承压水防治（精选8篇）
承压水防治 篇1
摘要：新安煤矿矿井水文地质类型极复杂,煤层赋存不稳定,开采受底板奥灰承压水影响较大。针对13151工作面水文地质条件,在不同时期通过利用地震勘探、瞬变电磁勘探和钻探等物理手段开展探采对比研究,形成了多指针聚焦型查异模式,有针对性地实施了疏水降压和底板注浆加固工程,并对不稳定煤层底板承压水综合防治技术进行了应用实践。
关键词：不稳定煤层,奥灰承压水,综合探查,疏水降压
河南大有能源股份有限公司新安煤矿位于河南省新安县城以北15 km处,1988年底建成投产,井田面积50.3 km2,设计生产能力150万t/a,主采二叠系山西组二1煤层,煤种为贫瘦煤,煤厚0～18.8 m,平均厚4.22 m。
新安煤矿矿井水文地质类型属极复杂型,奥陶系灰岩为该地区的强含水层,属底板间接充水含水层,平均距二1煤底板53 m,其间有本溪组铝土质泥岩稳定隔水层,在地层无构造破坏的情况下,可有效阻止奥灰水进入矿井。如果煤层底板有穿透奥灰层的断裂存在,同时又处在奥灰水径流带时,将有可能造成煤层底板突水[1]。新安煤矿13151工作面在不同时期通过利用地震勘探、瞬变电磁勘探和钻探等物理手段开展探采对比研究,有针对性地实施疏水降压和底板注浆加固工程,进行了不稳定煤层底板承压水综合防治技术应用实践。
1工作面概况
新安煤矿13151工作面为走向长壁布置,位于矿井一水平13采区下山东翼中部,且为该下山采区唯一的工作面,四邻基本无采掘工程;地面无村庄、水体,东南距黄河小浪底库区600 m。地面标高平均+320 m,工作面标高平均+30.5 m,平均埋深289.5 m,可采面积77 500 m2。根据巷道圈定期间揭露煤岩层情况统计,该工作面煤厚0～13 m,平均煤厚2.6 m,变异系数67%,可采指数0.82,煤层结构简单,偶有夹矸和FeS2结核,局部存在尖灭或分层现象,煤层倾角7°～18°,底板起伏较大,呈藕节状赋存,小型褶曲较发育,煤层不稳定。巷道掘进过程中未揭露断层,但不排除工作面内部有隐伏构造。
13采区奥灰水压监测孔标高+32 m,监测水压2.3 MPa。13151运输巷最低处+12 m,预计承受奥灰水压最大2.5 MPa。该区奥灰岩溶含水层原有的补给水量,主要来自矿区西北部寒武—奥陶系地表裸露区的大气降水和河道的岩溶漏水区段,地下水的总流向是由西向东,流经新安矿井田并继续向东,最终排泄入黄河。小浪底水库蓄水后,这一带的黄河水位已由原来的+210 m提高到目前的+263 m,奥灰水地下径流的排泄点标高相应地抬升了53 m,水力梯度和流速也相应变小,从而对奥灰水的补给、排泄和突水量的大小产生一定的影响。
2地面三维地震勘测
2007年,河南省煤田地质局物探测量队对13采区下山东翼进行了地面三维地震勘探,预测存在断层9条,落差5～10 m的断层有3条,即DF32、DF35、DF39断层(均为可靠断层)。其中DF35断层位于目前的13151运输巷11#钻场以西12 m处(图1),为倾向正断层,落差最大6 m,倾角70°。
在13151运输巷掘进至该段前,煤层底板下伏,煤岩变化紊乱,于是超前60 m发出断层预报,并加强超前钻探和巷道支护工作。由于超前探孔发现前方煤岩互层,但未发现断层产状和异常水情,随即制订了安全措施,有步骤地边探边掘。经过对运输巷实测剖面跟踪素描比较(图2),验证了“预测DF35断层”实际上是煤岩层褶曲构造发育带,该带显示出了煤层在沉积过程中受到了环境渐变、河流冲蚀和地壳运动的综合作用。
