肥城矿业

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肥城矿业集团有限责任公司肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司前言肥城煤田走向长22km,倾斜长2~7km,面积98Km2,是一个被第四系全覆盖的隐蔽式煤田。主要开采煤层为二叠系山西组的31煤层和石炭系太原组的7、8、9、10煤层。现有6对生产矿井,2004年核定生产能力650万吨/年,主要采用立井多水平、走向或倾斜长壁全部冒落法、高档普采采煤工艺。截止2005年底,剩余可采储量1.34亿吨,其中受水害威胁储量8700万吨,占可采储量的64.6%,村庄压煤4300万吨,占32%,有效可采储量仅剩1500万吨。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司前言肥城矿区的水文地质条件极复杂,是全国知名的大水矿区,自1965年开采太原组煤层以来,已发生各类突水事故245次,其中突水量大于1000m3/h的有9次,最大突水量32970m3/h,造成淹矿井3次,淹水平1次,淹采区5次,直接经济损失3.27亿元。经过四十多年的超强度开采,现受水害威胁煤炭产量已超过50%,并逐年增加,受水害威胁成为制约公司安全生产和稳定发展的关键。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司前言桃园断层岈山断层马山断层丁家集王庄演马庄桃园镇孝直石横湖屯镇王瓜店镇穆庄仪仙肥城市石坞鱼池五里垢矿杨庄矿曹庄矿大封矿陶阳矿白庄矿国庄矿查庄矿康王河ArArArOOOOArεOQ前震旦系寒武系奥陶系第四系分水岭正断层河流村庄煤田边界井口地方井口εεεεεεε聊城矿隆庄矿平阴矿QQQQOO图1肥城煤田区域水文地质示意图ArArArOε肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司地质水文地质条件地层及煤层肥城矿区属于华北地层区鲁西地层分区,含煤地层为二叠系的山西组和石炭系的太原组。其中,山西组厚约103~135m,岩性主要为中粒砂岩和砂泥岩互层,共含煤5层,3煤为主要可采煤层;太原组厚约143~240m,岩性以粉砂岩为主,泥岩、中细砂岩、粉砂岩等相间出现,含石灰岩5层,含煤8层,其中7、8、9、10煤层为主要可采煤层。煤系地层上部被第四系覆盖,基底为奥陶系石灰岩层。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司地质水文地质条件主要含水层1、四灰。是8层煤的直接顶板,平均厚度4.93m,下距五灰35m左右。其岩溶裂隙发育程度存在较为明显的垂直分带性,由浅部向深部趋于减弱,大部地段四灰水与其它含水层的联系甚微,以静储量为主,补给有限,四灰水害主要发生在下组煤开采初期。只是在国庄和陶阳井田局部地段,由于大型断层的切割,造成四灰与断层对盘的五灰、奥灰对口接触,难于疏干,采取帷幕截流方法可以堵截侧向集中补给通道。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司地质水文地质条件主要含水层2、五灰。厚4.82~14.7m,岩溶裂隙发育,上距8煤22.5~43.18m;距9煤16.9~33.02m;上距10煤14~37m;下距奥灰1.41~18.57m,一般10m左右,是威胁主采煤层安全开采的直接充水含水层。不但受大中型构造影响致使和奥灰直接接触,且普遍发育奥灰垂向裂隙补给通道,和奥灰水力联系密切。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司地质水文地质条件主要含水层3、奥灰。含水层位于煤系地层底盘,厚800m左右,在煤田内埋藏深度+30~-600m,在盆地周围山区有广泛出露,面积约260Km2,直接接受大气降水的补给,补给量2.8万m3/h,是煤系各含水层的水源补给层补给通道。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司主要水文地质特征⑴地质构造复杂导致水文地质条件复杂。肥城煤田区域上受马山断层、岈山断层、桃园断层和肥城断层控制而形成断陷盆地,断裂、褶曲、岩浆岩侵入、滑动构造等发育,其中落差大于20m的断层154条,延展长度419km,平均每平方公里1.57条、4.28km。