带压开采防治水技术保障体系建设

2010-02-14赵庆彪

中国煤炭 2010年1期

关键词：隔水层水害突水

赵庆彪

(河北冀中能源集团有限责任公司,河北省邢台市,054000)

★煤矿安全 ★

带压开采防治水技术保障体系建设

赵庆彪

(河北冀中能源集团有限责任公司,河北省邢台市,054000)

实现安全带压开采是下组煤开采的关键技术问题。总结了河北省南部矿区在长期的带压开采实践中形成的防治水综合配套技术保障体系,并指出了今后在下组煤带压开采中急需解决的关键技术。

下组煤带压开采水害防治技术保障体系邯邢矿区

AbstractTo realize safe coal mining under water pressure of aquifer is an indispensable key technology for coal mining in seams below water bearing strata.This paper introduces the comprehensive technical guarantee system for water prevention and control in coal mining in such case in coal mine areas in the southern part of Hebei province.The paper also points out the key technical problems and issues that call for immediate solutions in coal mining under water pressure of aquifer in coal seams under water bearing strata.

Key wordscoal seams under water bearing strata,coal mining under water pressure of aquifer, mine water prevention and control,technical guarantee system,Handan-Xingtai coal mine area

河北省南部矿区下组煤的资源量近30亿t,煤质较好,经洗选后是良好的工业用煤,但在开采时,会受奥灰水威胁。实践证明,带 (水)压开采技术及其安全防范技术措施的综合运用是解放受奥灰水威胁下组煤的可行途径。同时,建立防治水技术保障体系是实现安全带压开采的重要前提。

1 下组煤试采基本原则及防治水技术路线

1.1 下组煤开采条件概述

河北省南部邯邢矿区地处太行山东麓与华北盆地的接触带上,地质构造非常复杂。矿区地下奥灰水水文地质条件极其复杂,地下岩溶水十分丰富,岩溶陷落柱发育,煤系地层本身又有多层厚度不一的薄层灰岩,属典型的华北岩溶型煤田。

开发下组煤实行带压开采,其底板隔水防护层的厚度仅有25～40m,且构造发育,因而面临底部奥灰水直接突水威胁。同时下组煤主采9#煤层的顶板大青灰岩、底板本溪灰岩含水层往往通过构造直接接受奥灰水的补给,恶化了9#煤层的开采条件。

因此,对底板岩溶水的有效防治,实现安全带压开采是下组煤开采的关键技术问题。深入研究、应用先进的矿井水害防治技术,建立安全、可靠、高效的带压开采水害防治技术保障体系,是确保矿井下组煤安全带压开采的必要前提。

1.2 下组煤试采基本原则

根据全国长期带压开采的经验及邯邢地区具体的水文地质条件,目前各试采矿井均采取“预防为主,查治结合,注浆加固,带压开采”的基本原则对下组煤进行开采。鉴于下组煤开采的高风险性,下组煤开采矿井必须设置好三道防线:

(1)力争不出大水。要求井上、下注浆系统可靠,各项预防处理措施严密;

(2)出水不淹井。要求防排水系统可靠,原则上独立建井,水闸门、墙隔离设施可靠;

(3)淹井不伤人。要求强大的防排水设施作为后盾,有可靠的预警系统和完善的应急救援预案,保证人员逃生撤离时间。

1.3 带压开采防治水技术路线

根据带压开采条件和受水害威胁程度,确定采用的防治水技术路线为“普查找疑,有疑必探;预测预报,先探后掘;注浆改造,先治后采;全程监控,全面设防”,具体可以归纳为以下几点。

(1)做好水文地质条件勘察,建立可靠的分区隔离和防、排水系统,是防治水工作的前提。

(2)通过地面三维地震、瞬变电磁等综合勘探手段进行科学普查,查明试采区基本的构造形态及可能存在的含 (导)水构造异常区。

(3)对地面普查找出的异常区,通过二次精细解释及钻探等手段进行精细探查。并在此基础上通过综合分析进行预测预报。

(4)采用物探、钻探综合探查手段进行掘进超前探测和工作面采前综合探测。

(5)先治后采,对工作面底板潜伏导水构造进行注浆加固,对底板薄层灰岩进行注浆改造。

(6)利用钻探工程,进行水量、水压、水温“三量”测试,计算隔水层带压系数。

(7)在工作面回采过程中,对煤层底板破坏深度和突水征兆进行全程动态监测。

(8)建立可靠的预警系统和完善的应急救援预案。

建立防治水技术保障体系就是要形成一套下组煤开采的水害预防、探测及治理的综合配套技术集成,主要包括矿区、采区和工作面水文地质条件探查配套技术;带压开采的安全评价体系;工作面底板突水监测和预报综合配套技术;底板注浆改造技术以及改进开采工艺,减少底板破坏深度的综合配套技术等。

