第8讲下组煤开采防治水技术方法

下组煤带压开采防治水技术方法研究靳德武煤炭科学研究总院西安分院1、下组煤开采的必要性及安全性目前，以邢台、峰峰、邯郸、井陉为代表的华北型煤田各矿区，普遍面临着上组煤开采殆尽，下组煤水害威胁严重，资源接续紧张的被动局面。企业应对后备资源紧张的主要途径是实行异地开发和兼并小型煤炭企业的低成本扩张战略。由于受到各种自然条件及人为因素的影响，异地开发的成本及煤炭销路是不得不面对的重大问题，而兼并小型煤炭企业由于安全投入过高，存在很高的技术风险，并不是大型煤炭企业的首选。因此，前期对上组煤开采强度较大的一些老矿井不得不开发占有矿井储量约50%以上的下组煤煤炭资源。在面临资源紧张、煤炭市场旺销的形势下，下组煤开发已经提到重要的议事日程，与此相应的下组开采的安全问题又一次摆在煤炭企业高层决策者的面前。一个时期以来，下组煤开采的安全性和经济合理性一直成为业内人士共同关注的焦点，笔者就与下组煤开采过程中一些主要的防治水技术方法问题提出自己的粗浅认识，希望能够引起从事相关工作同志的共同关注。2、下组煤开采中防治水工作的艰巨性以奥灰含水层地下水为最终充水水源，其水量大、水压高、补给足。以与奥灰具有水力联系的薄层灰岩含水层（邢台太灰、本灰、焦作矿区的二灰，肥城的五灰、永夏-淮北-皖北矿区三灰）作为突水水源，防治水工作难度大。小煤窑突水对大矿的威胁问题日益凸显。以综合勘探手段查找导水通道的技术方法并没有真正配套完善。突水机理研究相对滞后，对于采动滞后突水、小断层作为导水通道和煤层抽冒引发的突水问题难以给出圆满的解释。3、带压开采是解放下组煤的可行途径我国煤矿床水文地质条件复杂，水患威胁严重，40多年来，水文地质工作者在一些大水矿区开展了卓有成效的工作，在运用隔水层带（水）压开采综合治理的科学试验方面，取得了令人瞩目的成就，使大量受水威胁的煤炭资源得到解放。实践证明，带（水）压开采及其安全防范措施的综合运用是解放下组煤的可行途径。4、下组煤带压开采中存在的主要问题自70年代邯郸王凤矿1830工作面首次成功地进行了带压开采试验以来，各大水矿区已普遍采用该项技术解放了大量受水威胁的煤炭资源，为国家能源工业发展做出了巨大贡献，但带压开采中存在的一些技术问题也是不容忽视的，主要表现在如下三个方面：适用条件一般认为,带压开采的适用条件包括:①开采煤层底板以下有一定的隔水层厚度，厚度愈大防护作用愈强；②隔水层的岩性组合有利于抗衡水压；③采场构造相对简单，无直接贯通含水层的通道。但上述条件均是定性的而非定量的，实践中难以操作。安全标准带压开采的安全评价工作首先从预评估做起，即依照突水系数法从宏观上评价带压开采的可行性；其次，针对各类物探方法圈定的水文地质异常区，在实施局部注浆或底板改造工程以后，要求对实施效果进行工程验证，这种工程验证的标准目前尚不统一。开采下限与水体（或含水层）下采煤确定开采上限一样，确定带压安全开采下限是下组煤开发必须面对的课题。5、下组煤开采防治水技术方法与途径钻孔分析技术对每个钻孔地层结构及异常现象的精细描述属于钻孔分析技术范畴的内容，它一方面包括对钻探信息如掉钻、涌水位置及涌水量大小、水压、水温、水质、串浆、跑浆等的采集；另一方面包括对地层信息的分析。针对前者，应对注浆前后各类参数的变化进行一一对比，分析产生这种现象的原因，并应从水文地质学角度做出合理解释，做到曲线、图表应有尽有，现象、事实相互映照。钻孔分析技术针对后者，正如大家所共知的，隔水层结构分析是突水条件分析的重要方面，因此，应借鉴可视化及平、剖面数字化分析技术，结合物探探查成果，圈定形成突水的异常区域（隔水层变薄带、构造发育带），为注浆工程钻孔优化布置提供参考依据。