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第43届三等奖论文---上行开采裂隙水害研究与防治

上行开采裂隙水害研究与防治

 

大兴矿  徐忠军 罗广利

 

摘  要  本文以上行开采“三带”划分理论为指导,结合大兴矿北一采区2-3煤层上行开采裂隙水害实际,深入分析了导水裂隙带发育情况,实施探放水措施,取得了较好效果。

关健词  上行开采、裂隙水害、防治

开元棋牌游戏_平台下载上行开采自下而上的反常规开采方式,在资源萎缩矿区残复采和开采下保护层中得以应用。作为一种非常规的施工顺序,下覆煤层开采后必将引起上覆煤(岩)层的垮落、开裂、下沉变形,从而改变上覆煤(岩)结构,造成围岩裂隙异常发育。井下水体与裂隙导通形成裂隙水,裂隙成为矿井充水最重要的通道。裂隙水大量聚集,使得弱含水岩体变成富水岩体,给采掘生产带来极大的安全隐患,且这种危害的隐敝性较大。

上行开采在残复采和开采下保护层中应用,上行开采在导水裂隙带和弯曲下沉带裂隙较发育,尤其在下沉边缘可能存在裂隙异常区,有裂隙水害危险。裂隙水害防治要根据“三带”理论加以科学分析,采用物探和钻探相结合的方法进行探测,采取针对性防治措施。

开元棋牌游戏_平台下载1上行开采裂隙水害分析

开元棋牌游戏_平台下载1.1上行开采“三带”的划分

开元棋牌游戏_平台下载采空区上覆岩层产生垮落、断裂、弯曲下沉,由下而上依次为垮落带、裂隙带、弯曲下沉带,简称“三带”,如图1所示。

上覆煤层如果位于下覆采空区垮落带内,煤层的结构将遭到严重破坏,无法进行开采。只有上覆煤层位于下覆采空区的裂隙带或弯曲下沉带上开采才可以进行。所以上行开采生产过程中将裂隙带、弯曲下沉带形成的裂隙水害作为研究与防治的重点。

开元棋牌游戏_平台下载图1  煤层开采后上覆岩层“三带”分布

裂隙一般集中发育在裂隙带中,弯曲下沉带也有少量发育,裂隙分为两种:一种是垂直或斜交岩层的新生张裂隙也叫纵向裂隙,它可能部分或全部穿过岩层。另外一种是沿层面的离层裂隙,也叫横向裂隙。两种裂隙相互连通,使水体能向下渗透,因此又将裂隙带叫做导水裂隙带。弯曲下沉带岩层以整体变形为主,当以较软岩层为主时,岩层表现为整体断裂下沉,裂隙微小,数量较少,裂隙间连通不好,导水能力微弱。当软弱岩层上覆直接为坚硬岩层时,软硬岩层下沉量明显不一致,造成软硬岩层间出现离层空间,具备了一定的蓄水能力。

 

2 实例分析

 

2.1地质概况

大兴矿北一采区位于井田的北部,总体为一单斜构造,南北高东西低,南侧较陡最大达到18 �,东西侧和北侧较缓,一般为7 �

煤层特征表现为泥炭沼泽相,湖滨相、湖泊相组成。煤层层次明显,层间距清晰、厚度稳定,以复合煤层为主,自然分层较多,其夹石以泥岩,粉砂岩为主。2-3煤层煤厚一般为1.8m,下覆4-2、7-2煤层大部分已回采。2-3开元棋牌游戏_平台下载煤层顶底板情况: 直接顶岩性以泥岩、薄煤层和粉砂岩为主,灰色,局部夹细砂岩,厚度一般为3.7m。老顶岩性以中砂岩、泥岩、薄煤层和粉砂岩为主,灰色,厚度一般在5.0m以上。底板岩性以粉砂岩为主,灰色,泥质胶结,夹煤线,厚度一般为1.4m。

北一采区已开采煤层3层,自下而上分别为7-2煤、4-2煤、2-3煤,4-2煤层平均厚度为2. 8m, 7-2煤层平均厚度为4m。2-3煤层与4-2煤层间距在38~70m之间,一般为45m。4-2煤层与7-2开元棋牌游戏_平台下载煤层间距在45~70m之间,一般为52m。

开元棋牌游戏_平台下载本区水文地质条件简单,煤层老顶粗砂岩、中砂岩为微弱直接充水含水层,含有孔隙水、裂隙水。

2.2导水裂隙带高度计算

根据大兴煤矿北二705综采面垮落带高度探测结果,垮落带高度为采高的6.21~6.44倍。北一七层工作面采高为4 m,参考实测结果其垮落带高度为24.84~25.76 m。

根据“三下”开采规程,上、下两煤层的最小垂距大于回采下煤层的垮落带高度时,上、下煤层的导水裂隙带最大高度可按上、下层煤的厚度分别计算。4-2煤层与7-2煤层间距为52m,大于7-2煤层的垮落带最大高度25.76 m。4-2开元棋牌游戏_平台下载煤层顶板为中硬岩层,故其导水裂隙带最大高度计算公式如下:

                        (1)

                             (2)

式中  开元棋牌游戏_平台下载厚煤层分层开采的累计采厚,m。

利用式(1)(2)分别进行导水裂隙带高度计算,其结果为40.25m和43.47m。

根据2008年大兴煤矿北二705综采面导水裂隙带高度探测结果,导水裂隙带高度为采高的17.03~19.45倍。北一4-2煤层工作面采高为2.8 m,参考实测结果其导水裂隙带高度为47.68~54.46 m。

取上述导水裂隙带计算最大值作为预计值,即54.56m。根据本采区煤层间距分析可知,2-3煤层处在4-2煤层开采的裂隙带顶部或弯曲下沉带底部,且裂隙带与2-3煤层顶板含水层相连通,使得本区域水文地质条件变得复杂。

开元棋牌游戏_平台下载2.3上行开采工作面裂隙水害影响情况

大兴煤矿现有上行开采工作面4个,其中2个已回采完毕,1个正在回采,1个正在掘进施工。具体情况如附表:

附表  上行开采工作面裂隙水害实见情况分析

 

上覆2-3煤层

下覆4-2煤层

开元棋牌游戏_平台下载上、下覆生产间隔时间

裂隙水害情况

工作面

采掘情况及时间

工作面

结束时间

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、打钻涌水20m3/h,水量小

N1405

1995年

24年

N1202

掘进(2019年)

N1402

1994年

25年

裂隙水、局部淋水、打钻涌水30m3/h,总量4800 m3

N1406

2017年

2年(暂未涉及)

由附表可以看出,上覆2-3煤层顶板虽为微弱含水层,但受下覆回采影响,2-3开元棋牌游戏_平台下载煤层及其顶底板裂隙发育,经过长时间的渗透、汇聚,局部煤(岩)体成为了富水体。这种后期形成的富水区极具隐敝性,极易给采、掘活动造成影响,甚至危及安全生产。

3 采、掘生产过程中裂隙水害防治

采、掘生产过程中水害防治主要是探、放工作,利用科学手段加强分析做到探放结合。上行开采回采工作面主要受工作面上方岩体中裂隙水影响,根据导水裂隙带高度计算结论,2-3煤层顶板处在下覆采空区的弯曲下沉带中,裂隙较少,可能存在软硬岩层下沉不均造成形态改变、局部离层,尤其是煤(岩)体形态发生改变区域,易形成离层富水区。如图2,N1201由于受N1405、N1701重复采动影响,采空区叠加区上方煤(岩)体变形加大,上部较硬的砂岩与下部的粉砂、泥岩、薄煤线下沉量明显不一致,形成局部离层,造成2-3煤层与下覆煤(岩)层形态明显不一致。所以,防治顶板的离层水是采煤工作面的重点。

图2  N1201采煤工作面探放离层水示意图

首先采用瞬变电磁仪对上部岩体进行探测,然后采用钻探方式对富水区进行探放。N1201工作面开采前,通过物探手段共探测到富水区5处,采用钻探探放5处,共有3处放出水积水85 m3,最大涌水量达20m3/h,短时间衰减,总量较小。

根据导水裂隙带高度计算结论,2-3煤层掘进工作面处在下覆采空区裂隙带上部、变曲下沉带的底部,是裂隙水害防治的重点。如图3,大兴煤矿N1202运顺在掘进到72m时,工作面打超前探孔61m时出水,正常涌水量15m3/h最大涌水量达40m3/h,持续13天,总量达4830m3。通过瞬变电磁仪对前方、上部岩体进行探测验证,在工作面前方40~60m,上方40~60m区域存在富水异常带。此涌水区位于下覆采空区下沉边缘,煤(岩)体下沉极不均匀,离层裂隙发育较好,与纵向的裂隙相互连通,形成裂隙发育异常带,具备了导水和蓄水能力。加之,该区域位于北一采区单斜构造的较低处,含水层水经过长时间的渗透、聚集到裂隙中,在此区域形成富水异常带,所以前方和顶板裂隙水是掘进工作面水害防治重点。如图3所示,通过向工作面前方、上方打钻,对裂隙水进行探放,确保了安全生产。

图3  N1202运顺掘进工作面探放裂隙水示意图

4结  论

开元棋牌游戏_平台下载(1)上行开采方式造成水文地质条件简单地区的异常化、复杂化。

(2)上行开采在导水裂隙带和弯曲下沉带裂隙较发育,尤其在下沉边缘可能存在裂隙异常区,有裂隙水害危险。

(3)回采工作面受上方离层水影响,在地层形态发生变化区域可能性较大;掘进工作面受前方和上部裂隙水害影响,存在裂隙发育异常区,水害风险较大。

(4)裂隙水害防治要根据“三带”理论加以科学分析,采用物探和钻探相结合的方法进行探测。

第一作者简介:徐忠军(1974-),男,高级工程师。1996年毕业于辽源煤炭工业学校地质与测量专业,现任大兴煤矿工程地测大队队长。曾发表论文6篇。联系电话:15104102517。