以奧陶系灰?guī)r頂部為工作層的帶壓開采防治水技術(shù)方法

姬中奎, 夏玉成

(1.西安科技大學(xué)，西安 710054； 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710054)

以奧陶系灰?guī)r頂部為工作層的帶壓開采防治水技術(shù)方法

姬中奎1,2, 夏玉成1

(1.西安科技大學(xué)，西安 710054； 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710054)

為解決桑樹坪煤礦11號煤帶壓開采底板隔水層厚度不足問題，研究了以奧陶系灰?guī)r頂部為工作層的防治水技術(shù)方法。分析了3105工作面帶壓開采的條件，論證了奧陶系灰?guī)r頂部工作層的必要性，研究了奧陶系灰?guī)r頂部的隔水性能，確定了工作層在奧陶系灰?guī)r中的深度，給出了工作層內(nèi)奧陶系灰?guī)r的探查治理方法，總結(jié)了3105工作面所實施的各項防治水工程。實踐證明，以奧陶系灰?guī)r頂部為工作層開展防治水后，工作面可安全回采。

奧陶系灰?guī)r含水層；頂板隔水性能；注漿工程；效果檢驗；桑樹坪煤礦

我國華北型煤田帶壓開采中深受底板奧陶系灰?guī)r水的危害，如峰峰礦區(qū)、焦作礦區(qū)、肥城礦區(qū)和淮北礦區(qū)等，奧陶系灰?guī)r水害一方面表現(xiàn)為通過上部的薄層灰?guī)r威脅煤層開采，另一方面表現(xiàn)為通過導(dǎo)水構(gòu)造如陷落柱、斷層直接威脅工作面安全。長期以來，底板奧陶系灰?guī)r水的防治工作多集中在煤層底板到奧陶系灰?guī)r頂界面之間，一種方法是對薄層灰?guī)r進(jìn)行底板改造[1-3]，另一種方法是治理煤層底板中的導(dǎo)水構(gòu)造[4-6]，以奧陶系灰?guī)r頂部為工作層、直接在奧陶系灰?guī)r中做工作的情形很少。近年來，隨著礦井采深的加大和防治水技術(shù)的發(fā)展，礦井需要并逐漸出現(xiàn)了以奧陶系灰?guī)r頂部為工作層的防治水技術(shù)方法，如冀中能源的邢邯礦區(qū)和峰峰礦區(qū)[7-9]。目前本方法總體上處于起步階段，整體技術(shù)還有待進(jìn)一步完善和提高，防治效果還有待多個礦區(qū)驗證。韓城礦區(qū)桑樹坪煤礦下組煤帶壓開采條件特殊，11號煤和奧陶系灰?guī)r之間的距離小，需將防治水工作深入至奧陶系灰?guī)r中、以奧陶系灰?guī)r頂部為工作層開展防治水。研究桑樹坪煤礦奧陶系灰?guī)r頂部工作層的防治水技術(shù)方法，對于豐富完善我國帶壓開采防治水技術(shù)體系具有重要的意義。

1 必要性分析

桑樹坪煤礦位于陜西省韓城礦區(qū)，主采山西組3號煤，年生產(chǎn)能力約為1.5 Mt。由于3號煤瓦斯含量高且存在突出現(xiàn)象，決定以3號煤底板的11號煤為解放層，先開采11號煤，然后再開采3號煤。根據(jù)采掘計劃，桑樹坪煤礦目前擬開采的11煤首采面為南一采區(qū)3105面。

1.1 礦井地質(zhì)與水文地質(zhì)

桑樹坪井田內(nèi)出露地層由老到新為：奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、峰峰組，石炭系上統(tǒng)本溪組、太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組及第四系。11號煤與上部煤層及下部奧陶系峰峰組的關(guān)系見圖1。

圖1 主要煤層地層關(guān)系簡易柱狀Figure 1 Main coal seams small correlation columns

井田主要含水層為第四系砂礫層孔隙潛水中等含水層組(H1)二疊系砂巖層裂隙承壓弱含水層組

(H2)、石炭系砂巖灰?guī)r裂隙承壓極弱含水層組(H3)及奧陶系石灰?guī)r層溶隙溶洞承壓強含水層組(H4)。奧陶系灰?guī)r含水層組(H4)上部為中統(tǒng)峰峰組二段和中統(tǒng)峰峰組一段。

1.2 南一采區(qū)11煤到奧陶系灰?guī)r間距

根據(jù)桑樹坪煤礦南一采區(qū)11號煤帶壓開采可行性研究[10]，11號煤南一采區(qū)共在井下施工了10個揭露奧陶系灰?guī)r的鉆孔，除T8孔開孔在奧陶系灰?guī)r不計外，其余各孔11煤至奧陶系灰?guī)r頂界面的間距為14.8～28.6m，平均為20.78m，距離偏小。

