趙慶彪

(冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司,河北邢臺(tái) 054000)

奧灰?guī)r溶水害區(qū)域超前治理技術(shù)研究及應(yīng)用

趙慶彪

(冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司,河北邢臺(tái) 054000)

鑒于邯邢礦區(qū)大采深礦井深部煤層和下組煤開(kāi)采受奧灰承壓水威脅現(xiàn)狀和保水開(kāi)采需要,提出了奧灰?guī)r溶水上帶壓開(kāi)采水害治理的“區(qū)域超前治理”理念及“超前主動(dòng)、區(qū)域治理、全面改造、帶壓開(kāi)采”防治水指導(dǎo)原則;相應(yīng)給出了區(qū)域分區(qū)原則、治理模式及適用條件、治查結(jié)合新方法、超前治理管理程序、底板阻水能力評(píng)價(jià)方法和治理關(guān)鍵技術(shù)等支撐體系。該成套技術(shù)首先在邯邢礦區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用研究,特別是地面多分支水平鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究,取得了很好的安全技術(shù)效果,創(chuàng)新了大采深礦井和開(kāi)采下組煤奧灰水害治理方法,安全開(kāi)采受承壓水威脅的煤炭資源,保護(hù)了煤系基底奧灰水環(huán)境。

奧灰?guī)r溶水害;區(qū)域超前治理技術(shù);大采深礦井;下組煤開(kāi)采;水環(huán)境保護(hù)

幾十年來(lái),我國(guó)中、東部煤礦區(qū)較大部分礦井轉(zhuǎn)入深部開(kāi)采,且每年以10～25 m向下延深,截至2013年底,全國(guó)有47個(gè)礦井采深達(dá)到1 000 m以深。河北省南部的邯邢礦區(qū)是大水老礦區(qū),已有4個(gè)礦井采深達(dá)到1 000 m,其中九龍礦副井深達(dá)1 340 m;有7個(gè)礦開(kāi)采下組煤。邯邢礦區(qū)煤系基底普遍發(fā)育有巨厚奧陶系石灰?guī)r強(qiáng)含水層,受奧灰承壓水威脅的深部及下組煤資源儲(chǔ)量近30億t[1]。隨著下組煤多年開(kāi)采,采深加大使得突水系數(shù)接近或達(dá)到《煤礦防治水規(guī)定》所規(guī)定的上限;大采深礦井的上組煤開(kāi)采同樣受高承壓奧灰水威脅。另外,河北省屬極度缺水省份,水環(huán)境及水資源保護(hù)形勢(shì)緊迫。奧灰?guī)r溶水是當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)和生活用水的重要水源,礦井突水必然帶來(lái)較大的地下水環(huán)境擾動(dòng)和損害,嚴(yán)重影響礦區(qū)及周邊地下水環(huán)境和用水保障供給。長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)對(duì)承壓水上采煤所采取的煤層底板注漿加固和含水層改造,從空間尺度上看,均以單工作面進(jìn)行;從時(shí)間尺度上看,均是在工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷完成、回采工作面形成后實(shí)施;從治理目標(biāo)層來(lái)看,主要以煤系薄層灰?guī)r含水層治理為主;從治理場(chǎng)地來(lái)看,主要以井下為主。盧萍等研究論述了冶金礦山在地面對(duì)奧灰含水層實(shí)施帷幕注漿采礦技術(shù)[2];張建國(guó)等研究了平頂山礦區(qū)在地面實(shí)施帷幕注漿區(qū)域治理輔以疏水降壓,也取得了較好的效果[3]。筆者針對(duì)大采深高承壓水頭煤層開(kāi)采背景,首次提出了空間上區(qū)域治理、時(shí)間上實(shí)施超前治理原則,治理的對(duì)象由煤層底板延伸至奧灰?guī)r層頂部。所以,基于地下水環(huán)境保護(hù),研究安全開(kāi)采受奧灰含水層突水威脅的深部煤炭資源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 區(qū)域超前治理可行性分析

