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(qū)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(fā)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(guī)開采方式,在資源萎縮礦區(qū)殘復采和開采下保護層中得以應用。作為一種非常規(guī)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(fā)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(chǎn)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(fā)育,尤其在下沉邊緣可能存在裂隙異常區(qū),有裂隙水害危險。裂隙水害防治要根據(jù)“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(qū)上覆巖層產(chǎn)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(qū)垮落帶內(nèi),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(qū)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(chǎn)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(fā)育在裂隙帶中,彎曲下沉帶也有少量發(fā)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(xiàn)為整體斷裂下沉,裂隙微小,數(shù)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(xiàn)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(zhì)概況
大興礦北一采區(qū)位于井田的北部,總體為一單斜構造,南北高東西低,南側(cè)較陡最大達到18??,東西側(cè)和北側(cè)較緩,一般為7??。
煤層特征表現(xiàn)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(wěn)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?shù)装迩闆r: 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(zhì)膠結,夾煤線,厚度一般為1.4m。
北一采區(qū)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(qū)水文地質(zhì)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(jù)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(jù)“三下”開采規(guī)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(jù)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(jù)本采區(qū)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(qū)域水文地質(zhì)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(xiàn)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(chǎn)間隔時間 |
裂隙水害情況 |
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工作面 |
采掘情況及時間 |
工作面 |
結束時間 |
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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 |
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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?shù)装辶严栋l(fā)育,經(jīng)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(qū)極具隱敝性,極易給采、掘活動造成影響,甚至危及安全生產(chǎn)。
3 采、掘生產(chǎn)過程中裂隙水害防治
采、掘生產(chǎn)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(jù)導水裂隙帶高度計算結論,2-3煤層頂板處在下覆采空區(qū)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(tài)改變、局部離層,尤其是煤(巖)體形態(tài)發(fā)生改變區(qū)域,易形成離層富水區(qū)。如圖2,N1201由于受N1405、N1701重復采動影響,采空區(qū)疊加區(qū)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(tài)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(qū)進行探放。N1201工作面開采前,通過物探手段共探測到富水區(qū)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(jù)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(qū)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(xù)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(qū)域存在富水異常帶。此涌水區(qū)位于下覆采空區(qū)下沉邊緣,煤(巖)體下沉極不均勻,離層裂隙發(fā)育較好,與縱向的裂隙相互連通,形成裂隙發(fā)育異常帶,具備了導水和蓄水能力。加之,該區(qū)域位于北一采區(qū)單斜構造的較低處,含水層水經(jīng)過長時間的滲透、聚集到裂隙中,在此區(qū)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(chǎn)。
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(zhì)條件簡單地區(qū)的異?;?、復雜化。
(2)上行開采在導水裂隙帶和彎曲下沉帶裂隙較發(fā)育,尤其在下沉邊緣可能存在裂隙異常區(qū),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(tài)發(fā)生變化區(qū)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(fā)育異常區(qū),水害風險較大。
(4)裂隙水害防治要根據(jù)“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(yè)于遼源煤炭工業(yè)學校地質(zhì)與測量專業(yè),現(xiàn)任大興煤礦工程地測大隊隊長。曾發(fā)表論文6篇。聯(lián)系電話:15104102517。
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