3二1煤层底板三维建模
13151工作面圈定后,即将巷道揭露煤层底板数据进行了统计建库,利用Surfer软件生成了二1煤层底板三维立体模拟图。图3较为直观地反映出了“安全硐室—11#钻场”一带底板凹陷状况。本质上,该向斜构造透射出该区段存在地应力变化带,在这种不均衡的应力分布情形下,必然存在隐伏断层或裂隙。当受到采掘活动扰动后,隐伏断裂可能继续发展延伸,以致导通底板奥灰承压水。
4瞬变电磁探查
为了进一步明确底板富水异常区,在13151工作面备采期间,利用TEM-47(增强型)瞬变电磁仪,对两巷和切眼巷道底板分别布置了内帮30°和垂直方向的2条作业线。各测线的原始数据由接收机传入计算机,经整理完善后,在BETEM中按顺序通过多种校正、转换和正、反演计算,求出地层的视电阻率值,并把时间转换为距离,从而得到全空间视电阻率。根据得到的视电阻率值生成视电阻率剖面图和水文成果平面图,依据图件中地层相对高、低阻电性分布情况,结合工作面现场的水文地质资料,得到勘探区内岩层富水性的立体分布信息,从而判断出富水区域和深度[2]。
经探查共发现1处低阻异常区,位于运输巷回风巷口向东380～400 m范围内,也就是向斜构造东翼区段,且富水异常区大部分在工作面内部,运输巷内侧底板30°俯探剖面(图4)阻值对比较为明显,即说明这一点。
该处异常区显示位于二1煤层底板40 m以深区域,向工作面内有一定程度延伸,其视电阻率值偏低,属中度异常。分析该异常区处于奥灰上部层位,岩溶裂隙较发育,在高水压作用下,奥灰水向上有一定程度的导升。在回采中期和后期,存在有突水风险。
5钻探查证
按照“有疑必探、先治后采”的原则,编制了13151运输巷异常区钻孔验证的技术方案及安全措施,根据低阻异常区的空间展布特点,为提高探查效率,在13151运输巷11#钻场内,靠左侧施工了1个钻孔,终孔至奥灰岩层顶界面(图5)。钻孔垂直运输巷指向工作面内部,即方位角北偏西53°,俯角60°,钻至11.5 m深孔内出水,用泵坑容积法测算涌水量为4 m3/h,水压1.3 MPa,该段取岩心为硅质泥岩(铁里石),明显有裂隙发育,并有方解石侵入。
钻至33.5 m,出水量10 m3/h,水压1.6 MPa;至60.0 m深停止钻进,涌水量17 m3/h,水压2.1 MPa。
6疏水降压
利用11#钻场探查孔对水进行疏放。将11#钻场探查孔闸阀接通供水管,用于工作面回采期间煤层注水、降尘喷雾、冲洗巷帮以及沿空留巷和浆砌墙等生产用水。通过跟踪观测,工作面圈定后至今7个月巷道未出现底鼓变形现象,钻孔水压降至1.7 MPa,说明水源孔周边已经形成了长期的降深漏斗。底板含水层探查孔用作水源孔,不仅实现了疏水降压,还充分利用了水资源。
7结语
新安煤矿对不稳定煤层底板承压水采用物探和钻探综合探查方法,形成了多指针聚焦型查异模式,有效提高了富水异常区的圈定精度。
针对13151工作面底板富水区的进一步治理工作,确定工作面回采至11#钻场前通过钻孔对底板裂隙注浆加固,并对钻孔加压封注;对向斜西翼区段重点监测,采后对沿空留巷底板加强监测,防止滞后底鼓突水,开采下部相邻工作面前应重点复查。
参考文献
[1]柯妍,曾勇.新安矿二1煤底板突水性评价及防治建议[J].煤炭技术,2007,26(11):62-65.
[2]段中稳,李全,童宏树,等.瞬变电磁法在预测任楼煤矿导水陷落柱中的作用[J].江苏煤炭,2004(2):13-14.
