大采深高承壓礦井水文地質(zhì)條件及防治水技術(shù)

  冀中能源峰峰集團九龍礦的設計生產(chǎn)能力為120 萬(wàn)t /a。礦井采用立井分水平開(kāi)拓方式，一水平標高－ 600 m，二水平標高－ 850 m，礦井地面標高+ 137 m 左右。礦井共有6 層可采煤層，主采煤層為2 號煤層和4 號煤層，6 號煤層以下煤層受奧灰水威脅暫不能開(kāi)采，煤層煤質(zhì)為肥煤和焦煤。截至2010 年1 月1 日，礦井地質(zhì)儲量23 015. 9 萬(wàn)t。

 

  1 礦井水文地質(zhì)條件

 

  1. 1 主要含水層

 

  井田煤系地層發(fā)育有煤系基底奧灰含水層、大青含水層、山伏青含水層、野青含水層和大煤頂板砂巖含水層等5 個(gè)主要含水層。

 

  1) 奧灰含水層。奧灰含水層厚500 ～ 600 m，分為3 組8 段，主要巖性為角礫狀灰巖、白云質(zhì)或泥質(zhì)灰巖、花斑灰巖和厚層純灰巖，其中2，4，5和7 段富水，8 段弱富水，1，3 和6 段為相對隔水段，奧灰具有統一的水位，水位標高為+ 102—+ 106 m; 平均滲透系數2. 218 m/d，平均單位涌水量0. 634 L / ( s·m) 。礦化度5 000 ～ 7 400 mg /L，水質(zhì)類(lèi)型為Cl － － SO2 －4 － Ca2 + － Na +。

 

  2) 大青含水層。巖性主要為深灰、青灰色石

 

  灰巖，厚0. 40 ～ 6. 84 m，裂隙發(fā)育，多充填方解石。水質(zhì)類(lèi)型為Cl － － SO2 －4 － Na + － Ca2 + ，水位標高+ 118. 12— + 129. 28 m，平均滲透系數1. 931m/d，平均單位涌水量0. 01 L / ( s·m) 。

 

  3) 山伏青含水層。含水層厚1. 19 ～ 9. 73 m，平均4. 92 m，結構致密，含燧石結核，局部裂隙發(fā)育。水位標高為+ 110. 14 m，水質(zhì)類(lèi)型為Cl － －SO2 －4 － Na + ，平均滲透系數2. 321 m/d，平均單位涌水量0. 075 6 L / ( s·m) 。

 

  4) 野青含水層。含水層厚0. 30 ～ 3. 40 m，平均2. 08 m，含燧石結核，裂隙不發(fā)育，富水性弱。

 

  水質(zhì)類(lèi)型為Cl － － K + － Na +。平均滲透系數為0. 546 m/d，平均單位涌水量0. 019 L / ( s·m) ，生產(chǎn)中已大面積揭露，工作面回采正常涌水量一般為6 m3 /h，容易疏干。

 

  5) 大煤頂板砂巖含水層。含水層厚0. 8 ～18. 7 m，平均6. 60 m，巖性為細砂巖、中砂巖及少量粗砂巖，裂隙不發(fā)育，富水性弱。水位標高+ 95. 77— + 122. 49 m，水質(zhì)類(lèi)型為Cl － － HCO －3 －Na + ，平均滲透系數為0. 067 m/d，平均單位涌水量為0. 015 L / ( s·m) 。

 

  1. 2 隔水層

 

  從含水層水位、水量及水化學(xué)類(lèi)型等方面來(lái)看，各含水層之間在正常情況下無(wú)水力聯(lián)系，各含水層之間存在良好的隔水層。奧灰與煤系地層呈假整合接觸，正常情況下不發(fā)生水力聯(lián)系，但遇落差較大的斷層或陷落柱時(shí)，奧灰便成為煤系含水層的主要補給來(lái)源。

 

  由以上敘述可知，大青含水層以上含水層富水性弱，影響4 號煤安全開(kāi)采的含水層主要為大青含水層和奧灰含水層。

 

