带压开采防治水技术及研究方向

李彩惠

(河北金牛能源股份有限公司,河北邢台 054000)

带压开采防治水技术及研究方向

李彩惠

(河北金牛能源股份有限公司,河北邢台 054000)

结合目前华北型煤田下组煤带压开采防治水技术现状,分析了下组煤带压开采的适用条件、安全标准和开采下限等主要技术问题。阐述了下组煤开采的主要防治水技术,水文地质条件勘察和采场综合探查是防治水工作的前提和关键;充分利用隔水层的天然阻水条件、适应充水或人工改造充水条件进行带压开采;利用底板突水监测预警技术进行预测预报。指出带压开采的研究方向：完善和发展安全评价体系;对带压条件进行分级;加强采场物探技术研究;确定开采下限及建立技术装备和安全保障体系。

带压开采;防治水;下组煤

解放受奥灰水严重威胁的下组煤,实现上、下组煤合理配采,是稳定老矿区矿井产能的有效途径之一。自上世纪 70年代邯郸王凤矿、80年代邢台章村矿和井陉临城矿进行带压开采试验以来,作为华北型煤田典型代表的邯邢矿区,一直是国家“六五”、“七五”、“八五”及近十几年来国家重大防治水研究试验基地,在水文地质条件综合探查、底板突水机理研究、突水预测预报及注浆改造技术方面取得了长足进步,积累了丰富的下组煤开采经验。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下组煤的可行途径[1]。

1 下组煤带压开采的主要技术问题

自上世纪 70年代邯郸王凤矿 1830工作面首次成功进行了带压开采试验以来,各大水矿区已普遍采用该项技术,解放了大量受水威胁的煤炭资源,但带压开采中存在的一些技术问题仍是不容忽视,主要表现在以下几方面：

(1)适用条件 一般认为,带压开采的适用条件包括：开采煤层底板以下有一定的隔水层厚度,厚度愈大防护作用愈强;隔水层的岩性组合有利于抗衡水压;采场构造相对简单,无直接贯通含水层的通道。但这些条件均是定性的而非定量的,实践中难以操作。

(2)安全标准 带压开采的安全评价工作首先从预评估做起,即依照突水系数法从宏观上评价带压开采的可行性,但具体采场而言,其带压开采的综合安全性评价量化标准尚难掌握。

(3)开采下限 与水体 (或含水层)下采煤确定开采上限一样,确定带压安全开采下限是下组煤开发必须面对的课题。

2 下组煤开采主要防治水技术

面对下组煤开采中高承压地下水的严峻挑战,必须改变消极、被动的防治水技术路线,确立积极、主动的防治水技术思路。经过多年的探索和实践,综合下组煤试采矿井地质、水文地质条件,以及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应为：综合勘探,查清条件;预测预报,先探后掘;注浆改造,先治后采;全程监控,全面设防。

2.1 水文地质条件勘察

在研究和分析现有矿井水文地质资料基础上,有针对性的对影响下组煤开采的薄层灰岩及奥灰含水层进行专门水文地质勘探试验,取得对其水文地质条件更深、更全面的认识,是做好下组煤试采,有效避免突水灾害的前提条件。水文地质补充勘探包括水文地质钻探、水文地质物探和水文地质试验。应尽可能地创造条件,安排井下放水试验,为了充分利用信息资源,应建立下组煤开采水患诊断数字化平台,对矿井水文地质条件和主采煤层的充水条件做出综合分析和评价,对目的含水层进行分区、分带。应尽可能地采用数值模拟方法和最优化理论研究采矿条件下地下水系统状态,并进行有效的调控和管理,探讨疏供结合方法解决安全采煤和矿区工农业用水之间矛盾的可行性。

2.2 采场综合探查

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 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。

地面探查的目的是通过科学的物探方法进行普查,科学找“疑”,为采掘工程布置及采掘过程中进一步的防探水工作提供依据。

(2)巷道掘进阶段 本阶段防治水工作的重点是采取超前综合探测措施,先探后掘。对掘进前方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。本阶段工作的重点是有掘必探,对井上、下物探查出的“异常区”、“可疑区”利用钻探重点查明。

(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,并结合直流电测深对底板探测的成果,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。

