内蒙古大饭铺煤矿掘进工作面出水机理分析及防治水措施

姜 鹏陈爱喜郭中灿

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院,北京市朝阳区,100013; 2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京市朝阳区,100013; 3.国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿,内蒙古自治区鄂尔多斯市,017209)

内蒙古大饭铺煤矿掘进工作面出水机理分析及防治水措施

姜 鹏1,2陈爱喜3郭中灿3

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院,北京市朝阳区,100013; 2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京市朝阳区,100013; 3.国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿,内蒙古自治区鄂尔多斯市,017209)

内蒙古大饭铺煤矿61111掘进工作面掘进至1156 m处遇到断层,工作面发生涌水,造成运输巷掘进前方巷道冒顶,为明确出水水源及对工作面掘进的影响,进行了井下掘进工作面富水性探测和出水水源判别,对工作面掘进出水机理进行了分析,预计了工作面涌水量,在保证技术可行和生产安全的前提下,制定了防治水安全措施,为工作面顺利掘进提供依据。

掘进工作面 瞬变电磁 断层活化导水 出水机理 防治水措施

1 概况

内蒙古大饭铺煤矿开采6＃煤层,煤层平均厚度16 m,61111掘进工作面沿6＃煤层中部布置。掘进工作面掘进至1156 m处遇到正断层,工作面发生涌水,水量从10 m3/h左右逐渐增加至83 m3/h,造成运输巷掘进前方巷道冒顶。在掘进工作面出水后,将井下防排水能力提高到500 m3/h,完善了防排水设施。为了确保煤矿安全施工,同时进一步明确井下掘进工作面出水水源及对工作面掘进的影响,对掘进工作面的出水水源和出水机理进行分析,同时制定了针对性防治水措施,确保了工作面安全掘进。

2 工作面掘进出水水源的判别

2.1 瞬变电磁富水性探测

6＃煤层上覆岩层依次为山西组、下石盒子组、上石盒子组、第三系、第四系,以往工作面出水水源主要是煤层顶板砂岩含水层,底板奥灰含水层由于距离大,对6＃煤层掘进没有影响。在掘进工作面出水后,采用瞬变电磁法对工作面出水区域分别进行了水平和垂直两个不同平面的富水性探测。

图1 瞬变电磁探测成果

瞬变电磁探测成果见图1。由图1可以看出:工作面掘进前方上部(顶板)有大片低阻异常区,此区域相对顶板其他区域有较强的富水性;下部(底板)无低阻异常区域,整体富水性一般,判断在工作面掘进此区域过程中上部(顶板)会出现较大的涌水,而可能的涌水来源是顶板砂岩含水层。

2.2 水化学特征分析判别水源

为判断水源,在掘进工作面出水点取水样,进行了水质化验分析,化验结果见表1。由于煤矿没有各含水层水质类型标准参考,因此,水质分析按照《煤矿水害防治水化学分析方法MT/T 672－1997》进行矿井涌水水源判断。地下水的物理性质和化学性质组成起主导作用的是Na＋(K＋)、Ca2＋、Mg2＋、Cl－、SO42－、HCO3－离子的相对含量和绝对含量,这6种离子的特征随着水文地质条件或其他外界条件的改变而变化。

表1 水质化验特征(运输巷1156 m处)

以主要离子的毫克当量比值初步确定水源, Na＋与Cl－的毫克当量比值为rNa/rCl＝2.14＞1, (rNa－rCl)/rSO4＞1,判断出水点水样具备砂岩水的特征,初步判断出水点水源水为砂岩水。

水样中Na＋的质量浓度为53.17 mg/L,物质的量浓度为2.31 mol/L;HCO3－的质量浓度为408.59 mg/L,物质的量浓度为6.70 mol/L,水样中Na＋与HCO3－的含量很高,说明砂岩中含有大量的钠长石,经过风化水解和离子交换作用形成大量的Na＋和HCO3－。判断掘进工作面出水点水源为煤层顶板山西组砂岩含水层。

3 工作面掘进出水机理分析

3.1 工作面顶板含水层富水性分析

6＃煤层直接充水含水层为顶板砂岩裂隙含水岩组,其主要补给源以大气降水为主。本矿区年平均降水量少且集中,地形起伏大、沟谷纵横,不利于大气降水的入渗。煤系地层出露处普遍地形坡度较大,植被稀少,对排泄大气降水有利。因此补给量非常有限。工作面顶板上覆岩层属于泥岩、砂岩互层交隔的结构,因此含水层之间具有较好的隔水性,在正常情况下,工作面顶板砂岩含水层基本不与其他含水层发生直接水力联系,所以煤层直接充水含水层补给来源贫乏,工作面顶板含水层富水性较弱,且不均一。

3.2 工作面断层活化导水机理

断层是否导水,与断层两盘的岩性、断层的张开度和断层内的充填物质等因素有关。当断层两盘的岩性较弱,断层两盘闭合性较好或者断层内的充填物很紧密时,断层不易导水或者弱导水性。但是断层的导水性不是一成不变的,当断层受到外部的采掘影响,导致断层的闭合性或者断层内充填物的紧密性遭到破坏,此时不导水的断层也会活化变成导水断层,且由于断层导水性在空间上的差异性,断层受外部的影响后,本身的附水性也会变化,此时断层一旦接触到富水性较强的含水区域,本身便会拥有了较强的附水性,随着断层进一步活化,便成为导水通道。

