煤矿奥灰水带压开采水害探查及治理技术

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  [摘 要]依据《煤矿防治水规定》,通过对奥陶系灰岩地质钻孔数据资料的统计分析,采用突水系数法对5#煤层底板进行突水危险性评价和划分突水危险区域等级。矿井5#煤层补1-4钻孔突水系数Ts=0.089,划分为临界区,其余钻孔突水系数Ts<0.06,划分为相对安全区;实践出一套通过物探结合钻探的手段“开展超前探放水和底板注浆加固”的方法,对K2灰岩含水层水文地质条件展开探查、治理水害,实现了奥灰水承压区域煤层的安全回采。
  [关键词]奥灰水含水层;危险性评价;带压开采;突水系数;水害防治
  中图分类号:TD745 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2018)47-0397-03
  近几年,煤矿生产过程中奥灰水突水事故频发。奥灰水突水事故的特点是水压高、水量多、持续时间长、造成的危害大及难以预测等[1-3]。矿井进入深部开采时发生奥灰水水害的问题更加严峻,防治水工作的难度驟增[4-5]。研究矿井井田范围内煤层埋藏深度较深,5#煤底板下K2段含水层和奥灰含水层水压相对较高,其井田深部未进行过煤层开采,K2段含水层的静储量未经疏放,一旦揭露可能造成大量高压水喷出,从而造成井下采掘面发生水害事故。因此,对该矿奥灰水带压开采的危险性分析及寻求有效的井下水害治理技术尤为重要。
  1矿井概况
  研究矿井,设计生产能力0.60 Mt/a,水平标高+275 m,采用中央分列式通风方式,主采煤层为5#煤层。5#煤层底板标高+330~+160 m,全矿井处于奥灰水承压开采水位高程+371 m以下。矿井水文地质条件复杂,矿井瓦斯等级为低瓦斯矿井,煤尘具有爆炸危险性,为Ⅲ类不易自燃煤层。
  2 矿井水文地质
  2.1 矿井底板突水因素
  1)水压
  奥灰水水头压力高、富水性强,由于太原组下部隔水岩层不稳定,极有可能造成矿井底鼓突水[6]。
  2)含水层富水性
  矿区内奥灰水富水性强且具有明显的不均一性,当底板奥灰岩溶水富水性较好时,底板造成的突水可能性就大,突水量也会比较大。
  3)底板采动破坏深度
  根据澄合矿务局各矿多年观测资料显示[7],采动压力会使煤层底板产生新的裂隙,由于采动压力破坏产生的裂隙深度可达10 m以上。底板裂隙产生过程极易减弱隔水层的隔水强度,带压开采时其隔水性能会骤降,甚至在局部区域会出现隔水强度为零的情况。
  4)隔水层的厚度
  从5#煤底板至奥灰顶面隔水层来看,虽然厚度变化较大,但隔水层岩性自下而上为铝质泥岩、10#煤、K2灰岩、石英砂岩、粉砂岩及泥岩。该岩性组合软硬相间,交替叠加,而且上部为坚硬的石英砂岩、粉砂岩,具有较高的抗压强度,下部为铝质泥岩、泥岩等软岩层,虽然抗压强度较低但具有良好的隔水性能,为带压采煤创造了有利条件。
  5)地质构造
  矿区位于F1与F10两断层所形成的地垒构造部位,因构造带抗水压性能远小于完整岩层,矿井开采时的采动压力对底板的破坏大于正常岩层,种种综合作用导致奥灰水将在断裂带附近形成突破口,涌入矿坑。
  2.2 矿井水害致因因素
  1)顶板砂岩裂隙水害
  煤层开采后顶板冒裂带将直接揭露或沟通形成导水裂隙带范围内的含水层。由于含水层富水性不均匀且连通性较差,前期未进行疏放,所以在首采面回采时可能会出现较大涌水。
  2)K2灰岩底板水害
  底板K2灰岩高于工作面开采标高,5#煤属带压开采,由于5#煤底板与石英砂岩、K2灰岩之间无稳定可靠的隔水层,且5#煤层开采底板破坏已波及到K2灰岩含水层顶面,因而在回采过程中K2灰岩含水层构成了矿井正常涌水。
  3)奥灰含水层水害
