基于“三水共保”在承壓水礦井中的應(yīng)用研究
——以龍泉礦區(qū)為例

王曉平

(太原煤炭氣化(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 太原 030032)

水是人類賴以生存和發(fā)展的重要資源。當(dāng)前,水資源生態(tài)體系隨大環(huán)境的變化已經(jīng)顯得十分脆弱,保持水資源現(xiàn)有狀況日益困難。水資源生態(tài)體系的破壞往往是不可逆的,而且易朝著不利于人類利用的方向發(fā)展,因此,有必要采取技術(shù)手段維護(hù)水資源生態(tài)體系的良性循環(huán)。煤炭開(kāi)采是向大自然獲取資源,必然會(huì)對(duì)礦區(qū)水資源造成影響。地下穩(wěn)定隔水層由于采礦引起巖層垮落,形成不容易恢復(fù)的破壞。

為了保護(hù)地下水資源,太原煤氣化集團(tuán)公司做了大量工作,并取得了一定的成效。目前采取的技術(shù)途經(jīng)有兩種:①采前定位封堵,鉆孔鉆探至目標(biāo)保水層位,注漿采用“地面制漿、井下注漿”方式;②利用地面區(qū)域治理,地面設(shè)計(jì)一個(gè)主孔,主孔定向鉆至目標(biāo)層位后開(kāi)多個(gè)分支孔進(jìn)行鉆探,如遇漿液漏失,注漿采取“地面制漿、地面注漿”方式。這兩種方式雖然已應(yīng)用于煤炭企業(yè),但這需要前期技術(shù)配套和后期的技術(shù)管理。

煤礦水資源與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境密切相關(guān),因此,煤礦水資源的破壞影響的不僅僅是煤炭企業(yè)本身,而是整個(gè)礦區(qū)的水環(huán)境。水是維護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要因素,同時(shí)水資源具有其自身變化的客觀規(guī)律,對(duì)它的破壞有時(shí)是不可恢復(fù)的。因此,對(duì)于水資源,不能破壞后再去治理,而是要最大限度地減少對(duì)水資源的擾動(dòng),不破壞水資源維持的邊界條件,這是對(duì)采煤提出的又一課題。

保水開(kāi)采以“等效采高、等效阻水厚度、等效水資源承載力”三等效理論,最直接的手段通過(guò)局部注漿及區(qū)域注漿封堵導(dǎo)水通道,增大等效阻水厚度,減小煤層開(kāi)采對(duì)含水層的擾動(dòng),能夠有效地實(shí)現(xiàn)“三水共?！盵1-3]。

1 礦區(qū)頂?shù)装鍘r石物理與水理性能分析

對(duì)研究區(qū)域煤層頂?shù)装暹M(jìn)行取樣并測(cè)試巖石的物理與水理參數(shù),具體包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、孔隙率及滲透率等。測(cè)試儀器如圖1所示。

圖1 測(cè)試儀器

2.1 單軸抗壓實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)巖石物理與水理性能,分析了礦井地質(zhì)及開(kāi)采條件,闡明了煤層、含水層、隔水層賦存條件,得出了保水開(kāi)采的目標(biāo)含水層。淺層水為第四系巖類孔隙含水層組,頂板含水層為太原組、山西組砂巖含水層(K4、K5),底板含水層為K3砂巖裂隙含水層、太原組石灰?guī)r及奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r含水層。

2 礦區(qū)淺表水資源保護(hù)性開(kāi)采研究

2.1 裂隙發(fā)育特征

模擬研究不同開(kāi)采步距條件下裂隙發(fā)育特征。當(dāng)工作面推進(jìn)50 m時(shí),基本頂初次垮落,即初次來(lái)壓步距約為50 m,此時(shí)頂板裂隙發(fā)育高度為25 m;工作面推進(jìn)60 m時(shí)基本頂再次垮落,即周期來(lái)壓步距約為10 m;工作面繼續(xù)推進(jìn)期間經(jīng)歷多次周期來(lái)壓,覆巖裂隙繼續(xù)向上發(fā)育,工作面推進(jìn)100 m時(shí)覆巖裂隙發(fā)育高度為75 m,此后裂隙不再向上發(fā)育,即導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度約為75 m。

