帶壓開采防治水技術(shù)及研究方向

李彩惠

(河北金牛能源股份有限公司,河北邢臺 054000)

帶壓開采防治水技術(shù)及研究方向

李彩惠

(河北金牛能源股份有限公司,河北邢臺 054000)

結(jié)合目前華北型煤田下組煤帶壓開采防治水技術(shù)現(xiàn)狀,分析了下組煤帶壓開采的適用條件、安全標(biāo)準(zhǔn)和開采下限等主要技術(shù)問題。闡述了下組煤開采的主要防治水技術(shù),水文地質(zhì)條件勘察和采場綜合探查是防治水工作的前提和關(guān)鍵;充分利用隔水層的天然阻水條件、適應(yīng)充水或人工改造充水條件進行帶壓開采;利用底板突水監(jiān)測預(yù)警技術(shù)進行預(yù)測預(yù)報。指出帶壓開采的研究方向：完善和發(fā)展安全評價體系;對帶壓條件進行分級;加強采場物探技術(shù)研究;確定開采下限及建立技術(shù)裝備和安全保障體系。

帶壓開采;防治水;下組煤

解放受奧灰水嚴(yán)重威脅的下組煤,實現(xiàn)上、下組煤合理配采,是穩(wěn)定老礦區(qū)礦井產(chǎn)能的有效途徑之一。自上世紀(jì) 70年代邯鄲王鳳礦、80年代邢臺章村礦和井陘臨城礦進行帶壓開采試驗以來,作為華北型煤田典型代表的邯邢礦區(qū),一直是國家“六五”、“七五”、“八五”及近十幾年來國家重大防治水研究試驗基地,在水文地質(zhì)條件綜合探查、底板突水機理研究、突水預(yù)測預(yù)報及注漿改造技術(shù)方面取得了長足進步,積累了豐富的下組煤開采經(jīng)驗。實踐證明,帶 (水)壓開采技術(shù)及其安全防范技術(shù)措施的綜合運用是解放下組煤的可行途徑[1]。

1 下組煤帶壓開采的主要技術(shù)問題

自上世紀(jì) 70年代邯鄲王鳳礦 1830工作面首次成功進行了帶壓開采試驗以來,各大水礦區(qū)已普遍采用該項技術(shù),解放了大量受水威脅的煤炭資源,但帶壓開采中存在的一些技術(shù)問題仍是不容忽視,主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1)適用條件 一般認(rèn)為,帶壓開采的適用條件包括：開采煤層底板以下有一定的隔水層厚度,厚度愈大防護作用愈強;隔水層的巖性組合有利于抗衡水壓;采場構(gòu)造相對簡單,無直接貫通含水層的通道。但這些條件均是定性的而非定量的,實踐中難以操作。

(2)安全標(biāo)準(zhǔn) 帶壓開采的安全評價工作首先從預(yù)評估做起,即依照突水系數(shù)法從宏觀上評價帶壓開采的可行性,但具體采場而言,其帶壓開采的綜合安全性評價量化標(biāo)準(zhǔn)尚難掌握。

(3)開采下限 與水體 (或含水層)下采煤確定開采上限一樣,確定帶壓安全開采下限是下組煤開發(fā)必須面對的課題。

2 下組煤開采主要防治水技術(shù)

面對下組煤開采中高承壓地下水的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),必須改變消極、被動的防治水技術(shù)路線,確立積極、主動的防治水技術(shù)思路。經(jīng)過多年的探索和實踐,綜合下組煤試采礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,以及帶壓開采條件和受水害威脅程度,確定采用的防治水技術(shù)路線應(yīng)為：綜合勘探,查清條件;預(yù)測預(yù)報,先探后掘;注漿改造,先治后采;全程監(jiān)控,全面設(shè)防。

