華北型煤田奧灰水害防治技術(shù)綜述

茹 婷

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

華北型煤田奧灰水害防治技術(shù)綜述

茹 婷

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

文章歸納了華北型煤田奧灰水害主要特點(diǎn)，介紹了底板突水機(jī)理、水害探查技術(shù)、水害綜合防治技術(shù)現(xiàn)狀，最后提出了華北型煤田水害防治面臨的挑戰(zhàn)。

華北型煤田；奧灰水害；突水機(jī)理；探查技術(shù)；防治技術(shù)；挑戰(zhàn)

華北型煤田西起賀蘭山構(gòu)造帶、東至海岸線(xiàn)，南到秦嶺構(gòu)造帶、北至陰山構(gòu)造帶，是我國(guó)重要的產(chǎn)煤基地[1]。因其分布廣、煤層多、儲(chǔ)量大、交通便利及緊鄰經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的華東、華南地區(qū)，在我國(guó)能源工業(yè)中占有舉足輕重的地位。但由于華北型煤田煤層底板保護(hù)層完整性較差，煤層下伏奧陶系灰?guī)r(或寒武系)巖溶發(fā)育，巖溶水的動(dòng)儲(chǔ)量巨大，煤層在開(kāi)采時(shí)，下伏高承壓巖溶含水層中的水往往突破采煤工作面的底板，或通過(guò)斷面、巖溶陷落柱等導(dǎo)水通道充入礦井，給煤炭安全生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅和危害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，華北巖溶水水害事故占全國(guó)煤礦水害事故的55%[2]。目前，北方主要礦區(qū)受巖溶水威脅的煤炭?jī)?chǔ)量約有150多億t，占探明儲(chǔ)量的27%[3]，要將這些煤炭從承壓水威脅中解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)，有必要對(duì)華北型煤田水害防治技術(shù)現(xiàn)狀有所了解 ，以便指導(dǎo)煤礦安全高效生產(chǎn) 。

1 華北型煤田奧灰水害的主要特點(diǎn)[3-5]

華北型煤田水害的主要特點(diǎn)包括以下幾方面：

(1)突水災(zāi)害的突發(fā)性強(qiáng)，水量往往較大且比較穩(wěn)定，人員傷害大。

(2)奧灰是威脅下組煤開(kāi)采的最重要含水層，表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面奧灰含水層以水平或垂向側(cè)向等方式補(bǔ)給薄灰，造成奧灰與薄灰水力聯(lián)系極為密切，局部地段成為一個(gè)含水體；另一方面在礦壓、水壓作用下，在局部地段底板破碎帶易發(fā)生底板突水。

(3)隔水層厚度小，下組煤距薄灰和奧灰間距小，隨著開(kāi)采水平的延伸，水壓逐漸增大，突水系數(shù)普遍超過(guò)規(guī)定。

(4)深部水文地質(zhì)條件不清，巖溶裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育不均一，且構(gòu)造探明程度相對(duì)較低，遇導(dǎo)水構(gòu)造出水的可能性較大。