2.2 地表沉陷規(guī)律

工作面推進(jìn)130 m時(shí)地表開(kāi)始出現(xiàn)下沉,工作面推進(jìn)130～240 m期間,地表最大下沉量持續(xù)增大,沉陷范圍也同樣增大,但沉陷區(qū)域未影響到?jīng)_溝區(qū)域。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn),沖溝區(qū)域地表開(kāi)始下沉,工作面推進(jìn)400 m時(shí),非沖溝區(qū)域地表下沉達(dá)到最大,為2.85 m。沖溝區(qū)域以沖溝坡底為中心,兩側(cè)坡體向中間滑移下沉,最大下沉量較非沖溝區(qū)域有所增大,達(dá)到2.95 m。

2.3 礦區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

從煤炭開(kāi)采擾動(dòng)角度出發(fā),圍繞礦區(qū)水資源系統(tǒng)在開(kāi)采前后的穩(wěn)定性變化,以水資源承載力為“橋梁”,采用層次分析法進(jìn)行分析。選取地質(zhì)系統(tǒng)、采礦系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)作為準(zhǔn)則層,以煤水賦存關(guān)系、開(kāi)采參數(shù)、含水層水位變化、水質(zhì)水量等11個(gè)指標(biāo)作為子準(zhǔn)則層,構(gòu)建礦區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

經(jīng)計(jì)算為0.71,即淺表水資源承載力級(jí)別為承載中度。表明采動(dòng)已經(jīng)對(duì)礦區(qū)淺表水資源承載力產(chǎn)生一定影響,但水資源對(duì)生態(tài)環(huán)境的承載能力仍在閾值范圍之內(nèi),不會(huì)造成破壞性影響,開(kāi)采參數(shù)是可行的。

3 礦區(qū)頂板水在承壓礦井的應(yīng)用研究

3.1 等效采高的采動(dòng)影響范圍計(jì)算

以隔水層處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)為判別指標(biāo),確定基于隔水層采動(dòng)穩(wěn)定的等效采高M(jìn)eq,預(yù)計(jì)模型坐標(biāo)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)“三等效”理論等效采高計(jì)算方法,隔水層最大水平變形值εmax達(dá)到極限值ε時(shí)的等效采高M(jìn)eq為

(1)

式中:H為煤層厚度;b為水平移動(dòng)系數(shù);g為下沉系數(shù);a為煤層傾角;D為地表下沉值。

3.2 采動(dòng)覆巖破壞及裂隙發(fā)育特征模擬分析

在工作面推進(jìn)過(guò)程中,受開(kāi)采擾動(dòng)使得煤壁前方出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū),積聚大量彈性能,采空區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力釋放區(qū);隨著采場(chǎng)空間的擴(kuò)大,工作面煤壁前方超前集中應(yīng)力峰值逐漸增大至穩(wěn)定,峰值距工作面距離降低,應(yīng)力集中范圍縮小;工作面推進(jìn)至一定距離,采空區(qū)頂板巖層垮落壓實(shí)后出現(xiàn)應(yīng)力回升現(xiàn)象,隨采場(chǎng)空間的擴(kuò)大應(yīng)力數(shù)值不斷增大。

4 礦區(qū)底板承壓水原位保護(hù)開(kāi)采技術(shù)研究

4.1 采動(dòng)底板破壞規(guī)律模擬分析

隨著工作面的不斷推進(jìn),底板破壞深度持續(xù)增大,在頂板第二次來(lái)壓前,底板破壞深度隨工作面推進(jìn)距離加大而迅速增大,這是由于在開(kāi)采過(guò)程中采空區(qū)內(nèi)無(wú)應(yīng)力作用,底板會(huì)沿著自由面不斷變形彎曲,底板的破壞延伸速度最大。當(dāng)頂板垮落后,采空區(qū)底板的破壞速度受到上覆垮落巖層自重的限制作用,使底板破壞深度延伸速度逐漸減小。當(dāng)工作面推進(jìn)至138 m時(shí),頂板經(jīng)過(guò)多次周期來(lái)壓后,底板破壞深度逐漸達(dá)到峰值34 m之后不再繼續(xù)增加。工作頁(yè)推進(jìn)度如圖3所示。

