趙慶彪

(冀中能源集團有限責任公司,河北邢臺 054000)

奧灰?guī)r溶水害區(qū)域超前治理技術研究及應用

趙慶彪

(冀中能源集團有限責任公司,河北邢臺 054000)

鑒于邯邢礦區(qū)大采深礦井深部煤層和下組煤開采受奧灰承壓水威脅現(xiàn)狀和保水開采需要,提出了奧灰?guī)r溶水上帶壓開采水害治理的“區(qū)域超前治理”理念及“超前主動、區(qū)域治理、全面改造、帶壓開采”防治水指導原則;相應給出了區(qū)域分區(qū)原則、治理模式及適用條件、治查結合新方法、超前治理管理程序、底板阻水能力評價方法和治理關鍵技術等支撐體系。該成套技術首先在邯邢礦區(qū)進行了應用研究,特別是地面多分支水平鉆進關鍵技術應用研究,取得了很好的安全技術效果,創(chuàng)新了大采深礦井和開采下組煤奧灰水害治理方法,安全開采受承壓水威脅的煤炭資源,保護了煤系基底奧灰水環(huán)境。

奧灰?guī)r溶水害;區(qū)域超前治理技術;大采深礦井;下組煤開采;水環(huán)境保護

幾十年來,我國中、東部煤礦區(qū)較大部分礦井轉入深部開采,且每年以10～25 m向下延深,截至2013年底,全國有47個礦井采深達到1 000 m以深。河北省南部的邯邢礦區(qū)是大水老礦區(qū),已有4個礦井采深達到1 000 m,其中九龍礦副井深達1 340 m;有7個礦開采下組煤。邯邢礦區(qū)煤系基底普遍發(fā)育有巨厚奧陶系石灰?guī)r強含水層,受奧灰承壓水威脅的深部及下組煤資源儲量近30億t[1]。隨著下組煤多年開采,采深加大使得突水系數(shù)接近或達到《煤礦防治水規(guī)定》所規(guī)定的上限;大采深礦井的上組煤開采同樣受高承壓奧灰水威脅。另外,河北省屬極度缺水省份,水環(huán)境及水資源保護形勢緊迫。奧灰?guī)r溶水是當?shù)毓まr(nóng)業(yè)和生活用水的重要水源,礦井突水必然帶來較大的地下水環(huán)境擾動和損害,嚴重影響礦區(qū)及周邊地下水環(huán)境和用水保障供給。長期以來,我國對承壓水上采煤所采取的煤層底板注漿加固和含水層改造,從空間尺度上看,均以單工作面進行;從時間尺度上看,均是在工作面運輸巷和回風巷完成、回采工作面形成后實施;從治理目標層來看,主要以煤系薄層灰?guī)r含水層治理為主;從治理場地來看,主要以井下為主。盧萍等研究論述了冶金礦山在地面對奧灰含水層實施帷幕注漿采礦技術[2];張建國等研究了平頂山礦區(qū)在地面實施帷幕注漿區(qū)域治理輔以疏水降壓,也取得了較好的效果[3]。筆者針對大采深高承壓水頭煤層開采背景,首次提出了空間上區(qū)域治理、時間上實施超前治理原則,治理的對象由煤層底板延伸至奧灰?guī)r層頂部。所以,基于地下水環(huán)境保護,研究安全開采受奧灰含水層突水威脅的深部煤炭資源具有重要的現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域超前治理可行性分析

華北地區(qū)中奧陶系灰?guī)r總體上為非均質各向異性強含水層,邯邢礦區(qū)奧灰?guī)r一般分為3組8段,奧灰頂部的峰峰組一般存在著一定厚度的古風化殼,占邯邢礦區(qū)總礦井數(shù)74.5%。其風化斷裂帶厚度一般為9～50 m,多被黏土質充填[4-5];除少數(shù)淺部鉆孔在奧灰頂界漏水外,其他進入奧灰20～45 m才發(fā)生漏水。從收集的大量鉆孔資料分析看,各井田奧灰頂部七或八段厚度及進入奧灰含水層明顯見水深度差異較大,如邢臺礦區(qū)的章村井田一般在30 m以上,北部的東龐井田一般在20 m以上;而峰峰礦區(qū)的九龍、羊東等井田相對偏小[6]。奧灰頂部的巖溶發(fā)育一般隨埋藏深度的增加而減弱,如邢臺礦區(qū)東龐井田-300 m以淺峰峰組裂隙率為0.50%～1.00%,巖溶率為0.1%～0.2%,-300 m以深裂隙率為0.3%～0.5%,巖溶率為0.001%～0.100%,在-600 m以深,鉆孔中少見巖溶現(xiàn)象。由此可見,奧灰頂部風化殼充填帶的存在以及深部埋藏區(qū)巖溶發(fā)育明顯減弱使奧灰頂部的注漿改造具備了可行性。

