姜 鵬陳愛喜郭中燦

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院,北京市朝陽區(qū),100013; 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京市朝陽區(qū),100013; 3.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦,內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市,017209)

內(nèi)蒙古大飯鋪煤礦掘進工作面出水機理分析及防治水措施

姜 鵬1,2陳愛喜3郭中燦3

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院,北京市朝陽區(qū),100013; 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京市朝陽區(qū),100013; 3.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦,內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市,017209)

內(nèi)蒙古大飯鋪煤礦61111掘進工作面掘進至1156 m處遇到斷層,工作面發(fā)生涌水,造成運輸巷掘進前方巷道冒頂,為明確出水水源及對工作面掘進的影響,進行了井下掘進工作面富水性探測和出水水源判別,對工作面掘進出水機理進行了分析,預(yù)計了工作面涌水量,在保證技術(shù)可行和生產(chǎn)安全的前提下,制定了防治水安全措施,為工作面順利掘進提供依據(jù)。

掘進工作面 瞬變電磁 斷層活化導(dǎo)水 出水機理 防治水措施

1 概況

內(nèi)蒙古大飯鋪煤礦開采6＃煤層,煤層平均厚度16 m,61111掘進工作面沿6＃煤層中部布置。掘進工作面掘進至1156 m處遇到正斷層,工作面發(fā)生涌水,水量從10 m3/h左右逐漸增加至83 m3/h,造成運輸巷掘進前方巷道冒頂。在掘進工作面出水后,將井下防排水能力提高到500 m3/h,完善了防排水設(shè)施。為了確保煤礦安全施工,同時進一步明確井下掘進工作面出水水源及對工作面掘進的影響,對掘進工作面的出水水源和出水機理進行分析,同時制定了針對性防治水措施,確保了工作面安全掘進。

2 工作面掘進出水水源的判別

2.1 瞬變電磁富水性探測

6＃煤層上覆巖層依次為山西組、下石盒子組、上石盒子組、第三系、第四系,以往工作面出水水源主要是煤層頂板砂巖含水層,底板奧灰含水層由于距離大,對6＃煤層掘進沒有影響。在掘進工作面出水后,采用瞬變電磁法對工作面出水區(qū)域分別進行了水平和垂直兩個不同平面的富水性探測。

圖1 瞬變電磁探測成果

瞬變電磁探測成果見圖1。由圖1可以看出:工作面掘進前方上部(頂板)有大片低阻異常區(qū),此區(qū)域相對頂板其他區(qū)域有較強的富水性;下部(底板)無低阻異常區(qū)域,整體富水性一般,判斷在工作面掘進此區(qū)域過程中上部(頂板)會出現(xiàn)較大的涌水,而可能的涌水來源是頂板砂巖含水層。

2.2 水化學(xué)特征分析判別水源

為判斷水源,在掘進工作面出水點取水樣,進行了水質(zhì)化驗分析,化驗結(jié)果見表1。由于煤礦沒有各含水層水質(zhì)類型標準參考,因此,水質(zhì)分析按照《煤礦水害防治水化學(xué)分析方法MT/T 672－1997》進行礦井涌水水源判斷。地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)組成起主導(dǎo)作用的是Na＋(K＋)、Ca2＋、Mg2＋、Cl－、SO42－、HCO3－離子的相對含量和絕對含量,這6種離子的特征隨著水文地質(zhì)條件或其他外界條件的改變而變化。

表1 水質(zhì)化驗特征(運輸巷1156 m處)

以主要離子的毫克當(dāng)量比值初步確定水源, Na＋與Cl－的毫克當(dāng)量比值為rNa/rCl＝2.14＞1, (rNa－rCl)/rSO4＞1,判斷出水點水樣具備砂巖水的特征,初步判斷出水點水源水為砂巖水。

水樣中Na＋的質(zhì)量濃度為53.17 mg/L,物質(zhì)的量濃度為2.31 mol/L;HCO3－的質(zhì)量濃度為408.59 mg/L,物質(zhì)的量濃度為6.70 mol/L,水樣中Na＋與HCO3－的含量很高,說明砂巖中含有大量的鈉長石,經(jīng)過風(fēng)化水解和離子交換作用形成大量的Na＋和HCO3－。判斷掘進工作面出水點水源為煤層頂板山西組砂巖含水層。