1.3 工作面帶壓開采條件

3105工作面尺寸為180m×713m，煤層采高2.60m，為仰斜上山開采。根據(jù)南一采區(qū)鉆孔資料采用插值法，可知3105工作面11煤到奧陶系灰?guī)r的間距為16.5～21.5m，且工作面中部大部分區(qū)域在16.5～18.0m。3105面煤層底板標(biāo)高為252～326m，奧陶系灰?guī)r水位為375m，工作面底板承受水壓為1.41～0.69MPa。根據(jù)鉆孔資料計算，工作面突水系數(shù)為Ts=0.035～0.078MPa/m(圖2)。11煤底板的巖性主要為砂礫巖及泥巖，無薄層灰?guī)r。3105工作面構(gòu)造簡單，11煤底板未發(fā)現(xiàn)有斷層及陷落柱，為較規(guī)則單斜構(gòu)造，煤層傾角較小，約為7°。

圖2 3105工作面奧陶系灰?guī)r水突水系數(shù)等值線Figure 2 Isoline of Ordovician limestone water bursting coefficients in working face No.3105

由于3105工作面的隔水層太薄，隔水層中沒有薄層灰?guī)r含水層，且多數(shù)區(qū)域隔水層厚度小于20m，局部突水系數(shù)大于0.06 MPa/m，因此雖3105工作面沒有發(fā)現(xiàn)構(gòu)造，但若要安全回采，僅僅依靠煤層底板和奧陶系灰?guī)r頂面之間的隔水層無法抵抗底板奧陶系灰?guī)r水的壓力。

1.4 奧陶系灰?guī)r水疏降可行性

桑樹坪煤礦奧陶系灰?guī)r富水性強，20世紀(jì)80年代建礦以來，井下掘進(jìn)揭露奧陶系灰?guī)r出水點常年涌水量達(dá)400m3/h以上，奧陶系灰?guī)r水位至今未見連續(xù)下降。2011年8月7日奧陶系灰?guī)r突水中，礦井突水量在約8 000 m3/h的情況下，礦井奧陶系灰?guī)r降深水位僅約35m[11]，證明其奧陶系灰?guī)r的富水性強，不具有可疏性，通過疏降工作來降低奧陶系灰?guī)r水水位的方法不可取。

在奧陶系灰?guī)r水不具有可疏性且煤層底板隔水層厚度不足的情況下，工作面要安全回采，必須要將防治水工作下延到奧陶系灰?guī)r之中，在奧陶系灰?guī)r頂部開展工作，之后才能進(jìn)行回采。

2 技術(shù)方法研究

2.1 奧陶系灰?guī)r頂部工作層防治水總體思路

奧陶系灰?guī)r與薄層灰?guī)r不同，奧陶系灰?guī)r沉積厚度大，但存在分層現(xiàn)象，總體富水性強但有不均一性，且個別層位有一定的隔水性，因此防治水改造不能也不可能采取薄層灰?guī)r全段注漿改造的方法。奧陶系灰?guī)r工作層防治水的思路為：首先確定奧陶系灰?guī)r頂部工作層的深度；其次研究工作層深度內(nèi)奧陶系灰?guī)r巖溶發(fā)育及隔水性能；第三，若發(fā)現(xiàn)工作層深度內(nèi)奧陶系灰?guī)r的巖溶不發(fā)育，隔水性能好，可以利用其作為隔水層，若工作層深度內(nèi)奧陶系灰?guī)r的巖溶發(fā)育，富水性強，則對其進(jìn)行注漿，將工作層深度內(nèi)奧陶系灰?guī)r改造為相對隔水層，然后再進(jìn)行回采。

2.2 奧陶系灰?guī)r頂部工作層層位深度

3105工作面是傾斜工作面，切眼在煤層底板最低處，標(biāo)高為252m，該處突水系數(shù)最大(0.078 MPa/m)。取切眼處煤層底板厚度為18m，要保證工作面安全回采，按突水系數(shù)Ts<0.06MPa/m計算，切眼處奧陶系灰?guī)r防治水工作層的厚度不小于6.6m?？紤]到工作面回采后底板有破壞，同時為保證安全厚度有一定富余量，取奧陶系灰?guī)r頂面工作層深度為15m。經(jīng)計算，此時切眼處突水系數(shù)最大，Ts=0.047MPa/m，小于0.06MPa/m，正常情況下可安全回采。

