荣康煤业工作面保水开采研究_闫永星.pdf

荣康煤业工作面保水开采研究闫 永 星（太原煤炭气化（集团）有限责任公司，山西 太原 030000）摘要：针对荣康煤业 10、11 号煤带压开采存在的突水问题，采用理论分析确定了 11 煤底板有效隔水层厚度为 11 m；采用物探手段得到 11004 工作面底板的 2 处富水异常区，分别为底板 040m 范围的工作面中部距切巷 590620 m 之间，推断为富水异常区；顶板 040 m 和顶板 4080 m 都探测出轨道顺槽一侧距切巷 170195 m 之间；通过工程经验确定了钻孔布置参数及相关注浆工艺，钻孔间距为 50 m，注浆层位为进入奥灰 18 m。关键词：底板；奥灰水；保水开采中图分类号：TD743文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）02-0014-05Study on water conservation mining in Rongkang coal mining faceYAN Yongxing（Taiyuan Coal Gasification(Group)Co.,LTD，Taiyuan03000，China）Abstract:In view of the water inrush problem existing in the mining under pressure of No.10 and No.11 coal seams of Rongkang CoalIndustry,the effective water resisting layer thickness of No.11 coal seam floor is determined to be 11m by theoretical analysis;Two water richabnormal areas at the floor of 11004 working face are obtained by geophysical prospecting,which are respectively 590620m from the middleof the working face within the range of 0-40m of the floor to the cutting roadway,and are inferred as water rich abnormal areas;Both the0-40m and 40-80m roof detect that the distance between one side of the track chute and the cut roadway is 170195m;The drilling layoutparameters and related grouting technology are determined through engineering experience.The drilling spacing is 50m,and the grouting layeris 18m into the Ordovician limestone.Key words:bottom plate；ordovician limestone water；water conservation mining0引言山西是我国的煤炭大省，长期以来为我国经济社会发展和保障国家能源安全做出了重要贡献，但煤炭开采也带来了土地沉陷、水资源破坏、瓦斯排放、煤矸石堆存等一系列生态环境损害问题。山西省吨煤开采破坏水资源约为 2.54 m3/t，以 2018 年山西省原煤产量 8.75 亿 t 计，约破坏水资源 22.2 亿 m3，使本就十分紧张的区域水资源供需矛盾更加尖锐。煤炭开采过程中，受地表沉陷、顶板活动与底板破坏等影响，顶板水和底板水不仅会给矿井安全生产带来巨大威胁，而且会出现大量流失而进一步加剧矿区生态环境和径流条件恶化1-3。因此，亟需通过保水开采途径实现安全和绿色的双重目标，具有很好的示范和引领作用。1工程概况1.1工作面概况荣康煤业位于山西省洪洞市，各煤层均采用综采一次采全高采煤工艺、无煤柱式开采、全部垮落式管理顶板。矿井为单水平开采，优先开采 10 号煤层，再采 11 号煤层。目前矿井在 11 号煤层中布置巷道，采掘 10 煤层。已经完成回采 11001 工作面，目前形成 11004 工作面，准备掘进 11005 工作面。10 号煤层位于太原组下段上部，上距 9 号煤层间距为1.033.97，平均 1.89 m，煤层厚度 1.652.80 m，平均 2.19 m，含 02 层夹矸，结构简单，厚度变化不大，顶板以泥岩为主，底板以粉砂岩为主，为全区可采的稳定煤层。11 号煤层位于太原组下段中下部，煤层厚度 1.653.57 m，平均 2.42 m，含 03 层夹矸，结构简单，顶板为炭质泥岩或泥岩，底板为石英砂岩或泥岩，为全区可采的稳定煤层。1.2工作面水文地质条件井田内奥陶系峰峰组灰岩岩溶裂隙含水层单位涌水量为 0.054 55.799 L/s m，为弱-极强富水性含水层，水位标高为+515+540 m，10 号煤层底板标 高 为+245+525 m，11 号 煤 层 底 板 标 高 为+235+515 m，10、11 号煤层底板标高全部处于奥灰水位之下，全部为带压开采。井田范围内 10 号煤层底板承受奥灰水水头压力为 0.5583.195 MPa 之间，突水系数为 0.0150.069 MPa/m，煤层底板至奥灰顶面距离为 32.2554.72 m，平均距离 45 m；11 号煤层底板承受奥灰水水头压力为 0.5583.195MPa，突水系数为 0.0210.091 MPa/m，煤层底板至奥灰顶面距离为 21.3244.57 m，平均距离 35 m。