深部煤層開采高承壓水突水預(yù)報及控制

1、第23卷第6期 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報 2004年12月 V ol.23 No.6 Journal of Liaoning Technical University Dec. 2004文章編號：1008-0562(200406-0758-03深部煤層開采高承壓水突水預(yù)報及控制王希良1，彭蘇萍2，鄭世書3（1. 石家莊鐵道學(xué)院 交通系，河北 石家莊 050043；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 研究生院, 北京 100083；3. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221008）摘 要：以煤礦沉積巖體的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)為切入點，利用地震和地質(zhì)雷達技術(shù)實現(xiàn)軟弱結(jié)構(gòu)面的準(zhǔn)確空間定位和巖體結(jié)構(gòu)的精

2、細探測。在GIS 的支持下，建立煤層底板突水預(yù)測模型，提出底板突水評價指標(biāo)體系，為煤礦深部開采提供系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)和安全可靠的技術(shù)方法。采用先進工藝的注漿堵水技術(shù)，對高承壓水實施封堵，堵水效果100%。為深部煤層高承壓含水層上安全開采提供了一套較成功的預(yù)報和控制技術(shù)。關(guān)鍵詞：深部開采；高承壓含水層；突水預(yù)報；控制技術(shù)中圖分類號：TD 742.1 文獻標(biāo)識碼：AControlling and predicting water inrush with highpressure in deep miningWANG Xi-liang1，PENG Su-ping2，ZHENG Shi-shu3（1. D

3、epartment of Traffic, Shijiazhuang Railway Institute，ShijiaZhuang 050043，China ；2. Beijing Campus Graduate College of China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China ；3. College of Natural Resources and Geosciences of China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China ） Abs

4、tract ：Keeping the engineering geology and hydrogeology structure of sedimentary rock mass to the point，the exact location of soft structure and careful surveying are fulfilled. with the help of GIS，the model of predicting water inrush is established, and the index system of assessment for water inr

5、ush is put forward, so , the theory foundation and reliable technology for deep mining are provided. Using grouting method with advanced technology, the water inrush with high pressure is successfully perverted up. Successful predicting and controlling technology for safety mining coal on the aquife

6、r with high-pressure are provided. Key words: deep mining；water-bearing with high pressure；forecasting for water inrush；controlling technology0 引 言華北地區(qū)石炭二疊系煤田受底板奧陶系灰?guī)r水的威脅越來越大，突水淹井事故時有發(fā)生，嚴重地影響和制約了煤炭企業(yè)的發(fā)展。因此，研究煤礦底板突水規(guī)律及機理，采取有效地方法進行預(yù)測預(yù)報，為受巖溶水威脅煤層開采提供可靠的水文地質(zhì)依據(jù)，已成為煤礦安全生產(chǎn)中急需解決的重大課題。自從煤礦底板突水問題出現(xiàn)以后，即引起了國內(nèi)外學(xué)

7、術(shù)界和工程界等領(lǐng)域內(nèi)的專家、學(xué)者的高度重視和極大興趣，他們從各自的領(lǐng)域出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)的先進理論和技術(shù)，在煤礦底板突水機理、預(yù)測預(yù)報和防治等方面取得了豐富的成果： 側(cè)重于水文地質(zhì)方面研究的突水系數(shù)和“下三帶”理論； 重點研究煤層底板巖體變形破壞的零位張裂與破壞、梁板模型和關(guān)鍵層理論等。然而，由于煤礦底板巖溶水突出的影響因素多、機制復(fù)雜而使傳統(tǒng)的底板突水預(yù)測方法遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，這些理論和技術(shù)雖然在不同程度上為防治底板突水起到了積極的作用。但預(yù)測預(yù)報的精度仍然較差，特別是在指導(dǎo)深部煤炭資源開發(fā)時困難更大，突水淹井事故時有發(fā)生，造成了很大的經(jīng)濟損失。隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)和信息技術(shù)的出現(xiàn)，為解決煤礦底

8、板突水問題提供了契機，以GIS 為代表的信息技術(shù)提供了有力的理論依據(jù)和技術(shù)支持，它能綜合考慮與底板突水有關(guān)的地質(zhì)、水文地質(zhì)和開采條件等因素，建立的突水危險程度分區(qū)圖像和突水預(yù)報模式比較符合實際情況，以其快速處理、實時決策的特點，為煤礦安全開采提供正確、直觀的地質(zhì)依據(jù)。 在邢臺煤礦底板開采實踐中，將地質(zhì)雷達和地震探測技術(shù)、GIS 和具有先進工藝注漿技術(shù)應(yīng)用于高承壓突水預(yù)報和控制，取得了較好的效果。收稿日期：20031027基金來源：河北省教育廳博士基金資助項目（B2002115） 作者簡介：王希良（1966-），男，山東 平度人，博士，副教授。本文編校：唐巧鳳第6期 王希良等：深部煤層開采高承壓