華北地區(qū)中奧陶系灰?guī)r總體上為非均質(zhì)各向異性強(qiáng)含水層,邯邢礦區(qū)奧灰?guī)r一般分為3組8段,奧灰頂部的峰峰組一般存在著一定厚度的古風(fēng)化殼,占邯邢礦區(qū)總礦井?dāng)?shù)74.5%。其風(fēng)化斷裂帶厚度一般為9～50 m,多被黏土質(zhì)充填[4-5];除少數(shù)淺部鉆孔在奧灰頂界漏水外,其他進(jìn)入奧灰20～45 m才發(fā)生漏水。從收集的大量鉆孔資料分析看,各井田奧灰頂部七或八段厚度及進(jìn)入奧灰含水層明顯見(jiàn)水深度差異較大,如邢臺(tái)礦區(qū)的章村井田一般在30 m以上,北部的東龐井田一般在20 m以上;而峰峰礦區(qū)的九龍、羊東等井田相對(duì)偏小[6]。奧灰頂部的巖溶發(fā)育一般隨埋藏深度的增加而減弱,如邢臺(tái)礦區(qū)東龐井田-300 m以淺峰峰組裂隙率為0.50%～1.00%,巖溶率為0.1%～0.2%,-300 m以深裂隙率為0.3%～0.5%,巖溶率為0.001%～0.100%,在-600 m以深,鉆孔中少見(jiàn)巖溶現(xiàn)象。由此可見(jiàn),奧灰頂部風(fēng)化殼充填帶的存在以及深部埋藏區(qū)巖溶發(fā)育明顯減弱使奧灰頂部的注漿改造具備了可行性。

“先探后掘,先治后采”是下組煤及大采深礦井帶壓開(kāi)采最基本的防治水原則。為了適應(yīng)較大規(guī)模開(kāi)采的需要,必須打破“一面一探查、一面一治理”的常規(guī),采取更加超前主動(dòng)的礦井防治水措施,積極引進(jìn)定向鉆進(jìn)技術(shù),采取井上、下相結(jié)合的方式,更早地對(duì)采區(qū)或更大的區(qū)域進(jìn)行超前鉆探及預(yù)注漿改造。目前,較為成熟的快速定向多分支水平鉆井技術(shù)為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)提供了有利的技術(shù)支撐,為超前區(qū)域治理、大規(guī)模高效注漿改造奧灰頂部巖石段提供了必要的條件。

2 奧灰?guī)r溶水害區(qū)域超前治理技術(shù)路線(xiàn)

在大采深高承壓水條件下,一般小型斷裂構(gòu)造或斷裂帶都有可能形成突水通道,在目前超前探測(cè)技術(shù)還不能完全探明隱伏斷裂帶或小構(gòu)造的情況下,礦井防治水思路應(yīng)由一般的超前探測(cè)向超前治理轉(zhuǎn)變、由局部單工作面治理向整體區(qū)域治理轉(zhuǎn)變,即采取超前主動(dòng)防范的區(qū)域治理思路。

2.1 區(qū)域超前治理指導(dǎo)原則及內(nèi)涵

近十多年來(lái),邯邢礦區(qū)所發(fā)生7起較大及以上突水大部分是隱伏導(dǎo)水構(gòu)造和斷裂帶導(dǎo)水所致,具有突水量大、隱蔽性強(qiáng)、不易探查的特點(diǎn)[7]。鑒于目前邯邢礦區(qū)大采深礦井和下組煤開(kāi)采突水威脅以及防探水技術(shù)還不能完全滿(mǎn)足安全生產(chǎn)的現(xiàn)狀,首次提出了“超前主動(dòng)、區(qū)域治理、全面改造、帶壓開(kāi)采”防治水指導(dǎo)原則[8]。其內(nèi)涵是:在大采深高承壓水頭條件下,以“不掘突水頭,不采突水面”為目標(biāo),對(duì)煤層底板從“一面一治理”轉(zhuǎn)變?yōu)橐圆蓞^(qū)或更大區(qū)域以及受構(gòu)造所分割的水文地質(zhì)單元實(shí)施區(qū)域治理,從回采工作面形成后再治理提前到掘前預(yù)先主動(dòng)治理,從以井下治理為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘孛嬷卫頌橹?從以煤系薄層灰?guī)r含水層作為主要治理對(duì)象延伸到以?shī)W灰含水層頂部作為主要治理對(duì)象。地面區(qū)域超前奧灰治理是治本,井下區(qū)域超前薄灰含水層治理是補(bǔ)充。

