第43屆三等獎論文---上行開采裂隙水害研究與防治

上行開采裂隙水害研究與防治

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大興礦  徐忠軍 羅廣利

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摘 ?要 ?本文以上行開采“三帶”劃分理論為指導,結合大興礦北一采區2-3煤層上行開采裂隙水害實際,深入分析了導水裂隙帶發育情況,實施探放水措施,取得了較好效果。

關健詞 ?上行開采、裂隙水害、防治

上行開采自下而上的反常規開采方式,在資源萎縮礦區殘復采和開采下保護層中得以應用。作為一種非常規的施工順序,下覆煤層開采后必將引起上覆煤(巖)層的垮落、開裂、下沉變形,從而改變上覆煤(巖)結構,造成圍巖裂隙異常發育。井下水體與裂隙導通形成裂隙水,裂隙成為礦井充水最重要的通道。裂隙水大量聚集,使得弱含水巖體變成富水巖體,給采掘生產帶來極大的安全隱患,且這種危害的隱敝性較大。

上行開采在殘復采和開采下保護層中應用,上行開采在導水裂隙帶和彎曲下沉帶裂隙較發育,尤其在下沉邊緣可能存在裂隙異常區,有裂隙水害危險。裂隙水害防治要根據“三帶”理論加以科學分析,采用物探和鉆探相結合的方法進行探測,采取針對性防治措施。

1上行開采裂隙水害分析

1.1上行開采“三帶”的劃分

采空區上覆巖層產生垮落、斷裂、彎曲下沉,由下而上依次為垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶,簡稱“三帶”,如圖1所示。

上覆煤層如果位于下覆采空區垮落帶內,煤層的結構將遭到嚴重破壞,無法進行開采。只有上覆煤層位于下覆采空區的裂隙帶或彎曲下沉帶上開采才可以進行。所以上行開采生產過程中將裂隙帶、彎曲下沉帶形成的裂隙水害作為研究與防治的重點。

圖1 ?煤層開采后上覆巖層“三帶”分布

裂隙一般集中發育在裂隙帶中,彎曲下沉帶也有少量發育,裂隙分為兩種:一種是垂直或斜交巖層的新生張裂隙也叫縱向裂隙,它可能部分或全部穿過巖層。另外一種是沿層面的離層裂隙,也叫橫向裂隙。兩種裂隙相互連通,使水體能向下滲透,因此又將裂隙帶叫做導水裂隙帶。彎曲下沉帶巖層以整體變形為主,當以較軟巖層為主時,巖層表現為整體斷裂下沉,裂隙微小,數量較少,裂隙間連通不好,導水能力微弱。當軟弱巖層上覆直接為堅硬巖層時,軟硬巖層下沉量明顯不一致,造成軟硬巖層間出現離層空間,具備了一定的蓄水能力。

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2 實例分析

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2.1地質概況

大興礦北一采區位于井田的北部,總體為一單斜構造,南北高東西低,南側較陡最大達到18??,東西側和北側較緩,一般為7??

煤層特征表現為泥炭沼澤相,湖濱相、湖泊相組成。煤層層次明顯,層間距清晰、厚度穩定,以復合煤層為主,自然分層較多,其夾石以泥巖,粉砂巖為主。2-3煤層煤厚一般為1.8m,下覆4-2、7-2煤層大部分已回采。2-3煤層頂底板情況: 直接頂巖性以泥巖、薄煤層和粉砂巖為主,灰色,局部夾細砂巖,厚度一般為3.7m。老頂巖性以中砂巖、泥巖、薄煤層和粉砂巖為主,灰色,厚度一般在5.0m以上。底板巖性以粉砂巖為主,灰色,泥質膠結,夾煤線,厚度一般為1.4m。

北一采區已開采煤層3層,自下而上分別為7-2煤、4-2煤、2-3煤,4-2煤層平均厚度為2. 8m, 7-2煤層平均厚度為4m。2-3煤層與4-2煤層間距在38~70m之間,一般為45m。4-2煤層與7-2煤層間距在45~70m之間,一般為52m。

本區水文地質條件簡單,煤層老頂粗砂巖、中砂巖為微弱直接充水含水層,含有孔隙水、裂隙水。

2.2導水裂隙帶高度計算

根據大興煤礦北二705綜采面垮落帶高度探測結果,垮落帶高度為采高的6.21~6.44倍。北一七層工作面采高為4 m,參考實測結果其垮落帶高度為24.84~25.76 m。

根據“三下”開采規程,上、下兩煤層的最小垂距大于回采下煤層的垮落帶高度時,上、下煤層的導水裂隙帶最大高度可按上、下層煤的厚度分別計算。4-2煤層與7-2煤層間距為52m,大于7-2煤層的垮落帶最大高度25.76 m。4-2煤層頂板為中硬巖層,故其導水裂隙帶最大高度計算公式如下:

????????????????????????(1)

?????????????????????????????(2)