3 工作面掘進出水機理分析

3.1 工作面頂板含水層富水性分析

6＃煤層直接充水含水層為頂板砂巖裂隙含水巖組,其主要補給源以大氣降水為主。本礦區(qū)年平均降水量少且集中,地形起伏大、溝谷縱橫,不利于大氣降水的入滲。煤系地層出露處普遍地形坡度較大,植被稀少,對排泄大氣降水有利。因此補給量非常有限。工作面頂板上覆巖層屬于泥巖、砂巖互層交隔的結(jié)構(gòu),因此含水層之間具有較好的隔水性,在正常情況下,工作面頂板砂巖含水層基本不與其他含水層發(fā)生直接水力聯(lián)系,所以煤層直接充水含水層補給來源貧乏,工作面頂板含水層富水性較弱,且不均一。

3.2 工作面斷層活化導(dǎo)水機理

斷層是否導(dǎo)水,與斷層兩盤的巖性、斷層的張開度和斷層內(nèi)的充填物質(zhì)等因素有關(guān)。當(dāng)斷層兩盤的巖性較弱,斷層兩盤閉合性較好或者斷層內(nèi)的充填物很緊密時,斷層不易導(dǎo)水或者弱導(dǎo)水性。但是斷層的導(dǎo)水性不是一成不變的,當(dāng)斷層受到外部的采掘影響,導(dǎo)致斷層的閉合性或者斷層內(nèi)充填物的緊密性遭到破壞,此時不導(dǎo)水的斷層也會活化變成導(dǎo)水?dāng)鄬?且由于斷層導(dǎo)水性在空間上的差異性,斷層受外部的影響后,本身的附水性也會變化,此時斷層一旦接觸到富水性較強的含水區(qū)域,本身便會擁有了較強的附水性,隨著斷層進一步活化,便成為導(dǎo)水通道。

根據(jù)資料分析,工作面在掘進過程中遇到正斷層,此斷層兩盤都是軟巖,被泥質(zhì)物充填,且充填物滲透性極弱,因此此斷層不易含水和導(dǎo)水。但是隨著工作面的掘進,在鄰近斷層附近區(qū)域時,掘進過程中產(chǎn)生較強的采掘擾動,造成掘進前方巷道頂板冒頂,此時斷層受到較大采掘擾動張拉力的作用,如圖2所示,斷層兩盤產(chǎn)生相對位移,改變了斷層寬度及密實程度,斷層帶內(nèi)泥質(zhì)充填物不斷被沖刷而減少,致使斷層由原先的微裂隙逐漸發(fā)育為裂隙、管道,從而使原本不導(dǎo)水的斷層活化形成了導(dǎo)水通道,導(dǎo)通工作面頂板的砂巖含水層,頂板砂巖水沿導(dǎo)水通道進入掘進工作面。

圖2 正斷層受采掘擾動張拉力的作用示意圖

4 工作面采掘安全性分析

4.1 工作面涌水量預(yù)測

此掘進工作面直接充水的含水層主要是6＃煤層頂板山西組砂巖裂隙含水層,預(yù)計掘進過程中該含水層可能造成工作面的涌水量。在工作面掘進過程中,隨著頂板水靜儲量的釋放,頂板含水層水量和水壓不斷減小,工作面涌水量也隨時間衰減。但是,由于頂板含水層富水性較弱,頂板涌水過程較慢,所以可以視為近似穩(wěn)定的承壓—無壓穩(wěn)定流過程,以此選擇承壓—無壓穩(wěn)定流大井法估算工作面涌水量:

式中:Q——工作面涌水量,m3/h;

k——滲透系數(shù),取0.00118 m/d;

M——含水層厚度,取22 m;

r0——引用半徑,取276 m;

H——承壓含水層水柱高度,取81.56 m;

R0——工作面引用影響半徑,取304 m。

確定參數(shù)帶入到式(1),計算工作面涌水量為122 m3/h。

4.2 工作面掘進安全性分析

礦井地質(zhì)構(gòu)造較為簡單,煤層頂板砂巖含水層中的裂隙水為靜態(tài)水,其富水性弱且不均一,當(dāng)井下工作面揭露該含水巖組或有導(dǎo)水通道連通該含水巖組時,會造成短暫井下涌水量增大,但由于其補給來源不足,在掘進過程中涌水量會逐漸衰減。