  1. 3 影響4 號煤開(kāi)采的主要含水層水文條件分析1) 大青含水層。大青含水層上距4 號煤層底板70. 5 ～ 75. 8 m。2002 年開(kāi)采的第2 個(gè)4 號煤工作面15421N 底板突水后，在15421N 工作面回風(fēng)巷施工了大青含水層水文孔，單孔涌水量6 m3 /h，水位+ 24. 49 m。2003 年在開(kāi)采4 號煤的北翼地區進(jìn)行了大青含水層補充勘探工作，施工10 個(gè)水文孔，單孔涌水量0 ～ 200 m3 /h，水位－ 372. 9—+ 113. 7 m，其中6 個(gè)鉆孔幾乎無(wú)水。

 

  同時(shí)，2004 年在開(kāi)采第3 個(gè)15431N 工作面時(shí)開(kāi)展了底板巖體地應力的測試研究工作: 4 號煤底板巖體的破裂強度8. 5 ～ 14. 1 MPa，抗拉強度為1. 5 ～ 2. 4 MPa，最小主應力為4. 6 ～ 10. 1 MPa，最大主應力為6. 8 ～ 17. 7 MPa，大青含水層水壓7. 1 ～ 7. 5 MPa，4 號煤底板存在大青含水層突水的可能性。因此必須降低大青含水層水壓才能保證安全開(kāi)采。

 

  2007 年開(kāi)采的第4 個(gè)15423N 工作面，采前施工了5 個(gè)大青含水層疏降鉆孔，最大單孔涌水量18 m3 /h，一般6 m3 /h，大青水位+ 27. 6— + 73. 6m，水質(zhì)類(lèi)型Cl － － SO2 －4 － Na + － Ca2 + ，工作面三維立體電法勘探［3］和三維地震資料表明，工作面底板未發(fā)現其他導水構造，據此分析15423N 工作面發(fā)生大青含水層災害性突水的可能性不大。開(kāi)采過(guò)程中15423N 工作面底板發(fā)生了大青含水層突水事故，穩定突水量90 m3 /h。

 

  綜上所述，在自然條件下，大青含水層富水性較弱，與奧灰含水層水力聯(lián)系不密切，富水性明顯受構造控制，局部與奧灰聯(lián)系地段富水性較強，對生產(chǎn)安全有影響。

 

  2) 奧灰含水層。九龍礦井田北部以F9斷層

 

  ( 落差80 ～ 160 m) 為界，西部以F8斷層( 落差85 ～ 750 m) 為界，南部以F26斷層( 落差150 ～160 m) 為界，東部以標高為－ 900 m 的2 號煤底板等高線(xiàn)為界，基本輪廓為中間隆起，北、西、南下降，東部向深部延深的不完整地壘式構造。礦井內各主要含水層與外圍含水層基本失去水力聯(lián)系，大幅減少地下水的補給來(lái)源，形成地下水以靜儲量為主的水文地質(zhì)特征，為封閉較好的水文地質(zhì)塊段。

 

  九龍井田奧灰埋藏深度500 ～ 1 060 m，奧灰水主要通過(guò)西南進(jìn)水口流入井田，向北部、東部徑流。井田與鄰區相比水質(zhì)類(lèi)型截然不同，水溫差異大，表明井田與區外水力循環(huán)交替不暢，徑流條件差，基本處于相對滯流狀態(tài)。

 

  為進(jìn)一步查明奧灰含水層的水文地質(zhì)條件，2008 年進(jìn)行了奧灰含水層的勘探工作，在最大放水量為420 m3 /h 的情況下，放水孔中心水位最大降深達120 m。

 

  奧灰含水層屬區域性含水層，具有厚度大、分布廣、靜儲量和水壓大的特點(diǎn)，如果具備暢通的通道條件，仍會(huì )導致災害性水害的發(fā)生。

 

  1. 4 突水情況及原因分析

 

  九龍礦是峰峰集團開(kāi)采最深的礦井，4 號煤層底板承受奧灰水壓9. 3 MPa，截至目前已開(kāi)采了4個(gè)4 號煤工作面，按照開(kāi)采時(shí)間先后順序依次為15413，15421N，15431 和15423N 工作面。

 

