煤矿防治水论文煤矿防水论文恒源煤矿深部开采放水试验及防治水方案

煤矿防治水论文煤矿防水论文：恒源煤矿深部开采放水试验及防治水方案摘要:为了查明恒源煤矿－600m水平开采受底板高承压太灰含水层的威胁，基于地下水井流理论，对太灰含水层进行了大型群孔干扰放水试验，查明了6煤底板太灰含水层的富水性和补径排条件。结果表明太灰含水层岩溶发育且存在一定程度的非均一性，径流条件较好，矿区内不存在不易疏降的高水位异常区，在此基础上提出了该矿深部开采以疏水降压为主、注浆为辅的底板防治水技术方案，为保障－600m水平6煤安全开采提供合理依据。关键词:深部开采;群孔放水试验;流场演化;防治水恒源煤矿隶属于安徽恒源煤电股份有限公司，主采二迭系山西组6煤层和下石盒子组4煤。目前，矿井一水平－400m以浅资源开采已接近尾声，二水平－400～－600m资源是现阶段及今后的主要开采层位。随着矿井二水平的逐步打开，回采深度也逐渐加大，6煤层底板承受水压也随之增加，工作面底板最大承受水压将达到3．4MPa，相应突水系数为0．085MPa/m，大于突水系数临界值。另外，当太灰水在遇到陷落柱以及其他地质构造与工作面导通时，将极有可能造成淹巷、淹面事故。同时，奥陶系灰岩水也存在通过大的导水构造(如陷落柱、基底断裂等)突破煤层底板进入采场的可能，其后果不可估量。由于矿井水文地质条件的复杂性，开采过程中受到底板高承压太灰水的威胁。《煤矿防治水规定》〔1〕中也明确规定，当遇有:①复杂型或极复杂矿井，采用地面水文地质勘探难以查清问题时，需在井下进行放水试验或连通试验;②煤层顶、底板有含水砂层或岩溶含水层时，需进行疏水开采试验等情况者，应在井下进行水文地质勘探试验。井下放水试验是矿区水文地质工作中应用最多的方法〔2〕。鉴于此，该矿开展了大型的群孔放水试验，在综合评价矿井太灰含水层水文地质条件的基础上，提出高承压太灰水防治的技术措施，为矿井二水平的安全开采提供依据和保障。1矿区地质及水文地质背景矿井范围内无基岩出露，均为新生界松散层所覆盖，经钻孔揭露地层有奥陶系、石炭系、二叠系、第三和第四系，地层厚度＞1500m，该矿处于大吴集复向斜南部仰起端上的次级褶曲土楼背斜西翼。总体上为一走向北北东，向北西倾的单斜构造，次级褶曲较为发育，使局部地层呈北东或北西向。地层倾角一般在3°～15°，受构造影响局部倾角变化较大。构造较为发育。已查出褶曲5个，组合落差≥5m的断层55条，其中落差≥30m的断层8条。该矿矿井水文地质条件相对较为复杂，主要含水层有第四系孔隙水含水层组、煤系砂岩裂隙水含水层组、太灰岩溶水含水层组、奥灰岩溶水含水层组。其中对6煤安全开采存在较大威胁的含水层主要有:煤系砂岩裂隙水含水层组、太灰岩溶水含水层组、奥灰岩溶水含水层组，如图1所示。图1主采煤层与主要威胁灰岩含水层关系图该矿位于太灰地下水的径流区内，6煤上下砂岩裂隙含水层是开采6煤层时矿井直接充水含水层。太原组石灰岩总厚115．55m。有12层石灰岩，厚53．87m，其中L1和L2为薄层状灰岩，厚度4～6m，含水性弱;L3～L4灰岩的厚度平均达9～18m之间。裂隙溶洞发育、含水丰富、富水性较强，是矿井充水的主要含水层及充水水源。一般把1～4层灰岩视为1个含水层组，总厚约21m。2大型群孔放水试验结合恒源煤矿的实际水文地质条件，并为今后二水平深部高承压水上的安全开采防治水方案的制定做准备，需进行大流量、大降深、长时间的大型放水试验，以充分揭露太灰含水层的边界条件和整个太灰地下水流场的变化情况，故设计放水试验类型为干扰非完整井群放水试验。2．1放水孔与观测孔布设鉴于二水平底板太灰含水层富水性不均一性，首先利用地球物理探测技术划分了富水区域，并考虑矿井排水能力，将放水孔位置定在二水平水仓附近;为了保证足够大的流量，共布置4个放水孔，且位置相对集中，以构成相互干扰的“大井”。为了更好地查明矿区的地下水流场形态、边界条件、矿区重要断层的导水性并消除井损，分别在矿区边界和重要断层2侧以及放水孔附近布置了若干地面、井下观测孔，共计12个(放水孔与观测孔位置分布图略)。2．2放水试验过程放水试验为1次最大降深、群孔干扰非稳定流放水试验，根据现场条件，FS1～FS44个放水孔于2009年12月3日14:30开始正式放水，至2009年12月7日15:15时关阀，放水历时96．75h，总放水量约20995m3。4个孔总涌水量约为217m3/h。放水结束后，开始水位恢复阶段的观测，即2009年12月7日15:15－2009年12月9日10:30，水位恢复历时42．25h。放水试验数据监测采用井下放水，井上、下同步观测的方法。