张延颖:葛泉矿煤层高承压岩溶含水层上带压开采下组煤技术探索 |
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| 煤炭资讯网 | 2008-9-15 10:36:39论文、言论 | ||
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张延颖
长期以来，在华北地区开采受奥灰水威胁的9号煤资源，一直是煤炭行业面临的难题，虽开采才甚众，却全部因遭受水害而中止。由冀中必威手机登陆在线网页 控股的金牛必威手机登陆在线网页 葛泉矿与煤炭科学研究总院西安研究院共同完成的葛泉矿东井《双层复合高承压岩溶含水层上带压开采下组煤综合防治水技术》，使这一技术得到解决。并形成了一整套以煤层底板注浆改造为主体的带压开采综合防治水技术，被专家评定为“达到了国际先进水平”。 必威手机登陆在线网页 意识 使创新触角向下组煤延伸 金牛必威手机登陆在线网页 葛泉矿，年设计能力为60万吨，开采煤层为2号、2号下、5、7号、8号及9号煤层，1989年投产以来，一直在2号、2号下、5号煤层进行生产。由于地质构造,使该矿井田南翼F13断层的东北部分抬起，构成了独立块段，下组煤赋存较浅，其9号煤层厚度为4.89m，储量为892.4万吨。下组煤距奥陶纪灰岩很近。奥陶纪灰岩为强含水层，水压很高。开采下组煤如同在灌满水的劣质容器上从事生产，稍有不慎，碰破容器，强大的水压便会把矿井淹没，其风险性极高。但强烈的必威手机登陆在线网页 意识和科学创新精神，却使他们瞄准了这个极具挑战意义的课题进行了不懈探索。 分析资料，他们发现这块煤层距奥灰顶面的隔水层厚度为38～55m，奥陶系灰岩水水位标高为+40m左右， -150水平煤层承受的水压为1.9 Mpa。如果对煤层底板隔水层及本溪灰岩含水层进行注浆加固改造，并采取有效的高承压岩溶含水层上带压开采下组煤配套防治水措施，-150水平以上的下组煤即可具备高承压岩溶含水层上带压开采下组煤的水文地质条件。也正是基于这些原因，金牛股份公司于2006年，投资1.49亿元，在这块煤层中新建了可年产30万吨煤炭的葛泉矿东井,以科学的态度、攻关的精神把创新的触角向下组煤延伸。试采区走向长约2200m，倾斜宽约1900m，面积3.8km2。位于试采区西侧的首采工作面1192的直接充水水源为9号煤层底板下伏本溪灰岩含水层和顶板大青灰岩含水层，其中本溪灰岩含水层由于厚度较大（平均7.59m），富水性强，且与奥陶系灰岩含水层之间存在密切的水力联系。 要确保试采圆满成功,就必须在巷道掘进阶段，应该对煤层底板导水通道进行精细探查；在工作面回采前，对煤层底板隔水层及本溪灰岩含水层进行注浆加固与改造；在工作面回采过程中，还应对底板水害及采动破坏深度进行监测。为此,该矿将首采 1192工作面防治水工作的基本思路确定为：在巷道掘进阶段，对顶板大青灰岩含水层进行合理受控疏放，对掘进头前方垂向导水构造进行探查并对薄弱区段进行超前预注浆；在工作面回采之前，对煤层底板进行注浆加固，补强其阻水性能。同时，对本溪含水层进行全面注浆改造，将其改造为相对隔水层；在工作面回采过程中对工作面底板水害和煤层底板采动破坏深度进行动态监测,预防突水灾害，实现工作面的安全回采。 透彻分析 对首采面进行正确评价 河北金牛必威手机登陆在线网页 集团葛泉矿高承压岩溶含水层上带压开采下组煤的试采工作面1192，为倾斜长壁工作面，倾向长约400m，走向宽75m，工作面巷道均沿9号煤层底板掘进，煤厚4～6m，倾角约10°，在工作面巷道掘进阶段，共揭露断层9条，其中，落差在5m以上的断层1条，落差均小于2m断层8条，断层发育密度约0.8条/100m，且干燥无水。 