第7讲东庞9103防治水

河北金牛能源股份有限公司东庞矿试采下组煤（9#煤）带压开采防治水技术研究综合成果煤炭科学研究总院西安分院河北金牛能源股份有限公司东庞矿河北金牛能源股份有限公司科技部东庞矿试采下组煤（9#煤）带压开采防治水技术研究矿井基本情况项目实施背景我国带压开采技术实践情况井田水文地质条件9103工作面带压开采条件预分析9103工作面回采防治水技术路线图完成的工作量9103工作面安全回采防治水技术方法（下页）综合成果经济效益创新点结论及建议9103工作面安全回采防治水技术方法综合物探方法底板隔水层阻水能力试验方法原位应力测试方法突水监测方法异常区的局部加固与改造矿井基本情况东庞矿是我国目前井工矿开采生产规模较大的现代化矿井之一，始建于1977年2月，自1983年12月建成投产以来，至今已20年余年，原煤产量由开始的几十万吨到现在已接近300万吨，目前主采2#煤，9#煤仅试采一个工作面。该矿采用立井、暗斜井多水平开拓，分-300m、-480m、-700m三个水平，现生产水产-300m、-480m。邢台市野河崇水峪宋家庄东庞煤矿内丘官庄獐犭郝庄临城井弪获鹿正定无极晋县深泽束鹿石家庄市栾城赵县京元氏道深陇尧柏树巨鹿京高邑宁晋赞皇南智丘新河冀县九衡水线南宫平乡广宗威县清河南河鸡泽高沙河永年邯郸邯郸市肥乡曲周丘县广平馆陶冠县临西临清武安线磁县临漳成安速魏县大名京深县安平北京396公里保定244公里石家庄113公里邯郸52公里新乡219公里郑州299公里交通位置图107安阳市广国任县么东庞煤矿交通位置图项目实施背景东庞矿主采煤层为2号煤层和9号煤层，其中9号煤层占其资源总量的60%以上，因受奥灰水威胁而不能开发利用。目前2号煤开采量已超过三分之一，随着采煤技术和工艺的快速发展，矿井生产能力的大幅度提高，矿井服务年限比原设计大大缩短。为了解决生产接续问题和延长矿井服务年限，需要对2号煤和9号煤进行合理配采，而解放9号煤的关键就是防治水问题，在这方面，目前国内外尚无可供推广应用的成熟技术。9103工作面简介9103工作面为东庞矿下组煤（9号煤层）带压开采试验采区的首采工作面；该工作面位于井田南翼靠近奥灰隐伏露头区，西邻西庞矿，北至9100采区石门，南以西庞矿隔离煤柱为界；走向长度1010m，倾斜长度70m，煤层平均厚度分别为2.5m我国带压开采技术实践情况①国内带压开采先后在鹤壁、井陉、峰峰、邯郸、邢台、开滦、东山等7个矿区。浅部安全区或浅部、底板隔水层较厚、下伏奥灰弱富水区，而非安全区主要采取疏降或短壁小面积且底板预注浆加固措施;在采场勘探方面：以井陉－矿为例掘前钻探先行探水，面内采前以钻探为主物探为辅探水，工程量较大投入较多，影响采掘效率。我国带压开采技术实践情况②在带压开采突水评价与防治水对策方面：主要以突水系数理论作为依据，而实际使用中发现小于规程要求突水系数临界值照样发生灾害性突水（如峰峰二矿2701面突水系数0.04Mpa/m发生底板突水40m3/min，险些淹井；尚庄矿下架煤层掘进中突水系数0.02Mpa/m发生底板突水15m3/min，矿井被淹），说明完全以突水系数理论进行带压开采安全评价存在不足；井田水文地质条件1、主要含水层为奥陶系灰岩、大青灰岩、伏青灰岩、煤系砂岩、下石盒子组砂岩及第四系底部卵石层等，其中奥灰和大青灰岩为主要含水层(综合水文地质柱状图)2、东庞井田位于邯邢水文地质单元中百泉水文地质单元的西北边界地段。构造上处于邢台一、二号大断层之间。从历次勘探结果分析，该井田是三面（西北、东北、东南）阻水，一面（西南侧）开口的次级水文地质单元，奥灰水主要通过西部覆盖区接受如下四种补给：（1）白马河河床潜流及地表水渗漏补给；（2）西南部灰岩露头降雨入渗补给；（3）西部片麻岩水侧向补给（4）第四系砂卵石枯水期通过天窗回灌补给。