承压水防治 篇2
【关键词】微承压水；承压水；异型结构；超深基坑；风险等级；按需降水；风险控制；专项奖励；应急抢险设备
Accept press water difference type deep pit with super structure to open to dig a stage construction superintendency practice
Li Bin-yin
(Shanghai Jiantong engineering construction limited coMPany Shanghai 200030)
【Abstract】This text aim at orbit transportation No.13 line shield Gou measure well engineering in Shanghai existence tiny accept to press water and accept to press water complications of hydrology geology condition，engineering disadvantageous of difference type structure with super deep the Ji pit characteristic and Ke engrave of the environmental protection work condition condition，analysis the risk grade of engineering and take charge of a type，and how carry on open to dig ex- preparation and open to dig process in of superintendency，especially at meet actual problem adopt to sex measure to carry on study；The author combine this engineering superintendency to practice，summary accept to press water difference type the structure be super deep Ji pit engineering construction the superintendency realize and provide colleague reference.
【Key words】Tiny accept to press water；Accept to press water；Difference type structure；Super deep Ji pit；Risk grade；Press to need to decline water；Risk control；Particularly item reward；Meet an emergency to rob an insurance equipments
1.工程概況
上海轨道交通13号线盾构措施井工程位于浦东新区打浦路隧道口东侧，耀华路以北；该工程为地下三层单跨结构，基坑长度约为74.5m，宽度约为11.6～18.8m，为“Y型”异性结构，开挖深度为27m，基坑围护结构采用1200mm厚的地下连续墙，墙深49～50m。
根据“详勘报告”中微承压水观测孔资料，微承压水分布⑤-2砂质粉土层中，第⑤-2层微承压水水头埋深为3.95米；⑤-2层揭示的顶板埋深为16.6～17.5m。根据区域观测资料，微承压水水头埋深约为地表下3.0～8.0m，并呈幅度不等的周期性变化；承压水分布于⑦-1灰色砂质粉土、⑦-2灰～青灰色粉细砂层中；⑦-1层为上海地区第一承压含水层，其揭示的顶板埋深为47.3～57.6m；根据区域观测资料，承压水水头埋深约为地表下5.0～10.0m，并呈幅度不等的周期性变化。
