奥灰岩溶水害区域超前治理技术研究及应用

赵庆彪

(冀中能源集团有限责任公司,河北邢台 054000)

奥灰岩溶水害区域超前治理技术研究及应用

赵庆彪

(冀中能源集团有限责任公司,河北邢台 054000)

鉴于邯邢矿区大采深矿井深部煤层和下组煤开采受奥灰承压水威胁现状和保水开采需要,提出了奥灰岩溶水上带压开采水害治理的“区域超前治理”理念及“超前主动、区域治理、全面改造、带压开采”防治水指导原则;相应给出了区域分区原则、治理模式及适用条件、治查结合新方法、超前治理管理程序、底板阻水能力评价方法和治理关键技术等支撑体系。该成套技术首先在邯邢矿区进行了应用研究,特别是地面多分支水平钻进关键技术应用研究,取得了很好的安全技术效果,创新了大采深矿井和开采下组煤奥灰水害治理方法,安全开采受承压水威胁的煤炭资源,保护了煤系基底奥灰水环境。

奥灰岩溶水害;区域超前治理技术;大采深矿井;下组煤开采;水环境保护

几十年来,我国中、东部煤矿区较大部分矿井转入深部开采,且每年以10～25 m向下延深,截至2013年底,全国有47个矿井采深达到1 000 m以深。河北省南部的邯邢矿区是大水老矿区,已有4个矿井采深达到1 000 m,其中九龙矿副井深达1 340 m;有7个矿开采下组煤。邯邢矿区煤系基底普遍发育有巨厚奥陶系石灰岩强含水层,受奥灰承压水威胁的深部及下组煤资源储量近30亿t[1]。随着下组煤多年开采,采深加大使得突水系数接近或达到《煤矿防治水规定》所规定的上限;大采深矿井的上组煤开采同样受高承压奥灰水威胁。另外,河北省属极度缺水省份,水环境及水资源保护形势紧迫。奥灰岩溶水是当地工农业和生活用水的重要水源,矿井突水必然带来较大的地下水环境扰动和损害,严重影响矿区及周边地下水环境和用水保障供给。长期以来,我国对承压水上采煤所采取的煤层底板注浆加固和含水层改造,从空间尺度上看,均以单工作面进行;从时间尺度上看,均是在工作面运输巷和回风巷完成、回采工作面形成后实施;从治理目标层来看,主要以煤系薄层灰岩含水层治理为主;从治理场地来看,主要以井下为主。卢萍等研究论述了冶金矿山在地面对奥灰含水层实施帷幕注浆采矿技术[2];张建国等研究了平顶山矿区在地面实施帷幕注浆区域治理辅以疏水降压,也取得了较好的效果[3]。笔者针对大采深高承压水头煤层开采背景,首次提出了空间上区域治理、时间上实施超前治理原则,治理的对象由煤层底板延伸至奥灰岩层顶部。所以,基于地下水环境保护,研究安全开采受奥灰含水层突水威胁的深部煤炭资源具有重要的现实意义。

1 区域超前治理可行性分析

华北地区中奥陶系灰岩总体上为非均质各向异性强含水层,邯邢矿区奥灰岩一般分为3组8段,奥灰顶部的峰峰组一般存在着一定厚度的古风化壳,占邯邢矿区总矿井数74.5%。其风化断裂带厚度一般为9～50 m,多被黏土质充填[4-5];除少数浅部钻孔在奥灰顶界漏水外,其他进入奥灰20～45 m才发生漏水。从收集的大量钻孔资料分析看,各井田奥灰顶部七或八段厚度及进入奥灰含水层明显见水深度差异较大,如邢台矿区的章村井田一般在30 m以上,北部的东庞井田一般在20 m以上;而峰峰矿区的九龙、羊东等井田相对偏小[6]。奥灰顶部的岩溶发育一般随埋藏深度的增加而减弱,如邢台矿区东庞井田-300 m以浅峰峰组裂隙率为0.50%～1.00%,岩溶率为0.1%～0.2%,-300 m以深裂隙率为0.3%～0.5%,岩溶率为0.001%～0.100%,在-600 m以深,钻孔中少见岩溶现象。由此可见,奥灰顶部风化壳充填带的存在以及深部埋藏区岩溶发育明显减弱使奥灰顶部的注浆改造具备了可行性。