2 華北型煤田奧灰水害防治技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 底板突水機(jī)理

近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)底板突水機(jī)理做了大量研究，多種底板突水機(jī)理理論陸續(xù)被提出。20世紀(jì)40年代至50年代，匈牙利韋格弗倫斯提出“底板相對(duì)隔水層”的概念，他指出，煤層底板突水不僅與隔水層厚度有關(guān)，而且還與水壓力有關(guān)。突水條件受相對(duì)隔水層厚度的制約。相對(duì)隔水層厚度是等值隔水層厚度與水壓力值之比[6]。60年代以煤科總院西安勘探分院為代表，提出了采用突水系數(shù)作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)底板突水與否的標(biāo)準(zhǔn)，突水系數(shù)就是單位隔水層所能承受的極限水壓值[6]。60年代初由山東科技大學(xué)荊自剛、李白英提出“下三帶”理論，該理論認(rèn)為，開(kāi)采煤層底板由上至下也存在著三帶，即：底板破壞帶，完整巖層帶，承壓水導(dǎo)升帶[7]。90年代，煤科總院北京開(kāi)采所王作宇、劉鴻泉等人提出“原位張裂與零位破壞”理論，該理論認(rèn)為，礦壓、水壓聯(lián)合作用于工作面對(duì)煤層的影響范圍可分為三段:超前壓力壓縮段、卸壓膨脹段和采后壓力壓縮-穩(wěn)定段[8-9]。90年代煤科總院北京開(kāi)采所劉天泉、張金才等從力學(xué)分析角度出發(fā)，提出了“薄板模型”理論：即底板巖體由采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶及底板隔水帶組成[10-11]。90年代中科院地質(zhì)所提出“強(qiáng)滲通道”說(shuō)，該理論認(rèn)為底板是否發(fā)生突水關(guān)鍵在于是否具備突水通道。這分為兩種情況:其一，底板水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在與水源勾通的固有突水通道，當(dāng)其被采掘工程揭穿時(shí)，即可產(chǎn)生突破性的大量涌水，構(gòu)成突水事故；其二，底板中不存在這種固有的突水通道，但在工程應(yīng)力、地殼應(yīng)力以及地下水共同作用下，沿底板巖體結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)中原有的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生形變、蛻變與破壞，形成新的貫穿性強(qiáng)滲通道而誘發(fā)突水[12-13]。90年代由煤科院西安分院提出了“巖水應(yīng)力關(guān)系”說(shuō)。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為底板突水是巖(底板砂頁(yè)巖)、水(底板承壓水)、應(yīng)力(采動(dòng)應(yīng)力和地應(yīng)力)共同作用的結(jié)果[6]。90年代中期中國(guó)礦業(yè)大學(xué)錢(qián)鳴高、黎梁杰建立了采場(chǎng)底板巖體的KS理論。該理論認(rèn)為，煤層底板在采動(dòng)破壞帶之下，含水層之上存在一層承載能力最高的巖層，稱(chēng)為“關(guān)鍵層”[14]。21世紀(jì)初由山東科技大字施龍青提“下四帶”理論模型，它將開(kāi)采煤層底板自開(kāi)采煤層底板的頂?shù)胶畬又g的巖層劃分出四個(gè)組成帶:礦壓破壞帶、新增損傷帶、源始損傷帶、原始導(dǎo)高帶[15]。

以上理論極大豐富了我國(guó)煤礦防治水機(jī)理。但需要說(shuō)明的是目前大多數(shù)突水機(jī)理理論是建立在線(xiàn)性特征基礎(chǔ)上的，而實(shí)際底板突水的過(guò)程不僅具有線(xiàn)性特征，而且具有非線(xiàn)性特征，因此將非線(xiàn)性理論和信息融合技術(shù)應(yīng)用礦井突水理論研究方面是該研究領(lǐng)域的發(fā)展方向[6]。

2.2 水害探查技術(shù)

采用地面三維地震勘探技術(shù)預(yù)測(cè)5m以上斷層和地質(zhì)孤立體，并結(jié)合各種地面和井下電磁法探測(cè)技術(shù)和鉆探資料，探查小斷層，預(yù)測(cè)構(gòu)造的導(dǎo)水性、含水性、富水區(qū)范圍、隔含水厚度變化、小窯水害位置等；利用常規(guī)水化學(xué)分析、井液和水溫測(cè)定、水電阻率測(cè)定、水同位素測(cè)定等化探手段分析水動(dòng)力場(chǎng)、水溫水電阻率場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)，建立各含水層水位觀(guān)測(cè)系統(tǒng)和水質(zhì)分析資料數(shù)據(jù)庫(kù)，詳細(xì)掌握各含水層的水文參數(shù)和水質(zhì)等資料，辨別突水水源，奧灰水、薄層灰?guī)r水、底板砂巖水[5,16]。

2.3 水害綜合防治技術(shù)

2.3.1 疏水降壓防治礦井水害技術(shù)

疏水降壓防治礦井水害技術(shù)是指借助專(zhuān)門(mén)的工程(如疏水巷道、抽水鉆孔或疏水鉆孔)及相應(yīng)的排水設(shè)備，積極的計(jì)劃、有步驟地疏放或局部疏放影響安全的充水含水層[5]。

適用條件：當(dāng)?shù)装甯羲畬拥暮穸群鼙?，在自然狀態(tài)下隔水層不能阻抗高壓水的破壞和侵入，但下伏含水層的規(guī)模不大，補(bǔ)水量有限時(shí)，可考慮通過(guò)疏放水技術(shù)降低含水層中的壓力水頭，已達(dá)到實(shí)現(xiàn)帶壓開(kāi)采的目的。此外，如果下伏含水層的含水性很強(qiáng)，但因構(gòu)造被切割成為若干四周封閉或基本封閉的塊段時(shí)，也可對(duì)某個(gè)或某些塊段進(jìn)行疏水降壓。

2.3.2 截流注漿防治礦井水害技術(shù)

