临城矿奥灰岩溶水综合防治实践

临城矿奥灰岩溶水综合防治实践
井陉矿务局孙怀庭高殿文
(河北井陉050100)
摘要临城矿下组煤储量占总工业储量的86 . 3 % ,具有低灰、高发热量、质优等特点。

下组煤开采存在奥灰富水性强、构造发育、底板承受水压大、有效隔水层厚度薄、易突水等诸多不利条件。

经多年实践,已安全采出下组煤71 . 6 万t 。

综合防治奥灰岩溶水的尝试成功,对于临城矿的安全生产具有重大意义。

关键词综合防治岩溶水带压开采查清临城井田位于邯邢煤田北部,水文地质单元属十股泉泉域。

单元以区域隔水层或大断层为水文地质边界,基本封闭,面积239 km2 ,最主要含水层奥陶系灰岩厚478m ,裸露面积45 . 7 k m2 。

临城矿井建于井田中部,占有工业储量1 . 46 亿t , 其中受奥灰水威胁的下组煤工业储量1 . 26 亿t , 占86 . 3 % 。

矿井1989 年底建成投产, 1992 年底开采下组煤,目前已开采面积25 . 8 万m ,煤量71 . 6 万t 。

期间发生底板奥灰突水6 次,其中最大的一次是1995 年11 月29 日的首采区0807 面采后底板突水, 水量35 m / min ,最终导致矿井被淹,后经651 天的地面注浆堵水和其它工作,于1997 年9 月恢复生产。

目前仍以带结合
高压开采下组煤的8 # 、9 #
下
煤层为主。

1 煤层带压开采条件特征和主要突水因素
井田内煤层开采条件具有奥灰水动静储量大、补给充沛,有效隔水层薄、原始导高高、煤层底板承压大,张性、张扭性构造发育,突水系数、频率高等特点。

1 .1 丰富的奥灰水动静储量奠定了底板突大水的物质基础
厚478m 的奥灰岩层是井田最主要、富水性最强、对安全生产威胁最大的含水层, - 400m 以浅奥灰水储存量1 . 46 亿m ,补给量0 . 776 m / s 。

岩溶发育,漏水孔率16 % 。

q 值平均2 . 428 m / ( s·m) , K 值平均8 . 08
3 .6 .2 注浆加固底板成果根据修改后的注浆方案,成功地完成此项防治水工程,具体见表3 。

3 .6 .3 检查孔情况
Ⅱ组检查孔:终孔43 . 20m ,水量0 . 01 m / min , P = 1 . 6M P a
控制底板深度20 . 20m ,封孔压力P = 5 . 0M P a
Ⅲ组检查孔: 终孔23 . 3m ,水量0 . 06 m / min , P = 1 . 6M P a
控制底板深度20 . 10m ,封孔压力P = 6 . 0M P a
根据部颁《矿井水文地质规程》认为此项工程合格。

至18 号陷落柱围岩裂隙带上出水,然后进入陷落柱, 水质为奥灰水,与本次钻孔揭露情况一致。

2771 面运输巷淋水通道为18 号陷落柱本身裂隙导引的结果,其裂隙较小及煤层的阻水作用造成水量较小、流速缓慢,与煤层其他成分相互作用形成老空水的假象,而本质仍为奥灰水。

4 .2 社会效益和经济效益
(1) 2771 面注浆加固底板工程施工钻孔17 个,群孔水量3 . 109 m / min ,封堵水量2 . 949 m / min ,堵水率94 . 8 % 。

注浆工程消耗水泥246t 、水玻璃900 k g ,钻探注浆设备配件、钻杆损耗若干, 整个工程实际造价20 万元, 仅2771 面解放煤量3 . 2 万t , 新增产值384 万元。

(2) 为2770 采区其他工作面回采消除隐患,人为筑起一个挡水屏障,预计其他各面可采煤量30 . 2 万t , 产值3624 万元。

(3) 在保障矿井安全体系方面做了有益的探索,并取得一定得成效。

(4) 保证矿井生产的合理布局和工作面正常衔接, 提高了资源利用率。

4 2771 面注浆加固底板工程意义
4 .1 解释工作面水文地质异常本质
分析这三组钻孔的出水情况可以看出: 18 号陷落柱围岩裂隙是底板承压水上涌的主要通道,探查钻孔水量0 . 14～0 . 4 m / min ;陷落柱本身导水性较差,钻孔水量0 . 01～0 . 13 m / min (仅Ⅱ组4 号孔较大) ; 工作面底板裂隙导水性也不大,为0 . 07～0 . 08 m / min 。

因此可以分析得出,原超前探放水三组1 号先探
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m/ d ,水力梯度0 . 55 ‰。

