李松營武 強(qiáng)滕吉文羅平平張春光

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 2.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司地質(zhì)研究所,河南省義馬市,472300; 3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京市朝陽區(qū),100029)

★煤炭科技·地質(zhì)與勘探★

新安礦13151工作面煤壁側(cè)底板突水分析?

李松營1,2武 強(qiáng)1滕吉文3羅平平2張春光2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 2.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司地質(zhì)研究所,河南省義馬市,472300; 3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京市朝陽區(qū),100029)

為了研究新安煤礦13151采煤工作面煤壁側(cè)底板奧灰突水機(jī)理,結(jié)合物探、鉆探和數(shù)值模擬等成果,從徑流帶、原巖應(yīng)力、奧灰水原始導(dǎo)升、采動(dòng)礦壓持續(xù)作用等方面做了綜合分析。研究表明:本次突水是地下水徑流通過、原巖應(yīng)力、水壓和礦壓綜合作用的結(jié)果;為避免奧灰突水,可綜合使用瞬變電磁法、槽波地震等多種物探方法來提高預(yù)測效果,薄弱區(qū)注漿改造必須徹底有效,停采線應(yīng)避免靠近物探異常區(qū)等薄弱區(qū)段。

工作面突水 奧灰突水 突水預(yù)測 原巖應(yīng)力 礦壓 槽波地震 瞬變電磁

在我國華北地區(qū)煤礦,煤層底板灰?guī)r溶裂隙承壓含水層是威脅礦井安全生產(chǎn)的主要因素之一,預(yù)防底板突水是該類煤礦防治水工作的重點(diǎn),也是礦井災(zāi)害研究的熱點(diǎn)。針對底板突水的研究,經(jīng)驗(yàn)公式類有突水系數(shù)法、遞進(jìn)導(dǎo)升理論、下三帶和下四帶理論等,以力學(xué)模型為基礎(chǔ)的有原位張裂與零位破壞理論、薄板模型理論和關(guān)鍵層理論等,將非線性理論和信息技術(shù)融合應(yīng)用的有支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、脆弱性指數(shù)法和Matlab等。以上理論主要用于開掘巷道和工作面采空區(qū)的突水危險(xiǎn)性分析預(yù)測,而對采煤工作面煤墻內(nèi)底板突水方面的研究較少。

新安煤礦13151采煤工作面在煤壁一側(cè)墻體內(nèi)發(fā)生了大型奧灰突水,十分特殊和罕見。對本次突水事件進(jìn)行分析研究,有助于采煤工作面合理設(shè)計(jì)停采線及優(yōu)化物探方法預(yù)測突水危險(xiǎn)。

1 工程概況

1.1 礦井概況

新安煤礦位于河南省新安縣境內(nèi),井田面積約50 km2,地處黃河一級支流畛河流域,生產(chǎn)能力為150萬t/a,開采二疊系山西組二1煤,1988年12月投產(chǎn)。奧陶系灰?guī)r承壓裂隙巖溶含水層富水性強(qiáng)且極不均勻,平均距煤層約50 m,曾于1995年11月發(fā)生過掘進(jìn)工作面特大型滯后突水而淹井。預(yù)防奧灰突水是礦井防治水工作的重點(diǎn)。絕大部分區(qū)域奧灰含水層并不富水,對采掘工程安全不構(gòu)成威脅;只有富水(徑流)條帶才有突水危險(xiǎn)。查找奧灰富水(徑流)區(qū)段并避讓或加以注漿改造是預(yù)防奧灰突水的關(guān)鍵。小浪底水庫淹沒了新安井田部分區(qū)域,并對奧灰含水層起到間歇性補(bǔ)給作用。礦井涌水量700～900 m3/h,礦井水文地質(zhì)類型屬極復(fù)雜型。

1.2 工作面簡況

13151工作面走向長度560 m,傾斜長度145 m;煤層傾角7°～14°,平均10°;煤層厚度0～13 m,平均2.5 m;工作面平均高程＋30 m。13151工作面底板隔水層較薄,平均45.7 m,如圖1所示,承受的奧灰水壓約3.0 MPa。工作面開采之前綜合利用瞬變電磁、直流電法、槽波地震和無線電波坑透等4種物探手段,預(yù)報(bào)了突水風(fēng)險(xiǎn),并對突水危險(xiǎn)區(qū)做了鉆探驗(yàn)證和注漿加固。2011年3月開始回采,至11月回采長度207 m,接近瞬變電磁異常區(qū),因小浪底水庫水位超過該礦設(shè)定的警戒線,曾停采40多天。恢復(fù)生產(chǎn)前,對原異常區(qū)段的注漿效果進(jìn)行了瞬變電磁復(fù)測,測試結(jié)果顯示異常沒有消除,在重新鉆探驗(yàn)證和注漿加固之前,發(fā)生了底板突水事故。

