深部矿井奥灰水综合治理技术

深部矿井奥灰水综合治理技术
新汶矿业集团潘西煤矿李子林贾承健
摘要潘西矿十九层煤受底板奥灰水的严重威胁,多次发生恶性突水事故。

另外,上部采空区长期涌水又威胁着下部工作面的安全生产,成为影响矿井安全新的水害类型。

因此,通过对奥灰赋水规律、突水机理及采空区围岩变化规律的研究,找出了防治奥灰水的一套系统的新方法,有效地保证了矿井的安全生产。

关键词采煤工作面奥灰水疏水降压开采方法水文钻探
自建矿以来,潘西矿19层煤底板奥灰水累计发生突水17次,曾造成一次淹井、两次淹采区重大事故,而且随着矿井不断延深,涌水量不断增大。

1995年涌水量5m3P min,2003年18m3P min,每年排水费用一项就达2000多万元。

而深部奥灰赋水不均一,水压又大,增加了治理的难度。

且受高承压奥灰水威胁的19层煤储量占矿井总储量的70%以上,若不做防治水工作,矿井将无法进行正常接续生产。

近几年来,进行了奥灰水综合治理技术攻关,成功实现理论和应用两个创新,形成了一套适合于半开放型奥灰水补给边界条件的深部矿井防治奥灰水的新技术,改变了以往被动治水局面。

119层煤底板含水层情况
19层煤底板主要含水层为石炭系本溪组的五灰、六灰以及奥陶系灰岩,五、六灰间距小,视为一个综合含水层,厚度15m,上距19层煤25m,为开采19层煤的直接充水含水层,在矿井浅部五、六灰已经疏干,而在深部受构造破坏较强的地段,该含水层通过垂直裂隙,接受奥灰水的补给,而补给条件好、富水性强的奥灰为间接充水含水,奥灰距19层煤60m。

2奥灰突水机理
奥灰底臌突水的根本原因是构造破坏了19层煤底板与奥灰之间有效隔水层,使奥灰水导升到达五灰,先期使五灰充水,而采动矿压又造成了一定深度的底板破坏,使有效隔水层厚度进一步减小。

在奥灰水水压超过有效隔水层的抗张强度情况下,奥灰水将突破底板而突水,通过计算,奥灰水突水系数(Ts)0.07MPa P m,19层煤底板只能承受4.2MPa的水压;当工作面采过后,采空区底板经冒落逐步被压实,矿压对底板破坏造成的导水裂隙有相当一部分逐渐闭合,导致奥灰涌水量逐渐减小,涌水量减小又使奥灰蓄水量增加,水压升高,在下部构造破坏强烈的地段又突出来。

3防治水方案
3.1局部疏水降压带压开采
工作面开采前,先利用物探方法探查底板的富水性,在物探探明的富水区内,按一定的间距布置钻孔进行疏水降压,每个富水区至少施工一个奥灰孔,以观测奥灰水水压是否疏降至4MPa以下。

首先选择在4193西面进行试验,在疏水巷内共布置3个钻机窝,分别为2#、3#和4#。

4#在西部,物探探明,该富水区内奥灰水已导升至五灰,共布置了3个五、六灰孔和1个奥灰孔,钻孔施工完后机窝钻孔初始水量为0.15m3P min,工作面采过20m后,3个五、六孔的水均有不同程度增加,总水量增加到0.83m3P min。

3#在中部,物探探明,该富水区内奥灰水已导升至六灰,五灰层位上未呈现出低阻异常,共布置了2个五、六灰钻孔和1个奥灰孔,施工完后机窝钻孔初始水量为0.23m3P min,工作面采过后水量无变化。

2#在东部,物探探明,该富水区内,局部奥灰水已导升至19层煤底板,五灰层位上呈现出大规模的低阻异常,共布置了3个五、六灰孔和1个奥灰孔,钻孔施工完后初始水量为0.9m3P min,工作面采过后,各钻孔的水量均有不同程度增加,总水量增加到1.92m3P min。

由于实行了有效疏放水,4193西面在采动4#、3#钻机窝时没有发生突水,起到一定疏水降压的效果。

当工作面临近后四运输机下山,由于构造应力已破坏了19层底板的有效隔水层,局部底板已直接与奥灰水沟通,再加上当时奥灰水水压大,富水性强,采区涌水量远小于当时的补给量,造成4193西面分别于1月19日和3月8日发生两次突水,最大突水量达15m3P min。

