基于“三水共保”在承压水矿井中的应用研究——以龙泉矿区为例

王晓平

(太原煤炭气化(集团)有限责任公司, 太原 030032)

水是人类赖以生存和发展的重要资源。当前,水资源生态体系随大环境的变化已经显得十分脆弱,保持水资源现有状况日益困难。水资源生态体系的破坏往往是不可逆的,而且易朝着不利于人类利用的方向发展,因此,有必要采取技术手段维护水资源生态体系的良性循环。煤炭开采是向大自然获取资源,必然会对矿区水资源造成影响。地下稳定隔水层由于采矿引起岩层垮落,形成不容易恢复的破坏。

为了保护地下水资源,太原煤气化集团公司做了大量工作,并取得了一定的成效。目前采取的技术途经有两种:①采前定位封堵,钻孔钻探至目标保水层位,注浆采用“地面制浆、井下注浆”方式;②利用地面区域治理,地面设计一个主孔,主孔定向钻至目标层位后开多个分支孔进行钻探,如遇浆液漏失,注浆采取“地面制浆、地面注浆”方式。这两种方式虽然已应用于煤炭企业,但这需要前期技术配套和后期的技术管理。

煤矿水资源与矿区生态环境密切相关,因此,煤矿水资源的破坏影响的不仅仅是煤炭企业本身,而是整个矿区的水环境。水是维护生态环境的重要因素,同时水资源具有其自身变化的客观规律,对它的破坏有时是不可恢复的。因此,对于水资源,不能破坏后再去治理,而是要最大限度地减少对水资源的扰动,不破坏水资源维持的边界条件,这是对采煤提出的又一课题。

保水开采以“等效采高、等效阻水厚度、等效水资源承载力”三等效理论,最直接的手段通过局部注浆及区域注浆封堵导水通道,增大等效阻水厚度,减小煤层开采对含水层的扰动,能够有效地实现“三水共保”[1-3]。

1 矿区顶底板岩石物理与水理性能分析

对研究区域煤层顶底板进行取样并测试岩石的物理与水理参数,具体包括抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、内聚力、内摩擦角、孔隙率及渗透率等。测试仪器如图1所示。

图1 测试仪器

2.1 单轴抗压实验

经过岩石物理与水理性能,分析了矿井地质及开采条件,阐明了煤层、含水层、隔水层赋存条件,得出了保水开采的目标含水层。浅层水为第四系岩类孔隙含水层组,顶板含水层为太原组、山西组砂岩含水层(K4、K5),底板含水层为K3砂岩裂隙含水层、太原组石灰岩及奥陶系中统石灰岩含水层。

2 矿区浅表水资源保护性开采研究

2.1 裂隙发育特征

模拟研究不同开采步距条件下裂隙发育特征。当工作面推进50 m时,基本顶初次垮落,即初次来压步距约为50 m,此时顶板裂隙发育高度为25 m;工作面推进60 m时基本顶再次垮落,即周期来压步距约为10 m;工作面继续推进期间经历多次周期来压,覆岩裂隙继续向上发育,工作面推进100 m时覆岩裂隙发育高度为75 m,此后裂隙不再向上发育,即导水裂隙带发育高度约为75 m。

2.2 地表沉陷规律

工作面推进130 m时地表开始出现下沉,工作面推进130～240 m期间,地表最大下沉量持续增大,沉陷范围也同样增大,但沉陷区域未影响到冲沟区域。随着工作面的继续推进,冲沟区域地表开始下沉,工作面推进400 m时,非冲沟区域地表下沉达到最大,为2.85 m。冲沟区域以冲沟坡底为中心,两侧坡体向中间滑移下沉,最大下沉量较非冲沟区域有所增大,达到2.95 m。

2.3 矿区水资源承载力评价指标体系建立

从煤炭开采扰动角度出发,围绕矿区水资源系统在开采前后的稳定性变化,以水资源承载力为“桥梁”,采用层次分析法进行分析。选取地质系统、采矿系统、水资源系统和生态系统作为准则层,以煤水赋存关系、开采参数、含水层水位变化、水质水量等11个指标作为子准则层,构建矿区水资源承载力评价指标体系。