“先探后掘,先治后采”是下組煤及大采深礦井帶壓開采最基本的防治水原則。為了適應較大規(guī)模開采的需要,必須打破“一面一探查、一面一治理”的常規(guī),采取更加超前主動的礦井防治水措施,積極引進定向鉆進技術,采取井上、下相結合的方式,更早地對采區(qū)或更大的區(qū)域進行超前鉆探及預注漿改造。目前,較為成熟的快速定向多分支水平鉆井技術為實現(xiàn)上述目標提供了有利的技術支撐,為超前區(qū)域治理、大規(guī)模高效注漿改造奧灰頂部巖石段提供了必要的條件。

2 奧灰?guī)r溶水害區(qū)域超前治理技術路線

在大采深高承壓水條件下,一般小型斷裂構造或斷裂帶都有可能形成突水通道,在目前超前探測技術還不能完全探明隱伏斷裂帶或小構造的情況下,礦井防治水思路應由一般的超前探測向超前治理轉變、由局部單工作面治理向整體區(qū)域治理轉變,即采取超前主動防范的區(qū)域治理思路。

2.1 區(qū)域超前治理指導原則及內涵

近十多年來,邯邢礦區(qū)所發(fā)生7起較大及以上突水大部分是隱伏導水構造和斷裂帶導水所致,具有突水量大、隱蔽性強、不易探查的特點[7]。鑒于目前邯邢礦區(qū)大采深礦井和下組煤開采突水威脅以及防探水技術還不能完全滿足安全生產(chǎn)的現(xiàn)狀,首次提出了“超前主動、區(qū)域治理、全面改造、帶壓開采”防治水指導原則[8]。其內涵是:在大采深高承壓水頭條件下,以“不掘突水頭,不采突水面”為目標,對煤層底板從“一面一治理”轉變?yōu)橐圆蓞^(qū)或更大區(qū)域以及受構造所分割的水文地質單元實施區(qū)域治理,從回采工作面形成后再治理提前到掘前預先主動治理,從以井下治理為主轉變?yōu)橐缘孛嬷卫頌橹?從以煤系薄層灰?guī)r含水層作為主要治理對象延伸到以奧灰含水層頂部作為主要治理對象。地面區(qū)域超前奧灰治理是治本,井下區(qū)域超前薄灰含水層治理是補充。

2.2 區(qū)域超前治理技術目標和技術路線

2.2.1 區(qū)域超前治理模式及適用條件

根據(jù)40多年煤層帶壓開采經(jīng)驗,提出了以下3種大采深和下組煤開采礦井煤層底板水害治理模式及適用條件:

(1)突水系數(shù)Ts≤0.06 MPa/m,以查找封堵垂向導水通道為主;

(2)0.06＜Ts＜0.09 MPa/m,煤層底板隔水層全面注漿改造;

(3)Ts≥0.09 MPa/m,煤層底板隔水層和奧灰?guī)r頂部實施全面注漿改造。

從礦井安全和大區(qū)銜接要求,在突水系數(shù)Ts＞0.08 MPa/m時應計劃落實區(qū)域超前治理防治水指導原則。

2.2.2 區(qū)域超前治理技術目標

(1)通過煤層底板全面注漿改造,突水系數(shù)必須小于《煤礦防治水規(guī)定》的0.1 MPa/m;

(2)“以治定采”,治理達標煤量要大于回采煤量;

(3)區(qū)域治理工程超前掘采工程,做到不掘突水頭,不采突水面;

(4)超前注漿治理工程量要達到總工程量70%以上。

2.2.3 區(qū)域超前治理技術路線

(1)區(qū)域超前治理程序:地面物探—地面打鉆(鉆探、驗證)—區(qū)域注漿治理—注漿效果檢驗;

(2)井下掘前“條帶”治理程序:掘前物探—打鉆驗證—注漿補強—先治后掘;

