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坚硬顶板厚隔水层条件下底板突水致灾机理及全周期治理技术

尹希文, 于秋鸽, 张玉军, 关永强, 樊振丽

尹希文,于秋鸽,张玉军,等. 坚硬顶板厚隔水层条件下底板突水致灾机理及全周期治理技术[J]. 煤炭科学技术,2023,51(S1):318−327

. DOI: 10.13199/j.cnki.cst.2022-2032
引用本文:

尹希文,于秋鸽,张玉军,等. 坚硬顶板厚隔水层条件下底板突水致灾机理及全周期治理技术[J]. 煤炭科学技术,2023,51(S1):318−327

. DOI: 10.13199/j.cnki.cst.2022-2032

YIN Xiwen,YU Qiuge,ZHANG Yujun,et al. Mechanism and whole cycle control technology of water inrush from coal seam floor on condition of hard roof and thick waterproof layer[J]. Coal Science and Technology,2023,51(S1):318−327

. DOI: 10.13199/j.cnki.cst.2022-2032
Citation:

YIN Xiwen,YU Qiuge,ZHANG Yujun,et al. Mechanism and whole cycle control technology of water inrush from coal seam floor on condition of hard roof and thick waterproof layer[J]. Coal Science and Technology,2023,51(S1):318−327

. DOI: 10.13199/j.cnki.cst.2022-2032

坚硬顶板厚隔水层条件下底板突水致灾机理及全周期治理技术

基金项目: 

中煤科工开采研究院有限公司科技创新基金资助项目(KJ-KCQN-03);国家自然科学基金资助项目(51874177)

详细信息
    作者简介:

    尹希文: (1981—),男,江苏涟水人,研究员,博士。E-mail:coolyxw2000@163.com

  • 中图分类号: TD745

Mechanism and whole cycle control technology of water inrush from coal seam floor on condition of hard roof and thick waterproof layer

Funds: 

Science and Technology Innovation Fund Project of China Coal Science and Mining Research Institute Co., LTD. (KJ-KCQN-03); National Natural Science Foundation of China (51874177)

  • 摘要:

    峰峰矿区九龙矿4号煤层顶板为厚3.5 m的坚硬野青灰岩,煤层底板岩层组合为“厚隔水层夹薄层灰岩+奥陶系灰岩”,九龙矿开采4号野青煤以来,发生多起底板奥灰突水事故。针对煤层底板存在厚隔水层且传统井下底板加固甚至区域治理仍无法完全消除奥灰突水的现状,笔者基于零位破坏理论,建立了考虑顶板压力传递的煤层底板采动破坏力学模型,分析了顶板压力传递和承压导升作用下的底板突水致灾机理,提出底板水害“采前−采中−采后”全周期治理技术并通过井下底板验证孔−工作面涌水量−奥灰水位动态变化“三位一体”立体化监测对治理效果进行评价。研究结果表明:① 坚硬顶板条件下,采空区悬露面积大,周期来压强烈,导致底板破坏深度增加,在煤层底板导水构造阶梯式导升作用下容易发生滞后突水;② 通过采前区域治理对煤层底板进行全面加固消除致灾因素,采中对煤层底板微震事件多发、构造发育区域进行重点加固达到减水开采,采后补强加固实现保水开采,创建了工作面底板奥灰水害全周期治理模式;③ 治理后,工作面底板薄层灰岩与奥灰无水力联系,奥灰水位与工作面底板涌水量随工作面来压发生变化,但变化幅度较小,工作面涌水量仅为0.46~1.12 m3/min,治理效果较好。研究结果对华北型煤田坚硬顶板厚隔水层条件下煤层开采底板奥灰水害防治具有一定借鉴意义。

    Abstract:

    Roof of 4#coal seam in Jiulong Colliery ,Fengfeng Mining Area is hard wild-limestone of 3.5m thickness, and the floor is thick aquifuge combined with thin limestone and Ordovician limestone. Since 4# coal seam being mined, some water inrush accidents from floor Ordovician limestone have occurred. In order to analyze the mechanism of floor water inrush on condition of hard roof and thick aquiclude, a mechanical model of floor failure is established based on zero position failure theory to analyze the influence of roof pressure transfer on the failure depth of floor, and the mechanical criterion of confined water lifting is given based on fracture mechanics. In view of the fact that there is thick water resisting layer in the coal seam floor, and the traditional underground floor reinforcement and even regional treatment still can not completely eliminate the Ordovician limestone water inrush, the full cycle treatment technology of floor water disaster is proposed. To evaluate the treatment effect , three-dimensional detection of trinity combined with floor verification hole, working face water inflow and Ordovician limestone water level is utilized. The study has shown that firstly, the hanging roof area is large and the periodic pressure is strong, which leads to the increase of floor damage depth under the condition of hard roof. Combined with the effect of stepped lifting of water conducting, it is easy to occur delayed water bursting. Through the pre mining area treatment, the coal seam floor is comprehensively reinforced to eliminate the disaster inducement factors. During mining, the weak area of coal seam floor is mainly reinforced to achieve water reducing mining. After mining, the water retaining mining is realized by reinforcement. The full cycle treatment mode of Ordovician limestone water disaster is established. After the treatment, there is no hydraulic connection between the thin and Ordovician limestone. The Ordovician limestone water level and the water inflow of the working face floor change with the periodic pressure, but the change range is small. The water inflow of the working face is only 0.46 ~1.12 m3/min, and the treatment effect is well. The results have some significance for the prevention and control of Ordovician limestone water inrush on condition of hard roof and thick aquiclude in North China Coalfield.

