賀西礦底抽巷放水試驗(yàn)及礦井防治水技術(shù)探討

·試驗(yàn)研究·

從事水文地質(zhì)工作，(E-mail)sxjmzyb@163.com

賀西礦底抽巷放水試驗(yàn)及礦井防治水技術(shù)探討

劉德旺1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083;2.山西焦煤集團(tuán)公司，山西太原030024)

摘要為查明賀西礦山西組4`#煤層開采受底板高承壓太灰含水層的威脅，基于地下水徑流理論，對(duì)太灰含水層進(jìn)行了單孔放水試驗(yàn)，得出4`#煤底板太灰含水層的富水性和補(bǔ)給排泄條件。結(jié)果表明，太灰含水層巖溶發(fā)育且存在一定程度的不均一性，富水性差，地下水徑流不暢，且地下水交替和循環(huán)條件滯緩，但有較高的水位，位于3`#、4`#煤層之上，有一定的危險(xiǎn)性。在此基礎(chǔ)上提出了該礦深部開采以疏水降壓為主、注漿為輔的底板防治水技術(shù)措施，為保障山西組4`#煤安全開采提供了合理依據(jù)。

關(guān)鍵詞深部開采；單孔放水試驗(yàn)；太灰水；防治水

收稿日期：2014-12-13

作者簡(jiǎn)介：劉德旺(1972—)，男，山西平遙人，1996年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，2012級(jí)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)在讀碩士研究生，高級(jí)工程師，主要

中圖分類號(hào)：TD745

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)01-0004-04

AbstractIn order to find out the threat of No.4 coal seam mining by high pressure the Archaean era limestone aquifer in Shanxi formation of Hexi coal mine, bases on the theory of groundwater flow, single hole drainage experiment on the Archaean era limestone aquifer is carried out, obtains the water abundance and the replenishment and drainage conditions of the Archaean era limestone aquifer in No.4 coal seam floor. The results show that the Archaean era limestone aquifer karst development has a certain degree of heterogeneity and the water abundance is poor, groundwater flow is slow, groundwater and cycling conditions are attenuate, but there is a high water level of which is above the coal seam of No.3 and No.4, there is a certain danger. On the basis puts forward the technical measures of floor water prevention and control, it provides the reasonable basis for guarantee safe mining of Shanxi formation No.4 coal seam.

賀西礦是山西焦煤汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司的生產(chǎn)礦井，位于山西省河?xùn)|煤田中段，離柳礦區(qū)西南部，離柳林縣城12 km左右，礦區(qū)面積18.909 km2，屬帶壓開采礦井。該礦主采二疊系山西組 3#、4#煤層，基本構(gòu)造形態(tài)為一走向北西、傾向南西的單斜構(gòu)造。隨著礦井開采深度的增加，4#煤層底板承受水壓加大，工作面底板最大承受水壓為0.48～4.28 MPa，相應(yīng)突水系數(shù)為0.017～0.151 MPa/m，井田內(nèi)部分區(qū)域突水系數(shù)大于安全開采的臨界值，當(dāng)太灰水在遇到陷落柱以及其他地質(zhì)構(gòu)造與工作面導(dǎo)通時(shí)，有可能隨采掘活動(dòng)擾動(dòng)進(jìn)入工作面。同時(shí)，奧陶系灰?guī)r水也存在通過(guò)大的導(dǎo)水構(gòu)造(如隱伏陷落柱、基底斷裂等)突破煤層底板進(jìn)入采場(chǎng)的可能。按照《煤礦防治水規(guī)定》，該礦需進(jìn)行井下放水試驗(yàn)或水文地質(zhì)勘探試驗(yàn)。井下放水試驗(yàn)是水文地質(zhì)工作中應(yīng)用最多的方法。

