保水开采技术在底板承压水治理中应用的可行性研究.pdf
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1、保水开采技术在底板承压水治理中应用的可行性研究刘健(太原煤气化龙泉能源发展有限公司,山西太原030300)摘要:针对龙泉煤矿回采期间受底板承压水影响造成工作面回采难度大、安全系数低、透水事故率高等技术难题,依据“三等效”保水开采理论,以底板水原位保护为原则,形成一套适合类似矿井的“安全、高效、经济、与生态环境相协调”的保水开采技术体系,并在 4305 工作面回采中进行应用实践。应用效果表明,对具有底板承压水害煤层采取保水开采后,优化了水资源利用,减少了污水排放量,降低了透水事故率,取得了显著应用成效。关键词:底板承压水;保水开采;三等效;定向技术中图分类号:TD745文献标识码:A文章编号:1
2、672-1152(2023)09-0208-030引言煤矿水资源与矿区生态环境密切相关,煤矿水资源的破坏不仅仅影响煤炭企业生产,而且会影响整个矿区的水环境。传统的地下水资源治理主要采用两种途径:采前定位封堵,钻孔钻探至目标保水层位,注浆采用“地面制浆、井下注浆”方式;利用地面区域治理,在地面设计 1 个主孔,对主孔定向钻进至目标层位后,开多个分支孔进行钻探,如遇浆液漏失,采取“地面制浆、地面注浆”注浆方式。这两种方式虽然已在煤炭企业中得到普遍应用,但这离不开前期的技术配套和后期的技术管理1-2。因此,龙泉煤矿提出了“三等效”为理论的保水开采技术,分别为“等效采高、等效阻水厚度、等效水资源承载力
3、”,最直接的手段为通过局部注浆及区域注浆封堵导水通道,增大等效阻水厚度,减小煤层开采对含水层的扰动,从而有效地实现保水开采。1龙泉煤矿 4305 工作面概述龙泉煤矿 4305 工作面回采煤层为 9 号煤层,平均厚度为 11.68 m,有时下部分叉。一般夹矸 24 层,而且多出现在煤层上下部,最多夹矸达 8 层。煤层结构复杂,厚度变化无规律可循,最薄的孔为井田东南部的 261 号孔,厚 5.35 m,其余厚度变化不大,厚度在11 m 左右,最厚的孔为井田东北部的 71 号、262 号孔,厚度在 15 m 以上。顶板为 L1 石灰岩,底板多为泥岩或砂质泥岩。该煤层属全井田可采的稳定煤层。9 号煤层
4、距奥灰含水层仅 22.163.2 m,底板为铝质泥岩、粉砂岩,稳定性差。同时,9 号煤层开采影响范围超过 4 号、9 号煤层间距,4 号煤层的采空区积水会危及 9 号煤层的生产安全。在水文地质类型报告中指出,顶板下石盒子组及山西组砂岩裂隙含水层水、底板太原组 K3 砂岩裂隙水、L1、L2、L3 灰岩水为矿井主要涌水水源,实际揭露的水源以煤系顶板 K4K6砂岩裂隙弱含水层直接充水和底板 4 号9 号煤薄层灰岩-砂岩裂隙弱水层充水为主3。2矿区板承压水原位保护开采技术研究1)工作面推进至 36 m 时,底板开始产生微小的离层裂隙,此时离层裂隙水平方向延展长度达到 5 m,垂向裂隙宽度为 0.1 m
5、。同时在采空区中部出现 2 条微小的纵向裂隙,此时顶板还未垮落,底板裂隙还处在发育阶段,其发育深度为 6 m。2)随着工作面继续向前推进至 42 m 时,工作面顶板发生垮落,底板产生的裂隙在垮落覆岩重力作用下逐渐闭合,采空区底板中部离层裂隙闭合,但在工作面前方又产生了新的裂隙,同时切眼位置处的纵向裂隙进一步加深,深度达到 8 m。在模型底板承压水上部也产生了一些细小裂纹,这些裂纹也随工作面的推进向上发育。分析其原因为,底板受非连续弹簧装置影响,相邻弹簧发生了错位,使底板受力不均匀而产生拉伸裂隙,该裂隙相当于实际中的底板承压水导升裂隙。3)当工作面推进至 102 m 时,开切眼位置处的裂隙不再继
6、续增加,最大发育深度为 13 m,而工作面前方会产生新裂隙,这些新产生的裂隙会随着工作面的采动而继续向更深处发育,而原先在采空区中部产生的裂隙已经被压实,工作面前方裂隙还在逐渐增大,底板承压水导升带高度为 14 m。4)工作面推进完毕后,底板出现明显三带区域,从煤层底板往下依次划分为采动裂隙带、完整隔水带以及承压水导升带4,其中采动裂隙带最大发育深度在开切眼和工作面煤壁下方,整体呈“倒马鞍”型,最大发育深度为 16 m;承压水导升带高度为 18 m。在无破碎带条件下,底板受采动影响,最大破坏收稿日期:2023-01-17作者简介:刘健(1992),男,山西高平人,毕业于山西大同大学采矿工程专业