2.1 水文地質(zhì)條件勘察

在研究和分析現(xiàn)有礦井水文地質(zhì)資料基礎(chǔ)上,有針對性的對影響下組煤開采的薄層灰?guī)r及奧灰含水層進行專門水文地質(zhì)勘探試驗,取得對其水文地質(zhì)條件更深、更全面的認(rèn)識,是做好下組煤試采,有效避免突水災(zāi)害的前提條件。水文地質(zhì)補充勘探包括水文地質(zhì)鉆探、水文地質(zhì)物探和水文地質(zhì)試驗。應(yīng)盡可能地創(chuàng)造條件,安排井下放水試驗,為了充分利用信息資源,應(yīng)建立下組煤開采水患診斷數(shù)字化平臺,對礦井水文地質(zhì)條件和主采煤層的充水條件做出綜合分析和評價,對目的含水層進行分區(qū)、分帶。應(yīng)盡可能地采用數(shù)值模擬方法和最優(yōu)化理論研究采礦條件下地下水系統(tǒng)狀態(tài),并進行有效的調(diào)控和管理,探討疏供結(jié)合方法解決安全采煤和礦區(qū)工農(nóng)業(yè)用水之間矛盾的可行性。

2.2 采場綜合探查

下組煤開采防探水工作貫穿于整個開采過程,采取的方式必須地面與井下相結(jié)合,鉆探與物探相結(jié)合,探查與治理相結(jié)合。一般采用井上、下立體綜合勘探手段,堅持 “井下為主,地面為輔,物探為主,鉆探為輔,物探先行,鉆探驗證”的勘探原則。物探方法的選擇主要考慮對“探查體識別與定位”的“敏感性”。探查實施要分階段有重點進行,各個階段的具體任務(wù)各有側(cè)重。

(1)開掘前階段 主要利用地面三維地震勘探及電法勘探,查明煤層基本賦存形態(tài)和構(gòu)造特征、含水層的富水區(qū)域或集中逕流帶,探查斷層、巖溶陷落柱的分布及其含導(dǎo)水性,圈定可疑區(qū)。

地面探查的目的是通過科學(xué)的物探方法進行普查,科學(xué)找“疑”,為采掘工程布置及采掘過程中進一步的防探水工作提供依據(jù)。

(2)巷道掘進階段 本階段防治水工作的重點是采取超前綜合探測措施,先探后掘。對掘進前方及其兩幫附近有無斷層及導(dǎo)水構(gòu)造進行重點探測。具體探測方法一般利用直流電法進行超前探測,兩幫側(cè)前方利用底板超前鉆探進行探測。本階段工作的重點是有掘必探,對井上、下物探查出的“異常區(qū)”、“可疑區(qū)”利用鉆探重點查明。

(3)工作面回采前階段 利用無線電坑透儀對工作面內(nèi)部進行探測,確定工作面內(nèi)部構(gòu)造。利用音頻電透視、瞬變電磁探測工作面內(nèi)部及其底板隔水層富水性及隱伏含水構(gòu)造,并結(jié)合直流電測深對底板探測的成果,研究確定奧灰水、本灰水原始導(dǎo)高。通過對以上探測成果的綜合研究,提出對工作面底板構(gòu)造及其富水性的評價,并圈定出可能發(fā)生的突水危險區(qū)。

2.3 充分利用隔水層的天然阻水條件帶壓開采

帶壓開采就是利用隔水層的有利條件,在不疏降或少疏降 (水壓)、不改造或局部改造 (含水層)、不加固或局部加固 (隔水層)的情況下達到安全采煤的目的。為了充分發(fā)揮隔水層的阻水能力,需要對其阻水抗壓的性能做出評價,不但要評價其數(shù)量大小,而且應(yīng)當(dāng)評價其可靠性 (應(yīng)用可靠性工程學(xué)的方法),從而得出巖體阻水抗壓能力的安全儲備系數(shù)。在這里,阻水系數(shù)或帶壓系數(shù)是其主要的評價指標(biāo)之一[2]。通過在部分礦區(qū)開展的阻水能力測試工作,可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