由于断裂等构造发育,一方面造成奥灰与五灰水力联系密切,局部块段成为一个含水体;另一方面又破坏了隔水岩层的完整性,在矿压、水压的作用下,易发生底板突水。肥城矿区98%以上的水害事故与构造直接相关,小构造、隐伏构造造成的突水事故近年呈上升趋势。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司主要水文地质特征⑵奥灰富水性强且治理难度大。根据矿区奥灰钻孔资料统计,奥灰富水性不仅在区域上还是在顶部风化段上无明显的规律性,补给、径流、排泄在盆地内自成系统,具有较强的交替程度,发育强径流带,与五灰水力联系极为密切,使条件探查、疏水降压或注浆改造等防治水难度增加。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司主要水文地质特征⑶隔水层厚度小且导高比较发育。10煤下距五灰仅18m左右,五灰和奥灰的间距一般在10m左右。局部地段如陶阳矿9层煤工作面普遍有导高,个别块段有导高的钻孔占钻孔总数的90%,导高发育,减少了煤层底板的有效隔水层厚度。采矿活动对煤层底板的破坏深度不但达到五灰,甚至进入奥灰。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司主要水文地质特征⑷突水系数普遍超规定。随着开采水平的延深,水压逐渐增大,根据矿区的统计资料,开采8煤五灰突水系数为0.11~0.23MPa/m,9、10煤的五灰突水系数为0.11~0.30MPa/m,奥灰突水系数大于0.1MPa/m,因此煤层开采受到五灰、奥灰水的双重威胁。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司主要水文地质特征⑸矿压对底板的破坏深度增加。随着开采标高的降低,采动矿压对底板的破坏深度加大,据查庄矿8煤的开采资料,-350m标高8煤的开采矿压破坏深度已超过30m,据现场实测资料,曹庄矿-300m标高8煤的损伤底板破坏深度为36.5m,9煤的底板扰动破坏深度为14.3m。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司突水案例⑴国庄煤矿8101工作面奥灰突水。2002年12月19日,当工作面推采100m时,因揭露一条落差1.8m的隐伏断层而导致出水,初始水量45m3/h,12月27日水量突然增大至16540m3/h,致使-210m水平被淹,没有造成人员伤亡。这次突水直接原因一是隐伏正断层走向与工作面基本平行,采矿活动导致断层“活化”而形成突水通道;二是顶板四灰难以冒落,工作面老顶大面积来压,矿压对底板的破坏作用加剧;三是国庄井田位于肥城地下水盆地的浅部,东部边界F7断层组形成长达6000m的补给边界,富水性强;四是底板隔水层厚度小,8层煤距五灰26~31m,五灰至奥灰仅3~9m,因断层发育致使工作面底板破碎,有效隔水层厚度几乎为零。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司突水案例⑵曹庄煤矿81004工作面奥灰突水。2004年3月27日,工作面推采至360m处,面内揭露一条落差1.2m断层,发生底板出水403m3/h,淹没工作面以下开拓巷道。突水主要是因为开采过程中老顶大面积来压,在矿压和奥灰水压的共同作用下,底板破坏裂隙带与导水裂隙带导通,奥灰水直接突出,这是矿区首次发生工作面奥灰直接突水事故。堵水采取井上下结合的方式进行,历时49天,共施工井上下堵水孔10个/1615.9m,注浆14次,注入水泥3816t,粉煤灰230t,堵水效果100%。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司突水案例⑶查庄煤矿7905工作面奥灰突水。2006年1月14日,当推采101m时,工作面矿压显现十分剧烈,出口至工作面33m范围内发生底鼓,支柱钻底、折断,随后发生底板突水,最大水量1430m3/h,50分钟后工作面被淹。工作面出水后,相距3100m的96水1奥灰孔水位最大降深0.8m,四灰、五灰水量增加。7层煤工作面回采发生五灰、奥灰水直接突出,在肥城矿区40多年的开采历史上是第一次。