截流注漿防治礦井水害技術(shù)是指通過(guò)專(zhuān)門(mén)的設(shè)備和工程，根據(jù)具體的礦井水文地質(zhì)條件和水害類(lèi)型與特點(diǎn)，將預(yù)先研究配置成的低滲透性漿液或骨料注入含水層、隔水層中的空隙、斷裂破碎帶、喀斯特陷落柱、井巷或突(出)水口等，使之與圍巖固結(jié)成不透水(或微透水)的、具有一定強(qiáng)度的整體而起到堵塞過(guò)水通道、充填導(dǎo)含水空隙、降低受注巖體滲透性、增大巖石強(qiáng)度和隔(阻)水作用的一種礦井水害防治技術(shù)方法。根據(jù)其用途可主要分為封堵導(dǎo)水通道、加固和加厚隔水底板和注漿帷幕封堵[17]。

2.3.2.1 封堵導(dǎo)水通道

封堵導(dǎo)水通道指的是利用利用注漿工程切斷導(dǎo)水通道達(dá)到預(yù)防和治理礦井水害的目的。因此，注漿封堵導(dǎo)水通道可分為突水前預(yù)注漿封堵和突水后水害治理堵。

適用條件：掘進(jìn)巷道前方或附近有導(dǎo)水?dāng)鄬蛹皵鄬悠扑閹?；掘進(jìn)巷道或采煤工作面附近區(qū)域有導(dǎo)水陷落柱或不良導(dǎo)水鉆孔。

2.3.2.2 加固和加厚隔水底板

加固和加厚隔水底板是指用底板注漿的辦法將下伏含水層頂部的巖溶、裂隙封閉，使其變?yōu)橄鄬?duì)隔水層，據(jù)多年現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，該項(xiàng)技術(shù)已成為防治煤層底板水害較為有效的實(shí)質(zhì)性措施之一。

適用條件：當(dāng)隔水地板厚度明顯小于臨界厚度值，而井下放水很困難或費(fèi)用太高時(shí)，可采用加固和加厚隔水底板技術(shù)，但防治效果取決于施工前對(duì)下伏含水層頂部的巖溶、裂隙分布情況的掌握和注漿工藝是否恰當(dāng)，此外，注漿深度必須超過(guò)礦壓破壞帶的深度，否則隨著采煤工作面的推進(jìn)，已經(jīng)注漿加固部分又會(huì)重新被礦壓破壞，達(dá)不到加固的效果。

在注漿實(shí)施過(guò)程中，為了提高注入量和注漿效果，還可采用以下輔助技術(shù):酸溶法、水力壓裂、爆炸壓裂及高能氣體壓裂；人工受控定向?qū)便@進(jìn)技術(shù)解決了以往在某些特殊情況下施工(如通過(guò)陷落柱、破碎帶、采空冒落帶)時(shí)不能滿(mǎn)足工程要求的難題，為在復(fù)雜地層及對(duì)某些特殊地質(zhì)體的注漿堵水提供了堅(jiān)實(shí)前提和基礎(chǔ)，是目前其它有關(guān)技術(shù)無(wú)法替代的。

2.3.2.3 注漿帷幕封堵

基于此，我認(rèn)為小亮的主要問(wèn)題有懶散、自控力差、缺乏明確的追求目標(biāo)三方面。明確的追求目標(biāo)是核心，因?yàn)槿艘坏┯辛嗣鞔_的追求目標(biāo)就會(huì)變得勤奮、自律。鑒于此，幫助小亮找到明確的追求目標(biāo)，成了我教育轉(zhuǎn)化小亮的首要工作。

注漿帷幕封堵是指利用孔排注漿的方法在含水介質(zhì)層中盡量垂直地下水流方向建造地下阻水墻。

適用條件：對(duì)于那些四周大都封閉，尚未完全封閉的塊段，可采用注漿帷幕封堵、使其變?yōu)槿忾]的塊段在進(jìn)行疏水降壓。

2.3.3 地面順層定向鉆進(jìn)注漿區(qū)域超前治理技術(shù)

考慮到深采煤層底板防治水威脅及目前在目前超前探測(cè)技術(shù)還不能完全探明隱伏斷裂帶或小構(gòu)造的情況下，近幾年提出了時(shí)間與空間相結(jié)合的“地面順層定向鉆進(jìn)注漿區(qū)域超前治理技術(shù)”，以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層底板從“一面一治理”轉(zhuǎn)變?yōu)橐圆蓞^(qū)或更大區(qū)域以及受構(gòu)造所分割的水文地質(zhì)單元實(shí)施區(qū)域治理，從回采工作面形成后再治理提前到掘前預(yù)先主動(dòng)治理，從以井下治理為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘孛嬷卫頌橹鳌?/p>