本盾构井距离已建上南花城D2号楼基础仅7.9m；距离正在运营的打浦路隧道最短距离仅12m；上述两建(构)筑物与本基坑的最短距离均小于本基坑开挖深度0.7 H。
2.风险等级及监管类型
依据上海申通地铁风险评价文件，结合本工程受⑤-2层微承压水和⑦-1层承压水影响并处于较厚的砂性土层的水文地质条件、基坑开挖深度0.7 H范围内有需要重点保护的建(构)筑物——上南花城D2号楼以及打浦路隧道的特殊工况条件、基坑超深(大于20m)及结构异性(受力体系复杂)的工程本身特征等进行综合分析后认为，本工程的风险等级为五级。主要风险是：地下连续墙墙体接缝流砂、微承压水及承压水引起坑底突涌，并进而诱发支撑体系失稳而发生基坑坍塌事故，甚至造成打浦路隧道发生严重变形而影响城市交通运行安全乃至灾难性的涌砂事故。这些事故产生的后果可能具有灾难性，令人无法或难以接受，因此，本工程也作为2008年上半年上海市轨道交通建设风险最大的深基坑工程之一，倍受社会各界广泛关注。
3.施工监理
3.1 开挖前的监理准备
3.1.1 基坑开挖之前监理做了非常充分的准备工作：监理部先后两次邀请公司资深专家对全体监理人员讲授地下工程监理控制重点以及深基坑开挖监理要点，通过两次集中讲评，监理人员不仅进一步提高了对轨道交通工程质量和安全风险的认识，更重要的是提高了控制质量和安全风险的能力，监理人员业务素质全面得到提升；监理部对监理人员进行了优化调整，抽调既有现场经验又有高度责任心的监理人员具体承担本工程开挖阶段的监理任务；监理组事先精心编制了有针对性的深基坑开挖监理实施细则，明确了监理的内容和要求，交底到施工单位和相关监理人员；在公司的支持下监理部还专门建立了本工程基坑开挖风险控制专项奖励资金。
3.1.2 突出预控，严格控制基坑开挖节点验收
(1)开挖前，对参与挖土、支撑、降水、堵漏、监测等分包单位各方的企业资质和业绩、管理人员的资格、工程设备的适应能力、现场管理制度等情况进行综合评定，符合要求后，方可进场；
(2)在基坑开挖条件节点验收中，监理认真编制了本工程《围护结构质量评估报告》和《监理工作小结》，监理对围护结构工程质量提出结论性评价意见——工程质量“合格”；
(3)对地墙施工中转角幅、异型幅、充盈系数较大、钢筋笼下放困难、超声波测试异常、存在割笼处理等槽段进行重点梳理，并列出清单，供参加验收的专家参考；
(4)严格按照上海市深基坑开挖条件节点验收检查表“15条检查项目”进行逐项检查，做到施工单位检查人员有签字、监理复查人员以及总监代表有复查意见、总监有审核确认结论；
(5)对节点验收中提出的问题，监理落实专人督促施工单位整改并回复；总监在确认开挖条件成熟，并征得建设单位同意后，及时签发“挖工开工令”。
3.2 开挖过程中的管理。基坑开挖是一个动态过程，必须坚持动态控制，及时收集、掌握、分析有关挖土、降水、支撑、堵漏、监测等各类信息，以便及时准确发出监理指令，有效实施过程控制。开挖过程中遇到的主要问题和采取的针对性措施有：
3.2.1 降水异常问题：本措施井坑内共设6口疏干井，2008年2月17日开始降水，根据计算和抽水统计，至4月中旬，抽水量已经达到理论赋水量的80%以上，但是单口井出水量和单日累计出水量均没有明显减少迹象；根据观察，6口井全部停抽后，静水位回升很快，24H回升量达到8.8m之多，可能有外部补给水源存在；在5口疏干井同时抽水、另一口井作为观察井和备用抽水井的情况下，很容易做到水位控制在开挖面以下2米左右水平，能保证基坑挖土对降水水位的要求。针对现场异常情况，监理及时向建设单位做了汇报，并极力要求施工单位组织专家予以会诊。专家会诊分析认为：在坑外进行地基防渗处理之后，基本排除因墙体渗漏发生水平方向大量补充水源的可能；而在垂直方向可能存在较大的补充水源，很大可能是⑤-2层微承压水与⑦-1层承压水局部相通，但单位时间内补充的承压水的水量尚未达到大于5口疏干井正常抽水总量的程度，只要现场管理和技术措施到位，开挖仍是安全的。