工作面掘進過程出水后,在原有排水設(shè)施基礎(chǔ)上,增大了防排水能力,排水能力提高到500 m3/h,按照以上大井法預(yù)測工作面最大可能涌水量為122 m3/h,因此工作面預(yù)計涌水量遠小于工作面排水能力,工作面的掘進是相對安全的。

5 防治水措施

煤層頂板砂巖水是采(掘)工作面直接充水水源,由于頂板砂巖裂隙含水層富水性弱且不均勻,具有出水時間短、水量迅速增大、儲量以靜儲量為主等特點,常給掘進和回采工作面的正常生產(chǎn)帶來危害,因此采取以下措施保證采掘的安全性。

(1)巷道掘進期間,掘進工作面接近鉆孔前,嚴格檢查封孔質(zhì)量,對于未完全封閉或封閉不合格鉆孔,采取相應(yīng)措施防止通過鉆孔導(dǎo)水涌入井下。掘進到頂板淋水較為集中段時,必須對該裂隙段進行打鉆超前疏放砂巖水。

(2)排水過峰值再掘進。工作面的疏排水系統(tǒng)至關(guān)重要,必須保證其暢通無阻,保證工作面達到最大涌水量以上的疏排水能力。根據(jù)頂板水的出水特點,當(dāng)頂板出水后,涌水持續(xù)一段時間后,水量將逐步減少。當(dāng)排水過涌水量峰值后,工作面再進行正常采掘。

(3)排水過程中要經(jīng)常檢查水倉的有效容量,如果有效容量減少1/3以上時要通知調(diào)度室安排清理,以確保水倉的有效容量。

(4)對有影響的裂隙構(gòu)造進行注漿堵水。采用合理的注漿材料和工藝進行頂板裂隙的注漿加固工程,充填頂板中已經(jīng)發(fā)育的裂隙使之密封閉合,防止頂板裂隙受采掘擾動進一步擴張。

(5)工作面回采前對頂板砂巖含水巖組進行提前疏放排水,使影響6＃煤層采掘安全的上覆砂巖裂隙含水層中的地下水降低水位(水壓)或使其局部疏干、減小。

6 結(jié)論

(1)通過瞬變電磁探測和水質(zhì)分析,判斷此次掘進工作面出水水源以煤層頂板山西組砂巖含水層水為主。

(2)工作面掘進過程中出水機理主要由于工作面掘進中較強的采掘擾動,導(dǎo)致掘進前方巷道頂板冒落,斷層受到采掘擾動張拉應(yīng)力活化,形成導(dǎo)水通道,導(dǎo)通頂板砂巖含水層。

(3)預(yù)測工作面最大涌水量為122 m3/h,掘進工作面最新排水能力提高到500 m3/h,因此工作面的掘進是相對安全的。

(4)工作面回采前應(yīng)對頂板砂巖含水巖組進行疏放排水,降低上覆砂巖裂隙含水層中水位或使其局部疏干、減小。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Water inrush mechanism and its prevention and control at driving face in Dafanpu Coal Mine in Inner Mongolia

Jiang Peng1,2,Chen Aixi3,Guo Zhongcan3
(1．Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2．State Key Laboratory of High Efficient Mining and Clean Utilization of Coal Resources, Chaoyang,Beijing 100013,China; 3．Chahasu Coal Mine,Guodian Inner Mongolia Energy Co．,Ltd．,Erdos,Inner Mongolia 017209,China)

The fault was encountered after driving forward 1156 m of 61111 working face in Dafanpu Coal Mine in Inner Mongolia,leading to the water inrush at the workface．The gradual increase of water inflow caused the roof collapse of haul roadway．In order to define the water source and the influence of water inrush on the driving face,the water flow was measured and the water source was judged．And then the water inrush mechanism was analyzed,and the water inflow at the driving face was predicted．On the premise of feasible technology and production safety,the measures for the prevention and control of water inrush were formulated,providing a basis for the successful excavation of driving face．

driving face,transient electromagnetism,water conduction caused by fault activation,water inrush mechanism,water control measures

TD745

A

姜鵬(1987－),男,碩士學(xué)位,主要研究領(lǐng)域:煤礦水害防治及近水體安全開采方面的研究。