井田历史上突水淹井4 次,最大突水量35 m / min , 累计突水点水量97 . 83 m / min 。

岩溶发育,富水性强、迳流畅通活跃成为底板突大水的主要因素之一。

1 .
2 张性、张扭性断裂构造为本井田底板突水的主要通道和控制因素
受区域构造运动影响,井田内形成了近南北向张断裂为主、北东向和北西向为次的三组正断层,至今井田内未发现逆断层。

其中近南北向晚近斯力学性质属张性的走向断层控制着井田岩溶的发育。

这些正断层延展长,切割深,结构面常呈“开启”状态,是奥灰水上浸导入的良好通道。

(见图1) 。

图1 临城矿局部构造纲要示意图
该矿井的0807 、0812 面等常见到“开启”状的小正断层、张裂隙,其中有一条裂隙张开2 ～5cm 宽, 工作面顶板也常发现“开启”状态的裂隙。

矿井内6 次底板突水全部是沿小断层或裂隙面突出。

1 .3 煤层、隔水层和煤层承压条件煤系地层为石炭二
叠系的山西组、太原组和本溪
组。

含煤10 层,总厚9 . 2m 。

主要可采层有7上、8 、9下煤层,即下组煤。

井田内煤层呈向东倾伏单斜状,首采区- 300 水平煤层标高- 300～- 20m 。

隔水层厚度,即9下煤至奥灰顶面距离平均27m , 考虑到8 煤时加7 . 5m 。

其中导水或半导水的灰岩、砂岩所占比例为40 % ,隔阻水性能好和较好的泥岩类占60 % ,8 煤、9下煤- 300 米水平最大承压值3 . 7M P a (奥灰静水位+ 75m) , 突水系数0 . 0925 ～0. 137M P a/ m , 超出《规程》许可值0 . 0325～0 . 077M P a/ m (见图2) 。

原始导高普遍较高, 据井下钻探结果, 已达0 ～40m ,本矿0906 面所探底板32 个出水钻孔中, 有23个钻孔原始导高达9下煤底板内20m 。

1 .4 采动对底板破坏是本井田底板突水的诱发因素
它以2 种形式引起,一是引起张裂构造活化;二是引起底板零位破坏和原位张裂。

8 煤顶板是不易塌落的石灰岩,开采中,常悬顶板上百平方米,造成底板压力增大,引起底臌诱发突水。

该矿6 次突水均为采中和采后突水,与底板遭破坏有直接关系。

2 安全开采下组煤的防治水综合保障系统
奥灰突水是该矿安全生产的一大重要因素。

防治它,不仅是个技术问题,更重要的是认识问题、管理问
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题 。

2 . 2 . 2 按设计建立两项后盾工程
按设计要求建立抗灾排水工程是保证矿井突大水 时不致被淹的重要后盾 。

该矿安设的 34 . 5 m / min 的 排水能力 ,在矿井突水量达 35 m / min 时 ,坚持排水达 15 天 ,为抗灾赢得了宝贵的时间 。

复矿后 , 根据矿井 突水能力 ,将泵房灾害能力提高到 40 m / min 。

建立矿井分区隔离工程 ,在首采区建筑 2 座小闸 门 ,并坚持每年 2 次的关闭试验及日常维护 。

矿井发 生突水泵房排水紧张时 ,迅速关闭了 2 座水闸门 ,实行 有控排水 ,从而有效地减缓了泵房压力 ,避免水灾殃及 其它采区 。

回风巷水闸门在承压 1 . 9M P a 时 , 漏水量 仅 0 . 05 m / min 。

2 . 2 .
3 三个查清 : 即运用钻探 、物探及一些必要的巷 探 、化探手段 ,第一 ,查清采掘工作面下方奥灰的富水 性 、隔水层厚度 、原始导高及导赋水能力 。

第二 ,查清 断层位置 、产状 、落差 、导储水性及其奥灰水的联通状 况 。

第三 ,查清工作面外围 15m 内的水文地质条件 。

为达到上述目的 ,规定掘前探水钻孔间距不大于 15m ,采前钻孔间距不大于 40m 、钻孔控制 8 煤底板下
20m ,其中掘采前探水钻孔必须各有一个终孔在奥灰
顶面附近 。

下组煤工作面圈出后 ,必须进行物探 。

出 水钻孔必须进行水量水压水质监测 。

实际工作中 ,已 施工钻孔 23401m ,平均万吨煤钻探量 326 . 8m 。

用物 探手段探查 5 个工作面 。

2 . 2 . 4 查治技术措施
(1) 分析与勘探相结合 。

每一个工作面在进行地
质 、水文地质勘探前 ,都要根据工作面内外上下已有资 料进行预先分析 、评价 ,然后在满足钻孔密度条件下 , 有目的有重点往预分析中水情复杂区增加钻孔密度 。