“先探后掘,先治后采”是下组煤及大采深矿井带压开采最基本的防治水原则。为了适应较大规模开采的需要,必须打破“一面一探查、一面一治理”的常规,采取更加超前主动的矿井防治水措施,积极引进定向钻进技术,采取井上、下相结合的方式,更早地对采区或更大的区域进行超前钻探及预注浆改造。目前,较为成熟的快速定向多分支水平钻井技术为实现上述目标提供了有利的技术支撑,为超前区域治理、大规模高效注浆改造奥灰顶部岩石段提供了必要的条件。

2 奥灰岩溶水害区域超前治理技术路线

在大采深高承压水条件下,一般小型断裂构造或断裂带都有可能形成突水通道,在目前超前探测技术还不能完全探明隐伏断裂带或小构造的情况下,矿井防治水思路应由一般的超前探测向超前治理转变、由局部单工作面治理向整体区域治理转变,即采取超前主动防范的区域治理思路。

2.1 区域超前治理指导原则及内涵

近十多年来,邯邢矿区所发生7起较大及以上突水大部分是隐伏导水构造和断裂带导水所致,具有突水量大、隐蔽性强、不易探查的特点[7]。鉴于目前邯邢矿区大采深矿井和下组煤开采突水威胁以及防探水技术还不能完全满足安全生产的现状,首次提出了“超前主动、区域治理、全面改造、带压开采”防治水指导原则[8]。其内涵是:在大采深高承压水头条件下,以“不掘突水头,不采突水面”为目标,对煤层底板从“一面一治理”转变为以采区或更大区域以及受构造所分割的水文地质单元实施区域治理,从回采工作面形成后再治理提前到掘前预先主动治理,从以井下治理为主转变为以地面治理为主,从以煤系薄层灰岩含水层作为主要治理对象延伸到以奥灰含水层顶部作为主要治理对象。地面区域超前奥灰治理是治本,井下区域超前薄灰含水层治理是补充。

2.2 区域超前治理技术目标和技术路线

2.2.1 区域超前治理模式及适用条件

根据40多年煤层带压开采经验,提出了以下3种大采深和下组煤开采矿井煤层底板水害治理模式及适用条件:

(1)突水系数Ts≤0.06 MPa/m,以查找封堵垂向导水通道为主;

(2)0.06＜Ts＜0.09 MPa/m,煤层底板隔水层全面注浆改造;

(3)Ts≥0.09 MPa/m,煤层底板隔水层和奥灰岩顶部实施全面注浆改造。

从矿井安全和大区衔接要求,在突水系数Ts＞0.08 MPa/m时应计划落实区域超前治理防治水指导原则。

2.2.2 区域超前治理技术目标

(1)通过煤层底板全面注浆改造,突水系数必须小于《煤矿防治水规定》的0.1 MPa/m;

(2)“以治定采”,治理达标煤量要大于回采煤量;

(3)区域治理工程超前掘采工程,做到不掘突水头,不采突水面;

(4)超前注浆治理工程量要达到总工程量70%以上。

2.2.3 区域超前治理技术路线

(1)区域超前治理程序:地面物探—地面打钻(钻探、验证)—区域注浆治理—注浆效果检验;

(2)井下掘前“条带”治理程序:掘前物探—打钻验证—注浆补强—先治后掘;