  • 峰峰矿区九龙矿主采山西组2号、太原组4号煤层,其中太原组4号煤层直接顶板为厚度约3.5 m厚的坚硬野青灰岩,4号煤层底板含水层分别为山伏青、大青灰岩及厚度高达600 m的巨厚奥陶系灰岩,奥灰水压高达10 MPa,煤层开采受奥灰水害威胁严重[1-2]。关于底板突水机理,国内外学者开展了大量研究工作并取得丰硕成果。早在20世纪40年代,匈牙利学者韦格弗伦斯首次提出了底板“相对隔水层”的概念,建立了底板突水与相对隔水层厚度、含水层水压之间的量化关系,对我国煤层底板水害防治产生较大影响[3]。我国从20世纪60年代开始研究底板突水机理以来,先后提出“突水系数法”、“下三(四)带理论”、“薄板理论”、“原位张裂及零位破坏理论”、“突水优势面理论”、“隔水关键层理论”、“强渗通道学说”及“岩水应力学说”等[4-9],对我国煤矿底板水害防治具有极大推进作用。由于奥灰含水层具有含水层厚度大、静储量大特点,难以疏降,一般采用注浆治理方法进行导、含水层改造,隔水层加固,增加煤层底板隔水层相对厚度,提高岩层综合阻水能力[10-12]。近年来,随着大能力定向导斜钻进技术与装备的快速发展,煤层底板注浆改造与加固从井下局部治理逐渐向地面超前区域化治理转变[13]。2018年颁布的《煤矿防治水细则》明确提出“当底板承压含水层的补给水源充沛,不具备疏水降压和帷幕注浆条件时,可以采用地面区域治理技术进行底板水害防治”[14]

    九龙矿在4号煤开采前虽然已采用井下注浆或地面区域治理技术对底板奥灰含水层进行加固、改造,开采过程中仍发生多起底板奥灰突水事故,如2009年4号煤15423N工作面底板下岩溶陷落柱突水导致淹井。为此,笔者结合九龙矿4号煤工作面顶底板岩层组合特征,分析了坚硬顶板条件下工作面采动应力与底板含水层水压、水量响应时空关系并将顶板压力传递考虑在内,建立了煤层底板破坏力学模型,以揭示坚硬顶板厚隔水层条件下底板突水机理,并提出了“采前−采中−采后”全周期区域治理技术及治理效果“三位一体”立体化检测技术。

    利用钻探及ZXZ20数字全景钻孔成像装置对九龙矿4号煤层顶板岩层岩性及裂隙发育特征进行探查,发现4号煤层直接顶板缺失,基本顶为完整性较好、厚度约3.5 m的坚硬野青灰岩,由此九龙矿4号煤层也称为野青煤,煤层厚度0.75~1.88 m,平均1.12 m,顶板岩层裂隙发育情况钻孔窥视成果如图1所示。

    图  1  顶板岩层裂隙发育情况钻孔窥视图
    Figure  1.  Borehole image of fissure development in roof rock

    4号煤层底板含水层依次为:① 煤层底板下28.32 m左右的山伏青灰岩,厚度1.19~9.73 m,富水性较弱,平均单位涌水量0.0756 L/(s·m);② 煤层底板下80 m左右大青灰岩,厚度0.40~6.84 m,平均单位涌水量0.01 L/(s·m),富水性中等;③ 煤层底板下105 m左右的奥灰岩,厚度500~600 m,单位涌水量为0.006~2.107 L/(s·m),局部地段富水性较强。4号煤层底板主要隔水层为薄层灰岩之间的灰黑色砂质泥岩、粉砂岩及细砂岩组合,隔水层厚度为88.43~103.41 m,属厚隔水层底板,隔水性能较好[15]。4号煤层顶板为坚硬的野青灰岩,底板含、隔水层组合为“厚隔水层夹薄层灰岩+奥陶系灰岩”,如图2所示。

    图  2  野青工作面底板含隔水层空间关系
    Figure  2.  Spatial relationship of aquifer and aquiclude under wild limestone working face floor

    由于4号煤层直接顶缺失,基本顶为3.5 m厚的野青灰岩,在工作面推进期间,因野青灰岩致密坚硬,顶板难垮落,基本顶初次来压步距实测为88~93 m,明显大于非坚硬顶板工作面初次来压步距20~50 m[16];工作面周期来压步距9.9~31.2 m,平均17.4 m,来压步距波动范围较大,不易观测、预测。每次工作面来压,底板含水层压力及出水点涌水量都有一定响应。