1192工作面采用综合放顶煤开采工艺，顶板管理方式为全部垮落法。1192工作面底板至奥灰含水层的隔水岩层为由浅部向深部逐渐增大， 厚度为41～45m，其中，切眼附近为41～42m，停采线附近为44～45m。岩性以粉砂岩、细砂岩、灰岩和铝土质泥岩为主，其中，粉砂岩、细砂岩占总厚度的75%左右；本溪灰岩厚度占总厚度的18%强；泥岩厚度占总厚度的5%左右。科学认为，这种软硬相间具有一定厚度的隔水层结构在未受构造破坏的情况下，具有较好的阻水性能。但本溪灰岩含水层与奥陶系灰岩含水层之间的隔水层厚度最薄处仅为8m，却很容易受构造破坏使二者发生水力联系，使本溪灰岩含水层局部富水性增强，进而使隔水层的阻水性能下降。为安全完成首采面试采，他们通过钻探和对本溪灰岩水显示出奥陶系灰岩水的水文地质特征进行分析，在掌握了1192工作面9号煤底板至本溪灰岩间距为14.6-23.7m，岩层结构以粉砂岩、砂岩为主，裂隙发育程度较高，阻水性能一般，底板裂隙发育方向多为30-35°，本溪灰岩承压水在局部地段存在原始导升高度，底板裂隙密集发育段可直接到9#煤底板等相关数据后，认为工作面开采过程中存在有本溪灰岩水沿导水裂隙上升，并突破9号煤层底板对井巷工程充水的危险性，及工作面本溪灰岩与奥陶系灰岩含水层之间隔水层，存在奥灰水垂向越流补给现象或其它形式的补给方式后，他们又根据1964至2002年38年奥灰水位动态观测统计资料，及工作面附近奥灰孔实测水位标高，以及采动对底板扰动破坏深度等方面，对组织力量对工作面的高承压岩溶含水层上带压开采下组煤安全评估 ，对工作面的突水系数进行计算，在得出大部分区域相对安全的结论后。他们又根据巷道掘进阶段的井下钻探成果，即：1192工作面底板下伏本溪灰岩含水层与奥陶系灰岩含水层之间存在水力联系，大多数区段本溪灰岩含水层与奥陶系灰岩含水层水位一致，本溪灰岩含水层富水性较强并普遍发育5-10m的导升裂隙。本溪灰岩含水层与9号煤层之间隔水层平均厚度只有18m， 12m的煤层底板采动破坏深度和5m的本灰水导升高度，使得9号煤与本溪灰岩含水层之间有效隔水层厚度只有1m，突水系数高达2MPa/m，进行分析，认为：这种复杂的水文地质条件会严重威胁矿井安全，只有通过人工干预的方式补强隔水层的阻水性能，改造本溪灰岩含水层为相对隔水层，才能预防底板突水，实现带压回采。 也正是对首采区工作面的正确评价，使他们在措施制定上有了具体而又充分的依据，也为高承压岩溶含水层上带压开采下组煤奠定了坚实基础。 严密组织 多管齐下进行综合探查 为安全开采9号煤资源，河北金牛必威手机登陆在线网页 集团葛泉矿在公司领导的大力支持下，自2006年起，多种技术手段并用，分矿井上下，以三维地震探测、瞬变电磁从地面探测工作面的内部构造和底板隔水层构造；以直流电法、瞬变电磁、电测深、坑透和音频电透视等方法对试采区的煤层构造、煤层底板的富水区段和巷道前方、巷道侧方的富水性，及本灰、奥灰水的原始导高、已掘巷道底板的富水性进行探查，并对工作面底板隔水层富水区段的注浆效果检验，较好地指导了工作面的布置设计及采掘过程中防治水工程技术的实施。 通过三维地震，他们成功实现了对9号煤层底板等高线及断层位置等相关数据控制的基本准确；通过地面瞬变电磁，他们实现了对9号煤底板到奥灰顶面的隔水层厚度、薄弱点发育情况的圈定和本溪灰岩隔水层富水性等相关数据控制的基本准确。而在通过直流电法对巷道顶、底板浸水区段进行超前探测时，由于顶板大青灰岩含水层对探测效果干扰和电法测量的多解性，则使局部巷道段出现了假异常。为此，他们又通过经验积累，改善探测方法，在最终取得了理想效果后，又通过坑透对工作面的构造发育情况进行检验，并印证了工作面内部没有发育大于1/3煤层厚度的断层及陷落柱后，为谨慎起见，他们又通过井下音频电透视对工作面构造发育情况进行再次检验，进一步坚定了自己的信心。