(3)工作面采前:采面内、外部综合探测(物、钻探)—注浆补强—全面改造—效果检验—采前评价—回采。

采前评价[9-11]是采面治理后,还要用同一种物探手段进行治理前、后的效果对比和煤层底板阻水能力测试,然后进行专家综合评价。

3 区域超前治理关键技术

3.1 地面水平多分支定向钻进关键技术

地面水平定向钻进是利用特殊的井底动力工具和随钻测量技术[12],钻成井斜大于86°,并保持该角度钻进一定岩层段的定向钻井技术,包括随钻测量、井眼轨迹控制、井壁稳定技术等。在煤矿防治水领域应用水平定向钻进技术目的是探查复杂的地质构造并加以超前治理,应用水平定向钻进技术对煤层底板高承压奥灰含水层进行全面注浆改造。一般先在地面施工垂直井,然后造斜进入奥灰含水层一定深度变成水平井,对奥灰含水层进行充分揭露。在钻进中以寻找断层、溶洞和裂隙为主,若遇导水裂隙等造成浆液大量流失,立即注浆治理;若进入奥灰含水层未发现导水裂隙等构造,则施工多水平分支孔继续查找导水裂隙等构造。在找到导水裂隙等构造或在钻进中有浆液漏失时,要做压水试验,根据吸水量的大小最后决定注浆量和浓度,从而达到在地面超前注浆改造奥灰顶部含水层的目的。

3.2 井下定向钻进超前注浆治理

煤矿井下定向钻进技术是煤矿钻探领域的一项新技术,该定向钻进技术采用带弯接头钻具,钻杆不回转,利用高水压驱动螺杆马达带动钻头旋转,加上随钻测量技术监测和通过调节螺杆马达工具面向角控制钻孔轨迹,从而使钻孔尽量在目标岩层中延伸。

3.2.1 掘前“条带”补强注浆治理

在掘进前方加固煤层底板掩护煤巷掘进,首先要注浆加固一定深度的巷道底板以封堵潜在的出水通道。一般以注浆扩散半径确定合理的超前钻探距离和煤层底板加固深度。实体煤掘进注浆加固范围和深度如图1所示。坚持“见水必注”的原则,对巷道前方的底板及侧向一定范围内予以注浆超前预治理,这样为相邻采煤工作面设计的沿空送巷“不掘突水头”进行了超前加固;如果附近有断裂构造等地质异常体,须需利用已有巷道进行超前注浆治理,防止采动活化出水。

图1 掘进超前条带注浆示意Fig.1 Schematic view of tunneling in advance bands grouting

3.2.2 采场补强注浆及相邻未采区域超前治理

回采工作面掘出后,采煤工作面内一般用两种以上物探手段指导底板补强注浆全面改造;为相邻未采区域“不掘突水头”创造条件,将现有回采工作面注浆改造范围外延50 m,为创造相邻未采区域超前注浆改造,如图2所示,以保障相邻采煤工作面掘进“不掘突水头”。

图2 相邻未采工作面超前注浆加固示意Fig.2 Adjacentworking face advanced grouting reinforcement

3.3 带压开采底板隔水岩层阻水性能评价

对煤层底板隔水层的阻水能力,需对其阻水抗压的性能做评价,这里给出了两种底板隔水性能评价方法,可求得岩体阻水抗压能力的安全储备系数,从而评价其带压开采的可靠性。经实践证明可行实用。

3.3.1 利用带压系数对底板隔水层阻水性能量化评价

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,即由底板隔水层到底能够削减多少水头压力而定。

奥灰含水层顶面以上存在一定高度的原始导高带,其导高带又可划分为上、下两个分带,其阻水能力相差悬殊,下分带(导水带)几乎无阻水能力,上分带(显水带)由于具有较强阻水能力,对于煤层带压开采具有重要意义,显水带的作用就是将奥灰承压水头削减至0。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,评价底板隔水层阻水性能[13]。

底板阻层阻水性能可通过显水带带压系数体现,显水带分段测试、整段测试和平均带压系数分别为

式中,Dwi为显水带第i分段带压系数,MPa/m;D-w为显水带整段带压系数,MPa/m;D-wo为显水带整段平均带压系数,MPa/m;Pwi,Pw(i+1)分别为第i,i+1次测定的水压值,MPa;hi,hi+1分别为第i,i+1次测定的垂直煤层法线钻孔深度,m;i为测试次数,i=1,2,3,…, n;H0为底板导水带顶水压标高,m;hdy为显水带厚度,m;Pwn,Pwl分别为显水带顶、底部测定水压值,MPa;hn,hl分别为显水带顶、底部垂直煤层法线钻孔深度,m。