2.2 區(qū)域超前治理技術(shù)目標(biāo)和技術(shù)路線(xiàn)

2.2.1 區(qū)域超前治理模式及適用條件

根據(jù)40多年煤層帶壓開(kāi)采經(jīng)驗(yàn),提出了以下3種大采深和下組煤開(kāi)采礦井煤層底板水害治理模式及適用條件:

(1)突水系數(shù)Ts≤0.06 MPa/m,以查找封堵垂向?qū)ǖ罏橹?

(2)0.06＜Ts＜0.09 MPa/m,煤層底板隔水層全面注漿改造;

(3)Ts≥0.09 MPa/m,煤層底板隔水層和奧灰?guī)r頂部實(shí)施全面注漿改造。

從礦井安全和大區(qū)銜接要求,在突水系數(shù)Ts＞0.08 MPa/m時(shí)應(yīng)計(jì)劃落實(shí)區(qū)域超前治理防治水指導(dǎo)原則。

2.2.2 區(qū)域超前治理技術(shù)目標(biāo)

(1)通過(guò)煤層底板全面注漿改造,突水系數(shù)必須小于《煤礦防治水規(guī)定》的0.1 MPa/m;

(2)“以治定采”,治理達(dá)標(biāo)煤量要大于回采煤量;

(3)區(qū)域治理工程超前掘采工程,做到不掘突水頭,不采突水面;

(4)超前注漿治理工程量要達(dá)到總工程量70%以上。

2.2.3 區(qū)域超前治理技術(shù)路線(xiàn)

(1)區(qū)域超前治理程序:地面物探—地面打鉆(鉆探、驗(yàn)證)—區(qū)域注漿治理—注漿效果檢驗(yàn);

(2)井下掘前“條帶”治理程序:掘前物探—打鉆驗(yàn)證—注漿補(bǔ)強(qiáng)—先治后掘;

(3)工作面采前:采面內(nèi)、外部綜合探測(cè)(物、鉆探)—注漿補(bǔ)強(qiáng)—全面改造—效果檢驗(yàn)—采前評(píng)價(jià)—回采。

采前評(píng)價(jià)[9-11]是采面治理后,還要用同一種物探手段進(jìn)行治理前、后的效果對(duì)比和煤層底板阻水能力測(cè)試,然后進(jìn)行專(zhuān)家綜合評(píng)價(jià)。

3 區(qū)域超前治理關(guān)鍵技術(shù)

3.1 地面水平多分支定向鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

地面水平定向鉆進(jìn)是利用特殊的井底動(dòng)力工具和隨鉆測(cè)量技術(shù)[12],鉆成井斜大于86°,并保持該角度鉆進(jìn)一定巖層段的定向鉆井技術(shù),包括隨鉆測(cè)量、井眼軌跡控制、井壁穩(wěn)定技術(shù)等。在煤礦防治水領(lǐng)域應(yīng)用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)目的是探查復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造并加以超前治理,應(yīng)用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)煤層底板高承壓奧灰含水層進(jìn)行全面注漿改造。一般先在地面施工垂直井,然后造斜進(jìn)入奧灰含水層一定深度變成水平井,對(duì)奧灰含水層進(jìn)行充分揭露。在鉆進(jìn)中以尋找斷層、溶洞和裂隙為主,若遇導(dǎo)水裂隙等造成漿液大量流失,立即注漿治理;若進(jìn)入奧灰含水層未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水裂隙等構(gòu)造,則施工多水平分支孔繼續(xù)查找導(dǎo)水裂隙等構(gòu)造。在找到導(dǎo)水裂隙等構(gòu)造或在鉆進(jìn)中有漿液漏失時(shí),要做壓水試驗(yàn),根據(jù)吸水量的大小最后決定注漿量和濃度,從而達(dá)到在地面超前注漿改造奧灰頂部含水層的目的。

