东庞矿特大突水灾害治理

★专题论坛———煤矿水害防治★东庞矿特大突水灾害治理郑存良(邢台矿业集团公司,河北省邢台市,054201) 摘　要　东庞矿4112奥灰陷落柱特大突水灾害治理,通过物探、钻探等综合勘探,查清隐伏含水、导水构造形态后,采取地面打钻、注浆封堵过水巷道等措施,提前复产1年时间,减少了灾害损失。

关键词　奥灰陷落柱　特大突水　水害治理　东庞矿1　导言2003年4月12日,河北金牛能源东庞矿在2903工作面掘进过程中发生了2#煤层奥灰陷落柱特大突水灾害。

虽经全力组织抢险救灾,但因突水量远远超过矿井最大排水能力,5天后矿井被淹。

其后全力以赴投入注浆堵水工程。

8月16日开始矿井试排水,9月29日,一水平(-300m)开始恢复生产, 11月11日即恢复一水平(-300m)采掘工作面生产。

11月24日追排水至-480m,12月5日恢复了二水平井底水泵。

12月27日,通过了中国煤炭工业协会组织的全面恢复生产的安全评价。

到2004年8月31日,测定二水平涌水量为120m3/h,生产煤炭101万t,赢利112亿元。

111　突水工作面概况东庞矿1983年建成投产,核定能力为240万t;采用立井、暗斜井多水平开拓,目前开采-300m和-480m水平。

主采2#煤,配采浅部9#煤。

精查地质报告预计开采2#煤时,矿井正常涌水量为63214 m3/h,最大不超过正常涌水量的1倍。

矿井水的主要来源为2#煤顶板砂岩含水层水,约占矿井涌水量的77%。

历年矿井涌水量不超过210m3/h。

矿井排水能力一水平(-300m)为2900m3/h,二水平(-480m)为2000m3/h。

矿井地质条件类型为Ⅱ类,水文地质类型为中等类型。

2903工作面位于二水平南翼,设计走向长1370m,斜长175m,倾角13°,煤厚413m,地质储量140万t;煤层埋深580m,煤层赋存稳定,单斜构造,结构简单,属高级储量区,勘探精度满足设计要求。

附近东17钻孔未见地质异常,相邻的2901工作面在开采时揭露断层落差118m,涌水为顶板砂岩滴淋水,涌水量10m3/h。

在2903工作面掘进揭露时,巷顶局部有淋滴水,水量5m3/h,经化验为顶板砂岩水。

112　突水淹井过程及分析4月12日8时47分,当2903工作面下巷掘进至750m处时,迎头突然出现来压片帮和涌水,此后突水量剧增,4个多小时后二水平泵房被淹,此时突水量约12000m3/h。

15时在突水点西侧距离2500m 处的奥灰地表水文孔观测水位下降15150m;19时最大峰值突水量为74000m3/h。

17日18时54分,矿井被淹没,测算此时突水量为7000m3/h。

二水平被淹后,为力保一水平不被淹没,曾采取措施将清水泵改造为污水泵,使最大排水能力提高到4200m3/h。

组织施工了地面排水工程,并紧急租赁、安装2台500m3/h潜水泵。

突水后,来自科研、高校、地勘和有突水危险矿区的防治水专家,参加了整个抢险救灾指挥决策的技术咨询,防治水专家经过广泛讨论与分析后认为:到本次水灾前,在太行山东麓峰峰、邯郸、邢台、井陉矿区等范围内,2#煤均从未发生过陷落柱奥灰水突水灾害。

由于突水后地面奥灰水文孔的水位速降,降幅达29m。

根据水量巨大、出水迅猛的特点和水质化验,确定突水源为煤系地层基底奥灰强岩溶水。

突水前未见突水征兆。

在距突水点90m的东17钻孔,终孔层位为9号煤底板,未揭露奥灰且封孔良5东庞矿特大突水灾害治理好,未见地质异常,不可能为钻孔突水。

故可确定在该突水点附近存在导水隐伏陷落柱。

2　巷道注浆堵水设计突水灾害发生后,首先通过综合物探及钻探查清隐伏含水、导水构造形态,分布范围和富水特征,以尽快为抢险救灾和陷落柱治理方案提供依据。

211　陷落柱(综合)探测选择加密三维地震探查突水体位置及边界形态,采用瞬变电磁和直流电法探测突水体富水性及其分布特征,再通过钻探查清隐伏含水、导水构造边界参数。

