帶壓開采防治水技術(shù)保障體系建設(shè)

趙慶彪

(河北冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司,河北省邢臺市,054000)

★煤礦安全 ★

帶壓開采防治水技術(shù)保障體系建設(shè)

趙慶彪

(河北冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司,河北省邢臺市,054000)

實(shí)現(xiàn)安全帶壓開采是下組煤開采的關(guān)鍵技術(shù)問題?？偨Y(jié)了河北省南部礦區(qū)在長期的帶壓開采實(shí)踐中形成的防治水綜合配套技術(shù)保障體系,并指出了今后在下組煤帶壓開采中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

下組煤 帶壓開采 水害防治 技術(shù)保障體系 邯邢礦區(qū)

AbstractTo realize safe coal mining under water pressure of aquifer is an indispensable key technology for coal mining in seams below water bearing strata.This paper introduces the comprehensive technical guarantee system for water prevention and control in coal mining in such case in coal mine areas in the southern part of Hebei province.The paper also points out the key technical problems and issues that call for immediate solutions in coal mining under water pressure of aquifer in coal seams under water bearing strata.

Key wordscoal seams under water bearing strata,coal mining under water pressure of aquifer, mine water prevention and control,technical guarantee system,Handan-Xingtai coal mine area

河北省南部礦區(qū)下組煤的資源量近30億t,煤質(zhì)較好,經(jīng)洗選后是良好的工業(yè)用煤,但在開采時,會受奧灰水威脅。實(shí)踐證明,帶 (水)壓開采技術(shù)及其安全防范技術(shù)措施的綜合運(yùn)用是解放受奧灰水威脅下組煤的可行途徑。同時,建立防治水技術(shù)保障體系是實(shí)現(xiàn)安全帶壓開采的重要前提。

1 下組煤試采基本原則及防治水技術(shù)路線

1.1 下組煤開采條件概述

河北省南部邯邢礦區(qū)地處太行山東麓與華北盆地的接觸帶上,地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜。礦區(qū)地下奧灰水水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜,地下巖溶水十分豐富,巖溶陷落柱發(fā)育,煤系地層本身又有多層厚度不一的薄層灰?guī)r,屬典型的華北巖溶型煤田。

開發(fā)下組煤實(shí)行帶壓開采,其底板隔水防護(hù)層的厚度僅有25～40m,且構(gòu)造發(fā)育,因而面臨底部奧灰水直接突水威脅。同時下組煤主采9#煤層的頂板大青灰?guī)r、底板本溪灰?guī)r含水層往往通過構(gòu)造直接接受奧灰水的補(bǔ)給,惡化了9#煤層的開采條件。

因此,對底板巖溶水的有效防治,實(shí)現(xiàn)安全帶壓開采是下組煤開采的關(guān)鍵技術(shù)問題。深入研究、應(yīng)用先進(jìn)的礦井水害防治技術(shù),建立安全、可靠、高效的帶壓開采水害防治技術(shù)保障體系,是確保礦井下組煤安全帶壓開采的必要前提。

1.2 下組煤試采基本原則

根據(jù)全國長期帶壓開采的經(jīng)驗(yàn)及邯邢地區(qū)具體的水文地質(zhì)條件,目前各試采礦井均采取“預(yù)防為主,查治結(jié)合,注漿加固,帶壓開采”的基本原則對下組煤進(jìn)行開采。鑒于下組煤開采的高風(fēng)險(xiǎn)性,下組煤開采礦井必須設(shè)置好三道防線:

(1)力爭不出大水。要求井上、下注漿系統(tǒng)可靠,各項(xiàng)預(yù)防處理措施嚴(yán)密;

(2)出水不淹井。要求防排水系統(tǒng)可靠,原則上獨(dú)立建井,水閘門、墻隔離設(shè)施可靠;

(3)淹井不傷人。要求強(qiáng)大的防排水設(shè)施作為后盾,有可靠的預(yù)警系統(tǒng)和完善的應(yīng)急救援預(yù)案,保證人員逃生撤離時間。