    以九龙矿15449S工作面为例,采用KJ520型综采支架压力在线监测系统、矿井水文监测系统对工作面来压情况以及煤层底板山伏青含水层压力进行在线监测。监测结果表明,工作面回采期间共发生28次顶板来压,除前两次及最后一次顶板来压未对煤层底板山伏青灰岩含水层水压进行监测外,剩余25次顶板来压期间含水层压力均被监测。工作面推进期间含水层水压及底板出水点涌水量变化规律如图3所示,图中数字表示来压顺序。

    图  3  山伏青含水层水压、底板出水点涌水量与采动应力响应关系
    Figure  3.  Relationship between mining pressure and shangfuqing limestone aquifer pressure, inrush water from coal bed

    图3可知:① 工作面推进前期,山伏青水压一直处于负增长,而在工作面推进中后期,水压在来压前略有增大而在来压一段时间后减小,表现为滞后降压现象;② 在工作面推进前期,工作面底板出水点涌水量呈阶梯式增大,而在工作面推进中后期,工作面底板出水点在工作面来压后涌水量增大;③ 山伏青含水层水压与底板出水点涌水量整体上呈负相关关系,含水层水压、底板出水点涌水量与工作面来压之间表现为含水层滞后突水、降压现象。

    分析其原因为,山伏青含水层富水性弱,在工作面推进前期,煤层底板第一次破坏导致含水层水量有一次较大疏放,水压下降明显,而在工作面推进中后期,来压前工作面顶板传递给底板含水层的压力导致含水层储水空间压缩,水压增大,来压后随着工作面底板破坏,含水层水进入工作面导致出水点涌水量增大、水压下降。

    由上述分析可知,工作面底板突水与顶板压力传递密切相关。为此,基于九龙矿4号野青煤顶底板岩层组合特征,建立采动应力影响下的底板岩层破坏力学模型,分析底板承压水导升过程以揭示坚硬顶板厚隔水层条件下的底板突水机理。

    基于零位破坏理论[17],在工作推进方向上,工作面开采后煤层底板产生如图4所示的塑性破坏区。

    图  4  工作面开采后底板塑性破坏区
    1—支承压力线;2—塑性滑移线;3—采空区;D—塑性破坏区最大深度;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ—塑性区;φ—底板岩体内摩擦角;箭头表示支承压力及其传递方向
    Figure  4.  Plastic failure zone of floor caused by mining

    塑性破坏区最大深度D满足[18]

    $$ D = \frac{{LB\cos \varphi }}{{2\cos \left(\dfrac{\pi }{4} + \dfrac{\varphi }{2}\right)}} {{\rm{e}}^{\left(\tfrac{\pi }{4} + \tfrac{\varphi }{2}\right)\tan \varphi }} $$ (1)

    式中:L为工作面前方实体煤极限平衡区宽度,即超前支承压力峰值点到煤壁的水平距离,m;B为底板岩石强度系数,一般取2.5~3。

    由式(1)可知,影响煤层底板最大破坏深度的主要因素为工作面前方实体煤极限平衡区的宽度L及底板岩体内摩擦角φ

    工作面开采后形成超前支承压力如图5所示。

    图  5  工作面前方支承压力分布
    Figure  5.  Abutment pressure distribution in front of working face

    图5中,σt为工作面超前支承压力,MPa;K为应力集中系数;γ为工作面上覆岩层的平均体积力,一般为0.025 MN/m3H为煤层埋藏深度,m;M为煤层开采厚度,m;L1为弹性区范围,即支承压力峰值到支承压力恢复为原岩应力点的距离,m。

    在极限平衡区取宽度为dx微元体,对此微元体受力分析可知:

    $$ M({\sigma _{{x}}} + {\rm{d}}{\sigma _{{x}}}) - M{\sigma _{{x}}} - 2{\sigma _{{y}}}f{\rm{d}}x = 0 $$ (2)

    式中:σx为微元体水平应力,MPa;σy为微元体垂直应力,MPa;f为煤层与顶底板岩层间的摩擦因数。

    同时,σxσy满足[19]

    $$ \frac{{{\rm{d}}{\sigma _{{y}}}}}{{{\rm{d}}{\sigma _{{x}}}}} = \frac{{1 + \sin \, {\varphi _0}}}{{1 - \sin \, {\varphi _0}}} $$ (3)

    式中:φ0为煤体的内摩擦角,(°);

    联立式(2)、式(3)可得:

    $$ \ln \, {\sigma }_{{\rm{y}}}=\frac{2f x}{M}\left(\frac{1+\sin \, {\varphi }_{0}}{1-\sin \, {\varphi }_{0}}\right)+C $$ (4)

    式中:C为常数。

    x=0时,σy=N0N0为煤体支撑力,代入式(4)得:

    $$ {\sigma _{{y}}} = {N_0}{{\rm{e}}^{\tfrac{{2fx}}{M}\left(\tfrac{{1 + \sin \,{\varphi _0}}}{{1 - \sin \, {\varphi _0}}}\right)}} $$ (5)