圖1 13151工作面地層柱狀圖

1.3 突水簡述

2012年1月16日7時(shí),11＃鉆場(距臨時(shí)停采線5～8 m,距原切眼215 m)右上方出水,涌水量50 m3/h;8時(shí),涌水量增至150 m3/h,11＃鉆場煤墻在順煤層、沿切眼方向已形成長約5 m的喇叭形洞穴,水從底板涌出,水色渾濁含泥沙; 16時(shí),涌水量增至371 m3/h,喇叭形洞穴擴(kuò)大至10 m,洞口高約1.3 m,寬約3 m;20時(shí),洞穴延伸至20 m,仍可看到水從底板涌出;17日,涌水量達(dá)到400 m3/h,仍渾濁;20日,涌水量增至約700 m3/h。

2 突水水源與導(dǎo)水通道

2.1 突水水源

突水水源是奧陶系灰?guī)r水,依據(jù)如下:

(1)距離突水點(diǎn)490 m的奧灰水文孔水位累計(jì)下降50 m,堵水結(jié)束后水文孔水位恢復(fù)正常。

(2)現(xiàn)場看到水從煤層底板涌出,涌水量最大達(dá)到700 m3/h。新安煤田底板含水層只有奧灰有如此大的出水能力。

(3)水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Mg型,經(jīng)比對表現(xiàn)為明顯的奧灰水特征。

2.2 導(dǎo)水通道

突水初期,現(xiàn)場看到主突水點(diǎn)沿同一方向朝煤墻內(nèi)部延伸。結(jié)合井上下堵水鉆孔揭露情況分析,突水通道應(yīng)為在原巖應(yīng)力、水壓、礦壓等綜合作用下薄弱底板隔水層被突破而形成的壓裂式的非單一導(dǎo)水通道。

3 突水分析

3.1 存在富水區(qū)段

新安煤田奧灰含水層富水性極不均勻,大部分區(qū)域并不富水,可安全回采,僅少部分區(qū)段富水,采掘通過時(shí)有突水風(fēng)險(xiǎn)。井下瞬變電磁勘探時(shí)富水區(qū)段顯示電性低阻,可以預(yù)測突水風(fēng)險(xiǎn)。工作面回采前,分別對工作面上、下巷進(jìn)行了瞬變電磁垂探和內(nèi)側(cè)俯探。根據(jù)井下瞬變電磁勘探成果,上巷不存在電性低阻區(qū),下巷存在一處明顯的電性低阻區(qū)段,垂探與側(cè)俯探的電性低阻區(qū)位置一致,在勘探剖面上顯示淺灰色或黑色條帶,見圖2。其位置處于切眼朝外約210～230 m,即第11鉆場前后約20 m并向工作面內(nèi)部延伸約30 m,如圖3所示,在低阻區(qū)施工4個(gè)鉆孔對其富水性、徑流條件等進(jìn)行了驗(yàn)證,經(jīng)綜合分析:瞬變電磁低阻區(qū)奧灰含水層富水性較強(qiáng),處于奧灰水徑流帶,存在突水風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 運(yùn)輸巷底板瞬變電磁剖面

圖3 瞬變電磁低阻異常區(qū)及突水點(diǎn)平面位置

3.2 應(yīng)力集中

槽波是只在煤層中傳播的管道波,其在傳播中攜帶大量的煤層和頂?shù)装逑嚓P(guān)信息,對采掘生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)作用。槽波速度高的區(qū)域,一般存在煤層薄化、應(yīng)力集中等問題,提示存在開采風(fēng)險(xiǎn)。在煤層開采之前,利用透射法在上巷放炮,在下巷利用檢波器接收槽波信息,對工作面進(jìn)行槽波地震勘探,所采集的槽波數(shù)據(jù)經(jīng)SPW軟件處理并采用125 Hz頻率成像顯示,槽波速度最低小于800 m/s,最高大于2300 m/s,工作面勘探區(qū)主要存在3處波速大于2300 m/s的區(qū)段,見圖4。3號異常區(qū)煤層厚度沒有明顯變化,分析可能為應(yīng)力集中區(qū)。應(yīng)力集中區(qū)巖層易受到應(yīng)力破壞,完整性變差,一方面為溶隙的形成和發(fā)展、地下水徑流創(chuàng)造了條件,另一方面使得底板隔水層的阻隔承壓水能力降低。

圖4 槽波波速等值線

3.3 奧灰水導(dǎo)升

工作面煤層底板承受水壓3.0 MPa,高水壓為突水提供了動(dòng)力條件,在其長期作用下,奧灰水在突水前可導(dǎo)升一定高度并潛伏于煤層底板隔水層?；夭汕?經(jīng)井下瞬變電磁向下豎直勘探和內(nèi)幫俯角60°勘探,突水區(qū)域顯示電性低阻,40 m以深低阻明顯,并向下延伸至奧灰含水層。電性低阻區(qū)疑似奧灰富水條帶,預(yù)測有突水危險(xiǎn),建議鉆探驗(yàn)證。