1.3 帶壓開采防治水技術(shù)路線

根據(jù)帶壓開采條件和受水害威脅程度,確定采用的防治水技術(shù)路線為“普查找疑,有疑必探;預(yù)測預(yù)報(bào),先探后掘;注漿改造,先治后采;全程監(jiān)控,全面設(shè)防”,具體可以歸納為以下幾點(diǎn)。

(1)做好水文地質(zhì)條件勘察,建立可靠的分區(qū)隔離和防、排水系統(tǒng),是防治水工作的前提。

(2)通過地面三維地震、瞬變電磁等綜合勘探手段進(jìn)行科學(xué)普查,查明試采區(qū)基本的構(gòu)造形態(tài)及可能存在的含 (導(dǎo))水構(gòu)造異常區(qū)。

(3)對地面普查找出的異常區(qū),通過二次精細(xì)解釋及鉆探等手段進(jìn)行精細(xì)探查。并在此基礎(chǔ)上通過綜合分析進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)。

(4)采用物探、鉆探綜合探查手段進(jìn)行掘進(jìn)超前探測和工作面采前綜合探測。

(5)先治后采,對工作面底板潛伏導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)行注漿加固,對底板薄層灰?guī)r進(jìn)行注漿改造。

(6)利用鉆探工程,進(jìn)行水量、水壓、水溫“三量”測試,計(jì)算隔水層帶壓系數(shù)。

(7)在工作面回采過程中,對煤層底板破壞深度和突水征兆進(jìn)行全程動態(tài)監(jiān)測。

(8)建立可靠的預(yù)警系統(tǒng)和完善的應(yīng)急救援預(yù)案。

建立防治水技術(shù)保障體系就是要形成一套下組煤開采的水害預(yù)防、探測及治理的綜合配套技術(shù)集成,主要包括礦區(qū)、采區(qū)和工作面水文地質(zhì)條件探查配套技術(shù);帶壓開采的安全評價體系;工作面底板突水監(jiān)測和預(yù)報(bào)綜合配套技術(shù);底板注漿改造技術(shù)以及改進(jìn)開采工藝,減少底板破壞深度的綜合配套技術(shù)等。

2 水文地質(zhì)綜合探查技術(shù)

2.1 水文地質(zhì)條件綜合勘探

在研究和分析現(xiàn)有礦井水文地質(zhì)資料基礎(chǔ)上,有針對性的對大青灰?guī)r、本溪灰?guī)r及奧灰含水層進(jìn)行專門水文地質(zhì)勘探試驗(yàn),取得對大青、本灰和奧灰水文地質(zhì)條件的認(rèn)識,在做好水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探的基礎(chǔ)上,建立和完善了水文地質(zhì)觀測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了水情、水害的自動監(jiān)測。

2.2 采場井上、下綜合探查

下組煤開采防探水工作貫穿于整個開采過程,采取的方式必須地面與井下相結(jié)合,鉆探與物探相結(jié)合,探查與治理相結(jié)合。一般采用井上、下立體綜合勘探手段,堅(jiān)持“井下為主,地面為輔,物探為主,鉆探為輔,物探先行,鉆探驗(yàn)證”的勘探原則。物探方法的選擇主要考慮對“探查體識別與定位”的“敏感性”。探查實(shí)施要分階段有重點(diǎn)進(jìn)行,各個階段的具體任務(wù)各有側(cè)重。

(1)開掘前階段。該階段主要利用地面三維地震勘探及電法勘探,查明煤層基本賦存形態(tài)和構(gòu)造特征、含水層的富水區(qū)域或集中逕流帶,探查斷層、巖溶陷落柱的分布及其含導(dǎo)水性,圈定可疑區(qū)。