3.2 井下定向鉆進(jìn)超前注漿治理

煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)是煤礦鉆探領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù),該定向鉆進(jìn)技術(shù)采用帶彎接頭鉆具,鉆桿不回轉(zhuǎn),利用高水壓驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn),加上隨鉆測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)和通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿馬達(dá)工具面向角控制鉆孔軌跡,從而使鉆孔盡量在目標(biāo)巖層中延伸。

3.2.1 掘前“條帶”補(bǔ)強(qiáng)注漿治理

在掘進(jìn)前方加固煤層底板掩護(hù)煤巷掘進(jìn),首先要注漿加固一定深度的巷道底板以封堵潛在的出水通道。一般以注漿擴(kuò)散半徑確定合理的超前鉆探距離和煤層底板加固深度。實(shí)體煤掘進(jìn)注漿加固范圍和深度如圖1所示。堅(jiān)持“見(jiàn)水必注”的原則,對(duì)巷道前方的底板及側(cè)向一定范圍內(nèi)予以注漿超前預(yù)治理,這樣為相鄰采煤工作面設(shè)計(jì)的沿空送巷“不掘突水頭”進(jìn)行了超前加固;如果附近有斷裂構(gòu)造等地質(zhì)異常體,須需利用已有巷道進(jìn)行超前注漿治理,防止采動(dòng)活化出水。

圖1 掘進(jìn)超前條帶注漿示意Fig.1 Schematic view of tunneling in advance bands grouting

3.2.2 采場(chǎng)補(bǔ)強(qiáng)注漿及相鄰未采區(qū)域超前治理

回采工作面掘出后,采煤工作面內(nèi)一般用兩種以上物探手段指導(dǎo)底板補(bǔ)強(qiáng)注漿全面改造;為相鄰未采區(qū)域“不掘突水頭”創(chuàng)造條件,將現(xiàn)有回采工作面注漿改造范圍外延50 m,為創(chuàng)造相鄰未采區(qū)域超前注漿改造,如圖2所示,以保障相鄰采煤工作面掘進(jìn)“不掘突水頭”。

圖2 相鄰未采工作面超前注漿加固示意Fig.2 Adjacentworking face advanced grouting reinforcement

3.3 帶壓開(kāi)采底板隔水巖層阻水性能評(píng)價(jià)

對(duì)煤層底板隔水層的阻水能力,需對(duì)其阻水抗壓的性能做評(píng)價(jià),這里給出了兩種底板隔水性能評(píng)價(jià)方法,可求得巖體阻水抗壓能力的安全儲(chǔ)備系數(shù),從而評(píng)價(jià)其帶壓開(kāi)采的可靠性。經(jīng)實(shí)踐證明可行實(shí)用。

3.3.1 利用帶壓系數(shù)對(duì)底板隔水層阻水性能量化評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)一個(gè)采區(qū)或工作面是否可以帶壓開(kāi)采的直接依據(jù)是帶壓系數(shù),即由底板隔水層到底能夠削減多少水頭壓力而定。

奧灰含水層頂面以上存在一定高度的原始導(dǎo)高帶,其導(dǎo)高帶又可劃分為上、下兩個(gè)分帶,其阻水能力相差懸殊,下分帶(導(dǎo)水帶)幾乎無(wú)阻水能力,上分帶(顯水帶)由于具有較強(qiáng)阻水能力,對(duì)于煤層帶壓開(kāi)采具有重要意義,顯水帶的作用就是將奧灰承壓水頭削減至0。對(duì)底板隔水層阻水性能研究的方法主要有:應(yīng)用巖石學(xué)理論研究煤層底板隔水層厚度、組合及強(qiáng)度變化規(guī)律;應(yīng)用隨機(jī)場(chǎng)理論研究隔水層中導(dǎo)高的分布規(guī)律;應(yīng)用鉆孔注水試驗(yàn)測(cè)試隔水層帶壓系數(shù),評(píng)價(jià)底板隔水層阻水性能[13]。