  4 個(gè)4 號煤工作面均發(fā)生過(guò)煤層底板突水，15413 工作面最大突水量57 m3 /h，穩定水量15m3 /h，目前已無(wú)涌水; 15421N 工作面最大突水量210 m3 /h，穩定水量30 m3 /h; 15431 工作面最大突水量90 m3 /h，穩定水量30 m3 /h; 15423N 工作面第1 次最大突水量540 m3 /h， 穩定水量30m3 /h，第2 次突水最大水量7 200 m3 /min; 分析這4 個(gè)工作面的突水資料可得出4 點(diǎn)結論。①隨著(zhù)開(kāi)采工作面的周期來(lái)壓，工作面底板發(fā)生底鼓而突水，突水量在突水幾小時(shí)或幾天后迅速衰減。②隨開(kāi)采標高的降低，煤層底板突水由突大青水到先突大青水后突奧灰水，開(kāi)采的4 個(gè)工作面中有3 個(gè)工作面突大青含水層水，最后開(kāi)采的15423N 工作面表現為先突大青含水層水，然后突奧灰含水層水。

 

  在15421N 工作面突水后，工作面大青含水層水位下降200 m; 15423N 工作面第1 次突水后，工作面大青含水層水壓由5. 0 MPa 下降為1. 7 MPa，水位下降330 m。15423N 工作面第2 次突水后，工作面大青含水層水壓未下降，距工作面2 285 m 的奧灰含水層觀(guān)測孔水位最大降深達212. 37 m。③隨著(zhù)開(kāi)采標高的降低，煤層底板突水的頻率越來(lái)越高，突水量越來(lái)越大; ④4 號煤工作面幾次突水都發(fā)生在回采期間，掘進(jìn)期間未發(fā)生突水。

 

  影響4 號煤開(kāi)采的主要含水層為大青含水層和奧灰含水層。自然條件下，大青含水層富水性弱，與奧灰含水層水力聯(lián)系不密切，但在構造或導水陷落柱發(fā)育地段其富水性強，與奧灰含水層的水力聯(lián)系也較強。因該礦開(kāi)采深度大，工作面承受大青含水層和奧灰含水層水壓高，在隔水層底板裂隙和構造發(fā)育等薄弱地段易發(fā)生工作面底板突水，尤其在發(fā)育導水陷落柱地段易發(fā)生災害性突水。2009 年1月8 日發(fā)生的特大突水的原因就是: 4 號煤工作面底板下41. 35 m 的位置，發(fā)育了1 個(gè)目前技術(shù)手段難以查明的7 m × 14 m 的小型導水陷落柱，減少了奧灰層面與4 號煤之間的隔水層厚度( 68. 65 m) ，在采動(dòng)破壞和水壓綜合作用下，奧灰水通過(guò)陷落柱突破煤層底板，造成15423N 工作面采空區的滯后突水［6］。

 

  與九龍礦相鄰的大采深礦井也陸續發(fā)現陷落柱，如南側梧桐莊礦已發(fā)現4 例導水性極強的陷落柱，北側羊東礦區目前也發(fā)現了11 例陷落柱，現在九龍礦已發(fā)現了導水性極強的隱伏陷落柱且已造成了嚴重的水害，因此不排除在其他地段發(fā)育強導水陷落柱的可能性，這些潛在的隱伏陷落柱就是九龍礦未來(lái)開(kāi)采面臨的最大水害隱患。

 

  2 礦井防治水技術(shù)與對策

 

  基于上述對礦井水文條件的分析與評價(jià)，提出礦井防治水的技術(shù)與對策: 強化安全設施建設、查清礦井水文地質(zhì)條件并進(jìn)行超前綜合探測、封堵和注漿加固導水通道、合理疏水降壓以及綜合治理。

 

  2. 1 強化安全設施建設

 

  1) 增建礦井抗災泵房，提高礦井抗災能力。

 

  目前礦井排水能力最大為3 600 m3 /h，遠不適應礦井復雜的水文地質(zhì)條件環(huán)境，增建抗災泵房可使礦井排水能力達9 000 m3 /h，確保工作面突水后，水小不淹采區、水大不淹水平、突水不淹礦井。

 