(2)巷道掘進(jìn)階段。該階段重點(diǎn)是采取超前綜合探測措施,先探后掘。對掘進(jìn)前方、上下及其兩幫附近有無斷層及導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)行重點(diǎn)探測。具體探測方法一般利用直流電法進(jìn)行超前探測,兩幫側(cè)前方利用底板超前鉆探進(jìn)行探測。

(3)工作面回采前階段。利用無線電坑透儀對工作面內(nèi)部進(jìn)行探測,確定工作面內(nèi)部構(gòu)造。利用音頻電透視、瞬變電磁探測工作面內(nèi)部及其底板隔水層富水性及隱伏含水構(gòu)造,并結(jié)合直流電測對底板探測的成果,研究確定奧灰水、本灰水原始導(dǎo)高。通過對以上探測成果的綜合研究,提出對工作面底板構(gòu)造及其富水性的評價,并圈定出可能發(fā)生的突水危險(xiǎn)區(qū)。

3 底板注漿改造技術(shù)

隔水層的完整性和足夠的阻水性能是實(shí)現(xiàn)安全帶壓開采的必要條件,但由于受沉積條件及構(gòu)造破壞的影響,個別井田較為富水,對9#煤層的開采直接造成威脅。因此,必須通過對底板注漿加固與改造,達(dá)到加固隔水層,改造本溪灰?guī)r為隔水層的雙重防治水目的。

3.1 葛泉礦9#煤層底板注漿改造技術(shù)

邢臺礦區(qū)葛泉礦9#煤層開采水文地質(zhì)條件表現(xiàn)出“一薄、二強(qiáng)、三高”的特點(diǎn):“一薄”是本溪灰?guī)r與奧灰之間隔水層薄,只有8～16m;“二強(qiáng)”是奧灰?guī)r溶發(fā)育,富水性極強(qiáng);本灰?guī)r厚度較大 (平均9m)、巖溶裂隙發(fā)育、與奧灰?guī)r溶之間存在水力聯(lián)系,富水性較強(qiáng);“三高”是奧灰?guī)r水壓高、本灰?guī)r導(dǎo)升高 (局部到9#煤層底板)、突水系數(shù)高。必須通過改造本溪灰?guī)r含水層為相對隔水層,才能實(shí)現(xiàn)安全帶壓回采。具體措施:

(1)注漿封堵工作面底板隱伏導(dǎo)水裂隙帶,加固煤層底板有效隔水層段,補(bǔ)強(qiáng)其阻水性能;

(2)對本溪灰?guī)r含水層進(jìn)行全面注漿改造,將其改造為相對隔水層。

3.2 東龐礦9#煤層底板預(yù)注漿加固

邢臺礦區(qū)東龐礦9#煤層底板隔水層特點(diǎn)是以泥質(zhì)粉砂巖軟性巖層為主,高強(qiáng)度脆性巖層灰?guī)r為輔;本灰?guī)r薄,只有1～2m,富水性差;整個巖層可注漿性差。針對這些特點(diǎn)主要采取措施:

(1)對于較淺部工作面,只對隔水層變薄帶、構(gòu)造破壞帶、物探異常區(qū)、本灰?guī)r富水區(qū)等薄弱帶進(jìn)行局部注漿加固,注漿層位為底板破壞深度以下至奧灰頂部以上5m。

(2)對于井田深部隔水層厚度相對不夠的工作面,為確保隔水層的厚度和強(qiáng)度,保證突水系數(shù)不超過礦井防治水相關(guān)規(guī)定,注漿層段適當(dāng)下移至奧灰?guī)r頂部風(fēng)化殼 (一般20～30m)。目前已開始這方面的試驗(yàn)研究。

4 建立科學(xué)的帶壓開采安全評價體系

4.1 底板隔水層阻水性能量化研究

對底板隔水層阻水性能研究的方法主要有:應(yīng)用巖石學(xué)理論研究煤層底板隔水層厚度、組合及強(qiáng)度變化規(guī)律;應(yīng)用隨機(jī)場理論研究隔水層中導(dǎo)高的分布規(guī)律;應(yīng)用鉆孔注水試驗(yàn)測試隔水層帶壓系數(shù)。