底板阻層阻水性能可通過(guò)顯水帶帶壓系數(shù)體現(xiàn),顯水帶分段測(cè)試、整段測(cè)試和平均帶壓系數(shù)分別為

式中,Dwi為顯水帶第i分段帶壓系數(shù),MPa/m;D-w為顯水帶整段帶壓系數(shù),MPa/m;D-wo為顯水帶整段平均帶壓系數(shù),MPa/m;Pwi,Pw(i+1)分別為第i,i+1次測(cè)定的水壓值,MPa;hi,hi+1分別為第i,i+1次測(cè)定的垂直煤層法線(xiàn)鉆孔深度,m;i為測(cè)試次數(shù),i=1,2,3,…, n;H0為底板導(dǎo)水帶頂水壓標(biāo)高,m;hdy為顯水帶厚度,m;Pwn,Pwl分別為顯水帶頂、底部測(cè)定水壓值,MPa;hn,hl分別為顯水帶頂、底部垂直煤層法線(xiàn)鉆孔深度,m。

該方法在邯邢礦區(qū)的東龐礦下組煤9103工作面首次進(jìn)行了底板隔水層阻水能力試驗(yàn)與量化研究。首先利用底板測(cè)試鉆孔在其施工過(guò)程中,測(cè)試水壓、水量和水溫?cái)?shù)據(jù),即“三量測(cè)試”。然后對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,計(jì)算出不同層段的帶壓系數(shù),評(píng)價(jià)底板隔水層阻水性能。根據(jù)顯水帶、導(dǎo)水帶及阻水儲(chǔ)備帶(導(dǎo)高帶至底板破壞帶之間)相對(duì)煤層在空間上的賦存狀況,得出了6種帶壓開(kāi)采判別模型。

3.3.2 利用阻水系數(shù)對(duì)底板隔水層阻水性能量化評(píng)價(jià)

通過(guò)原位實(shí)測(cè)技術(shù),取得底板不同巖層不同組合和不同結(jié)構(gòu)構(gòu)造條件底板隔水性能、初始導(dǎo)滲水壓力、抗?jié)B透破壞強(qiáng)度等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),構(gòu)建與煤層底板阻滲條件相關(guān)的評(píng)價(jià)模型[14]。煤層底板的實(shí)際阻水能力評(píng)價(jià)為巖層阻水抗?jié)B強(qiáng)度Pm,即煤層底板隔水巖層所具有的阻水抗壓能力,單位為MPa,具體表達(dá)為

其中,mi為第i層段巖層厚度,m;Pi為i層段的單位厚度所具有的阻水系數(shù),MPa/m,其大小主要受巖性及底板巖層組合結(jié)構(gòu)狀態(tài)影響,可通過(guò)式(3)確定,即

式中,λi為i分層側(cè)壓力系數(shù);γ-為i分層覆巖的平均容重,kN/m3;m為i分層覆巖厚度,m;Mi為i分層厚度,m;a為結(jié)構(gòu)效應(yīng)消減系數(shù),取值主要考慮底板巖石結(jié)構(gòu)類(lèi)型和裂隙構(gòu)造發(fā)育程度。

近年在邯邢礦區(qū)下組煤及大采深煤層開(kāi)采中利用阻水系數(shù)對(duì)底板隔水層阻水性能量化評(píng)價(jià)進(jìn)行了較好的應(yīng)用。

4 大采深礦井區(qū)域超前治理水害示范工程

4.1 工程背景

邯邢礦區(qū)某礦自1998年10月開(kāi)采4號(hào)煤保護(hù)層以來(lái),4個(gè)回采工作面發(fā)生突水,尤其以2009-01-08作為保護(hù)層的15423N工作面采空區(qū)發(fā)生滯后突水,突水量超過(guò)礦井最大排水能力被迫停產(chǎn),根據(jù)水文觀(guān)測(cè)及水質(zhì)化驗(yàn)資料確定突水源為奧灰水,突水通道為4號(hào)煤以下的隱伏導(dǎo)水陷落柱[15]。所以,在采深已達(dá)到850 m以深,突水系數(shù)逐步接近《煤礦防治水規(guī)定》上限情況下,采取以地面治理為主,井下治理為輔區(qū)域超前治理立體防治水模式。