  2) 建設礦井隔離設施。根據礦井多年水文地

 

  質(zhì)工作經(jīng)驗，建立分區、分水平、分煤層的隔離系統非常必要，一旦礦井某一區域或某一工作面發(fā)生超過(guò)排水能力的水害，關(guān)閉水閘能迅速切斷與其他區域的聯(lián)系，防止水害進(jìn)一步擴大，最大限度地減小受災面積，而且有利于快速進(jìn)行水害治理。

 

  3) 建設地面注漿系統。防范煤層底板灰巖水突出的重要措施之一就是對工作面煤層底板破碎帶或裂隙通道進(jìn)行注漿加固改造和封堵，這樣可以提高煤層底板抵抗礦山壓力和底板灰巖水水壓的能力，減少工作面底板突水的概率。而在井下實(shí)施高達10 MPa 以上的大量注漿是非常困難的，而且很不安全，會(huì )面臨注漿材料的運輸、儲放和攪拌等諸多困難。為此，建立地面注漿站尤為重要。

 

  2. 2 查清礦井水文地質(zhì)條件

 

  查清礦井水文地質(zhì)條件是進(jìn)行礦井防治水工作的先決條件，只有查清了礦井水文地質(zhì)條件，才能采取有效的防治對策［7］，查礦井水文地質(zhì)條件有2個(gè)重點(diǎn): ①以礦井為重點(diǎn)開(kāi)展水文地質(zhì)勘探工作;②以工作面為重點(diǎn)開(kāi)展水文地質(zhì)勘探工作。要清查礦井水文地質(zhì)條件主要有以下工作。

 

  1) 地面綜合探測。設計采區前，首先采用地面三維地震手段，探明采區落差5 m 以上的斷層要素，控制斷層落差、產(chǎn)狀及其在走向和傾向上的變化; 查明區內的陷落柱發(fā)育情況; 查明奧灰頂面起伏形態(tài)及埋深; 同時(shí)，利用地面可控源音頻大地電磁法、瞬變電磁法等電磁法物探手段，進(jìn)行采區綜合水文物探工作，確定斷層、陷落柱的含( 導)水性及含( 導) 水深度和范圍; 查明區內2 號煤以下各主要含水層至2 號煤的導水裂隙、通道發(fā)育范圍［8］。同時(shí)，為進(jìn)一步最大限度地利用原三維地震數據資料，對三維地震資料進(jìn)行精細解釋?zhuān)瑢ξ：π暂^大的陷落柱及常規解釋難以反映出來(lái)的小構造及裂隙發(fā)育帶進(jìn)一步精確解釋。

 

  2) 在工作面開(kāi)拓、掘進(jìn)過(guò)程中的綜合探測。

 

  ①在巷道掘進(jìn)過(guò)程中接近地面物探確定的可疑導水異常區或發(fā)現水文異常時(shí)，應立即停止掘進(jìn)，采用物探手段( 井下瞬變電磁法、井下直流電法) 進(jìn)行超前探測，探測巷道周?chē)欠翊嬖诤? 導) 水斷層、含( 導) 水陷落柱或含( 導) 水裂隙異常，探明這些異常的發(fā)育位置和范圍。對探測到的異常區再進(jìn)行鉆探驗證，從而查明掘進(jìn)前方以及巷道周?chē)乃牡刭|(zhì)條件，制定相應的防突水治理措施。

 

  ②在井下生產(chǎn)區域巷道進(jìn)行瞬變電磁法和直流電法勘探，確定大青含水層富水地段或地質(zhì)、水文地質(zhì)異常地段; 然后進(jìn)行鉆探驗證和放水連通試驗，如發(fā)現出現異常則制定注漿加固治理方案并進(jìn)行治理。③對地面探測效果不好、不具備地面探測條件以及構造發(fā)育地段，采取逢掘必探、有疑必鉆的探測方針，采用DTC － 150 防爆地質(zhì)超前探測儀和鉆探相結合的方法進(jìn)行超前探測，避免突然揭露導水構造而導致水害事故的發(fā)生。

 