在東龐礦的9103試采工作面首次進(jìn)行了底板隔水層阻水能力試驗(yàn)與量化研究。首先利用底板測試鉆孔,在其施工過程中測試水壓、水量和水溫?cái)?shù)據(jù),即“三量測試”。然后對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,計(jì)算出不同層段的帶壓系數(shù),評價底板隔水層阻水性能。根據(jù)顯水帶、導(dǎo)水帶及阻水儲備帶 (導(dǎo)高帶至底板破壞帶之間)相對9#煤層在空間上的賦存狀況,總結(jié)出了6種帶壓開采判別模型,針對不同模型,可采取直接帶壓開采、預(yù)注漿加固、留設(shè)防水煤柱等不同措施。

4.2 底板破壞規(guī)律及強(qiáng)度研究

多年來,通過底板鉆孔注水試驗(yàn),底板水壓、水溫、應(yīng)力、應(yīng)變自動動態(tài)監(jiān)測及計(jì)算機(jī)模擬手段針對下組煤的不同采煤方法、不同開采規(guī)模、不同的采面設(shè)計(jì)參數(shù)及開采條件 (采深、工作面長度及孤島工作面)工作面的采動底板破壞規(guī)律及強(qiáng)度進(jìn)行了一系列的探測和研究,掌握了影響底板破壞的相關(guān)因素以及底板巖層應(yīng)力分布規(guī)律和底板擾動破壞特征。

4.3 帶壓開采安全性評價方法

帶壓開采的安全性評價主要利用突水系數(shù)法進(jìn)行區(qū)域宏觀評估,對具體采場主要通過計(jì)算隔水層不同層段的帶壓系數(shù),評價底板隔水層阻水性能。利用“五圖雙系數(shù)法”評價帶壓開采的安全性。

由于底板突水是一種多因素影響的動態(tài)水文地質(zhì)現(xiàn)象,原有的預(yù)測模式難以克服因簡化條件及人為經(jīng)驗(yàn)因素的影響,而給出合乎實(shí)際的數(shù)學(xué)結(jié)果。為此,2006年在章村礦利用地理信息系統(tǒng) (GIS)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (ANN)耦合技術(shù)開展了9#煤層底板脆弱性安全評價研究和突水脆弱性分區(qū)評價研究,完成了影響煤層底板突水的主控因素分析,對煤層底板突水脆弱性進(jìn)行了定量區(qū)劃,并提出了相應(yīng)的防治水對策。經(jīng)過對比分析,預(yù)測效果比較符合現(xiàn)場實(shí)際。

5 防治水技術(shù)保障體系的建立

5.1 底板突水監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究

引起煤層底板突水的因素是極其復(fù)雜的。三十多年來,通過對煤層底板突水機(jī)理研究,人們認(rèn)為,影響煤層底板突水的基本因素可以用若干物理、力學(xué)指標(biāo)來表征,如底板應(yīng)力、應(yīng)變、地溫、孔隙水壓力等。這四項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)能夠比較真實(shí)可靠地反映煤層底板突水現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展過程。底板原位測試具有地應(yīng)力普查和采前突水預(yù)測的特點(diǎn);突水前兆實(shí)時監(jiān)測具有實(shí)時動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢,二者結(jié)合起來形成煤層底板突水預(yù)測預(yù)報(bào)配套技術(shù),在東龐礦9103工作面及葛泉礦1192工作面帶壓開采實(shí)踐中,發(fā)揮出綜合優(yōu)勢,取得了較好效果。

5.2 建立可靠的技術(shù)裝備保障系統(tǒng)