瞬變電磁低阻區(qū)經(jīng)鉆探驗(yàn)證富水性強(qiáng)之后進(jìn)行了注漿加固。鉆孔施工過程中進(jìn)行了簡易水文地質(zhì)觀測,隨著鉆進(jìn)深度增加,4個(gè)探查鉆孔水壓、涌水量均增加。水壓從進(jìn)入太原組上部灰?guī)r段初次出水時(shí)的1.0 MPa增至揭露鋁土巖時(shí)的1.3 MPa,涌水量也由初始的2～3 m3/h增至12～17 m3/h。物探、鉆探結(jié)果表明:電性低阻區(qū)處于奧灰水徑流條帶;回采之前,奧灰水已越過本溪組鋁土巖,導(dǎo)升后潛伏于太原組地層下段。

3.4 礦壓破壞

13151工作面停采40余天,臨時(shí)停采線緊臨瞬變電磁低阻區(qū)。煤壁側(cè)高應(yīng)力長期作用于瞬變電磁低阻區(qū),使得底板持續(xù)受到剪切破壞,進(jìn)一步減弱了底板的阻隔水性能。應(yīng)用FLAC 3D數(shù)值模擬表明:工作面剪應(yīng)力呈蝴蝶形分布,如圖5所示,臨時(shí)停采線底板剪應(yīng)力集中區(qū)位于工作面前方10～15 m,深15～23 m;臨時(shí)停采線前方約7 m處出現(xiàn)壓應(yīng)力集中,最大達(dá)6.93 MPa,其煤壁下伏塑性區(qū)深度最大達(dá)19 m,如圖6所示。工作面長時(shí)間停采,臨近停采線煤層底板受到持續(xù)剪切破壞作用,導(dǎo)致底板裂隙進(jìn)一步發(fā)育并向四周擴(kuò)散,底板充水區(qū)域擴(kuò)大。這與瞬變電磁復(fù)測低阻區(qū)擴(kuò)大的結(jié)果相一致,見圖7。突水區(qū)段距工作面5～8 m,正位于垂直應(yīng)力集中、底板剪切破壞嚴(yán)重地帶。

圖5 工作面圍巖剪應(yīng)力等值線

圖6 工作面底板巖體應(yīng)力狀態(tài)分布示意

圖7 兩次瞬變電磁低阻異常區(qū)對比圖

4 結(jié)語

(1)本次井下采煤工作面煤壁側(cè)奧灰突水,是多種因素綜合作用的結(jié)果。原巖應(yīng)力集中,使得巖層完整性變差,阻隔水性能減弱;高壓奧灰水導(dǎo)升與長期臨時(shí)停采導(dǎo)致低阻區(qū)底板持續(xù)受到礦壓破壞,從上、下兩個(gè)方向縮減了有效隔水層厚度,降低了底板隔水性能,最終形成了壓裂式的非單一導(dǎo)水通道而導(dǎo)致奧灰富水區(qū)段突水。

(2)采用綜合物探手段,槽波地震與電法勘探聯(lián)合使用,高應(yīng)力區(qū)與低阻區(qū)相結(jié)合,再加以鉆探驗(yàn)證,可以更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)突水危險(xiǎn)。

(3)注漿改造區(qū)段還應(yīng)進(jìn)行物探、鉆探復(fù)查和及時(shí)復(fù)注,直到消除異常、排除突水危險(xiǎn)。井下工作面臨時(shí)停采和終采應(yīng)避開物探異常區(qū)所反映的薄弱區(qū)段,避免煤壁側(cè)突水等特殊情況發(fā)生。

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Analysis on floor water inrush at the downside of coal wall in No.13151 working face of Xin＇an Coal Mine

Li Songying1,2,Wu Qiang1,Teng Jiwen3,Luo Pingping2,Zhang Chunguang2
(1.College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.Institute of Geology,Yima Coal Industry Group Co.,Ltd.,Yima,Henan 472300,China; 3.Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Chaoyang,Beijing 100029,China)

To investigate the mechanism of Ordovician limestone floor water inrush at the downside of coal wall in No.13151 working face in Xin＇an Coal Mine,the following factors were analyzed,such as underground water runoff zone,stress of primary rock,original guide rise of Ordovician water and continued effect of mining pressure.The research results showed that the water inrush was the results of the combined effects of these factors.In order to avoid the water inrush in Ordovician limestone,the comprehensive utilization of transient electromagnetic method and channel wave seismic exploration method could improve effectively the forecast results, then grouting and reconstruction should be thorough and effective in weak zone,and the stopping line should be avoided closing to the risk area such as the geophysical anomaly zone.

water inrush in working face,Ordovician limestone water inrush,water inrush prediction,primary rock stress,mine pressure,channel wave seismic exploration,transient electromagnetic method

P64

A

李松營(1967－),男,河南鞏義人,教授級高工,博士學(xué)位,主要從事礦井地質(zhì)、防治水與物探等方面的研究

(責(zé)任編輯 郭東芝)

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41130419、51174289、41102180),煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題,中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(2010YD02)