2.3 充分利用隔水层的天然阻水条件带压开采

带压开采就是利用隔水层的有利条件,在不疏降或少疏降 (水压)、不改造或局部改造 (含水层)、不加固或局部加固 (隔水层)的情况下达到安全采煤的目的。为了充分发挥隔水层的阻水能力,需要对其阻水抗压的性能做出评价,不但要评价其数量大小,而且应当评价其可靠性 (应用可靠性工程学的方法),从而得出岩体阻水抗压能力的安全储备系数。在这里,阻水系数或带压系数是其主要的评价指标之一[2]。通过在部分矿区开展的阻水能力测试工作,可以发现如下规律：

(1)隔水层在下覆承压含水层一定水压作用下,不仅具有渗透性,而且也具有阻水性。湖南桥头河煤矿邓子山井在 -190m水平带压试采受茅口灰岩岩溶水威胁的煤层时,其突水系数出现小于零的情况 (即从理论计算表明,隔水层的阻水抗压能力几乎没有),但该矿绝大部分采区并没有发生突水事故。

(2)评价一个采区或工作面是否可以带压开采的直接依据是带压系数,即底板隔水层到底能够削减多少水头压力而定,这是使用突水系数所不能解决的问题。带压系数通过现场原位测试才有代表性,如果现场不具备测试条件,近似地可以在室内抗渗试验 (在三轴抗渗仪上完成)的基础上,探讨室内、外试验结果之间在数量上的对应关系,为带压开采提供依据。

2.4 将采矿对隔水岩体的扰动效应降至最低

采矿活动是突水的触发因素,绝大多数采面底板突水与采动矿压作用关系极为密切,选用合适的采煤方法及工作面尺寸一直是采矿工程界试验和探索的课题。研究和探讨下组煤开采过程中底板破坏规律及底板破坏深度对于底板的突水预测和奥灰水防治具有重要的意义。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,针对不同采煤方法、不同开采规模 (不同采宽)、不同开采条件 (走向、倾向及孤岛工作面)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移动破坏特征,进而提出减少或避免底板突水的开采方法及合理的开采参数,比如不同隔水层及承压条件下的长壁开采、短壁开采、条带开采、充填开采等采煤方法的选择及其采宽的确定方法。

2.5 改造充水条件,达到削弱和固本的双重目的

从广义上讲,在带压开采的技术实践中,改造包括 2层含义：一是对煤层底板隔水层的加固,主要是裂隙水的置换、裂隙的充填、水压的削减等;二是对直接充水含水层的改造,即变强含水层为弱含水层,或者在理想状态下变强含水层为相对隔水层。上述所谓改造是通过注浆工程实现的,在带压开采中,另一类对突水条件的改造就是疏放技术。薄层灰岩大面积注浆改造技术和目的含水层的有控疏放技术构成改造突水条件的两项关键技术。此外,对工作面及其周边隐伏导水陷落柱的预注浆改造也属于此范畴。近年来,此类问题也多有涉及,如东庞矿 2903工作面导水陷落柱、东山煤矿51520工作面陷落柱、梧桐庄煤矿北翼总回风巷导水陷落柱治理等。

“利用、适应、改造”相结合的主动的防治水技术思路正是地质工程学[3]方法的具体体现。“利用”即从岩体稳定性角度上讲就是利用其自稳能力的一种体现;“适应”正是贯穿着地质工程及地质灾害防治中的“绕避原则”、矿压控制上的 “让压原则”、岩体支护上的 “先松后支原则”;“改造”是对地质体薄弱部位进行的改造,即强化或加固,疏水降压或对含水层的注浆改造本身就是按照工程需要对其含水性的一种弱化处理方法。

2.6 利用底板突水监测预警技术进行预测预报

引起煤层底板突水的因素是极其复杂的。多年来,通过对煤层底板突水机理研究,认为影响煤层底板突水的基本因素可用若干物理、力学指标来表征,如底板应力、应变、地温、孔隙水压力等。这4项指标参数能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,发挥了这两套技术的综合优势,互为验证,取长补短,为回采工作的安全提供了全方位服务,取得了较好效果。

3 主要研究方向

3.1 完善和发展带压开采安全评价技术体系

面对深部煤炭资源开采中带压开采评价技术的挑战,应在完善双系数 (突水系数和带压系数)技术基础上[4],在带压安全开采可靠性分析、底板隔水层阻水能力量化研究、三维地质建模技术及其可视化、数据仓库及数据挖掘技术与突水规则知识获取等方面,发展带压开采安全评价技术[5]。