经计算为0.71,即浅表水资源承载力级别为承载中度。表明采动已经对矿区浅表水资源承载力产生一定影响,但水资源对生态环境的承载能力仍在阈值范围之内,不会造成破坏性影响,开采参数是可行的。

3 矿区顶板水在承压矿井的应用研究

3.1 等效采高的采动影响范围计算

以隔水层处于临界失稳状态为判别指标,确定基于隔水层采动稳定的等效采高Meq,预计模型坐标系统如图2所示。

图2 数值计算模型

根据“三等效”理论等效采高计算方法,隔水层最大水平变形值εmax达到极限值ε时的等效采高Meq为

(1)

式中:H为煤层厚度;b为水平移动系数;g为下沉系数;a为煤层倾角;D为地表下沉值。

3.2 采动覆岩破坏及裂隙发育特征模拟分析

在工作面推进过程中,受开采扰动使得煤壁前方出现应力集中区,积聚大量弹性能,采空区出现应力释放区;随着采场空间的扩大,工作面煤壁前方超前集中应力峰值逐渐增大至稳定,峰值距工作面距离降低,应力集中范围缩小;工作面推进至一定距离,采空区顶板岩层垮落压实后出现应力回升现象,随采场空间的扩大应力数值不断增大。

4 矿区底板承压水原位保护开采技术研究

4.1 采动底板破坏规律模拟分析

随着工作面的不断推进,底板破坏深度持续增大,在顶板第二次来压前,底板破坏深度随工作面推进距离加大而迅速增大,这是由于在开采过程中采空区内无应力作用,底板会沿着自由面不断变形弯曲,底板的破坏延伸速度最大。当顶板垮落后,采空区底板的破坏速度受到上覆垮落岩层自重的限制作用,使底板破坏深度延伸速度逐渐减小。当工作面推进至138 m时,顶板经过多次周期来压后,底板破坏深度逐渐达到峰值34 m之后不再继续增加。工作页推进度如图3所示。

图3 工作面推进度

4.2 采动底板破坏深度动态监测

在4305辅运顺槽设计施工2个底板钻孔,1#钻孔位于辅运顺槽130 m处,2#钻孔位于辅运顺槽190 m处,停采线位于辅运顺槽100 m处。1#钻孔布置1条75 m长的测线,电极距4 m,布置16个电极(套管内不安装电极);2#钻孔布置1条70 m长的测线,电极距4 m,布置16个电极(套管内不安装电极)。在巷道中布置两条测线(测线3、测线4),每条测线64 m,电极距4 m,每条测线布置16个电极,巷道共布置32个电极(图4)。

图5 钻孔参数

图4 电法探测系统现场布置

所测范围内钻孔内1#测线监测得到底板最大破坏深度为20.4 m;钻孔内2#测线监测得到底板最大破坏深度为25.5 m;巷道3#、4#测线联合监测得到底板最大破坏深度为27.3 m,即底板破坏深度为20.4～27.3 m。地质条件相似,因此底板破坏深度20.4～27.3 m(图5)。

4.3 底板承压含水层注浆改造靶向层位的技术研究

含水层中水的稳定由隔水层至煤层直接底所有岩层共同作用和维持。临界条件下,煤层开采后能够实现底板承压水原位保护性开采所需的临界“等效阻水厚度”(图6)。

图6 含水层层位

工作面底板奥灰承压含水层的最大水压为6.29 MPa,直接底至本溪组含水层的岩层总厚度140.49 m,由此计算得到底板本溪组含水层至工作面直接底的水头高度为205.50 m,同时奥灰含水层最小水位补给量初步按0.3 m/d计。代入“等效阻水厚度”计算公式,得到工作面开采后,能够实现底板奥灰承压含水层保护性开采的临界“等效阻水厚度”为

式中:m为各岩层厚度;K为各岩层渗透率;ΔH为两端水头压差;V为含水层水补给速度。

同样,工作面底板太灰承压含水层的最大水压为6.27 MPa,直接底至太灰含水层上部岩层的总厚度为37.42 m,由此计算得到太灰含水层至工作面直接底的水头高度为102.23 m。同样的太灰含水层最小水位补给量初步按0.3 m/d计。带入“等效阻水厚度”计算公式,得到工作面开采后,能够实现底板太灰承压含水层保护性开采的临界“等效阻水厚度”为

