突出煤層附近小型巖溶構(gòu)造的危害及治理方法

景瑞旭，武俊文，王向東

(華晉焦煤有限責(zé)任公司， 山西 呂梁 033000)

巖溶構(gòu)造是不斷流動(dòng)著的地表水、地下水與可溶巖相互作用的產(chǎn)物，在煤礦主要表現(xiàn)為溶隙、溶孔、溶洞和陷落柱等。隨著煤礦開采深度的加大,地質(zhì)水文條件越來越復(fù)雜，當(dāng)采掘活動(dòng)與這些溶洞和陷落柱溝通時(shí),往往會(huì)造成礦井突水事故，在巖溶和突出煤層共同作用時(shí)，則會(huì)發(fā)生水與瓦斯混合涌出事故。本文以河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)沙曲礦井為研究對(duì)象，探討小型巖溶構(gòu)造的危害和治理方法。

1 概 況

沙曲礦地層呈緩傾斜的單斜構(gòu)造，礦井石炭系太原組中段L1-L5等灰?guī)r為主要含水層，灰?guī)r單層厚度2～10 m，累計(jì)厚度20～30 m. 本組灰?guī)r出露范圍小，巖溶、裂隙時(shí)有發(fā)育，巖溶以溶隙、小溶孔為主，部分被方解石充填，富水性較弱。井田東緣淺埋區(qū)一帶巖溶發(fā)育，呈蜂窩狀，連通性好，接受補(bǔ)給容易，富水中等。由于巖溶、裂隙發(fā)育的不均一性，富水性在不同地點(diǎn)差異較大。

1.1 煤層和開掘情況

該礦井含煤地層為山西組和太原組，共含煤17層，其中1—5號(hào)位于山西組，6—11號(hào)位于太原組。山西組可采煤層分布于本組的下部和中部，地層厚59.38 m，煤層總厚7.75 m. 太原組可采煤層分布于本組中下部和上部，地層厚92.78 m，煤層總厚9.88 m. 可采煤層為2、3、4、5、6、8、9、10煤層，共8層，主采4、5、8、10煤層。

底抽巷作為預(yù)抽上部煤層瓦斯的巷道，是在不具備開采保護(hù)層條件下的另一種區(qū)域防突措施，可以有效的防治煤與瓦斯突出。該礦井底抽巷位于L5灰?guī)r下部，以6煤層為標(biāo)志層進(jìn)行開拓(6煤平均厚度0.5 m).

1.2 瓦斯情況

該礦井各個(gè)煤層瓦斯壓力、瓦斯含量均較大，為突出煤層。礦井東緣淺埋區(qū)主采煤層埋藏深度為200～500 m，瓦斯壓力和含量較其它區(qū)域小。具體測定參數(shù)見表1.

表1 礦井東緣淺埋區(qū)瓦斯壓力含量表

2 突出煤層附近小型巖溶構(gòu)造危害

2.1 事故案例

2017年5月29日，該礦井3號(hào)底抽巷施工預(yù)抽鉆孔時(shí)，鉆孔涌水量突然迅速增大，隨后出現(xiàn)噴水噴瓦斯現(xiàn)象，工作面T1探頭極值4.00%，報(bào)警持續(xù)時(shí)間2小時(shí)11分35秒。經(jīng)計(jì)算，累計(jì)瓦斯涌出量710 m3，涌水100 t，攜帶煤渣6.5 t. 經(jīng)鑒定，涌水為L5灰?guī)r水。事故剖面示意圖見圖1.

圖1 事故剖面示意圖

2.2 巖溶構(gòu)造特征

褶皺、斷層和傾斜構(gòu)造的特殊部位，在凝結(jié)水和瓦斯的參與下迅速形成一個(gè)以構(gòu)造軸部為中心，以走向?yàn)榘l(fā)展方向的巖溶構(gòu)造群。

巖溶構(gòu)造上部積存瓦斯，瓦斯壓力來源于煤層，煤層瓦斯壓力和瓦斯含量均很高，巖溶構(gòu)造內(nèi)部的瓦斯壓力接近煤層瓦斯壓力(6#煤層)。

巖溶構(gòu)造下部積水，積水一般源于裂隙水或者凝結(jié)水。如果是裂隙水，裂隙同時(shí)作為導(dǎo)氣裂隙，使周圍瓦斯壓力明顯下降，形成瓦斯壓力下降區(qū)，形不成壓水作用。凝結(jié)水與裂隙水情況相反，因此，可判斷該次事故遇到巖溶構(gòu)造下的積水為凝結(jié)水，積水壓力來源于瓦斯壓力和自重。

巖溶構(gòu)造的特征是氣壓和水壓均較大，但儲(chǔ)集量有限，發(fā)育點(diǎn)為積水部位，構(gòu)造沒有排泄通道，沒有補(bǔ)給通道。

巖溶構(gòu)造呈帶狀或者片狀分布，與地質(zhì)構(gòu)造的特殊部位密切相關(guān)。

2.3 巖溶構(gòu)造破壞性分析

3號(hào)底抽巷施工預(yù)抽鉆孔時(shí)導(dǎo)通巖溶構(gòu)造，為小型溶洞群，內(nèi)部儲(chǔ)集大量瓦斯和水，打鉆時(shí)導(dǎo)通構(gòu)造，形成大量瓦斯和水涌出，水在瓦斯壓力的加強(qiáng)下沖擊力增大，將煤壁沖垮，造成瓦斯和水涌出事故，如果遇到點(diǎn)火條件，會(huì)引起瓦斯爆炸事故。