CCRI.XI’ANBRANCH3、第四系隔水层阻止了大气降水和第四系卵石层水向煤系地层的直接补给；第四系底部卵石层与煤系地层不整合接触，煤系各含水层在西部露头处接受其正常补给；奥陶系灰岩在井田西部与第四系底部卵石层直接接触，二者互相补给；煤系各含水层间均有稳定的隔水层，在正常情况下，地下水在本层内自西向东流动，井田的西北部为含水性很弱的前震旦系片麻岩，补给条件较差，地下水径流条件不佳。CCRI.XI’ANBRANCH东庞矿含水层组主要特征一览表特征东庞矿各含水岩组主要水文地质特征特征特征含水层厚度（m）岩性单位涌水量（L/s·m）渗透系数（m/d）含水层类型水质类型含水性第四系顶部卵石层5～15以紫红色及灰白色石英砂岩为主32.205158.993孔隙潜水含水层SO4.HCO3—Ca强第四系底部卵石层10～30卵石以紫色、白色石英岩为主0.02090.246孔隙承压含水层SO4·HCO3—Na·Ca较弱下石盒子底部砂岩5～8.6灰色、灰白色及灰绿色中、细砂粒岩为主0.02090.246裂隙承压含水层HCO3—Na较弱山西组砂岩5～15灰白色的中细砂岩为主0.018～0.1070.0746～0.058承压裂隙含水层Cl·HCO3—Na弱野青灰岩(包括顶板砂岩)0～2.70.022～0.02380.09357～0.09588裂隙承压含水层Cl·HCO3—Na弱5～7号煤间砂岩（包括伏青灰岩）10～30灰白色或灰色中细砂岩0.000743～0.006110.00215～0.0194裂隙承压含水层SO4·HCO3—Na极弱大青灰岩1.5～9.00.000315～1.0080.00869～20.488溶洞裂隙承压含水层HCO3—Na强奥陶系灰岩0.00427～4.5320.05～304溶洞裂隙承压含水层HCO3·SO4—Ca极强9103工作面带压开采预分析①9103工作面为9号煤首次试采工作面;其底板隔水厚度仅为21.4~46.08米，开采水平为-150m，奥灰水位标高为+60米左右，承受奥灰水压力1.9~2.1MPa;突水系数达到0.10~0.15MPa/m，超过了临界突水系数0.06MPa/m，具有突水危险性。9103工作面带压开采预分析②东庞矿周边开采9号煤层的小煤窑，曾因断层或陷落柱发生过多次奥灰突水事故，这说明地质构造或裂隙破碎带有可能成为奥灰水的突水通道；2号煤开采中曾在南翼2107、2706、2708工作面实际揭露过陷落柱。因此9103工作面不能排除导水陷落柱存在的可能性。矿井西部边界区段小煤矿突水情况突水情况矿井名称开采煤层时间地点（位置）突水量（m3/h）标高（m）水压（MPa）水源备注供电局煤矿995.11西大巷遇F39断层底板出水1000-851.4奥灰水连淹四井仁达煤矿995.12掘进巷道放炮底板出水60000.6奥灰水连淹三井军分区招待所煤矿997.10巷道遇断层底板出水2000不详不详奥灰水淹井兴隆煤矿996.3巷道遇断层底板出水约5001.6奥灰水淹井内邱永兴矿995.4巷道过断层出水500～600不详不详奥灰水东庞矿F39断层以北东兴二井999.5不详＞600-851.5奥灰水连淹四井西庞矿92002小背斜＞100-801.3奥灰水9103工作面带压开采预分析③9103工作面倾斜宽70m，走向长1010m，采用综采放顶煤长壁后退式开采方式，而周边小煤矿一般采用小面布置炮采方式，9103工作面采煤方式对底板的破坏深度要大于小煤矿。9103工作面开采标高低于小煤矿开采标高，承受的奥灰水压大于小煤矿。因此，9103工作面开采9#煤过程中，发生奥灰突水的机率较小煤矿更大。