrush accidents happened in Handan-Xingtai mine district in recent years,the features of water inrush from the Ordovician limestone of the floor were systematically analyzed.Combining with the example of water inrush,the disaster causing key factors of water inrush from the Ordovician limestone of the floor for the coal mine with deep mining depth and high pressure water were deeply analyzed,and its prevention difficulties were systematically elaborated,the targeted countermeasures of water inrush prevention that were advanced treatment of surface Ordovician area were proposed,which changed the treatment of one face to the treatment of one mining district or one level.The treatment targeted layer was changed from thin limestone to the top of aquifer in Ordovician limestone.The treatment was changed from ahead of mining to ahead of advancing in order to eliminate the geological faults of top of Ordovician limestone from the source of water inrush and ensure the safety mining,which had a directing significance for the coal mine with deep mining depth and high pressure water.

Key wordsdeep mining depth,high pressure water,water inrush feature,disaster causing factors,prevention difficulty,countermeasures of water inrush prevention

中图分类号TD745.2

文献标识码A

作者简介:高春芳（1975－）,男,河北井陉人,高级工程师,毕业于河北建筑科技学院（现河北工程大学）,从事煤矿防治水管理工作。