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司岩溶水害防治技术面对极其复杂的水文地质条件和严重的水患威胁,经过几代工程技术人员的努力,通过和科研院所合作,开展了大量的水文地质和矿井防治水工作,建立健全防排水设施和防治水技术管理体系、管理制度、责任制,认真开展地测防治水安全质量标准化和山东煤矿防治水“安全示范矿井”活动,始终坚持“四灰水以疏为主,辅以治理;五灰水以治为主,辅以疏降;奥灰水以防为主,辅以查治”的治水原则,在水文地质条件探查、突水机理、矿压破坏深度、特大型突水点封堵等方面取得了可喜的成果,积累了大量的经验,创造了以薄层灰岩大面积注浆改造和井下帷幕注浆截流为特色的矿井岩溶水害治理应用技术体系。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司岩溶水害防治技术“十五”期间,集团公司完成重点防治水工程项目93项,完成资金总额13068.73万元,“十一五”期间规划安全改造防治水项目28项,总投资17635.22万元,不包括各矿井生产防治水投入。目前,集团公司投入使用的水平中央泵房19个,总装机能力62478m3/h,采区泵房14个,总装机能力7802m3/h,防水闸门(墙)45道,挡水墙16道。为吸取近年连续发生的底板突水水害事故教训,2006年将对9个泵房实施改造,扩大排水能力9400m3/h,新建防水闸门(墙)10道,可进一步提高矿井防灾抗灾能力。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司岩溶水害防治技术1水文地质条件探查1988年、1997年先后两次分别实施了肥城矿区东部四矿岩溶水害综合防治技术研究和肥城矿区西部水文地质条件综合探查试验研究,组织1700余人,历时110天,总放水量765万m3,获取数据10万余个,采用了“大流量、大降深”的放水试验和示踪试验利用辅以计算机电算模拟方法,基本查明了矿区浅部的五、奥灰水文地质条件,进行了水文地质单元的划分,取得了各水文地质块段水文地质参数,探明了主要断层的导水性及集中补给通道位置和补给水量。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司岩溶水害防治技术2薄层灰岩大面积注浆改造技术注浆改造技术是在注浆堵水基础上的发展和应用,1984年6月在肥城矿区陶阳煤矿9401工作面开始试验并逐步推广。该技术作为一种按人的意志改变岩体(层)水文地质条件的方法与手段,基本原理是浆液在一定压力、一定时间作用下在受注层原来被水占据的空隙或通道内脱水、固结或胶凝,使结石体或胶凝体与围岩岩体形成阻水整体,从而改变不利于采矿的水文地质条件。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司岩溶水害防治技术对薄层灰岩大面积注浆能起到含水层改造、导水裂隙封堵和隔水层加固的作用:①向薄层灰岩大量灌注浆液,浆液在薄层灰岩沿岩溶裂隙扩散、结石、充填,把含水层中的水“置换”出来,使之不含水或弱含水。②浆液在注浆压力作用下,通过薄层灰岩沿奥灰水补给薄层灰岩通道运移、扩散、结石,堵塞或缩小导水通道,减少奥灰水的补给量。③浆液在注浆压力作用下,通过薄层灰岩沿着煤层底板裂隙运移、扩散、结石,充填隔水层导水裂隙,强化、加厚煤层底板。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司岩溶水害防治技术该通过在肥城矿区二十多年的发展完善,制浆装备不断配套和提高,从搅拌造浆过渡到自动跟踪控制的射流造浆,实现了注浆全过程的微机监控;从单液水泥浆过渡到以粘土水泥浆为主的多种浆液组成,可根据岩溶发育程度合理选择,提高了可注性;从连续注浆过渡到控压注浆、群孔注浆、高压注浆、引流注浆的多方案注浆工艺,实践证明该术技具有技术可行、经济合理、安全可靠和操作方便的特点,是目前比较成熟的一种防治水方法。截止到2005年底,经五灰注浆改造已安全采出受水威胁工作面462个,解放煤炭储量3000余万吨,经经济效益和社会效益非常显著。肥城矿区岩溶水害综合防治技术肥城矿业集团有限责任公司岩溶水害防治技术3井下帷幕截流技术帷幕截流是在导水岩层中沿集中补给边界通过注浆方法建造人工“阻水墙”,截断地下水流的一种治水方法,是一项治本的防治水方法,2001~2002年在国家庄煤矿首创了井下“长距离、大规模”帷幕截流技术应用研究。通过地面勘探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