1礦區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)背景

井田位于鄂爾多斯盆地東緣，河?xùn)|煤田中段，新生界松散層所覆蓋于各時(shí)代基巖之上，經(jīng)鉆孔揭露地層有奧陶系、 石炭系、 二疊系、 第三和第四系，地層厚度>1 500 m. 該礦處于王家會(huì)背斜西翼，基本構(gòu)造形態(tài)為一走向北西，傾向南西的單斜構(gòu)造，地層傾角一般在 3°～11°，受構(gòu)造影響局部?jī)A角變化較大。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際揭露可知，井田內(nèi)小斷層較發(fā)育，其規(guī)模不大，均為小的正斷層，一般走向北北西、北西西，落差0.4～4 m，一般2 m左右。井下僅發(fā)現(xiàn)1條較大的切穿4#煤層的正斷層，落差9 m，走向北北西，傾向南西西，傾角36°.井下還發(fā)現(xiàn)小型褶曲，走向與地層傾向一致，起伏不大，延伸較短。層間小斷層、小型褶曲發(fā)育部位，常易形成煤層的局部增厚變薄，對(duì)開采造成一定的困難。

該礦礦井水文地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，礦井主要的直接充水水源為山西組、石盒子組砂巖水和3#煤采空區(qū)積水。間接充水水源為奧陶系灰?guī)r水、太原組灰?guī)r水、地表水。4#煤安全開采存在較大威脅的含水層主要有：煤系砂巖裂隙水含水層組、太灰?guī)r溶水含水層組和奧灰?guī)r溶水含水層組。該礦位于太灰地下水的徑流區(qū)內(nèi)，4#煤上下砂巖裂隙含水層是開采4#煤層時(shí)礦井直接充水含水層。主要含水層為L(zhǎng)1～L5薄層石灰?guī)r，單層厚度2～10 m，累計(jì)厚度30 m左右。該含水層富水性差，地下水徑流不通暢，循環(huán)條件緩滯，但有較高的水位，位于3#、4#煤層之上，所以，開采4#煤層的間接含水層，有一定的危險(xiǎn)性。

2放水試驗(yàn)

結(jié)合賀西礦的實(shí)際水文地質(zhì)條件， 并為今后三采深部高承壓水上的安全開采防治水方案的制定做準(zhǔn)備，需進(jìn)行放水試驗(yàn)。

2.1 放水孔與觀測(cè)孔布設(shè)

為了控制巷道放水期間的地下水流場(chǎng)形態(tài)特征，在314底抽巷平臺(tái)施工3個(gè)孔，在軌道巷施工3個(gè)孔，共施工6個(gè)孔，并利用礦井原有的3個(gè)觀測(cè)孔，共計(jì)9個(gè)孔。鑒于4#煤層底板太灰含水層富水性不均一性，利用地球物理探測(cè)技術(shù)劃分富水區(qū)域，選擇鉆孔。

2.2放水試驗(yàn)

本次單孔放水試驗(yàn)采用一次降深的非穩(wěn)定流觀測(cè)的方法。為保證放水試驗(yàn)安全，協(xié)調(diào)了放水試驗(yàn)時(shí)間、排水能力、瓦斯檢測(cè)等工作。規(guī)定放水延續(xù)時(shí)間不少于36～73.5 h，穩(wěn)定時(shí)間不小于8～23 h，滿足規(guī)范放水延續(xù)時(shí)間不少于24 h，穩(wěn)定時(shí)間不小于8 h.每個(gè)鉆孔放水過(guò)程中進(jìn)行流量觀測(cè)，每次觀測(cè)時(shí)間為：1 min、2 min、5 min、10 min、20 min、30 min，以后每隔30 min觀測(cè)一次，采用堰箱觀測(cè)流量，讀數(shù)到毫米。流量誤差標(biāo)準(zhǔn)按《煤炭資源地質(zhì)勘探抽水試驗(yàn)規(guī)程》(煤地字638號(hào)，1980年6月)執(zhí)行，即流量應(yīng)保持常量，單位涌水量小于0.1 L/s·m，誤差不大于5%.本次放水9個(gè)鉆孔，相對(duì)誤差0～5%，平均1.68%，滿足規(guī)范要求。每次放水前均進(jìn)行靜水壓(位)的觀測(cè)，放水結(jié)束進(jìn)行恢復(fù)水壓(位)的觀測(cè)。觀測(cè)精度為0.001 MPa(cm).為了進(jìn)行放水水質(zhì)監(jiān)測(cè)，9個(gè)放水孔分別在放水試驗(yàn)臨近結(jié)束前，在出水管口采取有代表性的水樣進(jìn)行全分析。取樣采用塑料桶，取樣時(shí)用所取水樣沖洗塑料桶和桶蓋3次以上，每個(gè)水樣5 L，并及時(shí)封存、標(biāo)識(shí)清晰。按照設(shè)計(jì)要求，對(duì)照有關(guān)規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各次放水試驗(yàn)進(jìn)行了綜合評(píng)級(jí)驗(yàn)收，完成單孔放水試驗(yàn)，單孔放水試驗(yàn)合格9次，合格率100%.放水孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1.