三维地震勘探认为,区内发育一陷落柱,发育高度达到新生界底部,2#煤层处长轴120m,短轴72m,陷落柱边缘距2903下巷出水点约5m左右,距2901采空区最小煤柱50m;电法探测认为,突水构造含水性较好,2#煤层处陷落柱长轴110m,短轴60m,陷落柱距2901采空区下侧最小煤柱约65m。

采用瞬变电磁法和大功率高密度直流电法探测陷落柱距2901工作面下侧煤柱宽度。

瞬变电磁探测认为:短轴约50～80m,长轴约120m,发育高度达到上石盒子下部(-320m),最小煤柱宽度为65～75m。

为防止通过已开采的相邻的2901工作面发生二次突水,在物探陷落柱长轴顶端2901采空区侧又布置了一个定向探查孔(T1孔)。

经过定向钻探确认,陷落柱上部边界与2901工作面下侧之间实际最小煤柱宽度大于85m,满足《矿井水文地质规程》关于含水、导水构造防隔水煤柱宽度的要求。

212　巷道注浆堵水设计突水点位于2903工作面下巷距迎头20m左右的位置,物探探测初步成果认为突水体为奥灰岩溶陷落柱,其长轴约120m,短轴约70m。

据此提出治水方案设计。

(1)治水方案的确定。

根据陷落柱突水特征和物探初步结果,考虑到突水陷落柱与2901工作面的煤柱已经过回采动压1年时间的考验,基本可排除突水可能性,目标巷道位置准确,可充分利用当时的“充水条件”向巷内快速灌注骨料,有利于快速建成巷内阻力段,为注浆封水创造良好条件。

因此采用施工地面钻孔,先堵陷落柱过水巷道的方案,该方案分2个阶段,先堵巷封水,用半年左右时间恢复生产,再在恢复安全生产的同时做探查陷落柱的工作,在确定陷落柱空间位置后再根治,这样既可少排水,节约资金,又可提前恢复生产约015～110年。

经论证后确定了封堵过水巷道的设计方案。

图1　过水巷道封堵方案设计平面图(2)工程布置及施工设计要求。

距巷道迎头20m突水点外5m处布置G1号钻孔,并自G1号孔以外每隔15m布置一个钻孔,共布置8个钻孔进行骨料充填及注浆封堵,在巷内形成105m长的“堵水段”,截断过水通道。

巷道封堵工艺设计及步骤。

巷道打透4个钻孔后开始进行注骨料工作,留1～2个孔进行注料时的放气。

采用大水流喷射快速填注工艺进行骨料填注,水固比不小于6∶1,后期水固比10∶1以上。

骨料有砂子和粒径从 5～70mm分级石子。

注骨料前,安装钻机以备捅孔。

骨料填注过程中要定期探测骨料堆积高度。

当每个孔骨料均填注到巷道顶板之后再用细砂充填。

充填封顶时,经反复下钻透孔及冲扫,仍不能使骨料落至顶板以下时,表明巷道已充满,可开始注浆。

按照巷道封堵设计,整个注浆过程大体分为3个阶段,孔底(巷内)旋喷注浆、巷内充填升压注浆、检查加固注浆(高压加固注浆)。

3　巷道注浆堵水施工总体设计布置8个钻孔,平均孔深581m,总钻进量为4648m。

为加快注浆堵水工程。

决定钻孔施工由中原石油钻井一公司、华北油田修井大队、中煤大地公司、郑州煤电地勘公司承担。

注浆则由郑州煤电地勘公司负责。

311　钻孔施工巷道注浆钻孔单孔深度581m,目标巷道宽度仅415m,透巷难度很大,测量定位至关重要。

利用与6中国煤炭第30卷第11期2004年11月北京大学共同开发的地测信息管理系统、T2经纬仪和DI-20测距仪在地表标定钻孔位置,再用G PS定位系统复检孔位。