技術(shù)裝備支撐系統(tǒng)包括排水系統(tǒng)、鉆探注漿能力、綜合物探、水位遙測、水情水害監(jiān)測系統(tǒng)、水害預(yù)警系統(tǒng)、水化學(xué)實(shí)驗(yàn)室及突水水源快速判別系統(tǒng)、礦區(qū)水文地質(zhì)信息管理系統(tǒng)等,是滿足礦區(qū)水文地質(zhì)保障體系運(yùn)行的硬件支撐。其中建立強(qiáng)大的抗災(zāi)排水系統(tǒng)、可靠的分組分區(qū)水閘門 (墻)隔離系統(tǒng)是前提,具備可靠的井上下注漿系統(tǒng)和綜合物、鉆探能力是滿足防治水工作的基本條件。

5.3 建全完善的安全保障管理體系

礦井防治水工作是一項(xiàng)極其復(fù)雜的牽涉到多學(xué)科多領(lǐng)域多部門的系統(tǒng)工程,必須嚴(yán)格管理,建立、健全完整的防治水管理體系。主要包括防治水機(jī)構(gòu)的設(shè)置及相關(guān)責(zé)任制;防治水工作的標(biāo)準(zhǔn)化、制度化及程序化管理;防治水工作綜合評價體系及應(yīng)急救援管理等。要根據(jù)確定的防治水技術(shù)路線,從設(shè)計(jì)、評價、驗(yàn)收等方面制定嚴(yán)密的礦井防治水管理程序,對有突水威脅的工作面,必須嚴(yán)格按程序?qū)徟?上一階段工作未完,不準(zhǔn)進(jìn)入下一階段,工作面防治水工作未驗(yàn)收,不準(zhǔn)開采。這些制度的建立與實(shí)施,保證了礦井防治水安全保障體系的高效、安全運(yùn)行。

6 防治水技術(shù)保障體系研究展望

根據(jù)目前下組煤帶壓開采對水害安全保障技術(shù)的基本要求,今后水害防治急需解決的關(guān)鍵技術(shù)有:

(1)加強(qiáng)對新的采礦條件下工作面底板水突水機(jī)理的研究,特別要加強(qiáng)在大采深、高水壓、高應(yīng)力條件下煤層底板水的突出機(jī)理和控制因素研究。

(2)完善和發(fā)展帶壓開采安全評價技術(shù)體系。面對深部煤炭資源開采中帶壓開采評價技術(shù)的挑戰(zhàn),應(yīng)該在完善雙系數(shù) (突水系數(shù)和帶壓系數(shù))技術(shù)的基礎(chǔ)上,在帶壓安全開采可靠性分析、底板隔水層阻水能力的量化研究、三維地質(zhì)建模技術(shù)及其可視化等方面發(fā)展帶壓開采安全評價技術(shù)。

(3)鑒于物探技術(shù)的可靠性、準(zhǔn)確性所限,今后要進(jìn)一步加強(qiáng)采場綜合探測技術(shù)研究。重點(diǎn)解決多方位超前物探探測技術(shù)、底板原始導(dǎo)高物探探測技術(shù)、隱伏陷落柱綜合探測技術(shù)、三維地震精細(xì)解釋技術(shù)、工作面內(nèi)部底板隱伏構(gòu)造及其含水性綜合探測技術(shù)和井下高承壓安全鉆進(jìn)技術(shù)等。

[1]煤炭科學(xué)研究總院北京開采所編.地下開采現(xiàn)代技術(shù)理論與實(shí)踐新進(jìn)展 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社, 2007

[2]虎維岳.礦山水害防治理論與方法 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2005

[3]趙鐵錘等.全國煤礦典型水害案例與防治技術(shù) [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2007

(責(zé)任編輯 張毅玲)

Construction of technical guarantee system for water prevention and control in coal mining under safe water pressure of aquifer

Zhao Qingbiao
(Hebei Jizhong Energy Group Co Ltd,Xingtai,Hebei province 054000,China)

TD745

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趙慶彪 (1956-),男,遼寧海城人,工學(xué)博士,正高級工程師,現(xiàn)任冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司總工程師,長期從事煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)管理工作。