2 水文地质综合探查技术

2.1 水文地质条件综合勘探

在研究和分析现有矿井水文地质资料基础上,有针对性的对大青灰岩、本溪灰岩及奥灰含水层进行专门水文地质勘探试验,取得对大青、本灰和奥灰水文地质条件的认识,在做好水文地质补充勘探的基础上,建立和完善了水文地质观测系统,实现了水情、水害的自动监测。

2.2 采场井上、下综合探查

下组煤开采防探水工作贯穿于整个开采过程,采取的方式必须地面与井下相结合,钻探与物探相结合,探查与治理相结合。一般采用井上、下立体综合勘探手段,坚持“井下为主,地面为辅,物探为主,钻探为辅,物探先行,钻探验证”的勘探原则。物探方法的选择主要考虑对“探查体识别与定位”的“敏感性”。探查实施要分阶段有重点进行,各个阶段的具体任务各有侧重。

(1)开掘前阶段。该阶段主要利用地面三维地震勘探及电法勘探,查明煤层基本赋存形态和构造特征、含水层的富水区域或集中迳流带,探查断层、岩溶陷落柱的分布及其含导水性,圈定可疑区。

(2)巷道掘进阶段。该阶段重点是采取超前综合探测措施,先探后掘。对掘进前方、上下及其两帮附近有无断层及导水构造进行重点探测。具体探测方法一般利用直流电法进行超前探测,两帮侧前方利用底板超前钻探进行探测。

(3)工作面回采前阶段。利用无线电坑透仪对工作面内部进行探测,确定工作面内部构造。利用音频电透视、瞬变电磁探测工作面内部及其底板隔水层富水性及隐伏含水构造,并结合直流电测对底板探测的成果,研究确定奥灰水、本灰水原始导高。通过对以上探测成果的综合研究,提出对工作面底板构造及其富水性的评价,并圈定出可能发生的突水危险区。

3 底板注浆改造技术

隔水层的完整性和足够的阻水性能是实现安全带压开采的必要条件,但由于受沉积条件及构造破坏的影响,个别井田较为富水,对9#煤层的开采直接造成威胁。因此,必须通过对底板注浆加固与改造,达到加固隔水层,改造本溪灰岩为隔水层的双重防治水目的。

3.1 葛泉矿9#煤层底板注浆改造技术

邢台矿区葛泉矿9#煤层开采水文地质条件表现出“一薄、二强、三高”的特点:“一薄”是本溪灰岩与奥灰之间隔水层薄,只有8～16m;“二强”是奥灰岩溶发育,富水性极强;本灰岩厚度较大 (平均9m)、岩溶裂隙发育、与奥灰岩溶之间存在水力联系,富水性较强;“三高”是奥灰岩水压高、本灰岩导升高 (局部到9#煤层底板)、突水系数高。必须通过改造本溪灰岩含水层为相对隔水层,才能实现安全带压回采。具体措施:

(1)注浆封堵工作面底板隐伏导水裂隙带,加固煤层底板有效隔水层段,补强其阻水性能;

(2)对本溪灰岩含水层进行全面注浆改造,将其改造为相对隔水层。

3.2 东庞矿9#煤层底板预注浆加固

邢台矿区东庞矿9#煤层底板隔水层特点是以泥质粉砂岩软性岩层为主,高强度脆性岩层灰岩为辅;本灰岩薄,只有1～2m,富水性差;整个岩层可注浆性差。针对这些特点主要采取措施:

(1)对于较浅部工作面,只对隔水层变薄带、构造破坏带、物探异常区、本灰岩富水区等薄弱带进行局部注浆加固,注浆层位为底板破坏深度以下至奥灰顶部以上5m。

(2)对于井田深部隔水层厚度相对不够的工作面,为确保隔水层的厚度和强度,保证突水系数不超过矿井防治水相关规定,注浆层段适当下移至奥灰岩顶部风化壳 (一般20～30m)。目前已开始这方面的试验研究。