(3)工作面采前:采面內、外部綜合探測(物、鉆探)—注漿補強—全面改造—效果檢驗—采前評價—回采。

采前評價[9-11]是采面治理后,還要用同一種物探手段進行治理前、后的效果對比和煤層底板阻水能力測試,然后進行專家綜合評價。

3 區(qū)域超前治理關鍵技術

3.1 地面水平多分支定向鉆進關鍵技術

地面水平定向鉆進是利用特殊的井底動力工具和隨鉆測量技術[12],鉆成井斜大于86°,并保持該角度鉆進一定巖層段的定向鉆井技術,包括隨鉆測量、井眼軌跡控制、井壁穩(wěn)定技術等。在煤礦防治水領域應用水平定向鉆進技術目的是探查復雜的地質構造并加以超前治理,應用水平定向鉆進技術對煤層底板高承壓奧灰含水層進行全面注漿改造。一般先在地面施工垂直井,然后造斜進入奧灰含水層一定深度變成水平井,對奧灰含水層進行充分揭露。在鉆進中以尋找斷層、溶洞和裂隙為主,若遇導水裂隙等造成漿液大量流失,立即注漿治理;若進入奧灰含水層未發(fā)現(xiàn)導水裂隙等構造,則施工多水平分支孔繼續(xù)查找導水裂隙等構造。在找到導水裂隙等構造或在鉆進中有漿液漏失時,要做壓水試驗,根據(jù)吸水量的大小最后決定注漿量和濃度,從而達到在地面超前注漿改造奧灰頂部含水層的目的。

3.2 井下定向鉆進超前注漿治理

煤礦井下定向鉆進技術是煤礦鉆探領域的一項新技術,該定向鉆進技術采用帶彎接頭鉆具,鉆桿不回轉,利用高水壓驅動螺桿馬達帶動鉆頭旋轉,加上隨鉆測量技術監(jiān)測和通過調節(jié)螺桿馬達工具面向角控制鉆孔軌跡,從而使鉆孔盡量在目標巖層中延伸。

3.2.1 掘前“條帶”補強注漿治理

在掘進前方加固煤層底板掩護煤巷掘進,首先要注漿加固一定深度的巷道底板以封堵潛在的出水通道。一般以注漿擴散半徑確定合理的超前鉆探距離和煤層底板加固深度。實體煤掘進注漿加固范圍和深度如圖1所示。堅持“見水必注”的原則,對巷道前方的底板及側向一定范圍內予以注漿超前預治理,這樣為相鄰采煤工作面設計的沿空送巷“不掘突水頭”進行了超前加固;如果附近有斷裂構造等地質異常體,須需利用已有巷道進行超前注漿治理,防止采動活化出水。

圖1 掘進超前條帶注漿示意Fig.1 Schematic view of tunneling in advance bands grouting

3.2.2 采場補強注漿及相鄰未采區(qū)域超前治理

回采工作面掘出后,采煤工作面內一般用兩種以上物探手段指導底板補強注漿全面改造;為相鄰未采區(qū)域“不掘突水頭”創(chuàng)造條件,將現(xiàn)有回采工作面注漿改造范圍外延50 m,為創(chuàng)造相鄰未采區(qū)域超前注漿改造,如圖2所示,以保障相鄰采煤工作面掘進“不掘突水頭”。

圖2 相鄰未采工作面超前注漿加固示意Fig.2 Adjacentworking face advanced grouting reinforcement

3.3 帶壓開采底板隔水巖層阻水性能評價

對煤層底板隔水層的阻水能力,需對其阻水抗壓的性能做評價,這里給出了兩種底板隔水性能評價方法,可求得巖體阻水抗壓能力的安全儲備系數(shù),從而評價其帶壓開采的可靠性。經(jīng)實踐證明可行實用。

3.3.1 利用帶壓系數(shù)對底板隔水層阻水性能量化評價

評價一個采區(qū)或工作面是否可以帶壓開采的直接依據(jù)是帶壓系數(shù),即由底板隔水層到底能夠削減多少水頭壓力而定。

奧灰含水層頂面以上存在一定高度的原始導高帶,其導高帶又可劃分為上、下兩個分帶,其阻水能力相差懸殊,下分帶(導水帶)幾乎無阻水能力,上分帶(顯水帶)由于具有較強阻水能力,對于煤層帶壓開采具有重要意義,顯水帶的作用就是將奧灰承壓水頭削減至0。對底板隔水層阻水性能研究的方法主要有:應用巖石學理論研究煤層底板隔水層厚度、組合及強度變化規(guī)律;應用隨機場理論研究隔水層中導高的分布規(guī)律;應用鉆孔注水試驗測試隔水層帶壓系數(shù),評價底板隔水層阻水性能[13]。