圖3 工作面推進(jìn)度

4.2 采動(dòng)底板破壞深度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

在4305輔運(yùn)順槽設(shè)計(jì)施工2個(gè)底板鉆孔,1#鉆孔位于輔運(yùn)順槽130 m處,2#鉆孔位于輔運(yùn)順槽190 m處,停采線位于輔運(yùn)順槽100 m處。1#鉆孔布置1條75 m長(zhǎng)的測(cè)線,電極距4 m,布置16個(gè)電極(套管內(nèi)不安裝電極);2#鉆孔布置1條70 m長(zhǎng)的測(cè)線,電極距4 m,布置16個(gè)電極(套管內(nèi)不安裝電極)。在巷道中布置兩條測(cè)線(測(cè)線3、測(cè)線4),每條測(cè)線64 m,電極距4 m,每條測(cè)線布置16個(gè)電極,巷道共布置32個(gè)電極(圖4)。

圖5 鉆孔參數(shù)

圖4 電法探測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置

所測(cè)范圍內(nèi)鉆孔內(nèi)1#測(cè)線監(jiān)測(cè)得到底板最大破壞深度為20.4 m;鉆孔內(nèi)2#測(cè)線監(jiān)測(cè)得到底板最大破壞深度為25.5 m;巷道3#、4#測(cè)線聯(lián)合監(jiān)測(cè)得到底板最大破壞深度為27.3 m,即底板破壞深度為20.4～27.3 m。地質(zhì)條件相似,因此底板破壞深度20.4～27.3 m(圖5)。

4.3 底板承壓含水層注漿改造靶向?qū)游坏募夹g(shù)研究

含水層中水的穩(wěn)定由隔水層至煤層直接底所有巖層共同作用和維持。臨界條件下,煤層開(kāi)采后能夠?qū)崿F(xiàn)底板承壓水原位保護(hù)性開(kāi)采所需的臨界“等效阻水厚度”(圖6)。

圖6 含水層層位

工作面底板奧灰承壓含水層的最大水壓為6.29 MPa,直接底至本溪組含水層的巖層總厚度140.49 m,由此計(jì)算得到底板本溪組含水層至工作面直接底的水頭高度為205.50 m,同時(shí)奧灰含水層最小水位補(bǔ)給量初步按0.3 m/d計(jì)。代入“等效阻水厚度”計(jì)算公式,得到工作面開(kāi)采后,能夠?qū)崿F(xiàn)底板奧灰承壓含水層保護(hù)性開(kāi)采的臨界“等效阻水厚度”為

式中:m為各巖層厚度;K為各巖層滲透率;ΔH為兩端水頭壓差;V為含水層水補(bǔ)給速度。

同樣,工作面底板太灰承壓含水層的最大水壓為6.27 MPa,直接底至太灰含水層上部巖層的總厚度為37.42 m,由此計(jì)算得到太灰含水層至工作面直接底的水頭高度為102.23 m。同樣的太灰含水層最小水位補(bǔ)給量初步按0.3 m/d計(jì)。帶入“等效阻水厚度”計(jì)算公式,得到工作面開(kāi)采后,能夠?qū)崿F(xiàn)底板太灰承壓含水層保護(hù)性開(kāi)采的臨界“等效阻水厚度”為

4.4 底板承壓含水層注漿改造靶向?qū)游环治?/h3>

承壓含水層與煤層直接底之間存在天然通道造成底板承壓水的采動(dòng)破壞,為實(shí)現(xiàn)底板承壓水原位保護(hù),首先應(yīng)減少奧灰含水層對(duì)太灰含水層的水量補(bǔ)給,通過(guò)對(duì)奧灰含水層頂部進(jìn)行注漿加固,切斷奧灰含水層與采空區(qū)之間的水力聯(lián)系,達(dá)到從含水層根源上進(jìn)行保護(hù)目的。因此,提出承壓導(dǎo)升區(qū)改性增阻注漿技術(shù),選擇奧灰含水層峰峰組頂部相對(duì)巖溶裂隙較發(fā)育層段,以保證注漿加固效果,同時(shí)不破壞奧灰主要含水層段(峰峰組深部及馬家溝組)。通過(guò)分析現(xiàn)有鉆孔資料,承壓導(dǎo)升區(qū)改性增阻注漿目標(biāo)層位初步選定在奧灰含水層峰峰組頂部以下5～30 m。在此基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步增強(qiáng)保水效果,提出阻水帶修復(fù)增阻注漿技術(shù),目標(biāo)層位選定在奧灰頂面以上30 m本溪灰?guī)r,通過(guò)注漿改性為隔水層,對(duì)隱伏導(dǎo)水通道進(jìn)行封堵,以增強(qiáng)底板巖層阻水能力[4-6],如圖7所示。