4.2 定向鉆孔設(shè)計(jì)及施工

在地面三維地震探測(cè)和履行前述主要管理工作程序基礎(chǔ)上,結(jié)合礦井水文地質(zhì)勘探資料,將奧灰?guī)r含水層頂部作為改造目標(biāo)層,以-850 m水平北翼二采區(qū)為單元,依據(jù)已有水文探測(cè)成果設(shè)計(jì)布置3個(gè)垂向主孔,主孔間距約1 000 m;每個(gè)主孔根據(jù)漿液擴(kuò)散半徑和工程需要,設(shè)計(jì)了4～7個(gè)水平分支孔,原則上覆蓋全區(qū)域。應(yīng)用T200XD多功能全液壓車(chē)載頂驅(qū)鉆機(jī)定向鉆進(jìn)技術(shù),鉆機(jī)平均鉆進(jìn)速度0.6～2.0 m/min。先施工垂向主鉆孔到澳灰?guī)r頂面七、八段(孔深約971.6 m)層位,再沿不同方位施工水平分支孔。

4號(hào)煤層底板各含水層注漿治理伴隨著水平鉆孔施工的整個(gè)過(guò)程,孔口注漿打壓不低于4.0 MPa,注漿材料以R32.5礦渣硅酸水泥為主,漿液出現(xiàn)大量流失時(shí)添加粉煤灰等作為輔助注漿材料。鉆探施工的各個(gè)階段均采用下行式分段注漿方式,即鉆探施工過(guò)程中一旦漿液大量漏失就立即進(jìn)行注漿加固。施工至奧灰含水層后出現(xiàn)鉆進(jìn)中漏漿量大時(shí),在壓水試驗(yàn)的前提下,確定注漿參數(shù)。注漿過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有串漿現(xiàn)象采取各注漿孔聯(lián)合注漿方式,上一階段注漿結(jié)束后,注漿孔、串漿孔均應(yīng)進(jìn)行掃孔,以防堵孔。以孔口終壓1.0 MPa、穩(wěn)定30 min和單孔吸漿量小于50 L/min作為注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。治理中,根據(jù)鉆探、注漿情況,及時(shí)反饋,不斷優(yōu)化設(shè)計(jì),按漿液擴(kuò)散半徑設(shè)計(jì)施工另一方位水平鉆孔,直至達(dá)到區(qū)域治理設(shè)計(jì)要求。

4.3 區(qū)域超前治理效果

北翼-850 m水平二采區(qū)區(qū)域治理鉆孔累計(jì)進(jìn)尺15 651 m,其中水平定向井進(jìn)尺12 386 m,最大水平鉆距達(dá)836 m,共探查出漏失點(diǎn)25個(gè),累計(jì)注漿量為77 689 t。區(qū)域治理成果如圖3所示。由于鉆孔以“帶、羽狀”的軌跡進(jìn)入奧灰頂部目標(biāo)層后,以水平或近水平狀態(tài)沿目標(biāo)層延伸,能夠探知所鉆范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的情況,并使原來(lái)在水平方向無(wú)聯(lián)系的裂隙、斷層及溶蝕溶洞等滲流或通道互相連通,擴(kuò)大了鉆孔控制范圍,改善了區(qū)域水文地質(zhì)條件,為井下“不掘突水頭”提供了保障。

圖3 北翼二采區(qū)區(qū)域治理鉆孔軌跡成果Fig.3 North wing No.2mining area regional governance drilling trajectory achievement

在地面區(qū)域超前治理基礎(chǔ)上,井下以4號(hào)野青煤層15445N回采工作面為核心,進(jìn)行掘前“條帶”及工作面采前補(bǔ)強(qiáng)注漿。通過(guò)井下測(cè)試鉆孔原位測(cè)試,利用帶壓系數(shù)和阻水系數(shù)對(duì)煤層底板隔水層阻水性能進(jìn)行了量化評(píng)價(jià),結(jié)果表明,區(qū)域超前治理有效地消減了煤層底板巖層薄弱區(qū)各向異性的“異度”,提高了底板阻水能力,相應(yīng)提高了井下不掘突水頭、不采突水面保障能力。獲得保護(hù)層回采煤量和2號(hào)煤首采煤工作面治理達(dá)標(biāo)煤量共計(jì)77萬(wàn)t。