    根据摩尔−库仑准则,煤体自撑力N0满足:

    $$ \left\{ \begin{gathered} {N_0} = \sigma \\ \tau {}_0 = \sigma \tan \, {\varphi _0} + c \\ \end{gathered} \right. $$ (6)

    式中:σ为煤体正应力,MPa;τ0为煤体极限抗剪强度,MPa;c为煤体黏聚力,MPa,破裂区煤体黏聚力近似为0。

    c=0代入式(6)可得:

    $$ {N_0} = {\tau _0}\cot \, {\varphi _0} $$ (7)

    联立式(5)、式(7)得极限平衡区支承压力σy满足:

    $$ {\sigma }_{{\rm{y}}}={\tau }_{0}\cot \, {\phi }_{0}{{\rm{e}}}^{\tfrac{2f x}{M}\left(\tfrac{1+\sin \, {\phi }_{0}}{1-\sin \, {\phi }_{0}}\right)} $$ (8)

    σy=KγH时,得到工作面超前支承压力峰值点到煤壁的水平距离L满足:

    $$ L = \frac{M}{{2f}}\frac{{1 - \sin \, {\varphi _0}}}{{1 + \sin \, {\varphi _0}}}\ln \frac{{K\gamma H}}{{{\tau _0}\cot {\varphi _0}}} $$ (9)

    将式(9)代入式(1)得到煤层底板塑性破坏区最大深度D为:

    $$ D = \frac{M}{{2f}}\frac{{1 - \sin \, {\varphi _0}}}{{1 + \sin \, {\varphi _0}}}\ln \frac{{K\gamma H}}{{{\tau _0}\cot \, {\varphi _0}}}\frac{{B\cos \, \varphi }}{{2\cos \, \left(\dfrac{\pi }{4} + \dfrac{\varphi }{2}\right)}} {{\rm{e}}^{\left(\tfrac{\pi }{4} + \tfrac{\varphi }{2}\right)\tan \, \varphi }} $$ (10)

    当工作面顶板坚硬时,顶板不易垮落,采空区上覆岩层重量通过坚硬未垮落岩层形成的“拱结构”向采空区四周传递的压力增加,工作面超前支承压力峰值增加,即K增大[20]。由式(10)可知,工作面顶板坚硬越坚硬,K值越大,煤层底板最大破坏深度越大,越容易引起底板突水。同时,坚硬顶板来压时产生的动载冲击更加强烈,进一步增加了煤层前方极限平衡区的宽度导致煤层底板破坏深度在来压后达到最大,这也是煤层底板突水往往发生在顶板来压后,表现为滞后突水的主要原因。

    对于厚隔水层而言,在采动应力作用下,底板隔水层不可能发生整体断裂,但在水平压缩力、岩体重力和承压水压力作用下隔水层底板会产生自下向上发展的张拉裂隙[21]。在水压作用下,隔水层底部采动张拉裂隙或原生导水裂隙进一步劈裂,承压水沿着裂隙进一步向上导升,当导升高度接触煤层底板破坏带时,将发生突水。

    承压水在底板隔水层采动裂隙及构造裂隙中的导升过程如图6所示。

    图  6  承压水导升示意
    Figure  6.  Diagram of confined water conducting

    图6可知,当工作面底板隔水层无导水构造时,由于水压劈裂作用有限,奥灰承压水导升高度有限,而薄层灰岩厚度较小,储水能力有限,在厚隔水层条件下一般不会发生灾害性底板突水事故。当工作面底板隔水层含有导水构造时,构造裂隙在水压劈裂和冲刷作用下发生扩容,导水通道由多点面状分散裂隙演变为大型导水通道,奥灰水以薄层灰岩为中转站,递进导升,涌(突)入采掘空间造成严重底板突水事故,甚至淹井。因此,厚隔水层条件下防治水重点应为查找、封堵底板奥灰含水层向上导升通道,如断层、陷落柱等导水构造,防止底板奥灰水补给上部薄层灰岩或导升高度直通底板破坏带造成底板突水事故。

    提出厚隔水层条件下底板奥灰水害“全周期”治理技术,即:

    1)通过采前对煤层底板奥灰含水层顶部进行全面加固、改造,封堵导水通道,消除致灾因素。

    2)采中对工作面回风巷、运输巷两侧微震事件多发、构造发育区域进行重点加固,同时切断奥灰含水层侧向补给,实现减水开采。

    3)采后对工作面附近曾发生突水事故薄弱区进行补强加固,实现保水开采。

    4)在工作面回采及治理过程中,利用“井下底板验证孔奥灰与薄层灰岩水位差异−工作面涌水量动态变化−奥灰长观孔水位动态变化”对治理效果进行“三位一体”立体化监测。

    当工作面巷道两侧煤层底板岩层微震事件较少、构造不发育且工作面周边无突水事故发生时,则只需采前对煤层底板奥灰含水层顶部进行全面加固、改造,封堵导水通道,消除致灾因素并对治理效果进行检验,检验合格后即可进行带压开采,但在开采过程中仍要进行治理效果监测。厚隔水层条件下底板奥灰水害“全周期”治理技流程如图7所示。