对目的含水层进行水平分区和垂向分带结合岩溶发育规律和放水试验资料对目的含水层进行分区、分带，绘制出不同深度涌水量变化曲线，如图1，从涌水量变化曲线图上不难看出，在进入奥灰60m的深度附近钻孔涌水量增幅明显，与这一深度范围对应的是奥灰七段顶面，说明七段较八段富水性更强一些，充水层位在七段，八段可计入隔水层厚度之中，这对于隔水层的防突（水）效应是极其有利的。603511037265876.56503081015078.7157.3254.124.939.310100354050556080901537.69.546.16086.399143.520055.630.61.6020406080100120050100150200250300350400涌水量（m3/h）进入奥灰深度（m）中观放1放2放3水5水6水7水9风2奥观13同样，我们根据放水试验流场分析对另一矿井井田范围内边界和外边界断层的控水作用进行了分析，据此提出了井田主要块段地下水的主要补给方向，做出了突水条件分区，结合同位素资料指出大青水与奥灰水发生水力联系的地段为F10、F21断层一带，在火成岩侵入区两个主要含水层之间的水力联系较弱。建立水患诊断数字化平台对井田水文地质条件研究方面的具体要求①应该掌握井田或水文地质单元内地下水的形成条件，包括如下内容：a.地下水赋存特征；b.地下水补给、径流、排泄条件；c.地下水位动态；d.水化学特征。因此，应该尽可能地创造条件，安排井下放水试验，对矿井水文地质条件和主采煤层的充水条件做出综合分析和评价。建立水患诊断数字化平台对井田水文地质条件研究方面的具体要求②应该预测在开采影响下水文地质条件的变化趋势，包括如下几方面的内容：a.不同开采阶段的水文地质问题预测；b.不同开采水平的涌水量预测；c.疏排条件下的地下水流场预测；d.不同开采方法对地下水流场的扰动作用。因此，应该尽可能地采用数值模拟方法和最优化理论研究采矿条件下地下水系统状态的演变规律并进行有效的调控和管理，探讨疏供结合方法解决安全采煤和矿区工农业用水之间矛盾的可行性。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其次，面对下组煤开采中高承压地下水的严重威胁，必须改变消极、被动的防治水技术路线，确立积极、主动的防治水技术思路：在分析、评价水害分布特征及威胁程度的基础上，确定“综合勘探，查清条件，消除水患，带压开采”的综合防治水技术路线，确保带压安全开采。积极的防治水技术思路主要包括如下内容：(1)充分利用隔水层的天然阻水条件带压开采就是利用隔水层的有利条件，在不疏降或少疏降（水压）、不改造或局部改造（含水层）、不加固或局部加固（隔水层）的情况下达到安全采煤的目的。为了充分发挥隔水层的阻水能力，需要对其阻水抗压的性能做出评价，不但要评价其数量大小，而且应当评价其可靠性（应用可靠性工程学的方法），从而得出岩体阻水抗压能力的安全储备系数。在这里，阻水系数或带压系数是其主要的评价指标之一。(1)充分利用隔水层的天然阻水条件通过在部分矿区开展的阻水能力测试工作，可以发现如下规律：①隔水层在下覆承压含水层一定水压作用下，不仅具有渗透性，而且也具有阻水性。湖南桥头河煤矿邓子山井在-190m水平带压试采受茅口灰岩岩溶水威胁的煤层时，其突水系数出现小于零的情况（即从理论计算表明，隔水层的阻水抗压能力几乎没有），但该矿绝大部分采区并没有发生突水事故。(1)充分利用隔水层的天然阻水条件②评价一个采区或工作面是否可以带压开采的直接依据是带压系数，即由底板隔水层到底能够削减多少水头压力而定，这是使用突水系数所不能解决的问题。通过现场原位测试的带压系数才有代表性，如果现场不具备测试条件，那么近似地可以在室内抗渗试验（在三轴抗渗仪上完成）的基础上，探讨室内、外试验结果之间在数量上的对应关系，为带压开采提供依据。