试采下组煤（9#煤）带压开采防治水技术研究综合成果报告CCRI.XI’ANBRANCH9103工作面开采防治水技术路线框图采面地质、水文地质条件分析采面带压开采条件分析防治水技术实施水害治理小煤矿水害监控与预防水害防排工程建立临防排水系统掌控小煤矿采掘现状安装水闸门水害探查研究井下密闭墙监测工作面掘进前地面三维地震勘探综合探测疑点钻探验证工作面巷道掘进直流电法超前探测工作面回采前坑透探工作面内部构造底板水文地质条件探查与试验工作面回采过程突水监测与预测预报直流电法及音频电透视探隔水层富水块段及原始导高采动地应力测试采前地应力普查9103工作面安全回采富水区段小煤矿穿越巷道构筑密闭墙预注浆注浆改造实时监测突水危险区超前钻探完成的工程量①物探探查地面三维地震：测浅布置长度6960m，物理点270个；直流电法：测线布置长度2080m，物理点650个；坑透：测线布置长度2080m，物理点583个；音频电透视：测线布置长度2150m，物理点121个。完成的工程量②原位地应力测试分应力普查测试和采动应力测试两个阶段，测试孔为9个（普查孔5个，采动孔4个），测点50个。获得数据200个。突水危险区实时监测经综合分析，在距切眼80m区段范围可能存在突水危险，在该地段施工一个钻窝，在钻窝内施工了三个监测钻孔，每个钻孔内埋设一组传感器（应力、应变、水压、水温），共埋设了3组12个传感器。在距切眼158m施工一个小钻窝，放置井下监测分站。监测有效范围距监测孔前后各60m，共获数据20574个。完成的工程量③岩石力学测试：10组岩样，6个指标测试，共获测试数据90个。煤层底板隔水层阻水性能试验：9孔进行试验，共获数据54个。大青灰岩探放水工程：共施工两个探放孔，进尺200m。底板局部注浆改造：施工探查、注浆孔85个（其中部分孔为测试和监测孔，测试结束后进行了注浆封堵），共注水泥313.6吨，水玻璃8.35吨。9103工作面带压开采防治水技术综合物探地面三维地震探测工作面内部构造工作面底板隔水层构造掘进前方富水性巷道底板富水区段奥灰水原始导高直流电法坑透音频电透视煤层构造工作面底板隔水层富水区段及注浆效果检验注浆效果检验井下效果评述通过巷道掘进和工作面回采未揭露到断层，证实了坑透探测结果的可靠性；根据直流电法和音频电透视探测结果，所指示的富水异常区段，经井下钻探探查，钻孔涌水相对较大，注浆时进浆量相对较多，反映了该方法探测结果的有效性；采用地面地震勘探、井下坑透、直流电法和音频电透视的探测方法，其方法选择正确合理，效果明显，指导了采面布置设计及防治水工程技术实施。探测结果见“9103工作面防治水工程布置平面图”底板隔水层阻水能力试验方法利用井下试验钻孔进行；在试验钻孔施工过程中，测试水压、水量和水温数据，即所谓的“三量测试”。然后对所测数据进行分析，计算出不同层段的带压系数；评价底板隔水层阻水性能。底板阻水性量化——带压系数计算底板保护层阻水性能可通过带压系数体现：分段测试带压系数：iiwiiwwihhPPD)1()1(…………………………（1）整个测试段平均带压系数：11hhPPDnwwnw……………………………（2）平均（显水带）带压系数：10000hdyHDw……………………………（3）5.2.3底板隔水层阻水能力判别模型一级判别：有效保护层厚度Lyb=0，底板将发生突水，采掘空间一旦揭露该地段时，就会发生直通式突水（见I模型图），这时突水量大小很难预测，主要与导水通道的过水能力和充水含水层富水性和水头高度有关。显水带导水带hdpO2灰岩(O2)导高顶界线原始导水体顶界线I模型图二级判别：（这时有效保护厚度Lyb＞0）1）Dw（带压系数）Ts（突水系数）时（1）hdp（底板破坏带）hdm（原始导高顶界埋深）DwTs这时底板应该无突水危险（见II—I—I模型图）；(O2)B型带压段A型带压段（显水带）F突水系数计算厚度（显水带）O2灰岩导高顶界线hdmhdp#II—I—I型（2）hdphdmDwTs底板至少应该渗透性出水，具有渗透性出水危险（见II—I—II模型图）。（显水带）(O2)带压段O2灰岩计算厚度突水系数hdmhdpII—I—II型2）Dw=Ts时（1）hdphdm底板应该有渗透性出水，底板破坏越深渗水量越大，越具突水危险（见II—II—I模型图）；导高顶界线带压段（显水带）导