4 建立科学的带压开采安全评价体系

4.1 底板隔水层阻水性能量化研究

对底板隔水层阻水性能研究的方法主要有:应用岩石学理论研究煤层底板隔水层厚度、组合及强度变化规律;应用随机场理论研究隔水层中导高的分布规律;应用钻孔注水试验测试隔水层带压系数。

在东庞矿的9103试采工作面首次进行了底板隔水层阻水能力试验与量化研究。首先利用底板测试钻孔,在其施工过程中测试水压、水量和水温数据,即“三量测试”。然后对所测数据进行分析,计算出不同层段的带压系数,评价底板隔水层阻水性能。根据显水带、导水带及阻水储备带 (导高带至底板破坏带之间)相对9#煤层在空间上的赋存状况,总结出了6种带压开采判别模型,针对不同模型,可采取直接带压开采、预注浆加固、留设防水煤柱等不同措施。

4.2 底板破坏规律及强度研究

多年来,通过底板钻孔注水试验,底板水压、水温、应力、应变自动动态监测及计算机模拟手段针对下组煤的不同采煤方法、不同开采规模、不同的采面设计参数及开采条件 (采深、工作面长度及孤岛工作面)工作面的采动底板破坏规律及强度进行了一系列的探测和研究,掌握了影响底板破坏的相关因素以及底板岩层应力分布规律和底板扰动破坏特征。

4.3 带压开采安全性评价方法

带压开采的安全性评价主要利用突水系数法进行区域宏观评估,对具体采场主要通过计算隔水层不同层段的带压系数,评价底板隔水层阻水性能。利用“五图双系数法”评价带压开采的安全性。

由于底板突水是一种多因素影响的动态水文地质现象,原有的预测模式难以克服因简化条件及人为经验因素的影响,而给出合乎实际的数学结果。为此,2006年在章村矿利用地理信息系统 (GIS)与人工神经网络 (ANN)耦合技术开展了9#煤层底板脆弱性安全评价研究和突水脆弱性分区评价研究,完成了影响煤层底板突水的主控因素分析,对煤层底板突水脆弱性进行了定量区划,并提出了相应的防治水对策。经过对比分析,预测效果比较符合现场实际。

5 防治水技术保障体系的建立

5.1 底板突水监测预警技术研究

引起煤层底板突水的因素是极其复杂的。三十多年来,通过对煤层底板突水机理研究,人们认为,影响煤层底板突水的基本因素可以用若干物理、力学指标来表征,如底板应力、应变、地温、孔隙水压力等。这四项指标参数能够比较真实可靠地反映煤层底板突水现象的发生、发展过程。底板原位测试具有地应力普查和采前突水预测的特点;突水前兆实时监测具有实时动态监测的优势,二者结合起来形成煤层底板突水预测预报配套技术,在东庞矿9103工作面及葛泉矿1192工作面带压开采实践中,发挥出综合优势,取得了较好效果。

5.2 建立可靠的技术装备保障系统

技术装备支撑系统包括排水系统、钻探注浆能力、综合物探、水位遥测、水情水害监测系统、水害预警系统、水化学实验室及突水水源快速判别系统、矿区水文地质信息管理系统等,是满足矿区水文地质保障体系运行的硬件支撑。其中建立强大的抗灾排水系统、可靠的分组分区水闸门 (墙)隔离系统是前提,具备可靠的井上下注浆系统和综合物、钻探能力是满足防治水工作的基本条件。

5.3 建全完善的安全保障管理体系

矿井防治水工作是一项极其复杂的牵涉到多学科多领域多部门的系统工程,必须严格管理,建立、健全完整的防治水管理体系。主要包括防治水机构的设置及相关责任制;防治水工作的标准化、制度化及程序化管理;防治水工作综合评价体系及应急救援管理等。要根据确定的防治水技术路线,从设计、评价、验收等方面制定严密的矿井防治水管理程序,对有突水威胁的工作面,必须严格按程序审批,上一阶段工作未完,不准进入下一阶段,工作面防治水工作未验收,不准开采。这些制度的建立与实施,保证了矿井防治水安全保障体系的高效、安全运行。