底板阻層阻水性能可通過顯水帶帶壓系數(shù)體現(xiàn),顯水帶分段測試、整段測試和平均帶壓系數(shù)分別為

式中,Dwi為顯水帶第i分段帶壓系數(shù),MPa/m;D-w為顯水帶整段帶壓系數(shù),MPa/m;D-wo為顯水帶整段平均帶壓系數(shù),MPa/m;Pwi,Pw(i+1)分別為第i,i+1次測定的水壓值,MPa;hi,hi+1分別為第i,i+1次測定的垂直煤層法線鉆孔深度,m;i為測試次數(shù),i=1,2,3,…, n;H0為底板導水帶頂水壓標高,m;hdy為顯水帶厚度,m;Pwn,Pwl分別為顯水帶頂、底部測定水壓值,MPa;hn,hl分別為顯水帶頂、底部垂直煤層法線鉆孔深度,m。

該方法在邯邢礦區(qū)的東龐礦下組煤9103工作面首次進行了底板隔水層阻水能力試驗與量化研究。首先利用底板測試鉆孔在其施工過程中,測試水壓、水量和水溫數(shù)據(jù),即“三量測試”。然后對所測數(shù)據(jù)進行分析,計算出不同層段的帶壓系數(shù),評價底板隔水層阻水性能。根據(jù)顯水帶、導水帶及阻水儲備帶(導高帶至底板破壞帶之間)相對煤層在空間上的賦存狀況,得出了6種帶壓開采判別模型。

3.3.2 利用阻水系數(shù)對底板隔水層阻水性能量化評價

通過原位實測技術,取得底板不同巖層不同組合和不同結構構造條件底板隔水性能、初始導滲水壓力、抗?jié)B透破壞強度等實測數(shù)據(jù),構建與煤層底板阻滲條件相關的評價模型[14]。煤層底板的實際阻水能力評價為巖層阻水抗?jié)B強度Pm,即煤層底板隔水巖層所具有的阻水抗壓能力,單位為MPa,具體表達為

其中,mi為第i層段巖層厚度,m;Pi為i層段的單位厚度所具有的阻水系數(shù),MPa/m,其大小主要受巖性及底板巖層組合結構狀態(tài)影響,可通過式(3)確定,即

式中,λi為i分層側壓力系數(shù);γ-為i分層覆巖的平均容重,kN/m3;m為i分層覆巖厚度,m;Mi為i分層厚度,m;a為結構效應消減系數(shù),取值主要考慮底板巖石結構類型和裂隙構造發(fā)育程度。

近年在邯邢礦區(qū)下組煤及大采深煤層開采中利用阻水系數(shù)對底板隔水層阻水性能量化評價進行了較好的應用。

4 大采深礦井區(qū)域超前治理水害示范工程

4.1 工程背景

邯邢礦區(qū)某礦自1998年10月開采4號煤保護層以來,4個回采工作面發(fā)生突水,尤其以2009-01-08作為保護層的15423N工作面采空區(qū)發(fā)生滯后突水,突水量超過礦井最大排水能力被迫停產(chǎn),根據(jù)水文觀測及水質化驗資料確定突水源為奧灰水,突水通道為4號煤以下的隱伏導水陷落柱[15]。所以,在采深已達到850 m以深,突水系數(shù)逐步接近《煤礦防治水規(guī)定》上限情況下,采取以地面治理為主,井下治理為輔區(qū)域超前治理立體防治水模式。

4.2 定向鉆孔設計及施工

在地面三維地震探測和履行前述主要管理工作程序基礎上,結合礦井水文地質勘探資料,將奧灰?guī)r含水層頂部作為改造目標層,以-850 m水平北翼二采區(qū)為單元,依據(jù)已有水文探測成果設計布置3個垂向主孔,主孔間距約1 000 m;每個主孔根據(jù)漿液擴散半徑和工程需要,設計了4～7個水平分支孔,原則上覆蓋全區(qū)域。應用T200XD多功能全液壓車載頂驅鉆機定向鉆進技術,鉆機平均鉆進速度0.6～2.0 m/min。先施工垂向主鉆孔到澳灰?guī)r頂面七、八段(孔深約971.6 m)層位,再沿不同方位施工水平分支孔。