采取的措施有：(1)成立专家组，随时为现场提供技术支持；(2)加强降水管理，专业降水单位现场人员加强降水井的检查和降水设备维护，保证设备可靠运行；严格控制降水水位，水位保持在開挖面以下1m～2m；同时密切关注坑外两口观察井的水位变化情况，日变化较大时，及时采取措施处理并在必要时启用坑外3口承压井降压；准备多台备用水泵，以备急用；现场监理人员每天两次对抽水量和降水水位进行独立计量，保证降水数据准确可靠；(3)将地墙接缝堵漏为重点，专业堵漏人员坚持24小时井下巡逻检查地墙接缝渗水情况、检查落实堵漏物资到位情况，一旦发现渗漏点，保证在第一时间准确实施堵漏，防止事态扩大；(4)加大监测频率，密切关注打浦路隧道变形以及周围环境沉降变化情况，实现信息化施工。
3.2.2 挖土设备经常损坏以及进度偏慢问题：本基坑大部分处于较厚的⑤2层砂质粉土层中 ，该土层渗透性强，在动水条件下，容易液化，流动性强；但在实施坑内降水以后，开挖面以上的砂质粉土固结后又有较高的硬度和抗压强度，用上海地区通常使用的挖土设备-“克林”吊抓斗很难通过自重实施有效抓土，抓土后又不能靠土的自重很好的自然卸土，开挖功效很低，设备也经常损坏，极大的制约了挖土施工的进度，对基坑安全极为不利；挖土分包单位的成本大大提高，其他相关分包也因挖土进度缓慢波及了自身利益而多有怨言。
采取的措施有：(1)改进挖土工艺：采用小挖机在坑下事先铲运松动、积极配合井上“克林”吊再抓的方法，提高了“克林”吊抓土效率；(2)调整挖土作业班制：由一天一班制为双班制，最大限度地提高设备的使用效率；(3)优化挖土施工工艺：在最后两层土开挖时，将单层分段挖土改为分层分段开挖，并同底板施工配合，形成流水作业，大大缩短了施工工期；(4)采取技术措施，加快底板施工：通过优化设计，办理了底板施工设计变更单，由原设计的三个施工段变更为六个施工段，缩短了每个施工段的持续时间，不仅加快了底板施工进度，也极大的降低了施工安全风险。
3.2.3 应急抢险钻孔设备不能很好适应施工工况问题。面对措施井基坑开挖高风险的严峻形势，应急抢险钻孔设备的落实被放到了十分突出的位置。但尽管在经济发达的上海地区，应急抢险钻孔专用设备——“Atlas Copco”也只有区区几台，钻孔抢险设备组织难度较大，施工单位最初试图采用自购的HTM-120型全液压潜孔钻机作为抢险钻孔应急之用，但是经过实地反复实践，其性能不能满足应急抢险“快速、准确、高效”的要求，在此情况下，监理要求施工单位将HTM-120型全液压潜孔钻机退场、并马上向上级申请组织调拨最关键的抢险钻孔设备——“Atlas Copco”马上进场，随时待命。
3.2.4 地墙内侧表面局部出现钢筋夹泥问题。基坑开挖以后，监理发现在地墙内侧表面局部区域外层钢筋之间存在夹泥现象，虽然夹泥厚度不大，但若处理不彻底，将对结构质量和使用寿命造成不利影响，甚至存在安全隐患。
采取的措施有：(1)要求施工单位及时编报《地墙夹泥处理方案》；(2)监理对夹泥部位进行见证摸排，弄清夹泥情况，并报建设单位备案；(3)处理过程严格按照方案实施，监理重点把关，实行旁站监理，保证清理质量。
4.监理工作成效
盾构措施井自2008年3月4日开挖至2008年6月2日最后一块底板完成，历时三个月，环境监测报表显示，除1个墙体测斜点发生墙体水平位移累计报警外，其余监测点数据均未达到报警值；至2008年8月15日结构完成、降水井停抽时，周围环境地表沉降值均控制在允许范围之内，有效地控制了重大风险源，顺利实现了进度、安全、质量等各项目标；在上海市2008年第三季度深基坑、旁通道施工专项检查评比中，该措施井工程受到上海市安质监总站的通报表扬(见沪安质监074号文)。
5.几点体会