(2)适应充水条件，将采矿扰动效应降至最低采矿活动是突水的触发因素，绝大多数采面底板突水与采动矿压作用关系极为密切，选用合适的采煤方法及工作面尺寸一直是采矿工程界试验和探索的课题。为适应充水条件而改变采煤方法，在一些矿区已多次采用，如王凤矿1955下架煤工作面在探测到底板隔水层内奥灰导升高度达8.5m时，将原设计的1955工作面分为1955里、1955上、1955下3个小工作面进行带压试采，减轻了水害，成功地实现了安全回采；(2)适应充水条件，将采矿扰动效应降至最低实践证明，适当缩小工作面斜长可以减小破坏深度，这是带压开采预防突水的重要措施。经过实际测试，井陉一矿、三矿、邯郸王凤矿等开采下组煤的工作面其斜长与底板破坏深度之间的经验关系如表1，上述参数可以作为没有开展此项工作的、条件相似的回采工作面确定带压试采参数的参考依据。表1邯郸、井陉矿区下组煤开采工作面斜长与底板破坏深度对应关系工作面斜长（m）305070底板破坏深度(m)4~56~78~9（3）人工改造充水条件，达到削能（水头压力）和固本（加固隔水层）的双重目的从广义上讲，在带压开采的技术实践中，改造包括两层含义:一是对煤层底板隔水层的加固，主要是裂隙水的置换、裂隙的充填、水压的削减等；二是对直接充水含水层的改造，即变强含水层为弱含水层，或者在理想状态下变强含水层为相对隔水层。上述所谓改造是通过注浆工程实现的，在带压开采中，另一类对突水条件的改造就是疏放技术。薄层灰岩大面积注浆改造技术和目的含水层的有控疏放技术是改造突水条件的两项关键技术。此外，对工作面及其周边隐伏导水陷落柱的预注浆改造也属于此范畴，近年来，此类问题也多有涉及,例如:东庞矿2903工作面导水陷落柱；东山煤矿51520工作面陷落柱；梧桐庄煤矿北翼总回风巷导水陷落柱治理。“利用、适应、改造”相结合的主动的防治水技术思路正是地质工程学方法的具体体现。利用—从岩体稳定性角度上讲就是利用其自稳能力的一种体现；适应—正是贯穿着地质工程及地质灾害防治中的“绕避原则”、矿压控制上的“让压原则”、岩体支护上的“先松后支原则”；改造—是对地质体薄弱部位进行的改造，即强化或加固，疏水降压或对含水层的注浆改造本身就是按照工程需要对其含水性的一种弱化处理方法（降压消能、浆液置换、高压驱替等对地下水在数量和能量两个方面赋存条件的改变）。6、下组煤开采防治水实践经验探讨理论既来源于实践又高于实践，在我们集中力量促成防治水理论形成的同时，实践的发展又迫切要求我们重新审视这一理论；下组煤开采既要有配套技术，又要有配套措施，二者缺一不可；由于在技术上存在缺陷，因此，以精细化管理为导向的防治水配套措施的完善显得尤为重要；在综合配套技术、配套措施实施的基础上，应进一步提高防治水工作的决策水平，尽快建立和完善下组煤开采防治水决策支持系统，以实现决策科学化、事故率最小化、效益最大化的安全生产终极目标。鹤壁矿区以鹤壁—矿-50m水平8号煤（下组煤）开采为例，8号煤与奥灰间距36～50.66m,平均39.27m,大于临界隔水层厚度34.17m；实际水头压力1.79Mpa小于临界水压值2.235Mpa；突水系数0.061Mpa/m。主要防治水措施：（1）分区隔离开采，建立强有力的防、排水系统；（2）工作面斜长小于100m，炮采，减小空顶距，局部人工强制放顶。井陉矿区以井陉－矿对带压开采承压水体上煤层为例，除常规的强大排水后盾和分区隔离外，主要的防治水措施为：（1）掘进前超前钻探，回采前物探、钻探方法在工作面内同时探查；（2）根据“下三带”理论采前探查认为有突水可能的工作面实施底板预注浆加固建造保护层带；（3）在突水危险区留设防水煤柱。井陉矿区