  5#煤底板带距奥灰含水层约为35~60 m,奥灰含水层压力最大可达0.35 Mpa,局部奥灰含水层达到中等富水程度。奥灰岩层厚度大,区内断层较多,垂直导水性不明,因而在垂直导水构造影响下,将面临底板突水的威胁,所以底板奥灰含水层构成了5#煤层采掘最具威胁的充水含水层。
  4)构造突水
  对井田进行三维地震探测发现小断层14条,除DF10为逆断层外,其余均为正断层。矿区中深部详查阶段揭露的断层大多数无水,以及前期补充勘探的钻孔通过F1正断层,均无漏水现象。
  因此,以底板水害为主的带压区段在构造裂隙密集带、垂直导水构造发育的区段采掘直接揭露或导通奥灰水可能性极大。
  3 奥灰水防治技术
  目前,带压开采技术涵盖了“水文地质条件探查”、“水文地质条件评价”和“带压开采技术措施”三方面。带压开采常用的方法是煤层底板注浆加固与改造技术,但是对采深较大的矿井作业会增加非常大的治理难度[8-9]。采用物探、钻探等综合探查方法对研究矿井的含水层水文地质条件进行探查、验证5#煤底板隔水层薄弱段的富水性和潜在导水通道,并结合澄合矿务局董家河矿多年探索形成的一套煤层底板防治水的技术[10],采取物探结合钻探的手段开展的底板注浆加固和提前疏放泄压技术的防治水措施,为研究矿井安全生产提供保障。
  3.1水文地质条件探查
  1)物探
  运用地面三维地震探测查清井田主要构造,地面瞬变电测查清主要富水异常区,再利用井下直流电法探查井下富水性异常区和断裂构造区,为井下探查验证钻孔及工作面防治水工程提供依据。
  2)井下钻探、疏放水
  根据井下物探的探查成果进行井下底板超前钻探,进行K2、O2含水层水文地质条件探查。施工K2探查孔4个,奥灰探查孔4个,具体位置在水仓附近、505工作面底板和520工作面进行。开孔孔径为?244 mm,安装?168 mm孔口管,长度根据实际情况确定,固管后以?89 mm钻进至穿过K2含水层。各级套管下入后,按要求进行水泥封闭止水,安装高压阀门,井下打压实验,打压实验以压力不小于5 Mpa且持续时间30 min为合格。由钻探得出,单位涌水量一般为0.000647~0.0471 L/s.m,渗透系数0.00115~1.24 m/d。水质主要为CL·SO4·HCO3-Na·Mg型、SO4·CL-Na·Ca型及CO3·OHL-Na·Ca型,矿化度0.97~2.9 g/L。   3.2 矿井带压开采危险性评价
  带压开采危险性评价的方法以突水系数法为主[11]。《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》和《煤矿防治水规定》均有突水系数计算公式。相对而言,《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》计算出突水系数的安全性更高一些[12]。因此采用此标准的突水系数计算公式: ,
  式中:Ts—突水系数,MPa/m;
  P—隔水层承受的水压,MPa;
  M—底板隔水层厚度,m;
  Cp—扰动破坏厚度,m。
  对矿区承压开采的5#煤进行分区标准:
  相对安全区(Ts<0.06 MPa/m)
  临界区(Ts=0.06~0.10 MPa/m)
  危险区(Ts>0.10 MPa/m)
  通过表1可知,开采5#煤层时的突水系数基本上小于0.06 MPa/m,属于相对安全区,只是在矿区的西北部补1-4孔附近存在临界区,即突水系数在0.06~0.10 MPa/m之间,可以进行矿井带压开采。虽然本区突水系數基本上属于相对安全区,但未来矿井开采5#煤层时,仍存在突水的可能性,采掘生产过程中要采取相关技术措施,杜绝突水事故的发生。
  3.3 带压开采技术措施
  1)顶板疏放