但水量衰减较快,3月11日,水量为13m3P min,20天后,水量减至11m3P min,9月30日,水量已减至5m3P min。

通过大量疏水,各观测孔水位变化也十分明显,87-1孔的奥灰水位由1月9日的-19m下降到10月10日的-210m,下降了191m;2#钻机窝的Z-5号水压1月9日观测为1.8MPa,到3月10日观测为1.5MPa;Z
0-2
号水压1月19日观测为2MPa,到3月10日观测为1.5MPa。

当4#机窝在工作面采过之后,水量增加明显,4#机窝钻孔涌水量由初始的8.9m3P h增加到50m3P h,说明了奥灰赋水性虽不均一,由于采动矿压影响,底板形成大面积连通很好的裂隙网络与主裂隙沟通,受五、六灰与奥灰水相沟通的裂隙过水能力限制,奥灰水的补给量是有限的,可通过疏水钻孔将补给量全部疏出,使其不能在五灰层位上积聚水压。

3.2根据4193西面现状确定深部防治奥灰水方案
(1)对工作面进行物探,探明工作面底板赋水性和奥灰水原始导高;
(2)在富水区内按一定的终孔间距布置五、六灰钻孔,将
五、六灰水压降至0.1MPa以下,确保五、六灰具备足够的储水空间;
(3)疏水的效果要以奥灰水水压为标准,如富水区内奥水水压大于4MPa,要加大疏水量;
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(4)五、六灰裂隙不发育的奥灰富水区内,可以不施工疏水钻孔;
(5)在富水区内回采过程中,必须坚持连续的矿压观测。

4 奥灰水治理应用技术
虽然疏水降压是保证工作面不突水的有效手段,但在某些特殊地段回采时突水是不可避免的,如在构造强烈的地段,19层煤底板的有效隔水层完全被破坏,奥灰水不再经过中间信息层(五灰)作用,直接发生突水;在未能探测到工作面内部富水区,在水压和采动矿压综合作用下,奥灰水突破底板造成突水等等,在这些区域,仅靠疏水降压是不够的。

4.1 大流量突水条件下特殊开采方式
(1)改变开采方法及支护形式
突水后,工作面下段改为伪倾斜开采,超前5~10m,把水改向老空区,突水支护形式由见四回一改为见五回一,增大控顶距,避免水流向煤壁侧。

(2)工作面底板铺双抗网、木鞋,即在支柱前先在底板铺设双抗布,再铺塑料网,然后铺大木鞋,倾斜使用支柱时再穿上5320mm 铁鞋,确保支柱不钻底。

通过采用该方法,4193西面突水量达15m 3P min 时,没有停面治理和留设煤柱,工作面仍保持了月产5万t 水平,并减少丢煤柱21831t,增收367万元。

4.2 隔离老空涌水和正压排水
后一与后三采区采完后,由于长期存在采空区涌水,还必须保留后三采区泵房进行排水,每年要花费大量的人力、物力进行巷道的维修、供风、供电,而且疏水巷长期受压易被淤堵,采空区水位升高,会积聚大量的水,成为威胁泵房安全
的一大隐患。

由于后三采区与后一采区相通,且后一采区西部巷道由于留设了下山煤柱,保持的比较完整,具备隔离排水的条件。

因此,在后一采区施工了五道挡水墙,成功对后一与后三采空区的涌水进行了隔离,利用1193东主巷与后一泵房30m 的高差进行正压排水,采取峰时蓄水和谷时排水的方法。

减少排水电费,全年节约资金287万元。

4.3 高承压水文孔钻探
井下高承压水钻探,在安全上必须解决二个问题:(1)孔口管承受力必须高于最大静水压力,以便对高承压水进行有效控制;(2)揭露高压水必须要有防喷措施。

围绕这两个问题,相继研究成功了/活塞压入法0固结孔口管技术、高压水涌出条件下孔口管的固结方法、简易有效的防喷装置以及高承压煤柱区内探放老空水技术。

/活塞压入法0固结孔口管技术易于操作,而且对浆液中颗粒粒度要求不严格,形成的结石体密度匀实、无空隙、抗张强度大,自1998年至今,井下有40多个钻孔的孔口管采用此种方法固结,效果良好,耐压试验压力比采用泵入法或围填法试验压力要高得多,20m 孔口管试验压力能达到9MPa 以上。

目前,潘西矿能够在6MPa 高压下安全施工钻孔,该项技术的发展和完善,为普遍开展奥灰赋水性探查和有控制地进行疏水降压提供了技术保证。

作者简介:李子林 ,男,1983年毕业于山东矿业学院,高级工程师,现任新矿集团潘西煤矿总工程师。

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图2 倾斜等值线图 单位
mm
图3 水平变形等值线图 单位mm
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2003年第4期 山东煤炭科技。