但高承压岩溶含水层上带压开采下组煤是一项极为严密的科技工作，为确保探查的准确和开采过程的安全，在首采1192工作面的巷道掘进过程中，他们又将掘进头前方煤层底板导水构造的探查作为防治水工作的重点，以“有疑必探，先探后掘”为原则，以“物探先行，钻探验证”为手段。应用综合防探技术，在巷道掘进前，以直流电法对掘进头前方的水文地质情况进行超前探测，并在遇到低阻异常区后，采用钻探手段进行探查验证，进一步查明导水构造，再以注浆加固的方式进行治理；如未遇低阻异常区，他们便以20m以上的超前探测距离正常掘进，使巷道掘进较好地处在相对安全的保护之中。而对于已成巷道的可疑段底板和侧帮，他们也没有放任不管，并坚持进行了直流电法垂向和侧向双重探测，对可疑的垂向导水构造一旦确认，即迅速进行注浆加固，进而使巷道底板及侧帮的滞后突水得到有效防止。 正视困难 精确制定防治水路线 为将高承压岩溶含水层上带压开采下组煤的风险性降到最低，并保证首采工作面顺利采出，河北金牛必威手机登陆在线网页 集团葛泉矿在通过对试采区9号煤首采工作面1192进行认真的高承压岩溶含水层上带压开采下组煤条件评价后，将工作面的防治水工作划分成工作面掘进前、巷道掘进、工作面回采前、工作面回采4个阶段。并根据各个阶段的具体情况，将防治水工作的侧重点分别放在了下列方面： 工作面掘进前，在地面进行三维地地震和瞬变电磁综合勘探，并完善矿井的防排水系统。同时对顶板水进行合理疏放。在巷道掘进阶段，继续对顶板水进行合理疏放。同时采用直流电法进行超前探测，并采用钻探进行探测验证。得到证实后，对巷道底板进行注浆改造。在工作面回采前，对煤层底板隔水层及本溪灰岩含水层进行全面注浆改造，并对注浆效果采用坑透、音频电透视、瞬变电磁进行有效检验，对不符合要求的地段进行补充注浆。在工作面回采阶段，对常规水文地质情况进行全天候监测，并及时预报工作面生产过程中的出水情况。 防治水工作的技术路线制定之后，为确保技术工作的顺利实施，他们又综合国内外众多资料，即：目前用于煤层底板注浆加固与改造的注浆材料主要有单液水泥浆类、水泥-粘土类、水泥-砂浆类、水泥水玻璃类、水玻璃类、砂砾石等骨料类以及有机化学材料类等，煤层底板注浆加固与改造技术一般的施工工艺为：分析与探查注浆工程的水文地质条件；注浆方案设计；建立注浆站；施工注浆孔；注浆系统试运转并对管路进行耐压试验；钻孔冲洗与耐压试验；造浆注浆；观测与记录；注浆结束；封孔；关闭孔口阀门、拆洗孔外管路及设备；分析检查注浆效果等12个步骤进行分析从四方面展开了工作。即：建立完善的排水系统，以最大限度地保证矿井的排水能力；疏降为主、疏堵结合，在可控的前提下对顶板大青灰岩水进行有效疏放；有疑必探，先治后掘，对煤层底板垂向导水构造进行有效探查，并对巷道底板进行超前预注浆；先治后采，对工作面底板潜伏导水构造进行注浆加固，并对本溪灰岩含水层进行全面注浆改造和效果检验；在回采过程中对底板隔水层及本溪灰岩含水层，及煤层底板破坏深度和突水征兆进行全程的动态监测，进而使既定的防治水路线得到了有效落实。 全力推动 对煤层底板进行全面改造 河北金牛必威手机登陆在线网页 集团葛泉矿在高承压岩溶含水层上带压开采下组煤上针对9号煤 “一薄、二强、三高” 的水文地质特点，采用先进的注浆工艺、优化注浆孔布置方案，加固煤层底板隔水层，对垂向导水裂隙和构造进行封堵，补强其阻水性能；全面改造本溪灰岩含水层为相对隔水层，对导（富）水溶隙进行封堵，有效阻隔了煤层底板下伏高压奥灰水导升裂隙的向上延伸。 