王曉平

(太原煤炭氣化(集團)有限責任公司, 太原 030032)

水是人類賴以生存和發(fā)展的重要資源。當前,水資源生態(tài)體系隨大環(huán)境的變化已經顯得十分脆弱,保持水資源現(xiàn)有狀況日益困難。水資源生態(tài)體系的破壞往往是不可逆的,而且易朝著不利于人類利用的方向發(fā)展,因此,有必要采取技術手段維護水資源生態(tài)體系的良性循環(huán)。煤炭開采是向大自然獲取資源,必然會對礦區(qū)水資源造成影響。地下穩(wěn)定隔水層由于采礦引起巖層垮落,形成不容易恢復的破壞。

為了保護地下水資源,太原煤氣化集團公司做了大量工作,并取得了一定的成效。目前采取的技術途經有兩種:①采前定位封堵,鉆孔鉆探至目標保水層位,注漿采用“地面制漿、井下注漿”方式;②利用地面區(qū)域治理,地面設計一個主孔,主孔定向鉆至目標層位后開多個分支孔進行鉆探,如遇漿液漏失,注漿采取“地面制漿、地面注漿”方式。這兩種方式雖然已應用于煤炭企業(yè),但這需要前期技術配套和后期的技術管理。

煤礦水資源與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境密切相關,因此,煤礦水資源的破壞影響的不僅僅是煤炭企業(yè)本身,而是整個礦區(qū)的水環(huán)境。水是維護生態(tài)環(huán)境的重要因素,同時水資源具有其自身變化的客觀規(guī)律,對它的破壞有時是不可恢復的。因此,對于水資源,不能破壞后再去治理,而是要最大限度地減少對水資源的擾動,不破壞水資源維持的邊界條件,這是對采煤提出的又一課題。

保水開采以“等效采高、等效阻水厚度、等效水資源承載力”三等效理論,最直接的手段通過局部注漿及區(qū)域注漿封堵導水通道,增大等效阻水厚度,減小煤層開采對含水層的擾動,能夠有效地實現(xiàn)“三水共?！盵1-3]。

1 礦區(qū)頂?shù)装鍘r石物理與水理性能分析

對研究區(qū)域煤層頂?shù)装暹M行取樣并測試巖石的物理與水理參數(shù),具體包括抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、內聚力、內摩擦角、孔隙率及滲透率等。測試儀器如圖1所示。

圖1 測試儀器

2.1 單軸抗壓實驗

經過巖石物理與水理性能,分析了礦井地質及開采條件,闡明了煤層、含水層、隔水層賦存條件,得出了保水開采的目標含水層。淺層水為第四系巖類孔隙含水層組,頂板含水層為太原組、山西組砂巖含水層(K4、K5),底板含水層為K3砂巖裂隙含水層、太原組石灰?guī)r及奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r含水層。

2 礦區(qū)淺表水資源保護性開采研究

2.1 裂隙發(fā)育特征

模擬研究不同開采步距條件下裂隙發(fā)育特征。當工作面推進50 m時,基本頂初次垮落,即初次來壓步距約為50 m,此時頂板裂隙發(fā)育高度為25 m;工作面推進60 m時基本頂再次垮落,即周期來壓步距約為10 m;工作面繼續(xù)推進期間經歷多次周期來壓,覆巖裂隙繼續(xù)向上發(fā)育,工作面推進100 m時覆巖裂隙發(fā)育高度為75 m,此后裂隙不再向上發(fā)育,即導水裂隙帶發(fā)育高度約為75 m。

2.2 地表沉陷規(guī)律

工作面推進130 m時地表開始出現(xiàn)下沉,工作面推進130～240 m期間,地表最大下沉量持續(xù)增大,沉陷范圍也同樣增大,但沉陷區(qū)域未影響到沖溝區(qū)域。隨著工作面的繼續(xù)推進,沖溝區(qū)域地表開始下沉,工作面推進400 m時,非沖溝區(qū)域地表下沉達到最大,為2.85 m。沖溝區(qū)域以沖溝坡底為中心,兩側坡體向中間滑移下沉,最大下沉量較非沖溝區(qū)域有所增大,達到2.95 m。

2.3 礦區(qū)水資源承載力評價指標體系建立

從煤炭開采擾動角度出發(fā),圍繞礦區(qū)水資源系統(tǒng)在開采前后的穩(wěn)定性變化,以水資源承載力為“橋梁”,采用層次分析法進行分析。選取地質系統(tǒng)、采礦系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)作為準則層,以煤水賦存關系、開采參數(shù)、含水層水位變化、水質水量等11個指標作為子準則層,構建礦區(qū)水資源承載力評價指標體系。

