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底板疏水降压水害防治技术应用贡献者用于
底板疏水降压水害防治技术应用
登电集团新玉煤矿
二0一0年十一月十日
底板疏水降压水害防治技术应用
一、导言
水害是影响我矿安全生产过程中的主要灾害之一。
当前,水害治理已成为困扰矿井向安全、高产、高效发展刻不容缓的头等大事。
自2004年下山二采区22041采面底板突水后,我矿采取各种积极防治水方法,在实践中探索出了一条分区分段,逐块分析,因地制宜,“疏放结合”“物探、钻探结合”的矿井防治水方法,针对不同的水文地质问题,因地制宜制定不同的防治水方案。
二、矿井基本情况
登电集团新玉煤矿位于登封市告成镇王家门村,矿区位于登封煤田、箕山井田内,井田面积10.8674km2,开采二1煤层。
设计生产能力30万吨/年,开采标高-160m~-250m,矿井地质储量2612万吨,可采储量1575.16万吨。
采用双斜井——立井联合开拓方式,单水平上下山开采,中央分列抽出式通风。
三、井田地质概况
新玉井田南北边界被断层切割,中间煤田下沉,井田总体为一向斜构造。
井田内无小煤窑侵入,属未开发的原始煤田,为独立块段,周围井田边界均为自然断层为界。
开采二叠系山西组二1煤。
四、断层构造
徐庄断层,位于井田南部边界,该断层总体走向为EW-NE,倾向N-NW,倾角50°,区域内延长1.05km。
西北盘下降,东南盘上升,断距500~1000m,矿区A~B′地质剖面,穿过徐庄断层和申家门断层。
在A~B′地质剖面上徐庄断层断距275m,二1煤直接和对盘的寒武灰岩对接,如果采掘触及该断层会诱发大量寒武灰岩水涌出,危及矿井安全生产。
北部边界申家门断层,断层走向EW-NE,倾向SE,倾角45°左右,S和SE盘下降,N和NW盘上升,断距150~250m,为自然边界断层。
五、水文地质特征
1.主要含水层
①∈3ch和O2m白云质灰岩、灰岩岩溶承压水含水层。
古剥蚀面发育,其中古岩溶发育,富水性强。
钻孔单位涌水量0.00479~18.17L/S·m。
据统计,本含水层距二1煤层50~60m,是二1煤层底板较富水的间接充水含水层。
②C2t下段灰岩岩溶承压水含水层。
由L1-4四层灰岩组成,岩性为深灰色含燧石团块灰岩,岩溶发育,透水性强,富水性不均匀。
单位涌水量0.347L/S·m,渗透系数2.8m/d,是二1煤层底板间接充水含水层。
③C2t上段灰岩岩溶承压水含水层。
由L6~L9四层灰岩组成,其中L7、L8灰岩较发育,单位涌水量0.3021L/S·m,该含水层为二1煤层底板直接充水含水层。
④P1s砂岩孔隙裂隙承压水含水层。
指P1s细、中、粗粒砂岩,岩性为灰白色长石石英砂岩,钙质胶结,孔隙裂隙发育,含水较丰富,单位涌水量0.034L/S·m,该含水层为二1煤层顶板直接充水岩层。
⑤P1x、P2s砂岩孔隙裂隙承压水含水层。
岩性主要为灰、灰绿色中、粗粒砂岩,单位涌水量0.009L/s·m。
对二1煤层开采影响不大。
⑥P2sh砂岩孔隙裂隙承压(局部无压)水含水层。
主要指平顶山砂岩,层位稳定,岩性主要为粗、中粒长石石英砂岩,孔隙裂隙及小溶洞发育。
该含水层富水性中等且较均匀,因距下部煤层较远,对采煤影响不大。
⑦Q孔隙潜水含水层。
第四系上部黄土,下部或底部为砂砾石层,含孔隙潜水,该含水层距下部煤层甚远,对采煤无影响。
2.主要隔水层
①本溪组铝质泥岩隔水层。
岩性主要为灰白色铝质泥岩,致密,隔水性能良好,局部较薄,可诱发寒武、奥陶系灰岩含水层与太原组下段灰岩含水层之间的水力联系。
②太原组中部砂泥岩段隔水层。
指L4顶至L7底之间地层。
平均20.37m。
岩性主要为砂质泥岩、粉砂岩等。
该层位稳定,正常情况下对太原组上、下段灰岩含水层有良好隔水作用。
③二1煤层底板隔水层。
主要为泥岩、砂质泥岩和少量的粉砂岩组成,在正常情况下,当沿二1煤掘进时下伏含水层水头压力较小时,能起到一定的隔水作用。
④上、下石盒子组细碎屑岩隔水层。
指上、下石盒子组中、粗粒砂岩含水层之外的大多数砂质泥岩、泥岩、粉砂岩等。
厚度大,一般能有效阻隔其中所夹含水层之间及其含水层与P2sh含水层和二1煤顶板砂岩含水层之间的水力联系。
六、疏水降压的必要性
1.历次突水事故
1)主斜井150m处:
1997年5月15日掘进遇到王屯断层出水300m3/h,打注浆孔将出水堵死。
2)副斜井180m处:
1997年5月21日与主斜井同时出水,涌水量300m3/h,打注浆孔将出水堵死。
两条斜井遇断层出水,注浆封堵后无水,顺利施工掘进双千米落底。
3)22041采空区2004年12月31号出水,工作面推排至30m处,采空区底板涌水量30m3/h,逐渐增加到600m3/h,且采空区水流呈散流状涌出,无固定出水点,水沟底部有乳白色沉淀物。
4)11091采空区:
2006年11月9日出水,二1煤底板出水30m3/h,后采空区多处出水,涌水量增加到330m3/h,沟底有乳白色沉淀物。
5)11091绕巷底板:
2008年5月3日11091绕巷底板出水,起初涌水量为30m3/h,后周围多处出水,涌水量突然增大650~800m3/h,水质灰色浑浊状涌出。
2.突水原因分析
1)由于矿井属未开发的全新井田,无论是顶板水或是或是底板水都未得到过疏放,水压高,是采掘过程中造成突水事故的主要因素之一。
由上述历次突水事故说明:
在采掘过程中,只要遇到裂隙和断层,就会发生突水。
2)根据本区钻孔资料,二1煤以下至寒武系灰岩顶面有4~5层隔水层,岩性分别为泥岩、粉砂岩、砂质泥岩和铝土质泥岩,总厚度平均37m,寒武顶面为铝土质泥岩,厚4~5m,隔水层厚度明显低于安全临界值39m的厚度。
3)受断层影响,井田次生断层和滑动构造出现频繁,区内各种地质构造的发育破坏了煤层顶底板的完整性,产生裂隙、破碎带导水通道。
煤层底板隔水层厚度较薄,抗压强度较小,受采动影响,容易造成突水事故。
4)断裂构造。
多数构造在天然状态下是阻水的,当井巷工程施工穿过构造时,破坏了断裂构造天然平衡状态,在自重力和构造应力的双重作用下,采动破坏加剧,破坏力加大,使含水层与井巷工程对接、沟通或提供出水通道,就用可能发生涌水。
5)煤层顶底板形成“三带”(垮落带、裂隙发育带和沉降带)裂隙。
埋藏在地下深处的煤层承受上覆岩体的巨大压力,同时它也产生反作用,两者处于平衡稳定状态。
煤层开采后,“三带”将成为矿井充水通道。
底板出现原始导高带、底板破坏带、完整岩层带。
在采面局部地段,由于受构造影响,在地应力作用下,局部底板隔水层遭到破坏,产生裂隙产生充水通道。
本来二1煤底板隔水层厚度就不够,采煤后采空区叠加应力的重新分布更降低了底板抗压能力,造成底板出水是必然的.
七、方案确定
1.历次工程实施分析
1)22041工作面注浆堵水:
2004年12月31号,位于井底-160m水平轨道大巷南下部的22041工作面(H:
-179.8m)在正常推排回采30m时,采空区底鼓裂隙出水,涌水量由30m3/h突然增加到600m3/h,采空区水呈散流状涌出,无固定出水点,浑水逐渐变清,水沟底有乳白色沉淀物,为奥陶-寒武系灰岩水,造成两条下山巷道及两个采煤工作面被淹。
治理措施:
向出水点采空区顶板上方送巷道布置钻场,共打6个钻孔,平均孔深120m,终孔在煤层底板以上80m,寒武系灰岩中,向孔内注入水泥累计2560吨,出水点全部被封堵,涌水消失,堵水效果100﹪。
2)11091工作面堵水:
2006年11月9日,位于矿井东翼-160m水平以上,11091上山采煤工作面(H:
-126~-140m),在正常回采过程中,采空区多出底板裂缝出水,涌水量30m3/h增加到330m3/h,最终稳定在240m3/h左右,造成工作面停产,东翼进、回风巷被淹。
治理措施:
从11091绕巷沿煤层底板向工作面中间送巷道布置钻场,钻场距采面20m,共打10个钻孔,平均孔深112m,终孔在煤层底板以下80m处寒灰中。
累计向孔内注入水泥2200吨,因底板裂缝大,水压达到3.0mpa,未能把涌水全部堵住,截止2008年3月份,该工作面采空区涌水量还有70m3/h,堵水效果不足30﹪。
3)自然疏水降压,涌水量逐渐变小。
2008年5月3日,矿井东翼-160m水平以上,11091工作面绕巷煤壁发生断续性出水,与此同时,11081工作面及11091工作面也发生两次断续性大出水,涌水量由初始的30m3/h迅速增加到800m3/h,由于突水量过大,在短时间造成东翼进、回风巷道,11081、11101、11091采煤工作面全部被淹。
治理措施:
面对这样的大量涌水,无法进行注浆堵水,研究决定:
自然疏水降压。
当时矿井排水负荷大幅度上升,在排水设备难以承担时,果断采取临时补救措施,将部分涌水引入西部轨道下山巷道。
几天后涌水量基本稳定在250m3/h左右,排水系统可以负担时,又将引入下山巷道的流水直接引入水仓。