5.1 众所周知，当前重大市政工程的安全质量形势相当严竣，重大安全和质量事故时有发生，一个最重要的原因是从业人员的数量和素质不能满足高速发展的市政建设的需要。在此形势下，笔者认为：建设一项重大的市政工程已经不仅仅是施工单位自己的事，更不仅仅是监理单位的事了。要建设好一项工程，关乎到社会的方方面面，必须充分利用参建各方甚至动用全社会的力量，才能最终达到“政府放心”、“人民满意”的期望效果。例如：对深基坑工程设计及施工方案科学技术委员会专家评审、开挖之前深基坑开挖条件节点 “四方验收”、开挖过程中针对异常情况组织的专家会诊、应急资源特别是专用抢险设备如“Atlas Copco”的调拨、预案中抢险路线的选择和疏通等等，都是施工项目部乃至施工企业所力所不及的，必须动用社会资源。
5.2 地墙质量的好坏，直接影响围护结构的效果和施工的安全，所以深基坑工程要从地墙等围护结构施工开始，认真抓好质量控制，尽量减少地墙接缝夹泥、接驳器附近混凝土疏松等质量通病，为后期的基坑开挖打好坚实的基础。
5.3 降水质量是深基坑开挖安全的生命线，必须在分包队伍选择、人员配备、现场协调配合等方面充分重视。稳定的队伍、稳定的水位是降水工作成败的关键，“按需降水”把握得当，不仅是保证深基坑挖土安全的必要条件，也是减少周围环境变形的必要措施。
5.4 根据地下工程高风险的特点，监理工作也要与时俱进，不断总结探索新方法和新手段，提高工作成效：如对水位水量进行单独计量，能够收到类似“测量复核”、“工程材料平行检验”的功效；开挖期间坚持每天由总监组织召开现场碰头会，对协调参建各方的关系具有较高的现实意义；建立基坑开挖风险控制专项奖励制度是体现监理组内部“责、权、利”关系的有益尝试。
5.5 本工程从施工单位自购一台HTM-120型全液压潜孔钻机尝试钻孔开始，到最终将“Atlas Copco”这一关键应急设备运至现场，体现了项目部对重大风险的认识高度和处理安全隐患的决心，实践了应急措施“写在纸上、挂在嘴上、落到实处”的有机统一；尽管最终基坑顺利见底，并没有发生涌砂抢险紧急事件，“Atlas Copco”也没有派上用场，看似劳民伤财，但“Atlas Copco”的到场是完全必要的，用实践诠释了“应急预案”的真实含义。5.6 上海地区深基坑工程施工工艺已经相当成熟，而且已经积累了非常丰富而又相当专业的施工管理经验，只要参建各方真正重视了风险的存在，切实落实了相应的措施，那么，违章指挥、违章操作、违反劳动纪律的“三违”现象必然就少了，在过程中再辅以科学的组织管理，“一切事故都是可以避免的”将可能成为现实!
[文章编号]1619-2737(2009)03-16-130
承压水防治 篇3
1 赵固二矿区域水文地质特征
焦作煤田地处太行山复背斜隆起带南段东翼, 呈地堑、地垒、掀斜断块等组合形式, 以断裂构造为主。其中二1煤层顶板赋存有砂岩, 而且底板直接受太原组灰岩的水力威胁, 奥灰水作为基底提供太原组的水力补给来源, 且煤层各含水层的露头也成为大气降水的补给通道[2,3]。
井田范围内寒武系、奥陶系石灰岩岩溶裂隙发育, 为地下水提供了良好的储水空间和径流通道, 且在断裂带附近岩溶裂隙发育, 常常形成强富水、导水带, 如在煤田内形成的凤凰岭断层强径流带、朱村断层强径流带、方庄断层强径流带、马坊泉断层强径流带和百泉断层强径流带等, 成为焦作煤田内诸矿区、勘探区的补给边界 (图1) 。而且北部裸露区岩溶地下水, 也成为该地区煤层底板太原组和奥陶系的补给来源。
上述的水文地质条件, 决定了在赵固二矿煤层开采过程中, 受来自底板以下的L8灰岩、L2灰岩及O2灰岩的承压水威胁, 在局部盐溶地下水强径流带, 更有发生恶性突水事故的可能。
2 赵固二矿矿井突水成因分析
2.1 充水来源
(1) 奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层 (O2) 。由中厚层状石灰岩、泥质灰岩组成, 在古剥蚀面附近岩溶裂隙发育, 区域内最大厚度400 m以上, 稳定水位标高+82.00 m。距二1煤115 m, 正常情况不影响煤层开采, 而在断裂构造沟通的情况下对矿井威胁大。