5 結(jié) 論

(1)提出了奧灰?guī)r溶水害區(qū)域超前治理理念和技術(shù)指導(dǎo)原則,創(chuàng)新了大采深礦井和高承壓水上安全開(kāi)采的技術(shù)管理程序和水害防治技術(shù)路線(xiàn);形成了以地面區(qū)域超前治理為主,井下補(bǔ)強(qiáng)注漿為輔的立體注漿治理模式,先治后掘、先治后采,為實(shí)現(xiàn)“不掘突水頭,不采突水面”探索出一種新的方法。

(2)將地面定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到礦井煤層底板改造領(lǐng)域中,利用地面多分支水平鉆孔技術(shù),對(duì)奧灰含水層頂部進(jìn)行“網(wǎng)、羽”狀探注,將其改造為相對(duì)隔水層,從根本上消除了奧灰災(zāi)害性突水通道;從而科學(xué)地延伸開(kāi)采下限,實(shí)現(xiàn)下組煤較大規(guī)模及深部煤炭資源安全帶壓開(kāi)采。

(3)利用底板巖層帶壓系數(shù)及阻水系數(shù)對(duì)底板隔水巖層阻水性能進(jìn)行量化評(píng)價(jià)為安全帶壓開(kāi)采提供了技術(shù)支撐。

(4)邯邢礦區(qū)通過(guò)奧灰頂部區(qū)域超前注漿改造示范工程及回采實(shí)踐表明,區(qū)域超前治理關(guān)鍵技術(shù)防止了煤層底板突水,保護(hù)了地下水環(huán)境及水資源,具有明顯的環(huán)境和社會(huì)效益。

[1] 劉建功,趙慶彪,尹尚先.煤田隱伏巖溶陷落柱探查與綜合治理技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2010.

[2] 盧 萍,侯克鵬.帷幕注漿技術(shù)在礦山治水中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代礦業(yè),2010(3):21-24.

[3] 張建國(guó),宋德熹.平頂山礦區(qū)灰?guī)r水區(qū)域治理技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013,41(9):71-74.

Zhang Jianguo,Song Dexi.Technology of coal limestonewater regional control in Pingdingshanmining area[J].Coal Science and Technology,2013,41(9):71-74.

[4] 林曾平.河北省峰峰礦區(qū)中奧陶統(tǒng)巖溶發(fā)育規(guī)律[M].北京:地質(zhì)出版社,1992.

[5] 范春學(xué),李學(xué)霖.對(duì)峰峰鼓山奧陶系中統(tǒng)富水性的調(diào)查與分析[J].北京地質(zhì),2001,13(1):12-15.

Fan Chunxue,Li Xuelin.Investigation and analysisof Fengfeng Gus-hanmiddle Ordovician water abundance[J].Beijing Geology,2001, 13(1):12-15.

[6] 董書(shū)寧,劉其聲.華北型煤田中奧陶系灰?guī)r頂部相對(duì)隔水段研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2009,34(3):289-292.

Dong Shuning,Liu Qisheng.Study on relative aguiclude existed in mid-Ordovician limestone top in North China coal field[J].Journal of China Coal Society,2009,34(3):289-292.

[7] 趙鐵錘.華北地區(qū)奧灰水綜合防治技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2008.

[8] 趙慶彪.高承壓水上煤層安全開(kāi)采指導(dǎo)原則及技術(shù)對(duì)策[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013,41(9):83-86.

Zhao Qingbiao.Technical countermeasures and guidance principles of seam safetymining above high pressurized water aquifer[J].Coal Science and Technology,2013,41(9):83-86.

[9] 靳德武,陳建鵬,王延福,等.煤層底板突水預(yù)報(bào)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2002,20(3):214-217.