3.2 带压条件分级

带压开采是在一定的矿井地质和水文地质条件下实现安全开采的防治水技术,为深化认识并利用好这一技术,提出带压条件的概念,即特定的隔水层结构与含水层水压相结合的工作面突水条件的统称,初步分级如下：

(1)带压条件优：隔水层带压条件好,不需要做任何工作,即可直接进行带压开采。

(2)带压条件良：隔水层带压条件较好,但针对面内局部构造薄弱带、隔水层变薄带需要局部注浆加固。

(3)带压条件中等：面内局部构造薄弱带点多面广,注浆加固工程有一定的规模。

(4)带压条件差：工作面边界分布有落差较大的断层,断层破碎带有一定的宽度,针对断层影响带需要单独实施注浆工程;或者含水层与主采煤层之间发育有稳定连续的中间含水层,需要对这一中间含水层实施注浆改造工程。

在上述初步分级的基础上,还可以进一步细化成带压条件综合分级表,根据某一具体矿井的水文地质条件,确定其所属级别,进而安排相应的防治水工程。

3.3 加强采场物探技术研究

物探技术和物探方法在带压开采中水文地质条件探查方面的应用由来已久,并且已经发挥和正在发挥着较大的作用,尤其在巷道超前探测以及工作面内部含、导水异常区探测方面。但是,鉴于物探技术的可靠性、局限性,今后要进一步加强采场综合探测技术研究。重点解决：多方位超前物探探测技术;底板原始导高物探探测技术;隐伏陷落柱综合探测技术;三维地震精细解释技术;工作面内部底板隐伏构造及其含水性综合探测技术等。

3.4 下组煤开采下限确定

深部开采水文地质条件不同于浅部,与浅部相比,下组煤深部开采矿床充水条件也发生了很大的变化,合理的开采下限的确定与水体下开采上限的确定同等重要。这里存在两方面的问题：深部下组煤回采的工作面数量有限,可供借鉴的资料不多;深部水文地质条件研究程度较低,给带压开采安全评价工作带来一定的困难。事实上,通过岩体在高地应力条件下综合阻水抗压能力试验和深水平岩溶发育规律的研究,进一步完善现有带压开采指标评价体系,下组煤开采下限确定问题有望获得解决。

3.5 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[6]。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。

3.6 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,以确保矿井防治水安全保障体系的高效、安全运行,保障矿井的安全生产。

[1]靳德武 .我国煤层底板突水问题的研究现状及展望 [J].煤炭科学技术,2002(6).

[2]马培智.东庞矿试采下组煤 (9号煤)带压开采防治水技术研究综合成果报告 [R].西安：煤炭科学研究总院西安分院,2003.

[3]孙广忠 .加快中国铁路建设的基础理论及应用技术 [J].铁道工程学报,1999(2).

[4]靳德武,董书宁,刘其声 .带 (水)压开采安全评价技术及其发展方向 [J],煤田地质与勘探,2005(S1).

[5]王秋明,等 .三维地质建模技术及其在工程中的应用 [J].人民长江,2005,36(3).

[6]刘再斌,等 .邢台矿区水文地质安全保障体系探讨 [J].煤炭科学技术,2008(4).

Water Prevention Technology for M in ing withWater Pressure and Research Tendency

L ICai-hui
(Hebei Jinniu Energy Co.,Ltd,Xingtai 054000,China)

This paper analyzed adaptable condition,safety standard and mining lower limit of mining low coal group with water pressure.It put forward thatwater prevention technology and hydrogeologic condition and comprehensive exploration for mining field were premise and key to waterprevention.Miningwith water pressure should be done by taking advantage of naturalwaterproof layer and artificially changing hydrology condition.Applying floorwater-burstmonitoring forecast technology to predictingwater-burst.It also indicated research tendency ofminingwithwaterpressure.They are showed as follows.Perfecting and developing safety evaluation system;gradingwater pressure conditions;developing geophysical prospecting technology;determining mining lower l imit and constructing technical equipment and safety supporting system.

miningwith water pressure;water prevention;low coal group

TD823.83

A

1006-6225(2010)01-0047-03

2009-09-07

李彩惠 (1966-),男,河北唐县人,工程硕士,高级工程师,现任河北金牛能源股份有限公司副总经理。

徐乃忠]