该方法在邯邢矿区的东庞矿下组煤9103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)相对煤层在空间上的赋存状况,得出了6种带压开采判别模型。

3.3.2 利用阻水系数对底板隔水层阻水性能量化评价

通过原位实测技术,取得底板不同岩层不同组合和不同结构构造条件底板隔水性能、初始导渗水压力、抗渗透破坏强度等实测数据,构建与煤层底板阻渗条件相关的评价模型[14]。煤层底板的实际阻水能力评价为岩层阻水抗渗强度Pm,即煤层底板隔水岩层所具有的阻水抗压能力,单位为MPa,具体表达为

其中,mi为第i层段岩层厚度,m;Pi为i层段的单位厚度所具有的阻水系数,MPa/m,其大小主要受岩性及底板岩层组合结构状态影响,可通过式(3)确定,即

式中,λi为i分层侧压力系数;γ-为i分层覆岩的平均容重,kN/m3;m为i分层覆岩厚度,m;Mi为i分层厚度,m;a为结构效应消减系数,取值主要考虑底板岩石结构类型和裂隙构造发育程度。

近年在邯邢矿区下组煤及大采深煤层开采中利用阻水系数对底板隔水层阻水性能量化评价进行了较好的应用。

4 大采深矿井区域超前治理水害示范工程

4.1 工程背景

邯邢矿区某矿自1998年10月开采4号煤保护层以来,4个回采工作面发生突水,尤其以2009-01-08作为保护层的15423N工作面采空区发生滞后突水,突水量超过矿井最大排水能力被迫停产,根据水文观测及水质化验资料确定突水源为奥灰水,突水通道为4号煤以下的隐伏导水陷落柱[15]。所以,在采深已达到850 m以深,突水系数逐步接近《煤矿防治水规定》上限情况下,采取以地面治理为主,井下治理为辅区域超前治理立体防治水模式。

4.2 定向钻孔设计及施工

在地面三维地震探测和履行前述主要管理工作程序基础上,结合矿井水文地质勘探资料,将奥灰岩含水层顶部作为改造目标层,以-850 m水平北翼二采区为单元,依据已有水文探测成果设计布置3个垂向主孔,主孔间距约1 000 m;每个主孔根据浆液扩散半径和工程需要,设计了4～7个水平分支孔,原则上覆盖全区域。应用T200XD多功能全液压车载顶驱钻机定向钻进技术,钻机平均钻进速度0.6～2.0 m/min。先施工垂向主钻孔到澳灰岩顶面七、八段(孔深约971.6 m)层位,再沿不同方位施工水平分支孔。

4号煤层底板各含水层注浆治理伴随着水平钻孔施工的整个过程,孔口注浆打压不低于4.0 MPa,注浆材料以R32.5矿渣硅酸水泥为主,浆液出现大量流失时添加粉煤灰等作为辅助注浆材料。钻探施工的各个阶段均采用下行式分段注浆方式,即钻探施工过程中一旦浆液大量漏失就立即进行注浆加固。施工至奥灰含水层后出现钻进中漏浆量大时,在压水试验的前提下,确定注浆参数。注浆过程中发现有串浆现象采取各注浆孔联合注浆方式,上一阶段注浆结束后,注浆孔、串浆孔均应进行扫孔,以防堵孔。以孔口终压1.0 MPa、稳定30 min和单孔吸浆量小于50 L/min作为注浆结束标准。治理中,根据钻探、注浆情况,及时反馈,不断优化设计,按浆液扩散半径设计施工另一方位水平钻孔,直至达到区域治理设计要求。