掘前探水后有分析小结 ,为采前探水服务 ,采前探水后 有分析小结 ,为注浆加固和物探提供资料 ;物探和钻探 互相印证 ,并为注浆加固提供方向 。

如此循环往复 ,既 能使勘探质量提高 ,降低工程量 ,又能迅速提高技术人 员业务水平 。

(2) 掘前勘探和采前勘探相结合 。

一是从设计上 各有侧重 ,掘前探水重点查清上下顺槽 2 帮 15m 范围 内水情 ,采前探水重点查明工作面上下顺槽以里 1/ 3 处附近的水情 ,并兼顾注浆加固隔水层 ;从而采前探水 孔控制底板深度较深 。

二是其结果互相结合 ,验证 ,以 减少不必要的工程量 (见图 3) 。

(3) 钻探和物探相结合 。

钻探与物探各有优缺点 ,
互补性强 (见表 1) 。

近几年 ,与河北煤研所 、西安煤科 院物探所合作 ,应用无线电测深 、音频电透仪对 5 个下 组煤工作面进行物探 , 检测出面积约 18702 m 的水文
图 2 柱状图
2 . 1 领导重视 制度健全 抓好落实 临城矿淹井的教训 ,使局矿主要领导和业务部门
对防治水工作更加重视 。

安排生产 ,首先考虑防治水 工作 。

进一步完善制度体系 ,除执行原部颁规程 、条例 外 ,局还制定了水 文 地 质 规 程 细 则 , 针 对 该 矿 具 体 条 件 ,制定了“防治奥灰岩溶水技术工作规定”,矿制定了 “防治水工作规定操作细则”,形成制度体系 。

确定了 开采下组煤先探后掘 ,不探不掘不采 ,先加固底板后回 采 ,不加固不回采 ;以防为主 ,钻探与物探结合 ,查治结 合 ,综合治理的原则 。

2 . 2 综合防治水的技术途径
在与奥灰 水 斗 争 中 , 因 地 制 宜 、各 种 手 段 互 相 结 合 、互相弥补 。

具体技术途径可以归纳为 : 一个重点 、 两项后盾工程 、三个查清 、五个结合 、全面分析评价 。

2 . 2 . 1 一个重点即以防治工作面采中采后底板突水 为重点 。

采区工作面投产前必须对水文地质条件进行 认真分析 ,采掘战场在工作面 ,底板出水在工作面 ,防 治水重点在工作面 。

孙怀庭高殿文临城矿奥灰岩溶水综合防治实践29 地质异常区( 点) 16 个, 为注浆治理提供了较可靠资料。

图3 临城矿井下探水技术规定示意图
在局制定的防治奥灰水技术工作规定中,每个工作面圈出后,必须使用物探,并提交报告。

对物探结果再行验证,注浆结束后再检查验证,如此反复,直到符合标准要求。

(4) 查治结合,查中有治,治中有查。

在施工探查孔时,如果遇有注浆条件(即单孔涌水量0 . 1 m / min 以上时) ,都要注浆加固底板。

主要是注浆加固改造隔水层,使含导水层变为隔水层。

加固层位是避开底板破坏深度以下的含导水层。

治理的另一方面是封堵已知出水点。

迄今已经加固工作面底板注水泥196 . 979t , 粘土47 . 955t ,加固工作面4 个; 向封堵奥灰出水注水泥5715 . 872t , 封堵出水点3 个, 封堵水量39 . 1 m / min 。

(5) 井上下相结合。

针对临城矿井下煤层底板承受水压大(3. 7MPa) ,注浆量大,起压困难,注浆材料井下运输距离远,劳动强度大特点,改以往井下打钻、制浆、注浆工艺为井下打钻、地面建注浆站、制浆、远距离管道输浆到井下注浆,利用井上下自然高差,较好解决了以上困难。

自使用地面注浆站以来, 共注水泥浆190. 279t ,加固工作面3 个。

优点是显而易见的(见表2) 。

2 .2 .5 采动技术措施及其他
(1) 采动底板破坏深度与工作面的长度有关系。

根据该局经验公式:
h1 = 1 . 86 + 0 . 11L 式中: h1 为底板破坏深度, m ;L 为工作面长度, m 。

8 煤层工作面长度布置在80m 以内,9下煤层限制在60m 以内,这样破坏底板深度可以控制在12m 以内。

(2) 对回采速度、控顶距的限制。

8 煤顶板为坚硬不易垮落顶板, 易形成大面积悬顶, 引发底板集中压力,故规定回采推进应均衡快速,悬顶距超过作业规程规定的,必须强制放顶。

(3) 防治水与极近距离煤层联合开采相结合。

8 煤、9 煤、9下煤是极近距离煤层,3 层煤联合开采,既可
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30 表 1 物探与钻探优缺点对比表
手段
优 点 缺 点
1 经济方便 、快捷 、代表性好
2 控制面广 ,连续可以实现无盲区 。