为使注浆改造取得预期效果，他们根据煤层底板的采动破坏深度，将注浆加固的目的层确定为煤层底板下10m至本溪灰岩底板下2m的含导水构造，进而使注浆目的层实现了定位准确；在对于至关重要的注浆孔布置上，他们又采用了浆液扩散半径20m，注浆加固范围内钻孔终孔间距40m以下等方法。并在实际操作中，使钻孔的裸孔段尽可能多的穿过注浆加固的目的层段，使钻孔方向尽可能垂直于构造裂隙的发育方向，给浆液向垂直裂隙带扩散创造条件。同时，他们还对工作面的切眼位置、初次来压位置、周期来压位置，以及巷道直接底板两侧10m、停采线附近、物探异常区及构造发育区段进行了重点加固与改造。 在注浆系统选取上，他们根据东井注浆量大、注浆范围广、注浆时间长等实际情况，选用了具有风动下料、射流造浆、制浆过程自动跟踪控制，粘土、水泥注浆量自动计量、注浆密度自动监测等优点，并可井上下联合注浆的先进系统。并在工艺和流程上，应用了三阶段渐进式动态注浆工艺。即：注浆封堵与充填较大的含导水裂隙；加密注浆，对第一阶段尚未充填或封堵效果不理想的导水裂隙进行充填与封堵；补充注浆，对前两阶段遗漏的含导水裂隙进行封堵。同时，在注浆改造过程中他们还坚持兼顾相邻工作面的底板预注浆。 在动态分析和注浆流程的优化上，他们通过不断积累钻孔涌水量、初见本灰深度、注浆量等数据，针对分析结果确定下一步重点注浆区段，共施工注浆钻孔195个，其中：前期48个，中期加密71个，后期补充及检验76个，钻探总进尺12134.3m，注入水泥12915.85 t，从而使1192工作面的底板注浆面积达到40000m2，注浆孔密度达到205m2/孔，钻孔平均间距达到10m左右；实现更加理想的注浆效果。 在验证注浆效果上，他们在采用综合检测手段对工作面底板进行全面注浆加固与改造后，采用电测深和音频电透视技术对注浆加固效果进行了检验，并对仍然存在的物探异常区进行了钻探验证，对验证存在的注浆薄弱区段补充注浆。期间，共抽检注浆孔个数近40%，发现单孔涌水量均小于15m3/h； 75%的区段初见本灰水深度大于15m，初见本灰水量小于3m3/h。1192工作面的底板经过全面改造，已较好地符合了开采条件。并安全采出后，他们又对1190工作面的注浆工程进行优化，使底板注浆面积达到58000 m2，注浆孔密度达到464m2/孔，钻孔平均间距达到15m左右，并抽检注浆孔30%。当发现单孔涌水量均小于20m3/h，80%的区段初见本灰水深度大于15m，初见本灰水量小于3m3/h后，即进入回采，目前1190工作面已经安全回采250m。 大胆探索 形成底板注浆改造的量化指标 河北金牛必威手机登陆在线网页 集团葛泉矿在高承压岩溶含水层上带压开采下组煤上，对钻孔布置、注浆材料选择和制浆工艺进行大胆探索，并成熟了本区9号煤层底板注浆改造的量化指标，使这一技术得到了发展。 在钻孔布置上，他们以注浆孔单孔由孔口管（Ф108mm）、止水套管（Ф89mm）和裸孔注浆段（Ф75mm）组成，裸孔注浆段长度和钻孔倾角及孔口管、套管长度在符合相关规程的基础上，因钻孔位置岩性、水压以及初见水量大小而不同，止水套管埋深在煤层底板下6~10m，终孔位置为穿过本溪灰岩底2m为钻孔结构，并从9个方面进行了把握。即：浆液扩散半径20m，终孔位置间距应不大于40m；目的层为煤层底板下10m至本溪灰岩底板下2m的含导水构造；钻孔裸孔段尽可能多的穿过注浆加固的目的层段；钻孔方向尽可能垂直于构造裂隙发育方向；对物探异常区、断层带有所侧重；在工作面切眼位置、初次来压位置、周期来压位置、巷道直接底板两侧15m范围内和停采线附近重点加固；钻窝位置设在利于排水、通风、逃生和围岩相对完整的区段；注浆钻孔一般布置在利于施工与运输的巷段；利用现有巷道对其两侧相邻工作面底板进行注浆改造降低成本。 在注浆材料选择和制浆工艺上，为了保证浆液质量的稳定性、可控制性和注浆改造工程质量的可靠性，初次采用大面积注浆工艺对煤层底板隔水层及本溪灰岩含水层进行全面注浆改造中，采用425标号纯水泥浆灌注。