9、水突水預(yù)報及控制 759301 1 001 1 1 001 1 1 001201 10011 1 001101 1 0011 10011 1 0011 1 0011 煤層底板突水機理和主影響因素多年開采實踐及大量突水事例和理論表明，奧陶系灰?guī)r含水層的存在是煤層底板突水的物質(zhì)基礎(chǔ)，其水壓和巖溶發(fā)育程度直接影響了突水危險程度和突水量的大小。水壓的大小和隔水層的工程巖體力學(xué)特性是決定底板能否突水的一對矛盾，當(dāng)水壓和隔水層的穩(wěn)定性處于相對平衡狀態(tài)時，斷層起控制作用，使矛盾由不突水向突水方向轉(zhuǎn)化13FL SP 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000圖1 單炮

10、記錄解釋。Fig.1 section of seismic survey for engineering geology of working face概括地說，影響煤層底板突水的主要因素有四種：奧陶系灰?guī)r含水層的富水性、奧陶系灰?guī)r含水層作用于煤層底板上的頂托壓力、對底板突水起控制作用的斷層、抑制突水的底板隔水層厚度。2 煤礦底板突水預(yù)測方法煤層底板突水的發(fā)生，受地質(zhì)、水文地質(zhì)和開采條件等多種動態(tài)因素的影響，突水模式的建立和預(yù)測方法的確定應(yīng)既能反映底板突水機理，又能同時考慮多種突水因素及其它們之間的相互作用。研究的目標(biāo)是在地理信息系統(tǒng)的支持下應(yīng)用信息復(fù)合的方法，構(gòu)造一個包含多變量的、具有實際物

11、理意義的數(shù)學(xué)模型，以反映多因素對底板突水的綜合作用及機理。3 用地質(zhì)雷達和地震技術(shù)探測巖體結(jié)構(gòu)（1）地質(zhì)雷達探測 探測原理 在已破壞和未破壞的巖層分界處，形成了兩種介質(zhì)，已破壞的巖層對電磁波吸收較大，電磁波速度小，未破壞的巖層對電磁波吸收較小，電磁波速較大，因此，在雷達剖面上已破壞巖層與未 試驗區(qū)地質(zhì)、開采破壞巖層會產(chǎn)生明顯的界面4；條件 煤層總厚度6.4 m，傾角4º12º，煤層頂板為9.516.3 m的粉砂巖、砂巖，節(jié)理發(fā)育，煤層底板為一層厚7.5 m粉砂巖，下部為0.2 m薄煤層，煤層下部為中粒砂巖。工作面埋深334384 m、傾斜長度為100 m。采煤方法為放頂煤開

12、采，采用長壁傾斜、區(qū)域后退垮落式分層開采，分層采高為2.83.0 m； 試驗結(jié)果 試驗結(jié)果表明，工作面最大破壞深度為11.7 m，在最大破壞深度范圍內(nèi)，底板巖體以下各段破壞程度不同，自底板以下其破壞程度依此減弱，亦即當(dāng)它們受到水壓作用時，其阻水能力是不同的。 （2）地震探測 探測原理 在工程巖體結(jié)構(gòu)松動破碎區(qū)，地震波波速較小而振幅衰減較快，反之，在巖體結(jié)構(gòu)較完整區(qū)，地震波波速較大、振幅衰減較慢。破壞范圍的巖體與其周圍未破裂的巖體的結(jié)構(gòu)不同，它們之間形成一個明顯的波阻抗界面，因此，可以利用地震波頻率波速的變化曲線來劃分不同的工程地質(zhì)區(qū)5,6； 探測結(jié)果 分別在巷道的頂板、底板、兩幫布置檢波器，獲

13、得各斷面的單炮記錄，通過比較直達波和折射波頻率的相對高低、采用多點交匯法作圖，劃分工作面的工程地質(zhì)范圍。從圖1可以看出，工作面不同部位地震波的頻率是不同的，這反映了地震波在不同的巖體結(jié)構(gòu)介質(zhì)中的傳播速度是不同的，也說明了巷道圍巖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多樣性。如圖1，1218、2327道地震波速最低，巖體結(jié)構(gòu)最松散、工程地質(zhì)條件最差，59、912道地震波速度較低，巖體結(jié)構(gòu)較松散，工程地質(zhì)條件較差；15、2730道地震波速較高，巖體結(jié)構(gòu)較完整，工程地質(zhì)條件較好；1823道地震波速最高，巖體結(jié)構(gòu)相對其他區(qū)段最完整，工程地質(zhì)條件最好。根據(jù)以上分析，工作面可劃分為表1的4個工程地質(zhì)區(qū)。表1 工作面工程地質(zhì)條件分類T

14、ab.1 classification of engineering geology of working face區(qū) 工程地質(zhì)條件良好區(qū)，地震波速度相對最高，反射散射波曲線規(guī)則，巖體平均速度>3 000m/s。區(qū) 工程地質(zhì)條件中等區(qū)，地震波速度較高，反射散射波曲線較規(guī)則，巖體平均波速2 5003 000 m/s。區(qū) 工程地質(zhì)條件較差區(qū)，地震波速度較低，反射散射波曲線不規(guī)則，巖體平均波速20002 500 m/s。區(qū) 工程地質(zhì)條件最差區(qū)，地震波速度最低，反射散射波曲線極不規(guī)則，巖體平均波速<2 000 m/s。4 GIS支持下突水模式的建立與預(yù)測對奧陶系灰?guī)r含水層水壓、奧陶系灰?guī)r巖