3 巖溶治理方法

3.1 地質(zhì)預(yù)測

根據(jù)礦井地質(zhì)圖預(yù)測可知，可能存在的小型地質(zhì)構(gòu)造，主要針對(duì)小型褶皺、小型變坡點(diǎn)等，將設(shè)計(jì)巷道劃分為一般區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域(存在小型地質(zhì)構(gòu)造的淺埋區(qū)為危險(xiǎn)區(qū)域，其它為一般區(qū)域)，兩種區(qū)域分別執(zhí)行不同的防治方法。隨著巷道掘進(jìn)需要不斷更新地質(zhì)預(yù)測，如出現(xiàn)預(yù)測結(jié)果變化則需要實(shí)時(shí)更新一般區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域。另外，必須強(qiáng)化物探工作，利用瞬變電磁進(jìn)行富水性預(yù)測分析，還要利用地震波或地質(zhì)雷達(dá)對(duì)構(gòu)造分布情況進(jìn)行探測，提高預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，為施工長鉆孔探測做好準(zhǔn)備。

3.2 一般區(qū)域防治措施

一般區(qū)域危險(xiǎn)性較小，但也存在揭露巖溶構(gòu)造的可能。采用定向長鉆孔不僅可以提高探測效率，還可以有效防治巖溶構(gòu)造造成的危害。

定向長鉆孔可以用少量鉆孔完成探放水作業(yè)，一次探放水作業(yè)有效距離可達(dá)到400 m以上，一次允許掘進(jìn)距離達(dá)到380 m以上，一條巷道只需進(jìn)行約3輪探放水作業(yè)即可完成，可有效縮短探放水作業(yè)時(shí)間。定向長鉆孔布置斷面示意圖見圖2，定向長鉆孔布置剖面示意圖見圖3.

圖2 定向長鉆孔布置斷面示意圖

圖3 定向長鉆孔布置剖面示意圖

定向長鉆孔在探測巖溶構(gòu)造時(shí)要按照防治水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封孔、安設(shè)孔口閘閥，同時(shí)加設(shè)孔口四通分別連接到瓦斯抽放管路和氣水渣分離器，可以將瓦斯涌出導(dǎo)入抽放管路，涌水和鉆渣正常排出，防止瓦斯涌入巷道造成超限事故。

3.3 危險(xiǎn)區(qū)域治理措施

危險(xiǎn)區(qū)域是重點(diǎn)治理區(qū)域，要根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)制定專門的短探設(shè)計(jì)和防噴措施。探放水短鉆孔要在巖石上開孔，按防治水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封孔，探測鉆孔孔徑不大于94 mm，孔口安設(shè)閘閥，閘閥外安設(shè)孔口四通，四通上口直接連接抽放系統(tǒng)(閥門關(guān)閉)，左口連接孔口閘閥，右口通入鉆桿后用牛油盤根和法蘭盤密封。下口連接氣水渣分離器，氣水渣分離器上端連接抽放系統(tǒng)，右端排水，下端排渣，排水和排渣口均安設(shè)閥門。所有連接口全部采用法蘭盤連接，連接示意圖見圖4.

圖4 孔口防水防氣裝置連接示意圖

施工探測鉆孔時(shí)如發(fā)現(xiàn)水量增大則迅速停止鉆進(jìn)，關(guān)小閘閥卡緊鉆桿，排渣口閘閥關(guān)閉，排水口閘閥減小開度，并在排水口設(shè)置便攜式瓦檢儀，排水泵開始排水。發(fā)現(xiàn)水量減小或者排水口有瓦斯涌出時(shí)，迅速打開四通上口加強(qiáng)抽放力度，關(guān)閉排水口。調(diào)高管路負(fù)壓，加強(qiáng)抽放，然后停電撤人。用監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測風(fēng)流瓦斯和抽放系統(tǒng)情況，恢復(fù)正常后方可繼續(xù)作業(yè)。

4 效 果

2017—2019年共開掘底抽巷1 000多米，施工3次定向長鉆孔探測試驗(yàn)，遇到一次較小型瓦斯與水混合涌出情況，涌水量約15 t，瓦斯涌出量約80 m3. 鉆孔封孔強(qiáng)度和孔口防噴裝置均有效控制了瓦斯和水的涌出，未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象。巷道開拓過程中未遇到瓦斯與水特殊涌出情況。

5 結(jié) 論

通過對(duì)淺埋區(qū)地質(zhì)構(gòu)造程度進(jìn)行分區(qū)，一般區(qū)域使用加防噴措施的定向長鉆孔進(jìn)行治理；危險(xiǎn)區(qū)域采用加防噴措施的探放水短鉆孔進(jìn)行治理。分區(qū)治理可以實(shí)現(xiàn)快速治理和準(zhǔn)確治理相結(jié)合，達(dá)到治理與開掘兼顧的要求。如果要徹底杜絕瓦斯與水混合涌出問題，還需要在精準(zhǔn)物探方面進(jìn)行深入研究。