其中3个放水孔FS1～FS3和1个井下放水孔水位观测选用煤炭科学院西安研究院研制的YJSY型自动水压观测仪，同时在FS1～FS44个放水孔分别采用自记仪和流速仪监测放水孔的出水量。在地面监测孔采用水位自记仪，直接将数据实时传入监测中心的电脑里，进行数据的实时采集。3放水试验结果分析3．1水量、水位动态特征变化FS1～FS44个放水孔的Q－t曲线如图2所示。图2FS1～FS4孔流量及放水总流量历时曲线由图3可见，放水孔流量变化幅度较小，近似为稳定，其中FS1和FS2孔放水量较大，稳定在70m3/h，FS3和FS4放水量较小，稳定在40m3/h，总放水量约217m3/h。由表1和图4可以看出，在放水试验开始后，放水孔中心附近的观测孔G3形成了51m的降深，太灰地下水位迅速下降，其它各观测孔也产生了一定的降深，不存在降不下去的高水位异常区，为今后的疏降水工程提供有利条件。此外，分析其数据和曲线变化趋势，还可以初步得出以下结论:水20孔位于矿区西北部排泄边界，放水试验期间其水位降低至与放水孔附近观测孔GC3持平，进一步证明了地下水是东南部流向西北部，且孟－1断层没有对太灰水起到明显的隔水作用;多数观测孔水位迅速下降说明太灰水静储量小，径流条件较好，渗透系数较大;能达到似稳定状态或保持缓慢的发展趋势说明有一定的补给源。水17在放水试验过程中水位下降仅1m左右，说明孟口断层北部具有良好的隔水性能，而GS6与GS10分别位于孟口断层南部的上下盘，虽然2个观测孔有明显的水位差，但在放水试验过程中保持同步的变化趋势，说明孟口断层南部的隔水性变差。水8(奥灰)观测孔水位在放水阶段和水位恢复阶段水位没有发生明显变化，虽然以往的勘探资料认为区域内太灰含水层与奥灰含水层在局部存在可能存在一定程度的水力联系，但本次放水试验数据没有得到此方面的验证，建议采取其它手段和方法进一步验证区域太灰与奥灰含水层之间的水力联系。3．2太灰地下水流场动态演化分析绘制了典型时刻的太灰地下水流场形态图(图略)。由太灰初始流场图中可以看出，太灰地下水流场在东南方向是高水位区，西北方向是低水位区，即天然的排泄边界，天然径流是由东南至西北方向，是具有统一联系的地下水流场。放水孔处存在微小的降落漏斗，是正式放水试验前的试放水所产生的。从太灰放水试验中期流场、终期流场图可以看出，放水试验初期太灰地下水位迅速下降，以放水孔为中心形成明显的降落漏斗并迅速扩展到边界;北部和西北部是太灰水的排泄区，初始水位较低，在放水过程中其水位始终低于放水孔附近的观测孔水位;随着放水试验的进行，太灰地下水降落漏斗持续缓慢发展，改变着地下水的流场形态，使太灰水向放水孔中心汇集，验证了太灰含水层的可疏降性。46煤带压开采的防治水技术与措施通过放水试验中的水位、水量观测资料分析认为矿区太灰含水层L1～L4具有强富水、高承压的特点，求取水文地质参数存在非均一性，但其静储量较小，侧向补给强度有限，因此区域内太灰含水层是可疏降的，6煤安全回采的防治水技术措施可以疏降为主，辅以底板注浆加固技术措施。(1)工作面疏水降压。工作面预先疏降作为恒源煤矿深部带压开采的重要防治水措施，主要是在受太灰底板水害威胁较大的开采区域经济合理疏降太灰水头，确保带压系数在煤层底板可承受的范围内。根据皖北矿区带压开采经验，矿区临界突水系数为0．7MPa/m，放水试验放水孔及其附近观测孔水位已达到安全水头之下，疏水钻孔布置应在采区主要巷道中布置。在采区巷道掘进过程中进行物探，查找太灰富水异常区，并用钻探验证。根据现场实际情况选择水量较大且排水较方便的钻孔作为疏水孔进行保留。通过水量预测，合理地布置疏放水孔并进行疏放水孔设计，实现疏放孔的最优化布置以达到最有效、最经济的疏降效果〔3〕。(2)底板注浆加固。底板注浆加固措施作为带压开采的辅助方法配合使用，当疏干降压工程不能完全满足矿井生产的需要(如安全保证、环境影响等)时，可在疏干降压的同时，在底板富水异常区或裂隙发育带辅助采用底板注浆加固的技术措施，以提高煤层底板岩层的强度和隔水性能，确保恒源煤矿深部高承压水上安全开采。同时，为达到最佳效果，在注浆改造前可采用瞬变电磁勘探、直流电法或其他物探手段进行工作面底板富水性异常区的探查工作，为合理布置注浆工程提供依据。参考文献:〔1〕国家安全生产监督局，国家煤矿安全监察局．煤矿防治水规定〔M〕．北京:煤炭工业出版社，2009．〔2〕张敦伍，杨靖．新集三矿1煤底板灰岩水放水试验研究〔J〕．能源技术与管理，2009(6):56－58．〔3〕魏大勇．优化疏降方案在刘桥二矿工作面水害防治中的应用〔J〕．华北科技学院学报，2006，3(2):5－8．