15、溶發(fā)育程度、斷層網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度和隔水層有效厚度4種因素量化后，利用ARC/INFO的數(shù)據(jù)輸入功能，將量化結(jié)果輸入計算機，繪制成等值線圖，建立拓撲關(guān)系后，以專題層的形式存儲。在GIS 的支持下，對影響煤層底板突水的因素逐一分析，確定與底板突水相關(guān)程度較高的主要因素，根據(jù)底板突水機理，構(gòu)筑初始數(shù)學(xué)模型，并與實際突水點進行復(fù)合處理，經(jīng)反復(fù)運算，最后得出比較符合實際的突水模式7602T SZ =K g (W P +F d +K g /M V遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報 第23卷的在于固結(jié)一定深度范圍內(nèi)的巖體，使圍巖完整、強度提高。注漿孔呈梅花型布置在突水點周圍，孔深1.82.0 m，控制距離35 m。采取間歇注

16、漿的方法并注意掌握好注漿節(jié)奏，一開始注較濃的漿液，適當(dāng)加大水玻璃的比例和質(zhì)量濃度，同時，加入一定量的高凝膠化劑。深孔打至較完整的圍巖，以漿液擴散至出水口12 m為準(zhǔn)，為防治跑漿過多，在漿液中加入了一定量的高凝膠化劑，堵水效果100%。式中Tsz 突水指數(shù)；K g 巖溶發(fā)育程度；W P 奧陶系灰?guī)r含水層水壓；F d 斷層分維值；M V 隔水層有效厚度。根據(jù)突水模式的輸出結(jié)果，對煤層底板突水危險程度進行劃分，如圖2。 突水區(qū)（Tsz 1.5）：突水點大多發(fā)生在此區(qū)域，這些地區(qū)在開采之前必須做專門的礦井水文地質(zhì)探查，并采取切實可行的防治水措施； 可能突水區(qū)（0.7Tsz <1.5）：本區(qū)在安全

17、開采取得經(jīng)驗的基礎(chǔ)上再進行開采，并制定切實可行的防治水措施； 基本安全區(qū)（Tsz <0.7）：這些地區(qū)在正常地質(zhì)條件下一般不會發(fā)生突水，但在開采之前仍應(yīng)進行礦井水文地質(zhì)探查、編制開采方案和制定相應(yīng)的防治水措施?？赡芡凰畢^(qū) 基本安全區(qū)圖2 邢臺煤礦下組煤開采突水危險性分區(qū) 突水區(qū)Fig. 2 zones of water inrush from coal seam floor6 結(jié) 論 根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)理論及電磁波、地震波的傳播特性，采用地質(zhì)雷達和地震技術(shù)可以對軟弱結(jié)構(gòu)面和巖體結(jié)構(gòu)進行精細探測； 應(yīng)用地質(zhì)雷達和地震技術(shù)進行地下工程巖體結(jié)構(gòu)的探測，突破了傳統(tǒng)的以地質(zhì)素描為手段的工程地質(zhì)條件定性認

18、識的局限性，提高了工程地質(zhì)條件評價的定量化水平； 從突破的觀點來看，工程巖體的破壞及底板突水總是先從工程地質(zhì)條件最差的地段發(fā)生，然后才由點到面，逐漸擴展到全部，因此在制定防治水方案時應(yīng)對突破點（、區(qū)）首先進行控制； 應(yīng)用GIS 預(yù)測預(yù)報煤層底板突水的危險性，克服了傳統(tǒng)預(yù)測方法的局限性，對突水機理的認識更加深刻，評價結(jié)果比較符合實際情況； 可以利用地理信息系統(tǒng)快速運算能力和實時決策的特點，進行底板突水的短期實時預(yù)報，為煤礦安全生產(chǎn)提供可靠的水文地質(zhì)保障； 化學(xué)漿液是一種具有可灌性、粒間滲透能力強、抗壓抗剪力學(xué)性能指標(biāo)高、穩(wěn)定性和抗老性能好等特點的優(yōu)異漿材，特別適應(yīng)于巖石類突水點的堵水工程； 整個治水過程，設(shè)計合理，注漿工藝簡單，成本較低，施工時間短，堵水效率高。既節(jié)約排水費用，又消除了事故隱患，同時，也保護了寶貴的巖溶水資源，經(jīng)濟效益和社會效益十分明顯。 參考文獻：1 張大順, 鄭世書. 地理信息系統(tǒng)技術(shù)及其在煤礦底板水害預(yù)測中的應(yīng)用M.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1996.2 王希良.GIS 支持下的煤礦底板突水預(yù)報研究J.工程勘察,2001,(1:20-2.3 王則才. 國莊礦北大巷突水通道分析J.煤田地質(zhì)與勘探,2001,(6:6-7 4 楊永杰. 巷道圍巖松動圈的地質(zhì)雷達探測及