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[摘 要]本文在介绍带压开采概念的基础上阐述了带压开采技术来源,介绍了带压开采技术体系主要内容,包括开采水文地质条件探查、开采水文地质条件评价及带压开采技术措施等,并介绍了带压开采技术的最新进展。
[关键词]带压开采;水文地质条件;隔水能力;双系数
中图分类号:TD74 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2018)01-0030-02
[Abstract]This paper describes the mining technology with pressure source based on the introduction of the concept of mining with pressure, and introduces the mining technology with pressure system main content, including mining hydrogeological condition probe and mining hydrogeological condition evaluation and take pressure mining technical measures, etc., and introduces the mining with pressure of new developments in technology.
[Key words]mining with water pressure;hydrogeologic condition; impervious ability; double coefficient
1 带压开采技术来源
带(水)压开采(简称“带压开采”)?技术,是指当煤层底板隔水层承受较高水压时,在不进行或很少降低含水层水头压力的情况下,确定能否安全采煤的技术,其本质是一种特殊的防治水技术。
我国煤矿突水研究已经历了50多年,对煤层底板的突水机理及防治水技术的研究始终伴随其中,是研究突水的一个重要方面。但是,下组煤带压开采综合防治水技术在近几年才趋于成熟。近年来,随着探查技术,尤其是物探技术、测试手段、注浆改造技术的不断进步,一系列新技术不断的被采用,带压开采综合防治水技术得以不断的完善和发展。
早在50年代,广大煤炭行业的水文地质工作者就已经意识到突水对煤矿生产危害的严重性。
为此,有关部门组织专家开展水文地质会战,但由于受当时技术水平和研究对象及条件等诸多客观因素的限制,在煤矿底板突水这一问题上仅限于对水文地质条件的调查与定性分析。受到上述因素的制约,底板水防治技术也局限于对水文地质条件的探查和疏水降压开采两个方面。
随着我国煤炭科学研究的深入,进入60年代以后,除对具体治理技术更偏重研究外,在底板突水问题上,对底板隔水层的阻水性能开展了研究工作。由于当时煤矿开采逐步向深部发展,导致底板突水问题日趋突出,淹井事故时有发生,当时的研究者在屡次事故调查中获取了大量珍贵资料,并在当时的技术条件下进行了规律性分析。同时,生产第一线对防治水技术的迫切需求客观上推动了该项研究的深入开展。所以当时不仅在治理技术方面有显著提高,且对突水发生的统计性规律也开始有了新的认识。当时提出的“突水系数”这一概念就是重要标志。80年代中后期,煤矿突水及其淹井事故达到令人震惊的程度。仅1984年至1985年的一年间,全国淹井事故就发生22起。特别在1986年。震惊世界的开滦范各庄矿最大突水量竟达每分钟2053m3。面对如此严峻的现实,有关部门深刻认识到增加投入的必要性和迫切性。随着人力、物力、财力支持力度的加大和研究工作的广泛开展,新成果相继出现:“下三带说”、“强渗通道说”、“岩水应力关系说”等都是這个时期的产物。
伴随着底板水害防治理论的发展,带压开采防治水技术也得到长足的进步,其核心技术是在精细探查煤层底板水文地质条件的基础之上,通过对煤层底板破坏带及构造薄弱带探查、富水区探查并对底板隔水层进行注浆加固改造、充分利用隔水层的阻水能力,实施带压开采,在此基础上,通过不断的积累总结,逐渐形成了开采水文地质条件探查、开采水文地质条件评价及带压开采防治水技术措施等带压开采技术体系。
2 带压开采技术体系