在首采工作面取得经验的基础上逐步研究适合本区水文地质特点，选用价格低廉、易于取材的替代材料，并在地面建成了由粘土造浆系统、水泥下料系统、制浆系统、跟踪控制计量系统及灌注系统组成的注浆站。其中：水泥下料系统包括散装水泥罐、调速螺旋机、压风机、气动阀门、电磁阀等组成，采用风动下料方式。制浆系统包括射流泵、射流造浆器、吸浆池、搅拌机等组成，采用射流造浆方式；跟踪控制计量系统由微机、计量螺旋机、电磁流量计、转换控制柜等组成。由电磁流量计计量产生的信号经转换放大后输入微机，微机根据标定的初始参数和浆料系数确定水泥下料量，由变频调速器调节计量螺旋机的转速，实现浆料的自动跟踪控制。 在量化指标的确定上，他们以钻孔密度、检查孔个数、单孔涌水量和见本灰水深度作为注浆效果评价的量化指标，并以注浆孔密度达到450 m2/孔，钻孔平均间距小于15m； 检查孔个数占注浆孔个数的30%以上；检查孔单孔涌水量小于20m3/h；80%的区段初见本灰水深度大于15m，初见本灰水量小于3m3/h进行高承压岩溶含水层上带压开采下组煤量化评价，进而使底板注浆改造更好地实现了科学有效。 完善工艺 成熟煤层底板注浆改造技术 河北金牛必威手机登陆在线网页 集团葛泉矿9号煤层底板注浆改造技术上完善工艺和流程，并采用“动态分析法”进行效果评价，在“一薄、二强、三高”的水文地质条件下，较好地成熟了这一技术。 在注浆的工艺流程上，他们将钻探和注浆次序分为三个阶段，即均匀布孔，全面注浆；有针对性加密注浆；检验和补充注浆。并在注浆材料与配比上采用纯水泥浆液灌注，浆液浓度由稀到浓，结束时又略变稀，在吸浆量小于35L/min，稳定在20～30min后即扫孔下钻进行下一孔段的注浆。注浆结束，对注浆孔予以封闭，并进行压水试验。为保证注浆工艺的顺利实施，他们还制定四方面技术要求。即：当注浆压力保持不变，吸浆量均匀减少或吸浆量不变，压力均匀升高时，注浆工作应持续下去，并不得改变水灰比；改变浆液水灰比后，如注浆压力突增或吸浆量突减，立即查明原因进行处理；注浆前后及注浆时都必须观测邻孔的水量、浑浊度及水位变化情况，以判断或发现钻孔串浆，便于及时处理；当注浆孔段已经用到最大浓度的浆液，吸浆量仍然很大，孔口压力无明显上升或发生底鼓及底板裂隙漏浆时，采用间歇式注浆仍然出现吸浆量不减，压力不升的情况下可以考虑添加速凝剂或注砂、碎石、石渣等骨料。 在注浆过程中，采用“动态分析法”对各阶段单孔涌水量、本灰导升高度、注浆量变化情况进行分析，在评价与总结上一阶段注浆改造效果的同时，对下一阶段注浆的重点区段、重点层段进行分析，根据分析结果适时调节钻孔布置的位置与方向，从而使实现本溪灰岩含水层富水性变弱，单孔涌水量大幅度减少,在后期检查孔注浆之前，整个工作面已经没有涌水量大于20 m3/h的钻孔；本溪灰岩水导升高度明显降低，75%的后期检查孔初见本灰水深度在15m以下，初见本灰水量在3m3/h以下；单孔平均注浆量的迅速减少，水泥浆液已经占据了绝大多数储水空间，进而为工作面开采创造了条件。 综合1192工作面高承压岩溶含水层上带压开采下组煤防治水技术的研究成果的特点：克服了本灰与奥灰之间隔水层薄；奥灰岩溶发育，巨厚、富水性极强；本灰厚度大、岩溶裂隙发育、与奥灰之间存在水力联系，富水性较强；奥灰水压高、突水系数高、本灰导升高等“一薄、二强、三高”的水文地质特点，通过人工干预的方式补强隔水层的阻水性能，改造本溪灰岩含水层为相对隔水层，使1192工作面不发生底板突水得到避免，实现了安全带压回采。
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