    图  7  底板奥灰水害全周期治理技术流程
    Figure  7.  Technical progress of whole cycle treatment for Ordovician limestone water bursting disaster

    15449N工作面为九龙矿井田北五采区4煤层工作面,煤层赋存较稳定,平均煤厚为2.0 m,煤层倾角16°~20°,走向长度825~875 m,倾斜长度84~130 m,工作面地面标高+125~+136 m,井下标高−760~−860 m,开采深度近千米。由于工作面埋深较大,顶板为2.2 m厚坚硬野青灰岩,顶板来压强烈,压架频繁,推进140 m左右时重开切眼。前期物探及工作面掘进过程中揭露断层有6条,向斜1条。其中,5条断层位于工作面外围对工作面回采无影响,包括F10H=17 m,∠75°)、F40−1H=2.5~7.0 m,∠75°)、f01(H=1.2 m,∠75°)、f02(H=1.2~4.0 m,∠80°)、f03(H=1.0 m,∠80°)。F40断层(H=3.0~7.0 m,∠75°)由工作面外围向工作面延伸并尖灭,对工作面回采有一定影响工作面。北五向斜向北五采区下部延伸,对工作面回采也有一定影响。工作面布置及其构造分布如图8所示。

    图  8  工作面布置及其构造分布
    Figure  8.  Working face layout and its structural distribution

    15449N工作面水文地质情况复杂,顶板含水层为厚约2.2 m野青灰岩,底板含水层分别为距煤层底板33 m左右的山伏青灰岩、距煤层底板72 m左右的大青灰岩等薄层灰岩含水层及距煤底板105 m左右的奥灰含水层。煤层顶底板薄层灰岩富水性弱,对工作面回采影响不大,而奥灰岩厚度大,具有一定的动、静水储量,局部富水性较强,威胁工作面安全开采,为工作面煤层底板突水主要防治对象。

    峰峰矿区奥灰岩分为“三组八段”,其中奥灰顶部为厚度13~50 m的风化带,其裂隙、溶蚀溶洞被风化的岩屑等充填,可注性较差,隔水性相对较好。奥灰峰峰组七段是富水性良好的含水层,岩溶裂隙发育,孔隙率为0.03%~0.50%,渗透系数为1.16×10−4~5.8×10−3 m/d,可注性好[22]。采用定向钻进行地面超前区域治理时,治理垂向层位控制在奥灰顶面以下20~60 m。根据峰峰矿区区域治理提出的平面治理范围定量化计算方法,确定15449N工作面区域治理范围为工作面回风巷外196.2 m,运输巷外168.5 m,开切眼外191.3 m。

    在15449N工作面治理范围内施工“注7孔、注7(2)孔、注7(3)孔”3个主孔,进尺3 476 m。施工分支水平孔30个,孔间距为20~48 m,控制层位在奥灰顶面以下20~60 m(其中7-5孔、7-6孔、7(2)-1孔、7(2)-2孔控制层位为奥灰顶面以下50~60 m),分支孔钻探进尺23 388.23 m。主孔及分支孔布置如图9所示。

    图  9  采前底板全面加固主孔及分支孔布置
    Figure  9.  Layout of main and branch borehole for fully reinforcement before mining

    在利用定向钻进行钻井时,水平分支孔探查到明显漏失点60个,并对漏失点进行注浆加固,泵量达到35 L/min以下且注浆终压达到23~25 MPa,满足不小于注浆层位奥灰含水层静水压的2倍要求,稳定30 min后结束单孔注浆,累计注水泥105 660 t。通过采前煤层底板全面加固,封堵奥灰含水层充水通道,消除致灾因素。

    开采过程中监测发现微震事件在垂向上主要发生在“4煤底−伏青下、伏青下−大青下、大青下−奥灰顶界面”范围内,在平面上主要发生在15449N工作面开切眼、15449N工作面运输巷、回风巷及外围、北五向斜轴部。15449N工作面回采过程中,利用注7(3)-3、注7(3)-4、注7-23、注7-24、注7-25、注7-26、注7-27水平分支孔对工作面运输巷、回风巷两侧微震事件多发及构造发育区域进行重点加固,注浆层位为奥灰顶界面下20~60 m,水平分支孔布置如图10所示。

    图  10  采中底板重点加固分支孔布置
    Figure  10.  Layout of main and branch borehole for focused reinforcement during mining

    采中重点加固钻探进尺6 043 m,累计注水泥11 357 t。通过采中对工作面运输巷、回风巷两侧微震频发、构造发育区域进行重点加固,同时截断工作面底板奥灰含水层侧向水源补给,实现减水开采。

    由于15449N工作面西北部15423工作面于2009年曾发生底板奥灰突水事故。同时,15449N工作面底板水是从该工作面北部流入。为此,利用分支孔注7-28、注7-29对15449N工作面北部曾发生突水事故薄弱区进行补强加固,注浆层位为奥灰顶界面下20~40 m。水平分支孔布置如图11所示。