(1)隔水層在下覆承壓含水層一定水壓作用下,不僅具有滲透性,而且也具有阻水性。湖南橋頭河煤礦鄧子山井在 -190m水平帶壓試采受茅口灰?guī)r巖溶水威脅的煤層時,其突水系數(shù)出現(xiàn)小于零的情況 (即從理論計算表明,隔水層的阻水抗壓能力幾乎沒有),但該礦絕大部分采區(qū)并沒有發(fā)生突水事故。

(2)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),即底板隔水層到底能夠削減多少水頭壓力而定,這是使用突水系數(shù)所不能解決的問題。帶壓系數(shù)通過現(xiàn)場原位測試才有代表性,如果現(xiàn)場不具備測試條件,近似地可以在室內(nèi)抗?jié)B試驗 (在三軸抗?jié)B儀上完成)的基礎(chǔ)上,探討室內(nèi)、外試驗結(jié)果之間在數(shù)量上的對應(yīng)關(guān)系,為帶壓開采提供依據(jù)。

2.4 將采礦對隔水巖體的擾動效應(yīng)降至最低

采礦活動是突水的觸發(fā)因素,絕大多數(shù)采面底板突水與采動礦壓作用關(guān)系極為密切,選用合適的采煤方法及工作面尺寸一直是采礦工程界試驗和探索的課題。研究和探討下組煤開采過程中底板破壞規(guī)律及底板破壞深度對于底板的突水預(yù)測和奧灰水防治具有重要的意義。多年來,通過底板鉆孔注水試驗,底板水壓、水溫、應(yīng)力、應(yīng)變自動動態(tài)監(jiān)測及計算機模擬手段,針對不同采煤方法、不同開采規(guī)模 (不同采寬)、不同開采條件 (走向、傾向及孤島工作面)工作面的采動底板破壞規(guī)律及強度進行了一系列的探測和研究,掌握了影響底板破壞的相關(guān)因素以及底板巖層應(yīng)力分布規(guī)律和底板移動破壞特征,進而提出減少或避免底板突水的開采方法及合理的開采參數(shù),比如不同隔水層及承壓條件下的長壁開采、短壁開采、條帶開采、充填開采等采煤方法的選擇及其采寬的確定方法。

2.5 改造充水條件,達到削弱和固本的雙重目的

從廣義上講,在帶壓開采的技術(shù)實踐中,改造包括 2層含義：一是對煤層底板隔水層的加固,主要是裂隙水的置換、裂隙的充填、水壓的削減等;二是對直接充水含水層的改造,即變強含水層為弱含水層,或者在理想狀態(tài)下變強含水層為相對隔水層。上述所謂改造是通過注漿工程實現(xiàn)的,在帶壓開采中,另一類對突水條件的改造就是疏放技術(shù)。薄層灰?guī)r大面積注漿改造技術(shù)和目的含水層的有控疏放技術(shù)構(gòu)成改造突水條件的兩項關(guān)鍵技術(shù)。此外,對工作面及其周邊隱伏導(dǎo)水陷落柱的預(yù)注漿改造也屬于此范疇。近年來,此類問題也多有涉及,如東龐礦 2903工作面導(dǎo)水陷落柱、東山煤礦51520工作面陷落柱、梧桐莊煤礦北翼總回風(fēng)巷導(dǎo)水陷落柱治理等。

“利用、適應(yīng)、改造”相結(jié)合的主動的防治水技術(shù)思路正是地質(zhì)工程學(xué)[3]方法的具體體現(xiàn)?！袄谩奔磸膸r體穩(wěn)定性角度上講就是利用其自穩(wěn)能力的一種體現(xiàn);“適應(yīng)”正是貫穿著地質(zhì)工程及地質(zhì)災(zāi)害防治中的“繞避原則”、礦壓控制上的 “讓壓原則”、巖體支護上的 “先松后支原則”;“改造”是對地質(zhì)體薄弱部位進行的改造,即強化或加固,疏水降壓或?qū)畬拥淖{改造本身就是按照工程需要對其含水性的一種弱化處理方法。