3 不破坏地层 ,无损探测
4 对生产影响小 。

1 不能对水量 、水压 、水质等定量监测 。

2 受地压 、人工电场影响时 ,数据误差大 。

3 解译不一定很准确 。

4 精度相对较粗 。

物 探
1 直观 ,对水量 、水压 、水质等水文地质数据进行定 量观测 ,分析效果好 。

2 构造 、地层岩性结构可以定性定量分析 。

3 兼作加固煤层底板 。

1 点稀 、代表性差 、有盲区 。

2 施工复杂 、费用高 、易产生掘探矛盾 。

3 封孔不良时 ,易成为突水诱发因素
钻 探
表 2 临城矿不同注浆加固底板方式优缺点对比表
( 1)
地面钻探控制注浆加固底板 ( 2)
井下钻探制注浆加固底板 ( 3)
地面制浆井筒输浆井下钻探注浆 项
目
采区 总费用 吨煤
新增成本
中央采区北一采区
1230 . 086 万元 6 . 145 万/ t
中央采区北一采区
368 万元 1 . 84 元/ t 中央采区北一采区
415 . 76 万元 2 . 36 元/ t
1 . 输浆量大 ,压力有保证
2 . 操作方便 。

3 . 增大开采安全性 。

4 . 可以与井下勘探同步进行 。

1 . 吸收了 ( 1) 、( 2) 优点 。

2 . 输浆方便输浆量大 ,压力有保证 。

3 . 钻孔控制密度大 。

4 . 危险地段可得到有效加固 。

1 . 投资省 。

2 . 钻孔控制密度大 。

3 . 灵活多变 。

优 点
1 . 造浆 、送浆不方便 ,造 、输浆量小 。

2 . 操作不方便 。

3 . 起高压困难 。

4 . 井下水泥运输困难 。

1 . 投资大 。

2 . 不能从根本上替代井下钻探 。

3 . 点稀 、控制密度有限 。

1 . 一次性投放稍大 。

2 . 井下输浆管路拆装繁琐 。

3 . 井上下联系不方便 。

缺
点
以省去很多掘进工程量 ,又可减少防治水勘探注浆工 程 ,降低分次开采顶板垮落时对底板冲击及破坏深度 。

目前此项工作正在试验之中 。

(4) 工作面内没有特殊地质情况 ,不留设煤柱 ,减
少煤柱造成工作面底板的剪切作用影响 。

2 . 4 . 6 全面分析审议评价
根据掌握 的 掘 、采 前 探 水 资 料 、注 浆 加 固 底 板 资 料 、物探资料及掘进地质资料 ,全面进行分析评价后 , 提交局技术部门审议 。

对于探 、注后达到要求的 ,予以 开采 ;注后仍达不到要求 ,经检验孔证实后 ,予以再次 注浆加固 ;对于因现阶段经加固后未达要求 ,再加固经 济上不 合 理 , 安 全 上 仍 有 突 水 危 险 的 , 则 留 设 煤 柱 。

0805 面即是加固后未达要求而留设的工作面煤柱 。

0 . 137M P a/ m ,在 华 北 岩 溶 型 矿 井 中 是 较 典 型 的 。

综
合防治奥灰水尝试的成功 ,不仅对该井田 1 . 26 亿 t 的 下组煤开采有重要意义 ,而且对整个邯邢煤田受奥灰 水威胁的约 25 亿 t 下组煤开采具有借鉴意义 。

4 建议
4 . 1 应积极开展开采对底板破坏深度的测试研究 ,分 别找出不同顶板条件 、不同采高 、工作面长度 、采煤方 法等情况下底板破坏深度 ,从而得出对原始导高 ,有效 隔水层厚度等“三带”有实际意义的数据 ,指导防治水 工作 。

4 . 2 应开展对构造力学性质 ,特别是顶底板裂隙力学
性质 、规律及其与突水关系的观测研究 ,开展对隔水层 中导隔水层组合形式的观测研究 ,为超高压开采提供 依据 。

4 . 3 极近距离煤层应联合设计开采 ,从经济 、技术和
防治水方面都是较合理的 。

这对提高矿井综合经济效 益具有重要意义 。

3 带压开采下组煤的效益与意义
下组煤质优易售 ,开采当年即扭亏 ,次年盈利 40
余万元 。

临城矿开采下组煤的水文地质条件 ,无论是承受 水压 ,还是有效隔水层厚度 , 其突水系数达 0 . 0925～。