式中 ?厚煤層分層開采的累計采厚,m。

利用式(1)(2)分別進行導水裂隙帶高度計算,其結果為40.25m和43.47m。

根據2008年大興煤礦北二705綜采面導水裂隙帶高度探測結果,導水裂隙帶高度為采高的17.03~19.45倍。北一4-2煤層工作面采高為2.8 m,參考實測結果其導水裂隙帶高度為47.68~54.46 m。

取上述導水裂隙帶計算最大值作為預計值,即54.56m。根據本采區煤層間距分析可知,2-3煤層處在4-2煤層開采的裂隙帶頂部或彎曲下沉帶底部,且裂隙帶與2-3煤層頂板含水層相連通,使得本區域水文地質條件變得復雜。

2.3上行開采工作面裂隙水害影響情況

大興煤礦現有上行開采工作面4個,其中2個已回采完畢,1個正在回采,1個正在掘進施工。具體情況如附表:

附表 ?上行開采工作面裂隙水害實見情況分析

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上覆2-3煤層

下覆4-2煤層

上、下覆生產間隔時間

裂隙水害情況

工作面

采掘情況及時間

工作面

結束時間

N1E201

采完(2013年)

N1E401

2002年

11年

裂隙水、局部淋水

N1E202

采完(2015年)

N1E402

2001年

14年

裂隙水、局部淋水

N1201

正回采中 (2019年)

N1403

1993年

26年

裂隙水、局部淋水、打鉆涌水20m3/h,水量小

N1405

1995年

24年

N1202

掘進(2019年)

N1402

1994年

25年

裂隙水、局部淋水、打鉆涌水30m3/h,總量4800 m3

N1406

2017年

2年(暫未涉及)

由附表可以看出,上覆2-3煤層頂板雖為微弱含水層,但受下覆回采影響,2-3煤層及其頂底板裂隙發育,經過長時間的滲透、匯聚,局部煤(巖)體成為了富水體。這種后期形成的富水區極具隱敝性,極易給采、掘活動造成影響,甚至危及安全生產。

3 采、掘生產過程中裂隙水害防治

采、掘生產過程中水害防治主要是探、放工作,利用科學手段加強分析做到探放結合。上行開采回采工作面主要受工作面上方巖體中裂隙水影響,根據導水裂隙帶高度計算結論,2-3煤層頂板處在下覆采空區的彎曲下沉帶中,裂隙較少,可能存在軟硬巖層下沉不均造成形態改變、局部離層,尤其是煤(巖)體形態發生改變區域,易形成離層富水區。如圖2,N1201由于受N1405、N1701重復采動影響,采空區疊加區上方煤(巖)體變形加大,上部較硬的砂巖與下部的粉砂、泥巖、薄煤線下沉量明顯不一致,形成局部離層,造成2-3煤層與下覆煤(巖)層形態明顯不一致。所以,防治頂板的離層水是采煤工作面的重點。

圖2 ?N1201采煤工作面探放離層水示意圖

首先采用瞬變電磁儀對上部巖體進行探測,然后采用鉆探方式對富水區進行探放。N1201工作面開采前,通過物探手段共探測到富水區5處,采用鉆探探放5處,共有3處放出水積水85 m3,最大涌水量達20m3/h,短時間衰減,總量較小。

根據導水裂隙帶高度計算結論,2-3煤層掘進工作面處在下覆采空區裂隙帶上部、變曲下沉帶的底部,是裂隙水害防治的重點。如圖3,大興煤礦N1202運順在掘進到72m時,工作面打超前探孔61m時出水,正常涌水量15m3/h最大涌水量達40m3/h,持續13天,總量達4830m3。通過瞬變電磁儀對前方、上部巖體進行探測驗證,在工作面前方40~60m,上方40~60m區域存在富水異常帶。此涌水區位于下覆采空區下沉邊緣,煤(巖)體下沉極不均勻,離層裂隙發育較好,與縱向的裂隙相互連通,形成裂隙發育異常帶,具備了導水和蓄水能力。加之,該區域位于北一采區單斜構造的較低處,含水層水經過長時間的滲透、聚集到裂隙中,在此區域形成富水異常帶,所以前方和頂板裂隙水是掘進工作面水害防治重點。如圖3所示,通過向工作面前方、上方打鉆,對裂隙水進行探放,確保了安全生產。

圖3 ?N1202運順掘進工作面探放裂隙水示意圖

4結 ?論

(1)上行開采方式造成水文地質條件簡單地區的異常化、復雜化。

(2)上行開采在導水裂隙帶和彎曲下沉帶裂隙較發育,尤其在下沉邊緣可能存在裂隙異常區,有裂隙水害危險。

(3)回采工作面受上方離層水影響,在地層形態發生變化區域可能性較大;掘進工作面受前方和上部裂隙水害影響,存在裂隙發育異常區,水害風險較大。

(4)裂隙水害防治要根據“三帶”理論加以科學分析,采用物探和鉆探相結合的方法進行探測。

第一作者簡介:徐忠軍(1974-),男,高級工程師。1996年畢業于遼源煤炭工業學校地質與測量專業,現任大興煤礦工程地測大隊隊長。曾發表論文6篇。聯系電話:15104102517。

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