表1　放水孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3放水試驗(yàn)結(jié)果分析

本次共進(jìn)行了9個(gè)鉆孔的單孔放水試驗(yàn)，其中利用了3個(gè)原有井下鉆孔(G1、 G2、 G3).

3.1初始和穩(wěn)定涌水量

普洱市地處低緯度、高海拔地區(qū)，茶樹具有萌發(fā)較早、采摘期長(zhǎng)、芽葉肥壯等特點(diǎn)。普洱市旅游環(huán)線內(nèi)森林覆蓋率達(dá)94.5%，內(nèi)有植物2014種，其中有藥用植物野砂仁，花卉植物山海棠、蘭花等，被稱為“天然花園”。溫度較為適宜，降雨量充沛，這使得普洱擁有怡人的康樂(lè)氣候。旅游環(huán)線內(nèi)水體資源，融“山、林、水、人”四大主題為一體，呈現(xiàn)出不同的水體形態(tài)。由于區(qū)內(nèi)熱量豐富，氣候濕潤(rùn)，森林茂密，食物豐富，為野生動(dòng)物的生息繁衍提供了十分優(yōu)越的環(huán)境條件。普洱市擁有35個(gè)少數(shù)民族，不同民族，以茶待客、以茶聯(lián)姻等，把茶文化發(fā)揮得淋漓盡致，成為一種文化標(biāo)桿。

鉆孔的初始最大涌水量差別較大，其中G1和 GC2孔最大，分別為40.4 m3/h 和30.7 m3/h，一般15 m3/h左右，G3孔最小僅0.288 m3/h.

穩(wěn)定涌水量一般為3～5 m3/h，GC3孔最大達(dá)7.3 m3/h，G3孔最小僅0.14 m3/h.

初始最大涌水量 與穩(wěn)定涌水量的差異較大，其中G1孔的瞬時(shí)最大涌水量是穩(wěn)定涌水量的10.6倍，一般鉆孔為3.9倍。說(shuō)明井田內(nèi)揭露太灰的初見(jiàn)水量將遠(yuǎn)大于穩(wěn)定水量，因此，在設(shè)防時(shí)必須考慮這一因素。

9個(gè)放水孔的Q-t曲線見(jiàn)圖1～圖9. 從圖1～9可以看出，水量的衰減幅度較大，初始水量和穩(wěn)定水量相差較大。

圖1　JF1孔Q-t曲線圖

圖2　JF2孔Q-t曲線圖

圖3　JF3孔Q-t曲線圖

圖4　G1孔Q-t曲線圖

圖5　G2孔Q-t曲線圖

圖6　G3孔Q-t曲線圖

圖7　GC1孔Q-t曲線圖

圖8　GC2孔Q-t曲線圖

圖9　GC3孔Q-t曲線圖

3.2單位涌水量

本井田先后施工了9個(gè)水文鉆孔，其中4個(gè)鉆孔進(jìn)行了穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，取得了滲透系數(shù)資料:0.010 13～0.000 2474 m/d，平均0.003 479 m/d,另有5個(gè)鉆孔進(jìn)行了單孔放水試驗(yàn)，合計(jì)取得了9個(gè)井上下鉆孔的太灰含水層單位涌水量觀測(cè)資料。

由于各次施工的鉆孔孔徑和降深有較大的差異，需要計(jì)算為91 mm口徑的單位涌水量，單位涌水量0.018 22～0.000 065 77 L/s·m，平均 0.004 24 L/s·m.