    图  11  采后底板补强加固分支孔布置
    Figure  11.  Layout of main and branch borehole for supplement reinforcement after mining

    采后补强加固钻探进尺2 058 m,累计注水泥4 665 t。通过工作面附近曾发生突水事故薄弱区补强加固,同时从源头截断工作面底板奥灰含水层侧向补给,实现保水开采。

    为了确保工作面带压安全开采,利用井下底板验证孔、奥灰长观孔水位动态变化、工作面涌水量动态变化对全周期治理效果进行“三位一体”立体化监测。

    1)井下底板验证孔立体化检测。以煤层底板大青灰岩、奥陶系灰岩含水层为目标层,在工作面回风巷、运输巷、排水巷等10个钻场施工24个底板验证孔,探查到的伏青灰岩含水层、大青灰岩含水层水位与奥灰水位相差较大,且各孔孔内奥灰含水层涌水量相对较小,水量水压无明显变化,判定伏青灰岩、大青灰岩与下伏奥灰水无水力联系,证实了该处经地面区域治理后,水文地质条件已发生变化,达到了区域治理的目的。

    2)奥灰长观孔水位动态变化检测。15449N工作面推进期间,通过地面奥灰水文孔新1孔和新2孔监测区域内奥灰水位动态变化情况。其中,新1孔仅监测了工作面重开切眼前的奥灰水文动态变化情况,水2孔对工作面重开切眼前后奥灰水位变化进行全程监测,监测结果如图12所示,图中数字表示来压顺序。

    图  12  工作面推进期间奥灰长观孔水位动态变化
    Figure  12.  Dynamic change of Ordovician limestone water level by lone observation during mining

    在工作面推进过程中,奥灰水位发生一定变化,但每次水位变化都对应工作面来压,整体上表现为来压前奥灰水位上升,来压后奥灰水位下降,但奥灰水位变化范围较小,说明对15449N工作面治理效果较好。

    3)工作面涌水量动态变化检测。15449N工作面推进期间,工作面涌水量变化情况如图13所示,图中数字表示来压顺序。

    图  13  推进期间工作面涌水量动态变化
    Figure  13.  Dynamic change of water inrush from floor during mining

    图13可知,推进期间,15449N工作面涌水量在0.46~1.12 m3/min,涌水量比较小,只有在工作面来压期间,涌水量才有稍微增大。2020年7月份以后,工作面推进结束,工作面涌水量保持在0.5 m3/min,说明对15449N工作面采用“采前−采中−采后”全周期治理效果较好。

    1)峰峰矿区九龙矿4号煤顶板为厚度约3.5 m的坚硬野青灰岩,煤层底板含水层为距野青煤层底板28.32、80、105 m左右的山伏青灰岩、大青灰岩和奥灰岩,隔水层厚度为88.43~103.41 m,煤层底板含隔水层组合特征为“厚隔水层夹薄层灰岩+奥陶系灰岩”。

    2)坚硬顶板条件下,随着工作面推进,煤层底板含水层水压整体上处于逐渐减小趋势。同时,水压伴随顶板来压发生规律性变化,在工作面开采前期,随着工作面推进,水压一直处于负增长,而在工作面推进中后期,水压在来压前略有增大而来压后迅速减小。

    3)建立了考虑顶板压力传递的底板破坏力学模型,顶板越坚硬,在煤层底板采动破坏带和导水构造阶梯式导升作用下越容易发生滞后突水。

    4)坚硬顶板厚隔水层条件下底板奥灰水害防治重点应为查找、封堵底板断层、陷落柱等奥灰含水层向上导升通道,防止底板奥灰水补给上部薄层灰岩或导升高度直通底板破坏带造成底板突水事故。

    5)提出坚硬顶板厚隔水层条件下煤层底板奥灰水害防治“采前全面加固、采中重点加固、采后补强加固”全周期治理模式及治理效果“三位一体”立体化检测技术。治理后,煤层底板薄层灰岩与奥灰含水层无水力联系,奥灰水位与工作面底板涌水量随工作面来压发生变化,但变化幅度较小,工作面涌水量仅为0.46~1.12 m3/min,治理效果较好。

  • 图  1   顶板岩层裂隙发育情况钻孔窥视图

    Figure  1.   Borehole image of fissure development in roof rock

    图  2   野青工作面底板含隔水层空间关系

    Figure  2.   Spatial relationship of aquifer and aquiclude under wild limestone working face floor

    图  3   山伏青含水层水压、底板出水点涌水量与采动应力响应关系

    Figure  3.   Relationship between mining pressure and shangfuqing limestone aquifer pressure, inrush water from coal bed

    图  4   工作面开采后底板塑性破坏区

    1—支承压力线;2—塑性滑移线;3—采空区;D—塑性破坏区最大深度;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ—塑性区;φ—底板岩体内摩擦角;箭头表示支承压力及其传递方向

    Figure  4.   Plastic failure zone of floor caused by mining

    图  5   工作面前方支承压力分布

    Figure  5.   Abutment pressure distribution in front of working face

    图  6   承压水导升示意

    Figure  6.   Diagram of confined water conducting

    图  7   底板奥灰水害全周期治理技术流程

    Figure  7.   Technical progress of whole cycle treatment for Ordovician limestone water bursting disaster