4.4 底板承压含水层注浆改造靶向层位分析

承压含水层与煤层直接底之间存在天然通道造成底板承压水的采动破坏,为实现底板承压水原位保护,首先应减少奥灰含水层对太灰含水层的水量补给,通过对奥灰含水层顶部进行注浆加固,切断奥灰含水层与采空区之间的水力联系,达到从含水层根源上进行保护目的。因此,提出承压导升区改性增阻注浆技术,选择奥灰含水层峰峰组顶部相对岩溶裂隙较发育层段,以保证注浆加固效果,同时不破坏奥灰主要含水层段(峰峰组深部及马家沟组)。通过分析现有钻孔资料,承压导升区改性增阻注浆目标层位初步选定在奥灰含水层峰峰组顶部以下5～30 m。在此基础上,为进一步增强保水效果,提出阻水带修复增阻注浆技术,目标层位选定在奥灰顶面以上30 m本溪灰岩,通过注浆改性为隔水层,对隐伏导水通道进行封堵,以增强底板岩层阻水能力[4-6],如图7所示。

图7 含水层注浆改造靶向层位

4.5 底板承压水原位保水开采技术

承压含水层与煤层直接底之间存在天然通道或承压含水层与煤层之间的阻水厚度不够,都会造成底板承压水的采动破坏,而无法实现底板承压水的原位保护。同时天然通道又往往是造成底板大量涌水和承压含水层破坏的重要因素之一。依据“三等效”保水开采理论,天然通道存在导致底板承压含水层与煤层之间的“等效阻水厚度”,底板岩层的阻水能力不能满足底板承压水原位保护的开采要求,因此采取底板承压水原位保护技术注浆加固。首先采取承压导升区改性增阻注浆技术以阻断工作面富水区域奥灰含水层与采空区之间的水力联系,其次实施阻水带修复増阻注浆技术以封堵隐伏导水通道,增强底板岩层阻水能力,从而达到底板承压水原位保护的目的[7-10]。

5 顶板水资源化利用

对矿井水进行综合循环利用,不但防止了水资源流失,避免对水环境造成污染,而且缓解了矿区水资源短缺供水不足、改善了矿区生态环境、最大限度地满足了日常生产和生活用水。根据试点工作面采空区水质化验报告,其水质有部分指标不符合国家工业用水标准,主要污染物为悬浮物、金属离子,其他指标均符合国家标准要求,矿井水资源化利用系统处理后的水质完全符合工业用水标准。矿井水资源利用系统现已建成并投入使用[11-12](图8)。

图8 水资源利用系统站

6 结论

(1)开采时涉及的含水层为煤层顶板K4、K5砂岩和煤层底板K3砂岩、L3薄层灰岩含水层,4#煤开采时,上述含水层水将直接进入开采工作面,是矿井水资源化利用的主要含水层;遇导水构造等特殊情况下,煤层底板奥陶系灰岩含水层水也将会进入采掘工作面,是矿井保水开采的主要含水层。

(2)项目在系统分析矿井地质、水文地质、水化学特征和采掘布置情况基础上,以试点工作面为试点制定并实施了保水开采技术,为实现矿井保水开采提供了支持。

(3)基于“三等效”理论,提出了“浅表水保质保量、顶板水资源化利用、底板水原位保护”的绿色开采保水技术方案,为最大限度地减少4#煤开采对水资源的损害奠定了基础。

(4)应用综合技术探测了导水通道类型,阐明了不同导水通道对保水阻断材料的要求,实测了材料综合性能指标,为选择适用性强、可靠性高和经济合理的注浆材料指明了方向。

(5)构建了智能化监测预警及精准探测系统,形成了利用微震方法监测井下浆液扩散通道技术,为指导保水开采工程提供了可靠方法。

本文技术方法正确,研究内容全面,模型适用性强,数据可靠,参数选取合理,研究结论正确,保水效果明显。采取的绿色开采(保水开采)方案符合国家政策要求,形成的保水开采示范工程理论与技术成果为下组煤开采提供了技术支持,在类似条件下保水开采具有重要的推广应用价值[13-14]。