圖7 含水層注漿改造靶向?qū)游?/p>

4.5 底板承壓水原位保水開(kāi)采技術(shù)

承壓含水層與煤層直接底之間存在天然通道或承壓含水層與煤層之間的阻水厚度不夠,都會(huì)造成底板承壓水的采動(dòng)破壞,而無(wú)法實(shí)現(xiàn)底板承壓水的原位保護(hù)。同時(shí)天然通道又往往是造成底板大量涌水和承壓含水層破壞的重要因素之一。依據(jù)“三等效”保水開(kāi)采理論,天然通道存在導(dǎo)致底板承壓含水層與煤層之間的“等效阻水厚度”,底板巖層的阻水能力不能滿足底板承壓水原位保護(hù)的開(kāi)采要求,因此采取底板承壓水原位保護(hù)技術(shù)注漿加固。首先采取承壓導(dǎo)升區(qū)改性增阻注漿技術(shù)以阻斷工作面富水區(qū)域奧灰含水層與采空區(qū)之間的水力聯(lián)系,其次實(shí)施阻水帶修復(fù)増阻注漿技術(shù)以封堵隱伏導(dǎo)水通道,增強(qiáng)底板巖層阻水能力,從而達(dá)到底板承壓水原位保護(hù)的目的[7-10]。

5 頂板水資源化利用

對(duì)礦井水進(jìn)行綜合循環(huán)利用,不但防止了水資源流失,避免對(duì)水環(huán)境造成污染,而且緩解了礦區(qū)水資源短缺供水不足、改善了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、最大限度地滿足了日常生產(chǎn)和生活用水。根據(jù)試點(diǎn)工作面采空區(qū)水質(zhì)化驗(yàn)報(bào)告,其水質(zhì)有部分指標(biāo)不符合國(guó)家工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn),主要污染物為懸浮物、金屬離子,其他指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,礦井水資源化利用系統(tǒng)處理后的水質(zhì)完全符合工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)。礦井水資源利用系統(tǒng)現(xiàn)已建成并投入使用[11-12](圖8)。

圖8 水資源利用系統(tǒng)站

6 結(jié)論

(1)開(kāi)采時(shí)涉及的含水層為煤層頂板K4、K5砂巖和煤層底板K3砂巖、L3薄層灰?guī)r含水層,4#煤開(kāi)采時(shí),上述含水層水將直接進(jìn)入開(kāi)采工作面,是礦井水資源化利用的主要含水層;遇導(dǎo)水構(gòu)造等特殊情況下,煤層底板奧陶系灰?guī)r含水層水也將會(huì)進(jìn)入采掘工作面,是礦井保水開(kāi)采的主要含水層。

(2)項(xiàng)目在系統(tǒng)分析礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)、水化學(xué)特征和采掘布置情況基礎(chǔ)上,以試點(diǎn)工作面為試點(diǎn)制定并實(shí)施了保水開(kāi)采技術(shù),為實(shí)現(xiàn)礦井保水開(kāi)采提供了支持。

(3)基于“三等效”理論,提出了“淺表水保質(zhì)保量、頂板水資源化利用、底板水原位保護(hù)”的綠色開(kāi)采保水技術(shù)方案,為最大限度地減少4#煤開(kāi)采對(duì)水資源的損害奠定了基礎(chǔ)。

(4)應(yīng)用綜合技術(shù)探測(cè)了導(dǎo)水通道類型,闡明了不同導(dǎo)水通道對(duì)保水阻斷材料的要求,實(shí)測(cè)了材料綜合性能指標(biāo),為選擇適用性強(qiáng)、可靠性高和經(jīng)濟(jì)合理的注漿材料指明了方向。

(5)構(gòu)建了智能化監(jiān)測(cè)預(yù)警及精準(zhǔn)探測(cè)系統(tǒng),形成了利用微震方法監(jiān)測(cè)井下漿液擴(kuò)散通道技術(shù),為指導(dǎo)保水開(kāi)采工程提供了可靠方法。

本文技術(shù)方法正確,研究?jī)?nèi)容全面,模型適用性強(qiáng),數(shù)據(jù)可靠,參數(shù)選取合理,研究結(jié)論正確,保水效果明顯。采取的綠色開(kāi)采(保水開(kāi)采)方案符合國(guó)家政策要求,形成的保水開(kāi)采示范工程理論與技術(shù)成果為下組煤開(kāi)采提供了技術(shù)支持,在類似條件下保水開(kāi)采具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值[13-14]。