地面順層定向鉆進(jìn)注漿區(qū)域超前治理技術(shù)是指采用地面定向孔沿目標(biāo)層順層鉆進(jìn)，高壓注漿，大范圍改造目標(biāo)層，達(dá)到超前區(qū)域防治、實(shí)現(xiàn)安全掘進(jìn)和回采的水害防治目的。該技術(shù)已在邯邢礦區(qū)九龍礦奧灰?guī)r溶水害治理、淮北礦區(qū)朱莊礦、桃園礦三灰水害治理中成功應(yīng)用[18-21]。

2.3.4 改變采煤方式

改變采煤方式對(duì)于隔水底板厚度較薄，突水威脅嚴(yán)重，而又無(wú)其他有效防治辦法的礦井或采區(qū)，可改用適當(dāng)?shù)牟擅悍椒?，例如短壁開(kāi)采、房柱式開(kāi)采、條帶開(kāi)采、砌充填帶以及充填法采煤，都能減小礦壓并提高隔水底板抗水壓的能力；快速回采、人工放頂，則能縮短懸頂時(shí)間，避免或減少底板巖體因蠕變而降低其力學(xué)強(qiáng)度的危險(xiǎn)，但斷壁開(kāi)采、房柱式開(kāi)采，會(huì)降低采煤效率，損失煤炭資源；充填法采礦會(huì)增加采煤成本，非萬(wàn)不得已，不宜采用。

留設(shè)保護(hù)煤柱對(duì)于突水系數(shù)嚴(yán)重超限，具有突水危險(xiǎn)又不能進(jìn)行疏降開(kāi)采和構(gòu)造復(fù)雜地段；灰?guī)r含水層巖溶發(fā)育，灰?guī)r富水性強(qiáng)，受水威脅嚴(yán)重的地段，采取留設(shè)防水煤柱的方法處理。當(dāng)斷層下降盤(pán)一側(cè)的煤層與上升盤(pán)一側(cè)的含水層直接接觸或距離很近時(shí)，可沿?cái)鄬訋Я粼O(shè)一定寬度的防水煤柱。

2.3.6 地面防滲堵漏

地面防滲堵漏在煤層底板下伏巖溶含水層的露頭部位，如有地面河流通過(guò)時(shí)，地面水往往大量漏失灌入礦井。若河流水很大，漏失段不很長(zhǎng)時(shí)，進(jìn)行河床防滲堵漏工作，往往能使礦井涌水量顯著減小。此外，在季節(jié)性水流地段，如果存在喀斯特漏斗、巖溶洼地等，在雨季往往導(dǎo)致地表水大量匯入礦井，及進(jìn)行地面填堵工作，將會(huì)有效減小雨季的礦井涌水量。

3 華北型煤田水害防治面臨的挑戰(zhàn)

3.1 加強(qiáng)隱伏導(dǎo)水構(gòu)造精細(xì)探查技術(shù)和裝備的研發(fā)

目前超前探測(cè)技術(shù)對(duì)隱伏斷裂帶或小構(gòu)造還不能完全探明，應(yīng)針對(duì)性的研發(fā)新的隱伏導(dǎo)水構(gòu)造精細(xì)探查技術(shù)和裝備，從質(zhì)和量上提高超前探的空間距離和探查精度。

3.2 加強(qiáng)對(duì)礦井水害預(yù)警指標(biāo)體系、水害監(jiān)控預(yù)警技術(shù)與裝備研究

目前缺少成熟理論預(yù)測(cè)(裂隙)巖溶水運(yùn)移規(guī)律，(裂隙)巖溶水的突水規(guī)律仍難以準(zhǔn)測(cè)預(yù)測(cè)，下一步應(yīng)加強(qiáng)礦井水害監(jiān)控預(yù)警技術(shù)與裝備的研究開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)礦井突水前兆的適時(shí)監(jiān)控、水害控制信息的過(guò)程與動(dòng)態(tài)開(kāi)發(fā)分析、水害發(fā)生的即時(shí)預(yù)警。

3.3 奧灰水害快速治理技術(shù)與裝備研發(fā)

重點(diǎn)研究礦井突水淹井后突水水源的快速判別、出水點(diǎn)快速封堵、被淹礦井快速恢復(fù)等關(guān)鍵技術(shù)。研究高效快速的礦井水害防治的精確定位鉆孔施工技術(shù)、高性能注漿材料、注漿工藝及裝備。

3.4 防治水技術(shù)水平需進(jìn)一步加強(qiáng)

已采用的截流注漿防治技術(shù)和工程，雖然取得了較為顯著的效果，但在注漿工程上，存在“以量代質(zhì)”的現(xiàn)象，在注漿材料的選擇、注漿設(shè)備的采用、注漿參數(shù)的確定等方面，存在以經(jīng)驗(yàn)為主、理論為輔的缺陷。

[1] 王心義,單智勇.巖溶裂隙型礦區(qū)水害防治技術(shù)及水資源綜合利用[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2008:5.