1) 太灰含水層單位涌水量較小，屬于弱富水的含水層。

2) 含水層的富水性差別極大，最大單位涌水量高出最小單位涌水量達(dá)277倍之多。

44#煤帶壓開采的防治水技術(shù)措施及探討

通過(guò)放水試驗(yàn)中的水位、水量觀測(cè)資料分析，認(rèn)為礦區(qū)太灰含水層 L1～L5 具有弱富水、高承壓的特點(diǎn)，水文地質(zhì)參數(shù)存在非均一性，但其靜儲(chǔ)量較小，側(cè)向補(bǔ)給強(qiáng)度有限，因此，區(qū)域內(nèi)太灰含水層是可疏降的，4#煤層開采的防治水技術(shù)措施是結(jié)合物探方法以疏水降壓為主，輔以底板注漿加固。

1) 工作面疏水降壓。工作面采取預(yù)先疏降作為賀西礦深部帶壓開采的重要防治水措施，主要是在受太灰底板水害威脅較大的開采區(qū)域經(jīng)濟(jì)合理疏降太灰水頭，確保帶壓系數(shù)在煤層底板可承受的范圍內(nèi)。根據(jù)以往帶壓開采經(jīng)驗(yàn)，礦區(qū)臨界突水系數(shù)為 0.06 MPa/m，放水試驗(yàn)放水孔及其附近觀測(cè)孔水位已達(dá)到安全水頭之下，疏水鉆孔布置應(yīng)在采區(qū)主要巷道中布置。在采區(qū)巷道掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行物探，查找太灰富水異常區(qū)，并用鉆探驗(yàn)證。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇水量較大且排水較方便的鉆孔作為疏水孔進(jìn)行保留。通過(guò)水量預(yù)測(cè)，合理地布置疏放水孔并進(jìn)行疏放水孔設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)疏放孔的最優(yōu)化布置，以達(dá)到最有效、最經(jīng)濟(jì)的疏降效果。

2) 底板注漿加固。底板注漿加固措施作為帶壓開采的輔助方法配合使用，當(dāng)疏干降壓工程不能完全滿足礦井生產(chǎn)的需要(如安全保證、環(huán)境影響等)時(shí)，可在疏干降壓的同時(shí)，在底板富水異常區(qū)或裂隙發(fā)育帶輔助采用底板注漿加固的技術(shù)措施，以提高煤層底板巖層的強(qiáng)度和隔水性能，確保賀西礦深部高承壓水上安全開采。為達(dá)到最佳效果，在注漿改造前可采用瞬變電磁勘探、直流電法或其他物探手段進(jìn)行工作面底板富水性異常區(qū)的探查工作，為合理布置注漿工程提供依據(jù)。

3) 需針對(duì)隱伏陷落柱、大斷層進(jìn)行地面、井下全方位探查。對(duì)井田中西部生產(chǎn)未揭露的地區(qū)進(jìn)行地面三維地震探查，對(duì)補(bǔ)充勘探中查出的疑似構(gòu)造進(jìn)行進(jìn)一步精細(xì)探查，提高物探、鉆探技術(shù)水平，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)東部臨近金家莊礦的工作面巷道嚴(yán)格執(zhí)行“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，有疑必探，先探后掘，先治后采” 的方針，提高物探方法在超前探測(cè)中的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)作用。

4) 井田內(nèi)以前的地質(zhì)孔、水文孔部分可能已被破壞或者出現(xiàn)封孔質(zhì)量問(wèn)題，可能會(huì)形成聯(lián)系奧灰與太灰含水層的人為導(dǎo)水通道，可進(jìn)行專項(xiàng)排查治理。

參考文獻(xiàn)

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Discussion on Drainage Experiment of Bottom Drainage Roadway and

Water Prevention and Control Technology in Hexi Coal Mine

LIU Dewang

Key wordsDeep mining; Single hole drainage experiment; Limestone water in Taiyuan formation; Water prevention and control

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