带压开采实质上是以安全开采煤炭资源为目的、以防治水技术为核心内容的采煤方法,其内容涵盖了煤矿防治水技术和开采技术,由此形成了带压开采技术体系。总结多年来我国煤矿防治底板突水的理论与实践,带压开采技术是以开采水文地质条件探查、开采水文地质条件评价和带压开采技术措施为主干的技术体系。
2.1 开采水文地质条件探查
开采水文地质条件是综合了地质、水文地质及采矿等因素相互影响的煤矿开采条件下的地质与水文地质条件,开采水文地质条件探查包含但不同于以往的水文地质勘探。一般来讲,开采水文地质条件探查主要包括以下内容:
2.1.1 水文地质条件综合勘探
水文地质条件综合勘探是在研究和分析现有矿井水文地质资料基础上,有针对性的对下组煤主要含水层(例如华北型煤田多为大青灰岩、本溪灰岩及奥陶系灰岩含水层)进行专门水文地质勘探试验,查明各含水层水文地质条件及相互之间水力联系,取得对各含水层的水文地质参数,为未来采区及工作面水文地质条件探查提供基础依据。水文地质条件综合勘探手段有水文地质测绘、水文地质钻探、水文地质物探、岩土试验、水化学及同位素分析、模拟试验及地下水动态与均衡研究等。
2.1.2 开采煤层底板破坏深度探查
煤层底板破坏深度是评价华北型煤田煤层底板阻水性能的关键数据之一。一般而言,影响煤层底板破坏深度的因素有底板岩性、构造发育程度、原生裂隙发育状况以及采煤顶板管理方法(如采厚、工作面尺寸、回采速度、工作面空顶距等)。探查底板破坏深度方法主要有现场钻孔压注水试验、地质雷达探测、底板应力应变测试等。 注水试验法原理是:煤层底板注水量的多少反映了底板岩体破裂发育及联通程度,注水量大,说明岩体裂隙发育,联通性好,反之,则说明岩体连通性查,裂隙不发育,通過采取底板仰角钻孔分段注水的方法,根据采动前后钻孔注水段注入水量的变化来确定底板破坏深度;地质雷达探测需在钻孔内埋深一系列传感器测量岩壁的波速,以达到判别破坏深度的目的,其原理为:煤层采动后,煤层底板在已破坏和未破坏岩层的分界处,形成了两种介质,已破坏岩层对电磁波吸收较大,电磁波速较小,未破坏的岩层对电磁波吸收较小,因此,在雷达剖面上已破坏岩层与未破坏岩层会产生明显的界面;底板应力应变测试是在底板的钻孔中埋设足够数量的应变传感器,根据岩石的破裂极限应变值确定底板的破坏深度。此外,还可利用塑性理论结合莫尔-库伦强度理论计算岩体的最大破坏深度。
2.1.3 煤层底板构造探查
底板构造是矿井发生突水的重要通道,也是带压开采时需重点探测的目标。煤层底板构造探查内容有断层、隐伏陷落柱、裂隙密集区以及火成岩侵入体等。探查方法包括钻探、物探(无线电波透视探测、瑞利波勘探、高密度等)。
2.1.4 底板隔水层厚度及岩性探查
隔水层作为带压开采的防护层,其隔水能力与岩性厚度及组合情况有密切关系,探查分析研究隔水层岩性、厚度变化及其组合情况具有重要意义。底板隔水层厚度及岩性探查一般以钻探为主,尚无其他更简单有效方法。需要注意的是,由于构造部位、岩层界面等都有可能使隔水层成为含水层的一部分,因而对于带压开采而言,底板隔水层不能完全依照勘探实际的划分标准,确定其厚度时应突破传统的以岩性、地质年代等限制,应充分考虑底板各岩层的赋存状况及采动影响程度。
2.1.5 底板含水层富水性和水压探查
底板含水层富水与否决定了矿井突水的水的来源,含水层富水性一般以钻孔单位涌水量表示,分为弱富水性(q≤0.1L/(s·m))、中等富水性(0.1
[关键词]带压开采;水文地质条件;隔水能力;双系数
中图分类号:TD74 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2018)01-0030-02
[Abstract]This paper describes the mining technology with pressure source based on the introduction of the concept of mining with pressure, and introduces the mining technology with pressure system main content, including mining hydrogeological condition probe and mining hydrogeological condition evaluation and take pressure mining technical measures, etc., and introduces the mining with pressure of new developments in technology.