[2] 李永軍,李小明,許海濤.華北石炭二疊紀(jì)煤田巖溶水水害防治理論與方法研究[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2015:59.

[3] 趙鐵錘.華北地區(qū)奧灰水綜合防治技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2006:16.

[4] 施龍青.華北型煤田奧灰?guī)r溶水防治理論與技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2015:25.

[5] 王心義,單智勇.巖溶裂隙型礦區(qū)水害防治技術(shù)及水資源綜合利用[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2008:4.

[6] 施龍青.底板突水機(jī)理研究綜述[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(3):18.

[7] 荊自剛,李白英.煤層底板突水機(jī)理的初步探討[J].煤田地質(zhì)與勘探,1980(2):27-29.

[8] 王作宇,劉鴻泉.承壓水上采煤[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1992.

[9] 王作宇,張建華,劉鴻泉.承壓水上近距離煤層重復(fù)采動(dòng)的底板巖移規(guī)律[J].煤炭科學(xué)技術(shù),1995(2):18-20.

[10] 張金才,張玉桌,劉天泉.巖體滲流與煤層底板突水[M].北京:地質(zhì)出版社,1997.

[11] 張金才,劉天泉.論煤層底板采動(dòng)裂隙帶的深度及分布特征[J].煤炭學(xué)報(bào),1990(2):35-38.

[12] 許學(xué)漢.煤礦突水預(yù)報(bào)研究[M].北京:地質(zhì)出版社,1991.

[13] 李杭杭,王成緒.用于煤層底板突水機(jī)理研究的巖體原位測(cè)試技術(shù)[J].煤田地質(zhì)與勘探,1992(3):32-33.

[14] 錢(qián)鳴高,繆協(xié)興,許家林.巖層控制中的關(guān)鍵層理論研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，1996,21(31):44-47.

[15] 施龍青,韓 進(jìn).開(kāi)采煤層底板“四帶”劃分理論與實(shí)踐[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,42(1):16-23.

[16] 劉生優(yōu).桌子山煤田棋盤(pán)井礦區(qū)奧灰水防治技術(shù)[J].煤礦安全,2011,42(6):54-55.

[17] 虎維岳.礦山水害防治理論與方法[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2005.

[18] 趙慶彪.奧灰?guī)r溶水害區(qū)域超前治理技術(shù)研究及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(6):1112-1117.

[19] 趙慶彪.奧灰?guī)r溶水上帶壓開(kāi)采區(qū)域超前治理防治水技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2014,42(8):1-4.

[20] 李 沖.深部礦井奧灰水害防治技術(shù)[J].煤礦安全,2016,47(5):101-103.

[21] 石志遠(yuǎn).地面順層鉆進(jìn)在煤層底板高壓巖溶水害區(qū)域超前治理中的應(yīng)用[J].煤礦安全,2015,46(S1):67-75.

(本文文獻(xiàn)格式：茹 婷.華北型煤田奧灰水害防治技術(shù)綜述[J].山東化工,2017,46(5):50-52.)

Review on Prevention and Control Techniques of Ordovician Limestone Water Disaster in the North China Type Coal Field

RuTing

(Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp,Xi’an 710077,China)

The main characteristics of Ordovician limestone water disaster in north China type coal field are summarized. The floor water inrush mechanism, the damage detection technology, and present situation of prevention and control techniques of water disasters are introduced .Finally, the challenges on prevention and control of water disasters in the north China type coal field are proposed.

north china type coal field;ordovician limestone water disaster;water inrush mechanism; detection technology;prevention and control technique;challenge

2017-01-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41302132)

茹 婷(1981—)，女，陜西涇陽(yáng)人，工程師，碩士研究生，2013年畢業(yè)于西安石油大學(xué)，主要從事煤層氣地質(zhì)與開(kāi)發(fā)相關(guān)研究工作。

X784

A

1008-021X(2017)05-0050-03