2.6 利用底板突水監(jiān)測預(yù)警技術(shù)進行預(yù)測預(yù)報

引起煤層底板突水的因素是極其復(fù)雜的。多年來,通過對煤層底板突水機理研究,認(rèn)為影響煤層底板突水的基本因素可用若干物理、力學(xué)指標(biāo)來表征,如底板應(yīng)力、應(yīng)變、地溫、孔隙水壓力等。這4項指標(biāo)參數(shù)能比較真實可靠地反映煤層底板突水現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展過程。底板原位測試具有地應(yīng)力普查和采前突水預(yù)測的特點;突水前兆實時監(jiān)測具有實時動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢,二者結(jié)合形成煤層底板突水預(yù)測預(yù)報配套技術(shù)。在東龐礦 9103工作面及葛泉礦 1192工作面帶壓開采實踐中,發(fā)揮了這兩套技術(shù)的綜合優(yōu)勢,互為驗證,取長補短,為回采工作的安全提供了全方位服務(wù),取得了較好效果。

3 主要研究方向

3.1 完善和發(fā)展帶壓開采安全評價技術(shù)體系

面對深部煤炭資源開采中帶壓開采評價技術(shù)的挑戰(zhàn),應(yīng)在完善雙系數(shù) (突水系數(shù)和帶壓系數(shù))技術(shù)基礎(chǔ)上[4],在帶壓安全開采可靠性分析、底板隔水層阻水能力量化研究、三維地質(zhì)建模技術(shù)及其可視化、數(shù)據(jù)倉庫及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與突水規(guī)則知識獲取等方面,發(fā)展帶壓開采安全評價技術(shù)[5]。

3.2 帶壓條件分級

帶壓開采是在一定的礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下實現(xiàn)安全開采的防治水技術(shù),為深化認(rèn)識并利用好這一技術(shù),提出帶壓條件的概念,即特定的隔水層結(jié)構(gòu)與含水層水壓相結(jié)合的工作面突水條件的統(tǒng)稱,初步分級如下：

(1)帶壓條件優(yōu)：隔水層帶壓條件好,不需要做任何工作,即可直接進行帶壓開采。

(2)帶壓條件良：隔水層帶壓條件較好,但針對面內(nèi)局部構(gòu)造薄弱帶、隔水層變薄帶需要局部注漿加固。

(3)帶壓條件中等：面內(nèi)局部構(gòu)造薄弱帶點多面廣,注漿加固工程有一定的規(guī)模。

(4)帶壓條件差：工作面邊界分布有落差較大的斷層,斷層破碎帶有一定的寬度,針對斷層影響帶需要單獨實施注漿工程;或者含水層與主采煤層之間發(fā)育有穩(wěn)定連續(xù)的中間含水層,需要對這一中間含水層實施注漿改造工程。

在上述初步分級的基礎(chǔ)上,還可以進一步細(xì)化成帶壓條件綜合分級表,根據(jù)某一具體礦井的水文地質(zhì)條件,確定其所屬級別,進而安排相應(yīng)的防治水工程。

3.3 加強采場物探技術(shù)研究

物探技術(shù)和物探方法在帶壓開采中水文地質(zhì)條件探查方面的應(yīng)用由來已久,并且已經(jīng)發(fā)揮和正在發(fā)揮著較大的作用,尤其在巷道超前探測以及工作面內(nèi)部含、導(dǎo)水異常區(qū)探測方面。但是,鑒于物探技術(shù)的可靠性、局限性,今后要進一步加強采場綜合探測技術(shù)研究。重點解決：多方位超前物探探測技術(shù);底板原始導(dǎo)高物探探測技術(shù);隱伏陷落柱綜合探測技術(shù);三維地震精細(xì)解釋技術(shù);工作面內(nèi)部底板隱伏構(gòu)造及其含水性綜合探測技術(shù)等。