[Key words]mining with water pressure;hydrogeologic condition; impervious ability; double coefficient
1 带压开采技术来源
带(水)压开采(简称“带压开采”)?技术,是指当煤层底板隔水层承受较高水压时,在不进行或很少降低含水层水头压力的情况下,确定能否安全采煤的技术,其本质是一种特殊的防治水技术。
我国煤矿突水研究已经历了50多年,对煤层底板的突水机理及防治水技术的研究始终伴随其中,是研究突水的一个重要方面。但是,下组煤带压开采综合防治水技术在近几年才趋于成熟。近年来,随着探查技术,尤其是物探技术、测试手段、注浆改造技术的不断进步,一系列新技术不断的被采用,带压开采综合防治水技术得以不断的完善和发展。
早在50年代,广大煤炭行业的水文地质工作者就已经意识到突水对煤矿生产危害的严重性。
为此,有关部门组织专家开展水文地质会战,但由于受当时技术水平和研究对象及条件等诸多客观因素的限制,在煤矿底板突水这一问题上仅限于对水文地质条件的调查与定性分析。受到上述因素的制约,底板水防治技术也局限于对水文地质条件的探查和疏水降压开采两个方面。
随着我国煤炭科学研究的深入,进入60年代以后,除对具体治理技术更偏重研究外,在底板突水问题上,对底板隔水层的阻水性能开展了研究工作。由于当时煤矿开采逐步向深部发展,导致底板突水问题日趋突出,淹井事故时有发生,当时的研究者在屡次事故调查中获取了大量珍贵资料,并在当时的技术条件下进行了规律性分析。同时,生产第一线对防治水技术的迫切需求客观上推动了该项研究的深入开展。所以当时不仅在治理技术方面有显著提高,且对突水发生的统计性规律也开始有了新的认识。当时提出的“突水系数”这一概念就是重要标志。80年代中后期,煤矿突水及其淹井事故达到令人震惊的程度。仅1984年至1985年的一年间,全国淹井事故就发生22起。特别在1986年。震惊世界的开滦范各庄矿最大突水量竟达每分钟2053m3。面对如此严峻的现实,有关部门深刻认识到增加投入的必要性和迫切性。随着人力、物力、财力支持力度的加大和研究工作的广泛开展,新成果相继出现:“下三带说”、“强渗通道说”、“岩水应力关系说”等都是這个时期的产物。
伴随着底板水害防治理论的发展,带压开采防治水技术也得到长足的进步,其核心技术是在精细探查煤层底板水文地质条件的基础之上,通过对煤层底板破坏带及构造薄弱带探查、富水区探查并对底板隔水层进行注浆加固改造、充分利用隔水层的阻水能力,实施带压开采,在此基础上,通过不断的积累总结,逐渐形成了开采水文地质条件探查、开采水文地质条件评价及带压开采防治水技术措施等带压开采技术体系。
2 带压开采技术体系
带压开采实质上是以安全开采煤炭资源为目的、以防治水技术为核心内容的采煤方法,其内容涵盖了煤矿防治水技术和开采技术,由此形成了带压开采技术体系。总结多年来我国煤矿防治底板突水的理论与实践,带压开采技术是以开采水文地质条件探查、开采水文地质条件评价和带压开采技术措施为主干的技术体系。
2.1 开采水文地质条件探查
开采水文地质条件是综合了地质、水文地质及采矿等因素相互影响的煤矿开采条件下的地质与水文地质条件,开采水文地质条件探查包含但不同于以往的水文地质勘探。一般来讲,开采水文地质条件探查主要包括以下内容:
2.1.1 水文地质条件综合勘探
水文地质条件综合勘探是在研究和分析现有矿井水文地质资料基础上,有针对性的对下组煤主要含水层(例如华北型煤田多为大青灰岩、本溪灰岩及奥陶系灰岩含水层)进行专门水文地质勘探试验,查明各含水层水文地质条件及相互之间水力联系,取得对各含水层的水文地质参数,为未来采区及工作面水文地质条件探查提供基础依据。水文地质条件综合勘探手段有水文地质测绘、水文地质钻探、水文地质物探、岩土试验、水化学及同位素分析、模拟试验及地下水动态与均衡研究等。
2.1.2 开采煤层底板破坏深度探查