經計算為0.71,即淺表水資源承載力級別為承載中度。表明采動已經對礦區(qū)淺表水資源承載力產生一定影響,但水資源對生態(tài)環(huán)境的承載能力仍在閾值范圍之內,不會造成破壞性影響,開采參數(shù)是可行的。

3 礦區(qū)頂板水在承壓礦井的應用研究

3.1 等效采高的采動影響范圍計算

以隔水層處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)為判別指標,確定基于隔水層采動穩(wěn)定的等效采高Meq,預計模型坐標系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 數(shù)值計算模型

根據(jù)“三等效”理論等效采高計算方法,隔水層最大水平變形值εmax達到極限值ε時的等效采高Meq為

(1)

式中:H為煤層厚度;b為水平移動系數(shù);g為下沉系數(shù);a為煤層傾角;D為地表下沉值。

3.2 采動覆巖破壞及裂隙發(fā)育特征模擬分析

在工作面推進過程中,受開采擾動使得煤壁前方出現(xiàn)應力集中區(qū),積聚大量彈性能,采空區(qū)出現(xiàn)應力釋放區(qū);隨著采場空間的擴大,工作面煤壁前方超前集中應力峰值逐漸增大至穩(wěn)定,峰值距工作面距離降低,應力集中范圍縮小;工作面推進至一定距離,采空區(qū)頂板巖層垮落壓實后出現(xiàn)應力回升現(xiàn)象,隨采場空間的擴大應力數(shù)值不斷增大。

4 礦區(qū)底板承壓水原位保護開采技術研究

4.1 采動底板破壞規(guī)律模擬分析

隨著工作面的不斷推進,底板破壞深度持續(xù)增大,在頂板第二次來壓前,底板破壞深度隨工作面推進距離加大而迅速增大,這是由于在開采過程中采空區(qū)內無應力作用,底板會沿著自由面不斷變形彎曲,底板的破壞延伸速度最大。當頂板垮落后,采空區(qū)底板的破壞速度受到上覆垮落巖層自重的限制作用,使底板破壞深度延伸速度逐漸減小。當工作面推進至138 m時,頂板經過多次周期來壓后,底板破壞深度逐漸達到峰值34 m之后不再繼續(xù)增加。工作頁推進度如圖3所示。

圖3 工作面推進度

4.2 采動底板破壞深度動態(tài)監(jiān)測

在4305輔運順槽設計施工2個底板鉆孔,1#鉆孔位于輔運順槽130 m處,2#鉆孔位于輔運順槽190 m處,停采線位于輔運順槽100 m處。1#鉆孔布置1條75 m長的測線,電極距4 m,布置16個電極(套管內不安裝電極);2#鉆孔布置1條70 m長的測線,電極距4 m,布置16個電極(套管內不安裝電極)。在巷道中布置兩條測線(測線3、測線4),每條測線64 m,電極距4 m,每條測線布置16個電極,巷道共布置32個電極(圖4)。

圖5 鉆孔參數(shù)

圖4 電法探測系統(tǒng)現(xiàn)場布置

所測范圍內鉆孔內1#測線監(jiān)測得到底板最大破壞深度為20.4 m;鉆孔內2#測線監(jiān)測得到底板最大破壞深度為25.5 m;巷道3#、4#測線聯(lián)合監(jiān)測得到底板最大破壞深度為27.3 m,即底板破壞深度為20.4～27.3 m。地質條件相似,因此底板破壞深度20.4～27.3 m(圖5)。

4.3 底板承壓含水層注漿改造靶向層位的技術研究

含水層中水的穩(wěn)定由隔水層至煤層直接底所有巖層共同作用和維持。臨界條件下,煤層開采后能夠實現(xiàn)底板承壓水原位保護性開采所需的臨界“等效阻水厚度”(圖6)。

圖6 含水層層位

工作面底板奧灰承壓含水層的最大水壓為6.29 MPa,直接底至本溪組含水層的巖層總厚度140.49 m,由此計算得到底板本溪組含水層至工作面直接底的水頭高度為205.50 m,同時奧灰含水層最小水位補給量初步按0.3 m/d計。代入“等效阻水厚度”計算公式,得到工作面開采后,能夠實現(xiàn)底板奧灰承壓含水層保護性開采的臨界“等效阻水厚度”為

式中:m為各巖層厚度;K為各巖層滲透率;ΔH為兩端水頭壓差;V為含水層水補給速度。

同樣,工作面底板太灰承壓含水層的最大水壓為6.27 MPa,直接底至太灰含水層上部巖層的總厚度為37.42 m,由此計算得到太灰含水層至工作面直接底的水頭高度為102.23 m。同樣的太灰含水層最小水位補給量初步按0.3 m/d計。帶入“等效阻水厚度”計算公式,得到工作面開采后,能夠實現(xiàn)底板太灰承壓含水層保護性開采的臨界“等效阻水厚度”為