经过近两年的自然疏水降压,现在水量基本稳定在110m3/h左右。
通过对下山04采面和东翼09采面突水原因分析:
采用注浆封堵和煤层底板加固措施防治底板水技术效果不明显,且有迫使底板水在采动影响和矿压的双重作用下,形成新的导水通道。
2.方案确定
根据<煤矿防治水规定>:
“防治水工作应当坚持预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采的原则,采取防、堵、疏、排、截的综合治理措施”的规定。
结合矿井实际,确定物探先行,钻探验证,疏、放结合的矿井防治水方案。
八、方案实施
1.对富水疑问区利用瞬变电磁物探,根据物探报告进行钻探验证。
2.布置钻场和安装配套设施
疏水降压方案确定后需要施工打钻孔疏水降压,由于采煤工作面运输巷不具有自然疏水降压能力,因此需要在近距离巷道内施工具有自然疏水降压能力的钻场巷道和配套排水等设施安装。
其主要作用:
(1)确保本区域采煤工作面和附近采煤工作面能安全回采;
(2)施工钻孔进行孔疏水降压,是实施疏水降压、防治底板突水的主要手段。
3.施工疏水降压钻孔进行疏水降压
矿井东、西翼及22041工作面煤层底板水压3.5mpa,初始涌水量达400m3/h左右,利用自然疏水降压时水压和水量下降缓慢,为了加快该下山采区的水压、水量下降幅度,经矿委研究决定对下山采区采取打钻疏水降压的同时,在西轨道大巷也打钻孔进行疏水降压措施使其具备安全回采的目的:
①2009年3月在西大巷轨道下山打成1号寒灰放水钻孔,钻孔俯倾角-65°,终孔153.3m,进入寒武灰岩之中,涌水量300m3/h,水压3.5Mpa。
现在水压2.8Mpa,涌水量80m3/h左右;②2009年4月12日,在轨道下山打成2号寒灰放水钻孔,钻孔俯倾角-78°,孔深125.5m,涌水量50m3/h,水压3.5Mpa。
现在涌水量只有3m3/h左右;③2009年5月2日在西轨道大巷-160m水平打成一个寒灰放水钻孔,钻孔倾角-90°,终孔186m,涌水量79m3/h,水压3.0Mpa,现在水压2.6Mpa,涌水量40m3/h;④2010年6月、7月对下山2号疏水孔透孔措施效果不明显的情况下,重新布置钻场打钻施工,解放22031上采面底板水威胁;同时,对22041采面下部的22051采面、22061采面底板水进行疏水降压,为其安全回采奠定基础。
截至目前,下山各个疏水降压孔的水压、涌水量都有不同程度的明显下降,确保了下山采区的安全回采目的。
疏水降压示意图:
九、熟练程度安全性及应用中存在的问题
疏水降压、带压开采是新玉煤矿长期以来形成的奥灰水防治的成功之路,但疏水降压是有限度的,若疏水量过大不仅增加矿井排水费用,增加吨煤成本,同时可能导致奥灰水的降落漏斗过大,波及新的补给水源,增加今后奥灰水的防治难度;若疏水量过小,水压难以下降,工作面的突水威胁将不能解除。
因此通过疏水降压中的涌水量与水压变化情况进行分析,结合矿井奥灰赋水区分布情况,系统论证局部疏水降压的的安全性。
若涌水量和水压没有明显下降或效果不明显时,通过疏通现有钻孔或新施工钻孔措施增大疏水降压效果。
十、效果分析
通过东翼采区自然疏放降压和下山打钻孔疏水降压,东翼采区涌水量由原来的230m3/h,减少到现在的110m3/h;下山二采区底板水压由原来3.2MPa减小到现在的2.8MPa,涌水量由原来的300m3/h减小到现在的200m3/h,疏水降压技术在我矿的成功应用,为下一步恢复东翼采区和下山采区安全回采奠定了安全基础。
十一、投资与效益
1.初期投资共计60~80万元。
2.效益,通过东翼采区自然疏放和下山采区疏水降压;减少了底板加固改造和注浆等费用600多万元。
3.成功解放-160m水平下山二采区22031、22041、22051采煤工作面原煤14万吨,按450元/吨计算,直接经济效益:
14.0000×450=6300万元;
4.减少了因出水造成停工停产和误工误时时间,按0.6吨/工﹣人、350吨/天计算直接节约经济效益15.8万元;
4.为长期观测矿井涌水量,建立矿井水文台账提供了必备条件。
5.有效的减小了富水区域附近采掘活动威胁,并实现了矿井安全生产,促进了矿井安全、高产、高效发展步伐。
十二、参研人员
王金庭毛金松王永军孙玉群侯进杰
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