2.3 奧陶系灰?guī)r頂部巖層隔水性能

在桑樹坪煤礦南一采區(qū)11煤帶壓開采可行性研究鉆探過程中，10個鉆孔均為井下孔，且開孔位置低于奧陶系灰?guī)r水位標(biāo)高。施工中鉆孔進(jìn)入奧陶系灰?guī)r頂界面以下50.10～62.42m，所有鉆孔的最大涌水量為0.378m3/h，表明奧陶系灰?guī)r頂部的富水性較差。因鉆孔涌水量小，對鉆孔實施了壓水試驗，測試了奧陶系灰?guī)r巖層的透水率，測試中各鉆孔分為10～17段次進(jìn)行分段測試[10]，詳見表1。由表1可知，10個鉆孔中9個鉆孔透水率為0.06～0.88Lu，小于1Lu，按透水率分析各巖層包括奧陶系灰?guī)r頂部為極微-微透水。只有1個T10鉆孔在11煤與奧陶系灰?guī)r之間透水率最大為20.44Lu，在峰峰組二段中最大為13.5Lu，為中等透水，在峰峰組一段中最大為0.53Lu，為弱透水。以上鉆孔見水及壓水試驗表明，總體而言，桑樹坪煤礦南一采區(qū)(包括3105工作面)奧陶系灰?guī)r頂部0～62.42m段巖溶不發(fā)育，隔水性能較好。

表1 南一采區(qū)鉆孔壓水試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.4 3105工作面防治水技術(shù)方法

南一采區(qū)奧陶系灰?guī)r頂部0～62.42m段巖溶不發(fā)育，隔水性能較好。3105工作面在南一采區(qū)范圍內(nèi)，奧陶系灰?guī)r頂部工作層的深度只需15m，因此3105工作面防治水的總體技術(shù)路線是奧陶系灰?guī)r頂部隔水性能利用。在隔水性能利用過程中，因南一采區(qū)10個鉆孔的控制精度有限，工作面必須進(jìn)行獨立探查。探查中若工作層內(nèi)巖溶不發(fā)育、隔水性能好，工作面可以回采。若局部地段巖溶發(fā)育富水性強，還需對該段進(jìn)行注漿加固，之后才能生產(chǎn)。

3105工作面奧陶系灰?guī)r頂部工作層探查工程采用物探先行、鉆探為主的方法。根據(jù)現(xiàn)有鉆探技術(shù)，目前礦井近水平定向鉆探已日益成熟，該技術(shù)具有鉆孔深度大、可超前實施、鉆孔軌跡可靠可控、能順層平穿奧陶系灰?guī)r頂部、鉆孔有效段比例高等優(yōu)點，因此鉆探施工中可采用近水平定向鉆方法。

3 防治水工程實施

3.1 物探工程

根據(jù)桑樹坪礦南一采區(qū)3105工作面水文地質(zhì)條件及防治水工作評價[12]，工作面巷道掘進(jìn)前實施的物探工作有地面三維地震、地面瞬變電磁、井下直流電超前探、井下瞬變電磁超前及井下瞬變電測深，巷道掘進(jìn)后實施的物探工作有直流底板測深、音頻電透視及無線電坑透。地面三維地震和地面瞬變電磁未發(fā)現(xiàn)工作面內(nèi)有異常構(gòu)造和異常區(qū)；井下直流電超前探、井下瞬變電磁超前及井下瞬變電測深發(fā)現(xiàn)的低阻異常區(qū)已在掘進(jìn)中揭露，未有較大出水點；直流底板測深、音頻電透視及無線電坑透物探中在切眼處有一個相對重疊的異常區(qū)。

3.2 鉆探工程

根據(jù)工作面及附近采掘空間條件，鉆探探查工程中在3105工作面兩端有關(guān)巷道共布置5個鉆場，共施工了15個定向孔(表2)。鉆孔結(jié)構(gòu)一開孔徑φ193mm，套管φ168mm，長度15～20m，穿過開孔段破碎巖層；二開孔徑為φ153mm，套管φ127mm，長度30～35m，三開裸孔段孔徑為φ96mm。定向鉆鉆孔穩(wěn)斜段垂向上按不低于奧陶系灰?guī)r頂面以下15m控制，平面上各鉆孔水平間距按40m控制。施工中鉆孔實際深度在奧陶系灰?guī)r以下15～20m，鉆孔單孔深度為304～718m，鉆孔總進(jìn)尺7 424m，鉆孔軌跡實測平面圖詳見圖2。

表2 3105工作面定向鉆探工程匯總

定向鉆施工過程中，未發(fā)現(xiàn)一處有掉鉆、空推或快進(jìn)的現(xiàn)象，鉆孔最大出水為1-3孔，在孔深113 m處出水4.3 m3/h，多數(shù)鉆孔未發(fā)現(xiàn)出水現(xiàn)象，還有部分鉆孔水量非常小。由于鉆孔水量小，終孔后進(jìn)行了壓水試驗，試驗中鉆孔吸水量非常小，經(jīng)計算單位吸水率經(jīng)計算小于0.005 L/(min·m·m)。