4.3 区域超前治理效果

北翼-850 m水平二采区区域治理钻孔累计进尺15 651 m,其中水平定向井进尺12 386 m,最大水平钻距达836 m,共探查出漏失点25个,累计注浆量为77 689 t。区域治理成果如图3所示。由于钻孔以“带、羽状”的轨迹进入奥灰顶部目标层后,以水平或近水平状态沿目标层延伸,能够探知所钻范围内地质构造的情况,并使原来在水平方向无联系的裂隙、断层及溶蚀溶洞等渗流或通道互相连通,扩大了钻孔控制范围,改善了区域水文地质条件,为井下“不掘突水头”提供了保障。

图3 北翼二采区区域治理钻孔轨迹成果Fig.3 North wing No.2mining area regional governance drilling trajectory achievement

在地面区域超前治理基础上,井下以4号野青煤层15445N回采工作面为核心,进行掘前“条带”及工作面采前补强注浆。通过井下测试钻孔原位测试,利用带压系数和阻水系数对煤层底板隔水层阻水性能进行了量化评价,结果表明,区域超前治理有效地消减了煤层底板岩层薄弱区各向异性的“异度”,提高了底板阻水能力,相应提高了井下不掘突水头、不采突水面保障能力。获得保护层回采煤量和2号煤首采煤工作面治理达标煤量共计77万t。

5 结 论

(1)提出了奥灰岩溶水害区域超前治理理念和技术指导原则,创新了大采深矿井和高承压水上安全开采的技术管理程序和水害防治技术路线;形成了以地面区域超前治理为主,井下补强注浆为辅的立体注浆治理模式,先治后掘、先治后采,为实现“不掘突水头,不采突水面”探索出一种新的方法。

(2)将地面定向钻进技术应用到矿井煤层底板改造领域中,利用地面多分支水平钻孔技术,对奥灰含水层顶部进行“网、羽”状探注,将其改造为相对隔水层,从根本上消除了奥灰灾害性突水通道;从而科学地延伸开采下限,实现下组煤较大规模及深部煤炭资源安全带压开采。

(3)利用底板岩层带压系数及阻水系数对底板隔水岩层阻水性能进行量化评价为安全带压开采提供了技术支撑。

(4)邯邢矿区通过奥灰顶部区域超前注浆改造示范工程及回采实践表明,区域超前治理关键技术防止了煤层底板突水,保护了地下水环境及水资源,具有明显的环境和社会效益。

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Ordovician limestone karst water disaster regional advanced governance technology study and app lication

ZHAO Qing-biao
(Jizhong Energy Group Corporation Ltd.,Xingtai 054000,China)

Based on largemining deep mine deep coal seam and under-group coal seam mining influenced by ordovician limestone confined water threat situation and water keeping requirement in Hanxing mining area,regional advanced governance idea of ordovician limestone karst water with pressure mining water disaster governance and advanced initiative,regional governance,wholly transformation,miningwith pressure guidelinewere put forward;Regional partition principle,managementmode and suitable conditions,investigation and governance combined with new methods,advanced governancemanagement procedures,floor block water proof capacity evaluationmethod and key technology governance and other supportive system were correspondingly gave.The whole set technology was put into study and application in Hanxingmining area,especially the ground multi-branch horizontal drilling key technology application research,which gotexcellent safe technology effect,innovated ordovician limestone karstwater disaster governance in deep mining mines and under-group coal seam mining,mined out the coal resourced safely threatened by confined water and protected coal system basement ordovician limestone karstwater environment.

ordovician limestone karst water disaster;regional advanced governance technology;large mining deep mine;under-group coal seam mining;water environment protection

TD745

A

0253-9993(2014)06-1112-06

赵庆彪.奥灰岩溶水害区域超前治理技术研究及应用[J].煤炭学报,2014,39(6):1112-1117.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0475

Zhao Qingbiao.Ordovician limestone karst water disaster regional advanced governance technology study and application[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1112-1117.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0475

2014-04-09 责任编辑:韩晋平

赵庆彪(1957—),男,辽宁海城人,博士,高级工程师。Tel:0319-2068322,E-mail:qingbiaozh@163.com