2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷14DOI:10.13606/ki.37-1205/td.2023.02.00410 号煤层平均厚度为 2.19 m，底板隔水层采动破坏深度按照预计 12 m，那么底板有效隔水层厚度为33 m。11 号煤层底板隔水层厚度平均 35 m，煤层厚度 2.42 m，底板破坏深度经验估算按 15 m 考虑，有效隔水层厚度仅剩 20 m。目前矿井已形成首采工作面 11001 工作面，共施工工作面底板水害探查钻孔 76 个，揭露奥灰地层钻孔均出现涌水量增大情况，最大为 65.8 m3/h，通过水压分析，水压在 0.10.2 MPa，基本为煤层底板砂岩水和本溪组水，水压大于 0.5 MPa，确认为奥灰水。多数钻孔揭露 11 号煤层底板砂岩即出水，部分为揭露本溪组出水。煤层底板确认为奥灰水的钻孔 6 个，煤层底板至奥灰距离按照 45 m 计算，奥灰含水层导升高度最大为 12 m，最小为 3.2 m，平均为 6.45 m。结合现有隔水层条件，用“下三带”理论分析（见图 1）。11 煤底板隔水层厚度平均为 35 m，煤层平均厚度为 2.42 m，底板采动破坏深度一般在 812 m，奥灰含水层导升高度按照平均值为 6.45 m 那么有效隔水层厚度仅剩 16.55 m。导升高度按照现有最大值 12 m 计算，那个有效隔水层厚度仅为 11 m。图 1煤层底板岩层“下三带”示意图综合矿井地质及水文地质条件，未来五年采掘区域为一采区南翼和二采区，受煤层底板奥灰含水层地下水的威胁严重，随着煤层的开采底板破坏带的形成，以及奥灰原始导高的存在，井田南翼采区奥灰水突水危险性较大。因此煤层开采前，必须采取底板奥灰含水层改造和隔水层加固措施，封堵底板导水通道，方能实现安全带压开采。211004、11005 工作面底板水隐患分析11004 工作面目前为 10 号煤层备采工作面，可采长度 790 m，切眼长度 150 m。10、11 号煤层间距平均为 8 m。11004 工作面掘进期间无断层、陷落柱等地质构造。主要受顶板太原组 K2 灰岩含水层影响及底板奥灰含水层水威胁。顶板出水主要分布在11004 胶带顺槽 200250、560 m 处及 11004 轨道顺槽 200 m、400450 m、700 m 处，出水形式为顶板裂隙及锚杆、锚索淋水，水压均小于 0.1 MPa。该工作面总涌水量为 45 m3/h（11004 胶带顺槽 25 m3/h，11004 轨道顺槽 20 m3/h）。11005 工作面为 11004 工作面之后的接续工作面。2.111004 工作面物探成果为加强矿井安全生产和隐患排查工作，做到矿井隐蔽致灾地质因素清晰明确，预测预报准确有效，采用槽波地震勘探、音频电透视对 11004 工作面内部及底板进行探查。槽波地震勘探共采集 76 炮有效数据，162 道接收，总测线长度 1 600 m；音频电透视勘探共采集物理点 4096 个，测线长 1 580 m。根据激发 76 炮采集到的槽波数据，对槽波数据的处理，以及对槽波数据处理的结果进行成像。我们从成像结果图上看，槽波异常 3 个（见图 2），编号为，CYC1、CYC2、CYC3。其中，CYC1 异常位于11004 工作面距切眼 200260 m 处，异常范围较大，推测该异常为煤层破碎区域，对工作面回采有一定影响；CYC2 异常位于 11004 工作面轨道顺槽距切眼 420470 m 处，向工作面内延伸 45 m 左右，该异常范围较小，推测该异常为煤层破碎区域，对工作面回采有影响较小；CYC3 异常位于 11004 工作面距切眼 760800 m 处，呈现条带状，推测可能存在隐伏断层，对工作面回采有一定影响。音频电透视采集物理点 4 096 个，测线长 1 580m。综合分析存在 2 处异常区域（见图 3）。底板 040 m 范围的工作面中部距切巷 590620 m 之间，范围不大，结合地质资料综合推断为富水异常区，建议矿方进行打钻进行验证；顶板 040 m 和顶板4080 m 都探测出轨道顺槽一侧距切巷 170195m 之间，范围不大，向工作面内延伸 50 m，结合地质资料综合推断为富水异常区。图 211004 工作面槽波探测综合解释成果图2.211004 工作面底板隐患分析11004 工作面回采过程中主要受顶板太原组 K2灰岩含水层影响及底板奥灰含水层威胁，重点防范底板奥灰含水层突水。11004 工作面总涌水量为 45m3/h，水源为 10 号煤层顶板太原组 K2 灰岩含水2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷15层，工作面两顺槽掘进过程中未揭露断层及陷落柱。11004 工作面奥灰水位标高为 520530 m，底板标高为 410455 m，该工作面奥灰水最大水头压力为1.2 MPa，突水系数为 0.0230.035 MPa/m，小于0.06 MPa/m，为奥灰带压开采相对安全区，底板隔水层平均厚度为 47 m。奥灰含水层是煤系地层下伏的主要含水层，重点防范底板奥灰含水层通过隐伏导水构造进入工作面，造成突水。3治理方案研究根据矿井 10 号煤底板岩层赋存特点，本溪组含水层厚度较薄，不富水或弱富水，且 10 号煤底板与奥灰含水层平均距离为 45 m；11 号煤层底板至奥灰顶面平均距离 35 m；如果选择在煤层底板隔水层作为目标层，采后底板破坏带直接扰动造成改造段失效，同时该层位既不利于钻孔轨迹控制，又不利于注浆改造。而奥灰含水层相对本溪组含水层则富水性较强，厚度稳定，且远离采后底板破坏带；若选择奥灰顶部一定厚度作为目标层，既有利于定向钻孔的顺层钻进和层位控制，又可将奥灰顶部含水层改造为相对隔水层加以利用，增加底板有效隔水层厚度，降低 10 号和 11 号煤层开采奥灰突水威胁，同时可以解放 10、11 号煤层的煤炭资源。3.1 钻孔布置3.1.1 钻探工程布置根据矿井采掘规划以及矿井地质条件，未来 5年采掘区域为“南翼采区”，共设计工作面 9 个，一期保水开采超前区域治理工程针对 F3 断层以西相邻的 2 个工作面（11004 和 11005 工作面）