首先透巷的钻孔是6#孔,工期15天,由中原钻井一公司施工。

北京中煤大地公司的钻机设备系2002年我国首次引进的美国车载T685WS型风动钻机,采用风动潜孔锤钻进,高速气流循环携带岩粉。

钻孔采用电子单点照相测斜仪测斜,24小时监测孔斜情况,施工5#和2#两个注浆孔,工期分别为11天、10天。

钻孔施工工期共46天,钻进进尺4607m。

各钻孔透巷误差小于015m,质量符合设计要求。

312　巷道钻孔骨料灌注及注浆骨料灌注采用的是水射流沙石自重连续灌注法。

骨料充填后,将巷道管道流变为渗透流,逐步增大沿程阻力,减少陷落柱出水量。

投注排水量不小于80m3/h。

骨料粒径按先从小到大、再从大到小的原则投放,骨料固相比为1∶1。

共注入骨料4283m3。

在巷内骨料充填、封顶后,建成足够长度和强度的“阻力段”,把巷内的“管道流”改造成“渗透流”,再对各注浆孔进行旋喷注浆、充填注浆、升压注浆、引流注浆,将巷道堆积物、巷道顶底板以及巷帮胶结成一个整体。

其主要步骤为:①注前压水;②制输浆;③浆液压注;④串浆处理;⑤停止注浆。

巷道钻孔注浆从6月8日开始到9月22日结束,旋喷注浆水泥325t,充填注浆水泥14507t,升压注浆水泥2368t,引流注浆水泥9176t,合计注水泥26376t。

313　注浆效果分析每个注浆孔历经了充填注浆、升压注浆和加固及引流注浆过程,除了对2903下巷进行了全断面封堵注浆外,对巷道顶底板均进行加固注浆封堵。

单孔注浆结束时进浆量不大于50L/min,孔口压力5MPa,孔底压力达10MPa以上,维持时间不少于30min。

单孔注浆质量均按设计验收合格。

本项注浆堵水工程不仅巷道的截流封堵质量可靠,对2903下巷从其顶板岩石导水裂隙到2#煤底板以下的岩层导水裂隙均已进行了封堵加固,而且还充分利用和发挥了“引流注浆”的条件,尽最大努力部分地改造了陷落柱及其周边的其它导水通道,有效保障矿井今后的安全生产和减少矿井总涌水量。

排水试验初期,观26奥灰孔水位略有下降,尚有部分泄漏。

为此进行引流注浆堵水。

历经反复引流注浆,共注水泥946115t,不仅有利于巷道堵水,更对陷落柱连通的各含水层起到了封堵作用。

4　排水复产工程复产工程的重点是追排水工程,一通三防系统恢复,井下供电和排水系统的恢复,井下冒顶处理和防治水以及工作面设备和出煤系统恢复等。

411　排水设备自开始突水至9月22日注浆工程结束,测算矿井涌水总量约为1000万m3。

其中矿井总充水量约为680万m3,另有部分出水渗透到采空区围岩裂隙中及浅部小矿。

追排水设备为原煤炭部救灾中心德国产大型潜水泵6台,主井安装2台扬程550m、流量1000m3/h 的潜水泵;副井安装2台扬程630m、流量1000m3/h 的潜水泵和2台扬程460m、流量550m3/h的潜水泵;主井、副井排水能力为5100m3/h,实际达7000m3/h。

二水平利用一水平泵房排水和副井2台潜水泵强排。

地面排水用内径114m的钢筋混凝土管道直通至瞎马河。

412　排水试验和封堵质量评价为检查堵水效果,进行了3个降深的排水试验。

试验表明-140m井下涌水量与回灌水量的总和预计为825m3/h。

因此,将矿井水位连续排降至一水平后恢复一水平泵房,并追排水到二水平。

经过注骨料和注浆后,奥灰水位全面回升,至9月29日追排水至一水平(-300m),副井水位从-64159m降至-300m,共排水530万m3,当时实测涌水量为1100m3/h,12月25日一水平涌水量为280 m3/h。