煤层底板破坏深度是评价华北型煤田煤层底板阻水性能的关键数据之一。一般而言,影响煤层底板破坏深度的因素有底板岩性、构造发育程度、原生裂隙发育状况以及采煤顶板管理方法(如采厚、工作面尺寸、回采速度、工作面空顶距等)。探查底板破坏深度方法主要有现场钻孔压注水试验、地质雷达探测、底板应力应变测试等。 注水试验法原理是:煤层底板注水量的多少反映了底板岩体破裂发育及联通程度,注水量大,说明岩体裂隙发育,联通性好,反之,则说明岩体连通性查,裂隙不发育,通過采取底板仰角钻孔分段注水的方法,根据采动前后钻孔注水段注入水量的变化来确定底板破坏深度;地质雷达探测需在钻孔内埋深一系列传感器测量岩壁的波速,以达到判别破坏深度的目的,其原理为:煤层采动后,煤层底板在已破坏和未破坏岩层的分界处,形成了两种介质,已破坏岩层对电磁波吸收较大,电磁波速较小,未破坏的岩层对电磁波吸收较小,因此,在雷达剖面上已破坏岩层与未破坏岩层会产生明显的界面;底板应力应变测试是在底板的钻孔中埋设足够数量的应变传感器,根据岩石的破裂极限应变值确定底板的破坏深度。此外,还可利用塑性理论结合莫尔-库伦强度理论计算岩体的最大破坏深度。
2.1.3 煤层底板构造探查
底板构造是矿井发生突水的重要通道,也是带压开采时需重点探测的目标。煤层底板构造探查内容有断层、隐伏陷落柱、裂隙密集区以及火成岩侵入体等。探查方法包括钻探、物探(无线电波透视探测、瑞利波勘探、高密度等)。
2.1.4 底板隔水层厚度及岩性探查
隔水层作为带压开采的防护层,其隔水能力与岩性厚度及组合情况有密切关系,探查分析研究隔水层岩性、厚度变化及其组合情况具有重要意义。底板隔水层厚度及岩性探查一般以钻探为主,尚无其他更简单有效方法。需要注意的是,由于构造部位、岩层界面等都有可能使隔水层成为含水层的一部分,因而对于带压开采而言,底板隔水层不能完全依照勘探实际的划分标准,确定其厚度时应突破传统的以岩性、地质年代等限制,应充分考虑底板各岩层的赋存状况及采动影响程度。
2.1.5 底板含水层富水性和水压探查
底板含水层富水与否决定了矿井突水的水的来源,含水层富水性一般以钻孔单位涌水量表示,分为弱富水性(q≤0.1L/(s·m))、中等富水性(0.1
5.0L/(s·m))等,探查方法主要有物探、钻探、化探、抽水试验和井下放水试验等。
2.1.6 底板隔水层力学参数及阻水系数测定
底板隔水层力学测试数据是分析底板隔水性能的重要参数,力学参数的选择以满足底板岩层分类及相关模拟计算所需参数为要求。阻水系数是表征单位底板隔水岩层平均阻水能力的指标,是水体上采煤中用以留设安全煤岩柱的重要参数,也是进行突水危险性评价的重要参数。阻水系数测定通常是采用现场钻孔的水力压裂试验、钻孔梯度水压测试、压水串通破坏试验或室内大尺寸的水力压裂试验进行测量,需要指出的是在底板导升高度范围内,实测的是岩层的带压系数,其他情况下实测的是岩层破裂时的阻水能力。
2.2 开采水文地质条件评价
煤层开采水文地质条件评价一般是在对矿井水文地质条件及各煤层充水因素分析论证的基础上,对下组煤的突水危险性评价及矿井防排水能力进行综合评价。
2.2.1 煤层开采充水因素分析
煤层开采充水因素主要包括充水水源及充水通道等。能进入矿井的水是充水水源,煤层开采充水水源主要有大气降水、地表水、老空水及地下水,其中地下水源中太原组薄层灰岩水及奥灰水是影响下组煤带压开采的主要充水水源。充水通道是各种水体进入采区形成涌水或突水的通道,包括地层的空隙、断裂带等自然形成的通道以及由顶板冒落带、底板突破通道、钻孔通道等构成的人为导水通道。其中的底板突破通道如煤层采动破坏带是影响带压开采的主要导水通道。
2.2.2 突水危险性评价
突水危险性评价包括两个含义:一是突水的可能性,二是突水后造成的危害性。
前者评价的理论和方法主要包括突水系数法、“下三带”理论、原位张裂与零位破坏理论、板模型理论、关键层理论、“四带”划分理论、神经网络法、多元信息融合法、脆弱性指数法。突水系数因写入相关规程而被现场广泛应用。然而该方法只考虑了底板隔水层厚度、承压水头压力等因素,并且突水系数是经验统计值,对含水层富水情况并未考虑在内,因此机械地应用突水系数评价底板突水危险性,准确率很难提高。
后者评价的方法主要以涌水量来评价。底板含水层涌水量的计算方法很多,如解析法、数值模拟法、Q—S曲线外推预测法、相关外推预测法、水均衡预测法、水文地质比拟预测法等,每种方法都有其适用条件,进行涌水量预测时可择优选用。
2.2.3 矿井防排水能力评价