  研究矿井5#煤层顶板的含水层未经开采扰动破坏时,其煤顶板含水层以静储量为主。在工作面正常生产时,顶板上覆含水层中的积水随着工作面回采顶板冒落直接通过采动裂隙进入工作面采空区,若顶板出水水量较大时影响采煤工作面的生产,应对上覆含水层水进行提前疏放。
  疏放钻孔布置在工作面煤层底板标高较低的向斜构造位置,或根据井下直流电法探查获得的顶板疑似富水区位置。设计钻孔结构及施工工序如下:
  一开:Φ159 mm钻进至10.5 m,或者Φ89 mm钻进至10.5 m后再Φ159 mm扩孔,下入不小于10 m的Φ146 mm套管;
  二开:Φ127 mm钻进至孔深25.5 m,下入25 m的Φ108 mm套管;
  三开:Φ89 mm钻进至终孔位置。孔口安装闸门,实现对顶板水可按地疏放。
  2)底板注浆加固
  底板注浆的目的在于利用水泥-粘土浆液对底板隔水层进行加固改造,隔断奥灰与k2的水力联系,以提高5#煤层底板隔水层的完整性和阻水能力,增加隔水层的厚度,杜绝奥灰水进入工作面,实现带压开采安全。在回采工作面采用常规回转钻技术布置钻场和钻孔,利用井下注浆管路对钻孔依次进行注浆。底板注浆加固的施工工艺如下:
  (1)分析与探查注浆工程的水文地质条件;
  (2)注浆方案设计;
  (3)建立注浆站;
  (4)施工注浆孔;
  (5)注浆系统试运转并对管路进行耐压试验;
  (6)钻孔冲洗与压水试验;
  (7)造浆、注浆;
  (8)观测与记录;
  (9)注浆结束;
  (10)封孔;
  (11)关闭孔口阀门、拆洗孔外管路及设备;
  (12)分析检查注浆效果。
  注浆钻孔根据工作面实际水文地质条件和物探结果确定,钻机采用MK-4型坑道钻机机械岩芯钻探,钻场规格:长×宽×高=4 m×4 m×3.5 m。为了保证高压注浆效果,在钻孔施工到下放相应级套管深度后,必须及时下放止水套管,并对管外进行水泥浆封闭,孔口管的深度应视5#煤层的风化破碎带的厚度而定,一般情况下均应下到完整岩层位置,终孔孔径Φ75 mm。固管结束后及时进行不小于5 Mpa的打压实验,合格后安装Φ125 mm耐5 Mpa的高压阀门。
  采用粘土-水泥混合浆液灌注,浆液浓度应先稀后浓、分级递进。初始浓度根据单位吸水量确定(见表2)。
  水泥用量按水灰比1:1比例制浆液后,掺入粘土浆中,其用量占粘土浆液的20%~30%配制。比重达到:1.17~1.21g/cm3。底板注浆结束标准:
  (1)结束压力:6~8MPa;
  (2)结束吸浆量:一般35L/min,越小越好。
  即达到结束压力时,吸浆量小于35L/min,稳定20~30min。注浆工作结束后,对注浆孔采用纯水泥浆液予以封闭,以防形成人为导水通道。
  4 注浆效果检验
  从目前已治理的部分区域来看,对底板富水区治理效果明显,隔水层得到有效加固。从图2可以看出,经过注浆加固后原来底板呈大片连通的的富
  水异常区已经被隔断成局部小块段,与底板下奥灰导通的裂隙带异常区也已被浆液充填加固,在电法探测中显示为高阻区。从后期钻孔验证情况和巷道出水观测,出水量均减少或不出水,证明底板注浆加固效果良好。
  5结论
  1)研究矿井局部区域为灰岩或粉砂岩,井下工作面采取常规回转钻技术布置钻场、钻孔,利用井下注浆管路对钻孔依次进行注浆。对底板富水区治理效果明显,隔水层得到有效加固;从后期钻孔验证情况和巷道出水观测,出水量均减少或不出水,证明底板注浆加固效果良好。
  2)查清井田K2灰岩的水文地质参数、富水性。结果表明:太原组K2灰岩、砂岩含水层富水性较弱,在现阶段采取进行煤层底板注浆加固的条件下,太原组含水层可改造成不含水或弱含水层;
  3)通过对矿井带压开采危险性评价,该矿井被划分为相对安全区和临界区,并采取了有效措施防范,为矿井后续安全生产提供防治水依据。
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