  3) 工作面回采前的底板綜合探測。工作面貫通后在井下采用井下瞬變電磁法、立體三維電法、無(wú)線(xiàn)電坑透儀進(jìn)行煤層和煤層底板含水層富水性及導水構造發(fā)育情況的探測，對物探資料進(jìn)行綜合分析，得出工作面內及四周含( 導) 水構造、含水裂隙帶及底板巖層富水性情況，并用鉆探手段對物探結果進(jìn)行驗證，然后制定綜合治理措施。

 

  4) 大青含水層和奧灰含水層放水連通試驗。

 

  放水試驗是查水文條件的有效方法，在井下施工大青含水層和奧灰含水層放水孔，進(jìn)行放水連通試驗，確定奧灰含水層疏降可行性和奧灰含水層補給大青含水層的地段，制定專(zhuān)項注漿封堵方案，切斷2 個(gè)含水層之間的水力聯(lián)系。

 

  2. 3 封堵和注漿加固導水通道

 

  根據綜合探測的導水通道和裂隙帶發(fā)育的高度、范圍、深度和含水層富水地段的發(fā)育范圍等編制專(zhuān)門(mén)的注漿方案，設計中應根據實(shí)際情況對鉆孔布置、注漿材料、漿液配比、注漿壓力等作出明確規定。注漿后的效果要達到將裂隙充填密實(shí)，使強含水層段變?yōu)槿鹾畬佣?，甚至隔水層段，從而避免工作面回采期間的底板突水。

 

  2. 4 合理疏水降壓

 

  奧灰含水層和大青含水層的高水壓是導致4 號煤開(kāi)采突水的主要原因，因此開(kāi)采前應對奧灰含水層和大青含水層進(jìn)行疏水降壓，將水位降至安全水位以下。對奧灰含水層初步勘探資料的分析發(fā)現，奧灰含水層水位有疏降的可能，在經(jīng)濟合理、技術(shù)許可的條件下，對奧灰水進(jìn)行適當疏降，降低奧灰水壓; 開(kāi)采時(shí)可以在井下工作面附近施工奧灰放水孔，形成以工作面為中心的降落漏斗，開(kāi)采期間放水，工作面開(kāi)采結束后關(guān)閉鉆孔閥門(mén)或進(jìn)行封孔，對大青含水層直接疏水降壓即可，從而降低奧灰含水層和大青含水層的突水危險性。

 

  2. 5 綜合治理

 

  在采取疏水降壓、封堵導水通道和注漿加固等其他防治水技術(shù)措施的情況下，采取小面開(kāi)采、水情監控、水害預警、留設防水煤柱和充填開(kāi)采等綜合防治水技術(shù)措施。

 

  1) 小面開(kāi)采。目前九龍礦4 個(gè)4 號煤工作面傾斜長(cháng)130 ～ 170 m，應優(yōu)化工作面設計，縮短工作面傾斜長(cháng)到70 ～ 80 m，最大限度地降低采場(chǎng)應力對煤層底板的破壞，從而減少突水概率。

 

  2) 水情監控。對礦井水位、水壓和水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，根據水位、水壓和水量的變化，適時(shí)作出超前防范對策。

 

  3) 水害預警。工作面回采前安裝微地震或分布式電法水害監測預警系統，可在工作面發(fā)生水害前發(fā)出預警，以便及時(shí)采取防治水措施，避免發(fā)生水害事故。

 

  4) 留設防水煤柱。在查明的大斷層、地層薄弱地段以及目前技術(shù)條件下難以治理的地段留設防水煤柱，以減少構造地段發(fā)生水害，從而保證生產(chǎn)安全。

 

  5) 條帶開(kāi)采。條帶開(kāi)采可有效降低采動(dòng)應力

 

  和采動(dòng)效應，最大限度地減小煤層底板破壞深度，應對條帶開(kāi)采方法進(jìn)行試驗。

 

  6) 充填開(kāi)采。目前冀中能源膏體充填、似膏體充填、高水材料充填等充填技術(shù)十分成熟，可將充填技術(shù)應用到受水威脅的4 號煤層開(kāi)采防治水技術(shù)中，可大幅降低采動(dòng)影響和煤層底板破壞深度，提高開(kāi)采安全程度。