根据资料分析,工作面在掘进过程中遇到正断层,此断层两盘都是软岩,被泥质物充填,且充填物渗透性极弱,因此此断层不易含水和导水。但是随着工作面的掘进,在邻近断层附近区域时,掘进过程中产生较强的采掘扰动,造成掘进前方巷道顶板冒顶,此时断层受到较大采掘扰动张拉力的作用,如图2所示,断层两盘产生相对位移,改变了断层宽度及密实程度,断层带内泥质充填物不断被冲刷而减少,致使断层由原先的微裂隙逐渐发育为裂隙、管道,从而使原本不导水的断层活化形成了导水通道,导通工作面顶板的砂岩含水层,顶板砂岩水沿导水通道进入掘进工作面。

图2 正断层受采掘扰动张拉力的作用示意图

4 工作面采掘安全性分析

4.1 工作面涌水量预测

此掘进工作面直接充水的含水层主要是6＃煤层顶板山西组砂岩裂隙含水层,预计掘进过程中该含水层可能造成工作面的涌水量。在工作面掘进过程中,随着顶板水静储量的释放,顶板含水层水量和水压不断减小,工作面涌水量也随时间衰减。但是,由于顶板含水层富水性较弱,顶板涌水过程较慢,所以可以视为近似稳定的承压—无压稳定流过程,以此选择承压—无压稳定流大井法估算工作面涌水量:

式中:Q——工作面涌水量,m3/h;

k——渗透系数,取0.00118 m/d;

M——含水层厚度,取22 m;

r0——引用半径,取276 m;

H——承压含水层水柱高度,取81.56 m;

R0——工作面引用影响半径,取304 m。

确定参数带入到式(1),计算工作面涌水量为122 m3/h。

4.2 工作面掘进安全性分析

矿井地质构造较为简单,煤层顶板砂岩含水层中的裂隙水为静态水,其富水性弱且不均一,当井下工作面揭露该含水岩组或有导水通道连通该含水岩组时,会造成短暂井下涌水量增大,但由于其补给来源不足,在掘进过程中涌水量会逐渐衰减。

工作面掘进过程出水后,在原有排水设施基础上,增大了防排水能力,排水能力提高到500 m3/h,按照以上大井法预测工作面最大可能涌水量为122 m3/h,因此工作面预计涌水量远小于工作面排水能力,工作面的掘进是相对安全的。

5 防治水措施

煤层顶板砂岩水是采(掘)工作面直接充水水源,由于顶板砂岩裂隙含水层富水性弱且不均匀,具有出水时间短、水量迅速增大、储量以静储量为主等特点,常给掘进和回采工作面的正常生产带来危害,因此采取以下措施保证采掘的安全性。

(1)巷道掘进期间,掘进工作面接近钻孔前,严格检查封孔质量,对于未完全封闭或封闭不合格钻孔,采取相应措施防止通过钻孔导水涌入井下。掘进到顶板淋水较为集中段时,必须对该裂隙段进行打钻超前疏放砂岩水。

(2)排水过峰值再掘进。工作面的疏排水系统至关重要,必须保证其畅通无阻,保证工作面达到最大涌水量以上的疏排水能力。根据顶板水的出水特点,当顶板出水后,涌水持续一段时间后,水量将逐步减少。当排水过涌水量峰值后,工作面再进行正常采掘。

(3)排水过程中要经常检查水仓的有效容量,如果有效容量减少1/3以上时要通知调度室安排清理,以确保水仓的有效容量。

(4)对有影响的裂隙构造进行注浆堵水。采用合理的注浆材料和工艺进行顶板裂隙的注浆加固工程,充填顶板中已经发育的裂隙使之密封闭合,防止顶板裂隙受采掘扰动进一步扩张。

(5)工作面回采前对顶板砂岩含水岩组进行提前疏放排水,使影响6＃煤层采掘安全的上覆砂岩裂隙含水层中的地下水降低水位(水压)或使其局部疏干、减小。

6 结论

(1)通过瞬变电磁探测和水质分析,判断此次掘进工作面出水水源以煤层顶板山西组砂岩含水层水为主。

(2)工作面掘进过程中出水机理主要由于工作面掘进中较强的采掘扰动,导致掘进前方巷道顶板冒落,断层受到采掘扰动张拉应力活化,形成导水通道,导通顶板砂岩含水层。

(3)预测工作面最大涌水量为122 m3/h,掘进工作面最新排水能力提高到500 m3/h,因此工作面的掘进是相对安全的。

(4)工作面回采前应对顶板砂岩含水岩组进行疏放排水,降低上覆砂岩裂隙含水层中水位或使其局部疏干、减小。

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(责任编辑 张艳华)

Water inrush mechanism and its prevention and control at driving face in Dafanpu Coal Mine in Inner Mongolia

Jiang Peng1,2,Chen Aixi3,Guo Zhongcan3
(1．Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2．State Key Laboratory of High Efficient Mining and Clean Utilization of Coal Resources, Chaoyang,Beijing 100013,China; 3．Chahasu Coal Mine,Guodian Inner Mongolia Energy Co．,Ltd．,Erdos,Inner Mongolia 017209,China)

The fault was encountered after driving forward 1156 m of 61111 working face in Dafanpu Coal Mine in Inner Mongolia,leading to the water inrush at the workface．The gradual increase of water inflow caused the roof collapse of haul roadway．In order to define the water source and the influence of water inrush on the driving face,the water flow was measured and the water source was judged．And then the water inrush mechanism was analyzed,and the water inflow at the driving face was predicted．On the premise of feasible technology and production safety,the measures for the prevention and control of water inrush were formulated,providing a basis for the successful excavation of driving face．

driving face,transient electromagnetism,water conduction caused by fault activation,water inrush mechanism,water control measures

TD745

A

姜鹏(1987－),男,硕士学位,主要研究领域:煤矿水害防治及近水体安全开采方面的研究。