    图  8   工作面布置及其构造分布

    Figure  8.   Working face layout and its structural distribution

    图  9   采前底板全面加固主孔及分支孔布置

    Figure  9.   Layout of main and branch borehole for fully reinforcement before mining

    图  10   采中底板重点加固分支孔布置

    Figure  10.   Layout of main and branch borehole for focused reinforcement during mining

    图  11   采后底板补强加固分支孔布置

    Figure  11.   Layout of main and branch borehole for supplement reinforcement after mining

    图  12   工作面推进期间奥灰长观孔水位动态变化

    Figure  12.   Dynamic change of Ordovician limestone water level by lone observation during mining

    图  13   推进期间工作面涌水量动态变化

    Figure  13.   Dynamic change of water inrush from floor during mining

  • [1] 赵兵文,关永强. 大采深矿井高承压奥灰岩溶水综合治理技术[J]. 煤炭科学技术,2013,41(9):75−78. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2013.09.018

    ZHAO Bingwen,GUAN Yongqiang. Comprehensive treatment technology of high pressure-bearing ordovician limestone karst water in large mining depth Mine[J]. Coal Science and Technology,2013,41(9):75−78. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2013.09.018

    [2] 刘存玉,关永强. 峰峰集团九龙矿15423N工作面特大突水原因剖析[J]. 煤矿安全,2013,44(8):187−190. doi: 10.13347/j.cnki.mkaq.2013.08.072

    LIU Cunyu,GUAN Yongqiang. Analysis on heavy water inrush at 15423N working face in Jiulong coal mine of Fengfeng Group[J]. Safety in Coal Mines,2013,44(8):187−190. doi: 10.13347/j.cnki.mkaq.2013.08.072

    [3] 尹尚先,连会青,徐 斌,等. 深部带压开采: 传承与创新[J]. 煤田地质与勘探,2021,49(1):170−181.

    YIN Shangxian,LIAN Huiqing,XU Bin,et al. Deep mining under safe water pressure of aquifer: Inheritance and innovation[J]. Coal Geology & exploration,2021,49(1):170−181.

    [4] 国家煤矿安全监察局. 煤矿防治水细则[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2018.

    National Mine Safety Administration. Detailed rules for water prevention and control in coal mines[M]. Beijing: China Coal Industry Publishing House, 2018.

    [5] 施龙青,宋振骐. 采场底板“四带”划分理论研究[J]. 焦作工学院学报(自然科学版),2000,19(4):241−245.

    SHI Longqing,SONG Zhenqi. Theoretical study of four-zone division of mining floor[J]. Journal of Jiaozuo Institute of Technology(Natural Science),2000,19(4):241−245.

    [6] 张金才. 煤层底板突水预测的理论判据及其应用[J]. 力学与实践,1990,12(2):35−38.

    ZHANG Jincai. Theoretical criterion and its application for predicting water inrush from coal seam floor[J]. Mechanics of Engineering,1990,12(2):35−38.

    [7] 王作宇,刘鸿泉,王培彝,等. 承压水上采煤学科理论与实践[J]. 煤炭学报,1994,19(1):40−48. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.1994.01.008

    WANG Zuoyu,LIU Hongquan,WANG Peiyi,et al. Theory and practice of coal mining discipline on confined water[J]. Journal of China Coal Society,1994,19(1):40−48. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.1994.01.008

    [8] 高延法, 施龙青, 娄华君, 等. 底板突水规律与突水优势面[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1999.

    GAO Yanfa, SHI Longqing, LOU Huajun, et al. Law of mining floor water-inrush and its preferred plane[M]. Xuzhou: China University of Mining and Technology Press, 1999.

    [9] 黎良杰,殷有泉,钱鸣高. KS结构的稳定性与底板突水机理[J]. 岩石力学与工程学报,1998,17(1):40−45. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.1998.01.006

    LI Liangjie,YIN Youquan,QIAN Minggao. Stability of KS structureand mechanism of water inrush from floor[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,1998,17(1):40−45. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.1998.01.006

    [10] 曹胜根,李国富,姚强岭,等. 煤层底板突水水量预测及注浆改造技术[J]. 岩石力学与工程学报,2009,28(2):312−318. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2009.02.013

    CAO Shenggen,LI Guofu,YAO Qiangling,et al. Prediction of quantity of water inrush from coal seam floor and its reinforcement technique by grounting[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(2):312−318. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2009.02.013

    [11] 李晓龙,张红强,郝世俊,等. 煤层底板奥灰水害防治定向钻孔施工关键技术[J]. 煤炭科学技术,2019,47(5):64−70.

    LI Xiaolong,ZHANG Hongqiang,HAO Shijun,et al. Key techniques for directional drilling & construction for control of coal floor Ordovician limestone karst water disaster[J]. Coal Science and Technology,2019,47(5):64−70.