(2) 太原组下部灰岩含水层。由L2、L3灰岩组成, 其中L2灰岩发育较好, 厚度13.84 m, 为富水性较强的含水层。上距二1煤层91.0 m, 正常情况对二1煤层没有影响, 而在断裂构造沟通的情况下对矿井威胁很大。
(3) 太原组上部灰岩含水层。主要由L9、L8、L7灰岩组成, 其中L8灰岩发育最好, L8含水层厚度8.61 mm, 上距二1煤层26.50 m, 灰岩中岩溶裂隙发育。该含水层水位标高+80.49 m, 属富水程度中等含水层。煤层底板岩性柱状如图2所示。
(4) 二1煤顶板砂岩含水层。主要由二1煤顶板大占砂岩和香炭岩组成, 厚度一般10 m, 细粒砂岩以下级的厚度15~40 m, 井巷工程所揭露的淋水、漏水点较多, 属弱富水含水层。对回采工作影响较小, 主要以顶板淋水形式出现, 因此回采过程中应加强顶板控制。
2.2 充水通道及补给来源
(1) 工作面的断层构造也是引起突水的主要导水通道。11011综采工作面内尚未发现有较大的断裂构造。但三维地震勘探时间剖面上反映的煤层形态显示, 11011综采工作面有多处煤层出现起伏现象, 分析判断可能会出现落差0~3 m的断层或破碎带。
(2) 在开采过程中, 采空区周围煤层底板应力重新分布, 造成煤层底板岩层出现移动变形。在支承压力的作用下底板的压缩区和膨胀区分界处将出现剪应力, 底板在拉剪应力的作用下出现断裂, 垂直断裂和顺层断裂交叉, 形成裂隙通道, 成为矿井承压水突水的通道。在11011综采工作面北侧是以F17-1断层为主、由多条断层组成的断层破碎带, 南侧是以F18断层为主、由多条次生断层组成的断层破碎带, 东侧是煤层隐伏露头, 也存在大量的断层, 这些边界为11011综采工作面底板中L8、L9和L7灰岩良好的补给边界。
因此, 可以看出11011工作面的充水通道, 主要是以二1煤层与L7灰岩之间由采动影响造成的裂隙通道, 且由于煤层底板含水层的补给来源较广, 故成为该工作面回采过程中的主要突水威胁来源[4]。
3 突水危险性综合评价
3.1 矿井水文地质概况
赵固二矿工作面直接充水水源为底板L8灰岩, 底板L8平均厚度为8.75 m, 该层灰岩岩溶裂隙较发育且连通性较强, 富水性较强。L8灰岩顶上距二1煤层26.0~48.72 m, 平均31.94 m。含水层水位标高+80.52 m, 水压在7 MPa左右, 并与深部的L2灰岩和奥灰岩有水力补给, 是二1煤层直接充水含水层。通过对工作面突水通道的分析, 认为该含水层对煤矿安全威胁最大。
3.2 底板破坏深度与底板阻水保护带厚度计算
20世纪80年代, 李白英[5]在实践中通过对煤层底板的综合观测, 提出开采煤层底板岩层也与采动覆岩类似, 存在着“三带”:底板导水破坏带 (h1) 、底板阻水保护带 (h2) 、承压水导升带 (h3) 。
(1) 底板破坏深度计算。采用文献对大量现场实测底板破坏深度的回归分析, 只考虑工作面斜长, 得出底板导水破坏带统计公式[6]:
若考虑采深、倾角和工作面斜长, 则可得到下述统计公式:
式中, L为壁式工作面斜长;H为开采深度;α为煤层倾角, 取5°。
学者施龙青通过对全国典型煤矿底板破坏深度实测资料的收集, 利用多元线性回归分析对文献[7]中底板破坏深度的公式进行了改进。证明非线性回归修正公式预测准确度最高, 误差范围相对较小, 在底板破坏深度预测中有很好的指导作用。其非线性回归修正方程为:
式中, M为煤层开采厚度;D为底板抗破坏深度, 取经验值0.4 m;I为切穿型断层及破坏带因子;其他符号和取值同上。