對于掘進(jìn)后物探在切眼處發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)，在南一11煤下部回斜鉆場之間施工了定向鉆孔檢1孔，鉆孔52 m處出水約為3.2 m3/h，129 m處出水約為4.5 m3/h，終孔后壓水試驗中單位吸水率為0.001 78 L/(min·m·m)，表明該低阻異常區(qū)透水性弱富水性差。

圖3 3105工作面井下近水平定向鉆孔平面布置Figure 3 Underground nearly horizontal boreholes plan layout in working face No.3105

3.3 注漿工程

由于鉆孔揭露的水量小，壓水試驗中單位吸水率均小于0.005 L/min·m·m(0.5Lu)，達(dá)到了注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，因此3105工作面奧陶系灰?guī)r頂部工作層深度內(nèi)沒有進(jìn)行過大規(guī)模的注漿，只進(jìn)行了封孔注漿，在注漿壓力為3MPa的情況下，鉆孔總注漿量為50.5t。

15個定向鉆孔的鉆探、壓水及注漿情況表明，3105工作面底板奧陶系灰?guī)r頂界面以下15～20m處奧陶系灰?guī)r的巖溶不發(fā)育，隔水性能較好，可做為隔水層加以利用。

3.4 其他工作

為了確保工作面安全回采，根據(jù)3105工作面和南一采區(qū)特點，采前專門修建了排水系統(tǒng)。在南一280專用回風(fēng)巷及集中運輸巷之間修建了水倉，水倉容積2 000 m3，設(shè)置了潛水電泵，電泵排量為500 m3/h，并配備了遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，既可在井底中央水倉操作潛水電泵，也可在地面控制室對電泵實施操控。

4 效果檢驗

4.1 3105工作面回采驗證

3105工作面以奧陶系灰?guī)r頂部為工作層完成了相關(guān)物探、鉆探和注漿工作后進(jìn)行了推采，在含有部分生產(chǎn)用水的情況下，回采后最大涌水量未超過20 m3/h。這樣，在煤層底板距離奧陶系灰?guī)r頂界面僅17 m、最大突水系數(shù)為0.078 MPa/m情況下，3105工作面實現(xiàn)了安全回采。

4.2 其他工作面驗證情況

3105工作面安全回采后，相鄰3104工作面也采用了以奧陶系灰?guī)r頂部為工作層的防治水方法，具體實施的防治水工程與3105工作面類似，工作完成后也實現(xiàn)了安全回采。目前。桑樹坪煤礦其他工作面的奧陶系灰?guī)r防治水工作正在進(jìn)行之中。

5 結(jié)論

①對于受奧陶系灰?guī)r水害威脅且底板隔水層厚度不足的礦井，可采用以奧陶系灰?guī)r頂部為工作層的防治水技術(shù)方法。

②以奧陶系灰?guī)r頂部為工作層進(jìn)行防治水，首先要確定奧陶系灰?guī)r頂部工作層的深度，然后探查工作層深度內(nèi)奧陶系灰?guī)r的巖溶發(fā)育及隔水性能，若隔水性能好，可作為隔水層加以利用，若巖溶發(fā)育富水性強，則需要進(jìn)行注漿改造。

③奧陶系灰?guī)r頂部探查中采用物探先行、鉆探為主的方法，由于鉆孔軌跡可靠、鉆孔深度大、能充分揭露奧陶系灰?guī)r，鉆探中可采用井下近水平定向鉆。

④實踐證明，在奧陶系灰?guī)r頂部層位開展相關(guān)防治水工作后，工作面可以實現(xiàn)安全回采。

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StudyonWaterControlinMiningunderSafeWaterPressureofAquiferRegardingOrdovicianLimestoneTopasWorkingLayer

Ji Zhongkui1,2, Xia Yucheng1

(1.Xi’an University of Science and Technology, Xi’an, Shaanxi 710054; 2. Xi’an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xi’an 710054)

To solve the issue of watertight stratum thickness insufficient during the mining under safe aquifer water pressure of coal No.11 in the Sangshuping coalmine, put forward a water control means regarding the Ordovician limestone top as a working layer. Thus analyzed working face No.3105 mining under safe water pressure of aquifer condition, demonstrated the necessity of regarding Ordovician limestone top as a working layer. Then studied the watertight performance of Ordovician limestone top, determined the depth of working layer in Ordovician limestone, given out Ordovician limestone exploration and governing means within working layer, summarized working face No.3105 implemented various water control engineering. The practices have proved that water control regarding Ordovician limestone top as working layer, so that working face can be safely extracted.

Ordovician limestone aquifer; roof watertight performance; grouting engineering; effect test; Sangshuping coalmine

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.06

1674-1803(2017)11-0031-04

A

姬中奎(1970—)，男，陜西潼關(guān)人，工程碩士，研究員，從事礦井防治水工作。

2016-09-20

樊小舟