    [12] 虎维岳,赵春虎,吕汉江. 煤层底板水害区域注浆治理影响因素分析与高效布孔方式[J]. 煤田地质与勘探,2022,50(11):134−143.

    HU Weiyue,ZHAO Chunhu,LV Hanjiang. Main influencing factors for regional pre-grouting technology of water hazard treatment in coal seam floor and efficient hole arrangement[J]. Coal geology & exploration,2022,50(11):134−143.

    [13] 董书宁,刘其声,王 皓,等. 煤层底板水害超前区域治理理论框架与关键技术[J]. 煤田地质与勘探,2023,51(1):185−195. doi: 10.12363/issn.1001-1986.22.10.0813

    DONG Shuning,LIU Qisheng,WANG Hao,et al. Theoretical framework and key technology of advance regional control of water inrush in coal seam floor[J]. Coal Geology & Exploration,2023,51(1):185−195. doi: 10.12363/issn.1001-1986.22.10.0813

    [14] 武 强. 煤矿防治水细则解读[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2018.

    WU Qiang. Interpretation of detailed rules for water prevention and control in coal mines[M]. Beijing: China Coal Industry Publishing House, 2018.

    [15] 尹尚先,王 屹,尹慧超,等. 深部底板奥灰薄灰突水机理及全时空防治技术[J]. 煤炭学报,2020,45(5):1855−1864. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2020.0398

    YIN Shangxian,WANG Yi,YIN Huichao,et al. Mechanism and full-time-space prevention and control technology of water inrush from Ordovician and thin limestone in deep mines[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(5):1855−1864. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2020.0398

    [16] 钱鸣高, 石平五, 许家林. 矿山压力与岩层控制[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2010.

    QIAN Minggao, SHI Pingwu, XU Jialin. Mine pressure and strata control[M]. Xuzhou: China University of Mining and Technology Press, 2010.

    [17] 王作宇,刘鸿泉. 煤层底板突水机制的研究[J]. 煤田地质与勘探,1989,17(1):36−39, 71−72.

    WANG Zuoyu,LIU Hongquan. Mechanism of water inrush from coal seam floor[J]. Coal Geology & exploration,1989,17(1):36−39, 71−72.

    [18] 张金才,刘天泉. 论煤层底板采动裂隙带的深度及分布特征[J]. 煤炭学报,1990,15(2):46−55. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.1990.02.002

    ZHANG Jincai,LIU Tianquan. Study on depth of fissured zone in seam floor resulted from coal extraction and its distribution characteristics[J]. Journal of China Coal Society,1990,15(2):46−55. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.1990.02.002

    [19] 刘鸿文. 材料力学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2010.

    LIU Hongwen. Mechanics of Materials[M]. Beijing: Higher Education Press, 2010.

    [20] 谢广祥,王 磊. 采场围岩应力壳力学特征的工作面长度效应[J]. 煤炭学报,2008,33(12):1336−1340. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2008.12.002

    XIE Guangxiang,WANG Lei. Effect of long wall length on mechanical characteristics of surrounding rock stress shell in mining face[J]. Journal of China Coal Society,2008,33(12):1336−1340. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2008.12.002

    [21] 王经明. 承压水沿煤层底板递进导升突水机理的模拟与观测[J]. 岩土工程学报,1999,21(5):546−549. doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.1999.05.004

    WANG Jingming. In-situ measurement and physical analogue on water inrush from coal floor induced by progressive intrusion of artesian water into protective aquiclude[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1999,21(5):546−549. doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.1999.05.004

    [22] 张党育,蒋勤明,高春芳,等. 深部开采矿井水害区域治理关键技术研究及发展[J]. 煤炭科学技术,2017,45(8):8−12. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2017.08.002

    ZHANG Dangyu,JIANG Qinming,GAO Chunfang,et al. Study pro-gress on key technologies for regional treatment of Karst water damage control in the floor of North China Coalfield[J]. Coal Science and Technology,2017,45(8):8−12. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2017.08.002

  • 期刊类型引用(5)

    1. 吴雪菲. 基于改进脆弱性指数法的采前煤层底板突水风险评价. 煤矿安全. 2025(07) 百度学术
    2. 苗葳, 武强, 李国栋, 许延春, 李兴国. 基于底板“双关键层”控水模型优化地面区域水害治理方案. 中国煤炭. 2025(06) 百度学术
    3. 赵梦令,王胆,尚国安,邢克兵,肖建雄,李元浩. 隔水层控制型边坡失稳机理模拟研究. 露天采矿技术. 2025(02): 1-6 . 百度学术
    4. 陈积鑫,王开,张小强,姜玉龙,侯建,潘晨鸿,王文伟. 循环载荷作用下饱水灰岩力学性能及能量演化规律研究. 矿业研究与开发. 2024(04): 203-212 . 百度学术
    5. 黄琪嵩,许波,冯俊军,林晓飞,程久龙,彭俊. 考虑顶板断裂动载作用的采场底板破坏深度研究. 煤田地质与勘探. 2024(12): 13-24 . 百度学术

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-30
  • 网络出版日期:  2023-09-15
  • 刊出日期:  2023-05-31

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