3.4 下組煤開采下限確定

深部開采水文地質(zhì)條件不同于淺部,與淺部相比,下組煤深部開采礦床充水條件也發(fā)生了很大的變化,合理的開采下限的確定與水體下開采上限的確定同等重要。這里存在兩方面的問題：深部下組煤回采的工作面數(shù)量有限,可供借鑒的資料不多;深部水文地質(zhì)條件研究程度較低,給帶壓開采安全評價工作帶來一定的困難。事實上,通過巖體在高地應(yīng)力條件下綜合阻水抗壓能力試驗和深水平巖溶發(fā)育規(guī)律的研究,進一步完善現(xiàn)有帶壓開采指標(biāo)評價體系,下組煤開采下限確定問題有望獲得解決。

3.5 建立可靠的技術(shù)裝備保障系統(tǒng)

技術(shù)裝備支撐系統(tǒng)包括：排水系統(tǒng)、鉆探注漿能力、綜合物探、水位遙測、水情水害監(jiān)測系統(tǒng)、水害預(yù)警系統(tǒng)、水化學(xué)實驗室及水源快速判別系統(tǒng)、礦區(qū)水文地質(zhì)信息管理系統(tǒng)等,是滿足礦區(qū)水文地質(zhì)保障體系運行的硬件支撐[6]。其中建立強大的抗災(zāi)排水系統(tǒng)、可靠的分組分區(qū)水閘門 (墻)隔離系統(tǒng)是前提,具備可靠的井上、下注漿系統(tǒng)和綜合物、鉆探能力是滿足防治水工作的基本條件。

3.6 建全完善的安全保障管理體系

礦井防治水工作是一項極其復(fù)雜的牽涉到多學(xué)科、多領(lǐng)域、多部門的系統(tǒng)工程,必須嚴(yán)格管理,建立、健全完整的防治水管理體系。主要包括：防治水機構(gòu)的設(shè)置及相關(guān)責(zé)任制;防治水工作的標(biāo)準(zhǔn)化、制度化及程序化管理;防治水工作綜合評價體系及應(yīng)急救援管理等。要根據(jù)確定的防治水技術(shù)路線,從設(shè)計、評價、驗收等方面制定嚴(yán)密的礦井防治水管理程序,以確保礦井防治水安全保障體系的高效、安全運行,保障礦井的安全生產(chǎn)。

[1]靳德武 .我國煤層底板突水問題的研究現(xiàn)狀及展望 [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2002(6).

[2]馬培智.東龐礦試采下組煤 (9號煤)帶壓開采防治水技術(shù)研究綜合成果報告 [R].西安：煤炭科學(xué)研究總院西安分院,2003.

[3]孫廣忠 .加快中國鐵路建設(shè)的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用技術(shù) [J].鐵道工程學(xué)報,1999(2).

[4]靳德武,董書寧,劉其聲 .帶 (水)壓開采安全評價技術(shù)及其發(fā)展方向 [J],煤田地質(zhì)與勘探,2005(S1).

[5]王秋明,等 .三維地質(zhì)建模技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用 [J].人民長江,2005,36(3).

[6]劉再斌,等 .邢臺礦區(qū)水文地質(zhì)安全保障體系探討 [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008(4).

Water Prevention Technology for M in ing withWater Pressure and Research Tendency

L ICai-hui
(Hebei Jinniu Energy Co.,Ltd,Xingtai 054000,China)

This paper analyzed adaptable condition,safety standard and mining lower limit of mining low coal group with water pressure.It put forward thatwater prevention technology and hydrogeologic condition and comprehensive exploration for mining field were premise and key to waterprevention.Miningwith water pressure should be done by taking advantage of naturalwaterproof layer and artificially changing hydrology condition.Applying floorwater-burstmonitoring forecast technology to predictingwater-burst.It also indicated research tendency ofminingwithwaterpressure.They are showed as follows.Perfecting and developing safety evaluation system;gradingwater pressure conditions;developing geophysical prospecting technology;determining mining lower l imit and constructing technical equipment and safety supporting system.

miningwith water pressure;water prevention;low coal group

TD823.83

A

1006-6225(2010)01-0047-03

2009-09-07

李彩惠 (1966-),男,河北唐縣人,工程碩士,高級工程師,現(xiàn)任河北金牛能源股份有限公司副總經(jīng)理。

徐乃忠]