最新《煤矿防治水规定》已对矿井防排水设施及能力做出了规定,是进行矿井防排水能力评价的主要依据。显然,矿井防排水能力评价的结果将直接影响带压开采的工程措施的选择。
2.2.4 开采水文地质条件综合评价
开采水文地质条件综合评价不仅需要考虑上述突水危险性评价和矿井防排水能力评价的结果,还应结合开采经济、环境影响等因素进行综合评价,从而为矿井开采决策提供全面的依据。
2.3 带压开采防治水技术措施
带压开采防治水技术措施主要包括防治水技术措施和开采技术措施。
2.3.1 防治水技术措施
综合分析国内各矿井采取的带压开采技术措施,主要包括疏水降压、底板隔水层加固与底板含水层改造、留设防水煤柱、防水闸门、加大排水能力以及底板防治水监测等措施。
2.3.2 开采技术措施
开采技术措施以控制底板破坏程度为目的的开采方法和开采工艺的选择,其措施有充填开采、条带开采、断壁开采、强制放顶、减小采厚、提高回采速度等。
3 带压开采理论及技术进展
自20世纪70年代起,对带压开采的研究就没有停止过,众多研究者从不同方面取得了不同的成果,近年来,随着煤炭工业的迅猛发展,受水威胁的煤炭资源的安全开采迫在眉睫,相应的带压开采理论与技术也有了较大的创新与发展,主要表现在以下几个方面: 3.1 对奥灰含水层认识的更新
以往地质的勘探成果无一例外地将奥灰含水层顶界面与奥灰岩层顶界面混为一谈,而近年来相关研究成果表明,二者在许多地段并不一致。奥灰含水层顶界面或低于或高于其岩层顶界面,这对正确确定隔水层厚度,评价带压开采和利用隔水层实现带压开采意义重大。
3.2 对底板破坏机理的研究
关于煤层底板破坏机理众说纷纭,但近来的研究者多趋向于完整底板原生裂隙在矿压、水压作用下扩张发育理论,研究的方向也多从宏观转向微观,更多地关注承压水对隔水层的侵蚀作用和隔水岩层在采动情况下的抵抗变形以及阻水能力。
3.3 评价技术的发展
《矿井水文地质规程》(1984)与《煤矿防治水条例》(1986)均提出了评价带压开采的相关公式与临界值,近期的《煤矿防治水规定》(2009)对其进行了相应修改,确定了突水系数评价方法,然而随着开采地质条件、开采方法及防治水技术水平的逐步提高,新的历史时期也应不断完善相应的带压开采评级方法,如对煤层底板隔水层厚度的确定、水压的区域分布等,从而计算出更符合矿井实际的评价方法。另外,煤科总院西安研究院提出的双系数法在实际应用中取得了不错的效果,如能进一步规范并完善各种条件下的岩层阻水系数测定与评价理论,双系数评价法将更加符合实际。
3.4 监测与探测技术装备
根据对矿井底板水害突水机理及主要控制因素的研究成果,利用突水信息原位采集技术、突水因素适时检测技术、突水因素远程监控技术、突水信息动态分布和人工智能判别技术,直接从矿井突水的前兆因素入手,借助现代化信息检测及数据传输、模式识别技术,通过适当的传感器直接监测前兆因素的各项参数变化,研究确定矿井突水的发生条件和预报方法,建立矿井水害自动监测预报预警系统,对突水前兆适时监控,实现矿井水害的临突预报。
监测方法是通过埋设在钻孔中的应力、应变、水温、水压传感器,監测工作面回采过程中相应数据的变化,利用专门的数据处理软件评价带压开采安全性。
参考文献
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[2] 李彩惠.带压开采防治水技术及研究方向[J].煤矿开采,2010,(92):47-49.
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[4] 曹耀丰.下组煤带压安全开采及防治水技术实践[J].山西焦煤科技,2005,(7):9-11.
[5] 沙雨勤,周保东.带压系数及突水系数在防治水中的应用[J].河北煤炭,2007,(4):21-22.
[6] 尹尚先,虎维岳,刘其声.承压含水层上采煤突水危险性评估研究[J].中国矿业大学学报,2008,37(3):311-315.
[7] 张文涛,许霞等.山西潞安集团蒲县黑龙煤业有限公司防治水中长期规划[R],河北邯郸:中国煤炭地质总局华盛水文地质勘察工程公司,2012.
作者简介
胡建青(1967-),男(汉族),河南陕县人,中国煤炭地质总局第二水文地质队。毕业于河南焦作矿业学院,高级工程师,主要从事水文地质、环境地质工作。