Jin Dewu,Chen Jianpeng,Wang Yanfu,et al.Study on coal seam floor water burst forecast artificial neural network system[J].Jounal of Xi’an University of Science and Technology,2002,20(3):214-217.

[10] 武 強(qiáng),張志龍,馬積福,等.煤層底板突水評(píng)價(jià)的新型實(shí)用方法Ⅰ——主控指標(biāo)體系的建設(shè)[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32(1): 42-47.

Wu Qiang,Zhang Zhilong,Ma Jifu,et,al.A new practicalmethodology of the coal floor water bursting evaluatingⅠ—The master controlling index system construction[J].Journal of China Coal Society,2007,32(1):42-47.

[11] 武 強(qiáng),張志龍,張生元.煤層底板評(píng)價(jià)的新型實(shí)用方法Ⅱ——脆弱性指數(shù)法[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,31(11):1121-1126.

Wu qiang,Zhang Zhilong,Zhang Shengyuan.A new practicalmethodology of the coal floorevaluatingⅡ—Vulnerability indexmethod [J].Journal of China Coal Society,2007,31(11):1121-1126.

[12] 趙兵文,關(guān)永強(qiáng).大采深礦井高承壓奧灰?guī)r溶水綜合治理技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013,41(9):75-78.

Zhao Bingwen,Guan Yongqiang.Comprehensive treatment technology of high pressure-bearing Ordovician limestone Karst water in largemining depth mine[J].Coal Science and Technology,2013, 41(9):75-78.

[13] 馬培智.華北型煤田下組煤帶壓開(kāi)采突水判別模型與防治水對(duì)策[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,30(10):608-612.

Ma Peizhi.Criterion models of mining under high pressure and groundwater controlling countermeasures for lower group coal of northern China type coal field[J].Journal of China Coal Society, 2007,30(10):608-612.

[14] 兗州煤業(yè)股份有限公司,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京).兗州礦區(qū)奧灰高承壓水上下組煤開(kāi)采技術(shù)研究與應(yīng)用[R].北京,2014.

[15] 趙毅鑫,姜耀東,呂玉凱,等.承壓工作面底板破斷規(guī)律雙向加載相似模擬試驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(3):384-390.

Zhao Yixin,Jiang Yaodong,LüYukai,et,al.Similar simulation experiment of bi-directional loading for floor destruction rules in coal mining above aquifer[J].Journal of China Coal Society,2013,38 (3):384-390.

Ordovician limestone karst water disaster regional advanced governance technology study and app lication

ZHAO Qing-biao
(Jizhong Energy Group Corporation Ltd.,Xingtai 054000,China)

Based on largemining deep mine deep coal seam and under-group coal seam mining influenced by ordovician limestone confined water threat situation and water keeping requirement in Hanxing mining area,regional advanced governance idea of ordovician limestone karst water with pressure mining water disaster governance and advanced initiative,regional governance,wholly transformation,miningwith pressure guidelinewere put forward;Regional partition principle,managementmode and suitable conditions,investigation and governance combined with new methods,advanced governancemanagement procedures,floor block water proof capacity evaluationmethod and key technology governance and other supportive system were correspondingly gave.The whole set technology was put into study and application in Hanxingmining area,especially the ground multi-branch horizontal drilling key technology application research,which gotexcellent safe technology effect,innovated ordovician limestone karstwater disaster governance in deep mining mines and under-group coal seam mining,mined out the coal resourced safely threatened by confined water and protected coal system basement ordovician limestone karstwater environment.

ordovician limestone karst water disaster;regional advanced governance technology;large mining deep mine;under-group coal seam mining;water environment protection

TD745

A

0253-9993(2014)06-1112-06

趙慶彪.奧灰?guī)r溶水害區(qū)域超前治理技術(shù)研究及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(6):1112-1117.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0475

Zhao Qingbiao.Ordovician limestone karst water disaster regional advanced governance technology study and application[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1112-1117.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0475

2014-04-09 責(zé)任編輯:韓晉平

趙慶彪(1957—),男,遼寧海城人,博士,高級(jí)工程師。Tel:0319-2068322,E-mail:qingbiaozh@163.com