4號煤層底板各含水層注漿治理伴隨著水平鉆孔施工的整個過程,孔口注漿打壓不低于4.0 MPa,注漿材料以R32.5礦渣硅酸水泥為主,漿液出現(xiàn)大量流失時添加粉煤灰等作為輔助注漿材料。鉆探施工的各個階段均采用下行式分段注漿方式,即鉆探施工過程中一旦漿液大量漏失就立即進行注漿加固。施工至奧灰含水層后出現(xiàn)鉆進中漏漿量大時,在壓水試驗的前提下,確定注漿參數(shù)。注漿過程中發(fā)現(xiàn)有串漿現(xiàn)象采取各注漿孔聯(lián)合注漿方式,上一階段注漿結束后,注漿孔、串漿孔均應進行掃孔,以防堵孔。以孔口終壓1.0 MPa、穩(wěn)定30 min和單孔吸漿量小于50 L/min作為注漿結束標準。治理中,根據(jù)鉆探、注漿情況,及時反饋,不斷優(yōu)化設計,按漿液擴散半徑設計施工另一方位水平鉆孔,直至達到區(qū)域治理設計要求。

4.3 區(qū)域超前治理效果

北翼-850 m水平二采區(qū)區(qū)域治理鉆孔累計進尺15 651 m,其中水平定向井進尺12 386 m,最大水平鉆距達836 m,共探查出漏失點25個,累計注漿量為77 689 t。區(qū)域治理成果如圖3所示。由于鉆孔以“帶、羽狀”的軌跡進入奧灰頂部目標層后,以水平或近水平狀態(tài)沿目標層延伸,能夠探知所鉆范圍內地質構造的情況,并使原來在水平方向無聯(lián)系的裂隙、斷層及溶蝕溶洞等滲流或通道互相連通,擴大了鉆孔控制范圍,改善了區(qū)域水文地質條件,為井下“不掘突水頭”提供了保障。

圖3 北翼二采區(qū)區(qū)域治理鉆孔軌跡成果Fig.3 North wing No.2mining area regional governance drilling trajectory achievement

在地面區(qū)域超前治理基礎上,井下以4號野青煤層15445N回采工作面為核心,進行掘前“條帶”及工作面采前補強注漿。通過井下測試鉆孔原位測試,利用帶壓系數(shù)和阻水系數(shù)對煤層底板隔水層阻水性能進行了量化評價,結果表明,區(qū)域超前治理有效地消減了煤層底板巖層薄弱區(qū)各向異性的“異度”,提高了底板阻水能力,相應提高了井下不掘突水頭、不采突水面保障能力。獲得保護層回采煤量和2號煤首采煤工作面治理達標煤量共計77萬t。

5 結 論

(1)提出了奧灰?guī)r溶水害區(qū)域超前治理理念和技術指導原則,創(chuàng)新了大采深礦井和高承壓水上安全開采的技術管理程序和水害防治技術路線;形成了以地面區(qū)域超前治理為主,井下補強注漿為輔的立體注漿治理模式,先治后掘、先治后采,為實現(xiàn)“不掘突水頭,不采突水面”探索出一種新的方法。

(2)將地面定向鉆進技術應用到礦井煤層底板改造領域中,利用地面多分支水平鉆孔技術,對奧灰含水層頂部進行“網(wǎng)、羽”狀探注,將其改造為相對隔水層,從根本上消除了奧灰災害性突水通道;從而科學地延伸開采下限,實現(xiàn)下組煤較大規(guī)模及深部煤炭資源安全帶壓開采。

(3)利用底板巖層帶壓系數(shù)及阻水系數(shù)對底板隔水巖層阻水性能進行量化評價為安全帶壓開采提供了技術支撐。

(4)邯邢礦區(qū)通過奧灰頂部區(qū)域超前注漿改造示范工程及回采實踐表明,區(qū)域超前治理關鍵技術防止了煤層底板突水,保護了地下水環(huán)境及水資源,具有明顯的環(huán)境和社會效益。

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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

趙慶彪.奧灰?guī)r溶水害區(qū)域超前治理技術研究及應用[J].煤炭學報,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 責任編輯:韓晉平

趙慶彪(1957—),男,遼寧海城人,博士,高級工程師。Tel:0319-2068322,E-mail:qingbiaozh@163.com