7、,本科,助理工程师,现就职于太原煤气化龙泉能源发展有限公司地测防治水部,主要从事防治水技术管理工作。总第 212 期2023 年第 9 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 212No.9,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.09.081技术应用2023 年第 9 期深度为 16 m,无法与底板奥灰承压含水层导升带贯通,同时由于破坏深度较浅,在模型中 L3 灰岩含水层距离 4301 试点工作面底板 37 m,根据承压水导升高度 h 计算公式:h=BK(2.32+lnp0).式中:B 为裂缝宽度,mm;K 为裂缝面粗糙系数;p0为承压水开始时的静水
8、压力,取 4 MPa。一般情况下裂缝宽度取 020 mm,由于裂缝宽度难以计算,本次取范围均值进行计算,即 B=10 mm,裂缝面粗糙系数为裂缝面上的阻力与该点的应力比值,取 0.002 3,计算得出太灰含水层承压水导升高度为 13.115.7 m,由此可计算得出底板在无破碎带情况下,4305 工作面至 L3 灰岩含水层有效隔水厚度为5.37.9 m。说明在对 4305 工作面进行开采时,会在局部位置产生出水危险。采用孔-巷相结合的方式,在 4305 工作面辅运顺槽共布置 4 条测线进行底板破坏特征观测,其中有2 条测线布置于底板钻孔,每个钻孔内布置 1 条测线;水沟一侧布置 2 条测线。测线
9、延长线全部接入停采线后约 20 m(辅运顺槽 80 m)处的规格为 2 m1 m1 m 的铁皮箱内,与放置在铁皮箱内的主机、基站连接成回路,构成并行电法探测系统,如图 1 所示。在 4305 辅运顺槽设计施工 2 个底板钻孔,1 号钻孔位于辅运顺槽 130 m 处,2 号钻孔位于辅运顺槽190 m 处,停采线位于辅运顺槽 100 m 处。在 1 号钻孔布置 1 条 75 m 长的测线,电极距 4 m,布置 16 个电极(套管内不安装电极);在 2 号钻孔布置 1 条 70 m长的测线,电极距 4 m,布置 16 个电极(套管内不安装电极)。在巷道中布置 2 条测线(测线 3、测线 4),每条测
10、线 64 m,电极距 4 m,每条测线布置 16 个电极,巷道共布置 32 个电极。2021 年 6 月 9 日的 4305 辅运顺槽底板视电阻率背景值如图 2 所示,探测范围为停采线至距停采线长度 220 m,深度为 70 m。此时工作面距 1 号钻孔孔口103 m 左右,距 2 号钻孔孔口 163 m 左右,距 3 号测线95 m 左右,距 4 号测线 159 m 左右,因此工作面采动应力对该范围基本无影响,以此时的岩层视电阻率为背景值,总体上岩层视电阻率值在 800 m 以下。通过监测发现,所测范围内钻孔内 1 号测线监测得到的底板最大破坏深度为 20.4 m;钻孔内 2 号测线监测得到
11、的底板最大破坏深度为 25.5 m;巷道 3 号、4号测线联合监测得到的底板最大破坏深度为 27.3 m,即底板破坏深度为 20.427.3 m。3保水开采可行性评价基于“三等效”理论,计算奥灰承压含水层至工作面直接底的“等效阻水厚度”5,以此对 4305 工作面开采过程中底板奥灰承压含水层的保水开采可行性进行评价。4305 工作面底板奥灰承压含水层的最大水压为6.29 MPa,直接底至本溪组含水层的岩层总厚度为140.49 m,由此计算得到底板本溪组含水层至 4305工作面直接底的水头高度为 205.50 m,同时奥灰含水层最小水位补给量初步按 0.3 m/d 计。根据“等效阻水厚度”计算公
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- 开采 技术 底板 承压水 治理 应用 可行性研究
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