4.4 底板承壓含水層注漿改造靶向層位分析

承壓含水層與煤層直接底之間存在天然通道造成底板承壓水的采動破壞,為實現(xiàn)底板承壓水原位保護,首先應減少奧灰含水層對太灰含水層的水量補給,通過對奧灰含水層頂部進行注漿加固,切斷奧灰含水層與采空區(qū)之間的水力聯(lián)系,達到從含水層根源上進行保護目的。因此,提出承壓導升區(qū)改性增阻注漿技術,選擇奧灰含水層峰峰組頂部相對巖溶裂隙較發(fā)育層段,以保證注漿加固效果,同時不破壞奧灰主要含水層段(峰峰組深部及馬家溝組)。通過分析現(xiàn)有鉆孔資料,承壓導升區(qū)改性增阻注漿目標層位初步選定在奧灰含水層峰峰組頂部以下5～30 m。在此基礎上,為進一步增強保水效果,提出阻水帶修復增阻注漿技術,目標層位選定在奧灰頂面以上30 m本溪灰?guī)r,通過注漿改性為隔水層,對隱伏導水通道進行封堵,以增強底板巖層阻水能力[4-6],如圖7所示。

圖7 含水層注漿改造靶向層位

4.5 底板承壓水原位保水開采技術

承壓含水層與煤層直接底之間存在天然通道或承壓含水層與煤層之間的阻水厚度不夠,都會造成底板承壓水的采動破壞,而無法實現(xiàn)底板承壓水的原位保護。同時天然通道又往往是造成底板大量涌水和承壓含水層破壞的重要因素之一。依據(jù)“三等效”保水開采理論,天然通道存在導致底板承壓含水層與煤層之間的“等效阻水厚度”,底板巖層的阻水能力不能滿足底板承壓水原位保護的開采要求,因此采取底板承壓水原位保護技術注漿加固。首先采取承壓導升區(qū)改性增阻注漿技術以阻斷工作面富水區(qū)域奧灰含水層與采空區(qū)之間的水力聯(lián)系,其次實施阻水帶修復増阻注漿技術以封堵隱伏導水通道,增強底板巖層阻水能力,從而達到底板承壓水原位保護的目的[7-10]。

5 頂板水資源化利用

對礦井水進行綜合循環(huán)利用,不但防止了水資源流失,避免對水環(huán)境造成污染,而且緩解了礦區(qū)水資源短缺供水不足、改善了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、最大限度地滿足了日常生產和生活用水。根據(jù)試點工作面采空區(qū)水質化驗報告,其水質有部分指標不符合國家工業(yè)用水標準,主要污染物為懸浮物、金屬離子,其他指標均符合國家標準要求,礦井水資源化利用系統(tǒng)處理后的水質完全符合工業(yè)用水標準。礦井水資源利用系統(tǒng)現(xiàn)已建成并投入使用[11-12](圖8)。

圖8 水資源利用系統(tǒng)站

6 結論

(1)開采時涉及的含水層為煤層頂板K4、K5砂巖和煤層底板K3砂巖、L3薄層灰?guī)r含水層,4#煤開采時,上述含水層水將直接進入開采工作面,是礦井水資源化利用的主要含水層;遇導水構造等特殊情況下,煤層底板奧陶系灰?guī)r含水層水也將會進入采掘工作面,是礦井保水開采的主要含水層。

(2)項目在系統(tǒng)分析礦井地質、水文地質、水化學特征和采掘布置情況基礎上,以試點工作面為試點制定并實施了保水開采技術,為實現(xiàn)礦井保水開采提供了支持。

(3)基于“三等效”理論,提出了“淺表水保質保量、頂板水資源化利用、底板水原位保護”的綠色開采保水技術方案,為最大限度地減少4#煤開采對水資源的損害奠定了基礎。

(4)應用綜合技術探測了導水通道類型,闡明了不同導水通道對保水阻斷材料的要求,實測了材料綜合性能指標,為選擇適用性強、可靠性高和經濟合理的注漿材料指明了方向。

(5)構建了智能化監(jiān)測預警及精準探測系統(tǒng),形成了利用微震方法監(jiān)測井下漿液擴散通道技術,為指導保水開采工程提供了可靠方法。

本文技術方法正確,研究內容全面,模型適用性強,數(shù)據(jù)可靠,參數(shù)選取合理,研究結論正確,保水效果明顯。采取的綠色開采(保水開采)方案符合國家政策要求,形成的保水開采示范工程理論與技術成果為下組煤開采提供了技術支持,在類似條件下保水開采具有重要的推廣應用價值[13-14]。