中国矿业大学 (北京) 在赵固二矿11011工作面运用直流电法对开采引起的底板破坏深度进行了探测[8] (图3) , 并通过神经网络预测和基于支持向量机法预测得到赵固二矿底板破坏深度预计最大值为23.63 m, 最小值为20.12 m, 取平均值21.87 m。利用该工作面的底板破坏深度来判断上述3个预计公式的可靠性。
将11011工作面的参数:采深690 m、采高6.13m、倾角5°、采面斜长180 m代入上述3个公式得到底板破坏深度分别为20.12, 21.72, 21.93 m。由此知式 (2) 和式 (3) 与实测值较接近, 对于赵固二矿工作面的底板破坏深度的计算可采用式 (2) 和式 (3) 的平均值, 即h1=21.88 m。
(2) 底板阻水带厚度计算。阻水系数[9]是在现场用钻孔水力压裂法实测的表示单位底板隔水岩层平均阻水能力的系数, 可用式 (4) 表达:
式中, Z为阻水系数;R为裂缝扩展半径, 一般取40~50 m;Pb为岩体破裂压力, Pb=3σ2-σ1+T-P0 (σ2为作用于岩体的最小水平主应力;σ1为作用于岩体的最大水平主应力, T为岩体的抗拉强度;P0为岩体空隙中的水压值) 。
阻水带厚度等于作用在底板上的水压值 (P) 除以阻水系数 (Z) , 即
根据我国部分矿区钻孔水力压力试验, 不同岩层阻水系数一般见表1。
根据赵固二矿的钻孔资料, 二1煤层至L8灰岩的岩层主要为泥岩, 其岩层阻水系数取0.2 MPa/m。作用在底板的水压根据太原群上部灰岩含水层 (主要为L8灰岩) 水压情况取7 MPa, 代入式 (5) 计算得, h2为35 m。
根据防水安全煤岩柱的设计原则, 底板防水煤岩柱的厚度h应大于或者等于底板破坏深度h1和阻水带厚度h2之和。则赵固二矿的防水安全煤岩柱的厚度h=56.87 m。由现场资料得, L8灰岩顶上距二1煤层平均厚度为31.94 m, 以此可以判定赵固二矿承压水上开采具有突水危险性, 必须采取防止底板突水的技术措施。
3.3 突水系数计算
依据《煤矿防治水规定》 (2009) 突水系数计算公式计算赵固二矿工作面L8灰岩岩溶裂隙承压水突水系数。其公式为:
式中, T为突水系数;P为隔水层承受的水压;M1为底板隔水层厚度。
若底板隔水层无承压水导升带, 底板隔水层厚度M1等于L8灰岩顶上距二1煤层平均厚度减去底板采动破坏带厚度h1, 等于10.06 m;底板水压取太原群上部灰岩含水层 (主要为L8灰岩) 水压7 MPa。
根据《煤矿防治水规定》, 煤层底板受构造破坏块段突水系数临界值取0.06 MPa/m, 正常块段突水系数临界值取0.10 MPa/m, 此次确定以下带压开采分区标准:T<0.06 MPa/m为相对安全区;0.06MPa/m≤T<0.1 0 MPa/m为临界区;T≥0.1 0MPa/m为危险区。
将赵固二矿工作面与突水系数相关的参数代入计算, 得到赵固二矿的突水系数为0.7 MPa/m, 远大于《煤矿防治水规定》中0.06 MPa/m的临界突水系数。所以说该矿工作面开采突水危险性较强。
由上述的分析得知, 由于煤层底板的L8灰岩距离煤层底板的距离较近 (平均为31.94 m) , 且该含水层水压约7 MPa, 造成在赵固二矿11011工作面开采过程中有工作面突出的危险性, 应采取相应的防治水措施来保证工作面的安全回采。
4 高承压水上开采防治水技术
4.1 超前探测
井下超前探测就是利用井下物探或者超前探测钻孔等手段, 对工作面前方底板进行探查。依据“物探先行、钻探验证、有掘必探”的防治水原则, 在巷道采用先进的物探技术圈定太原组及奥灰富水区域, 对隐伏构造进行探查, 探查工作面前方的底板是否存在地质构造体, 防止地质构造体对工作面造成的突水危险。在工作面回采过程中采用电法透视, 对地质异常区有针对性地重点补孔, 注浆改造结束后, 再用钻探、物探作检查, 异常区消除后方可回采。
4.2 疏水降压
在探查清楚承压含水层补给、径流、排泄条件的前提下, 在分析含水层能有效疏水降压的情况下, 可综合设计工作面及采区进行疏水降压开采, 通过人工受控条件对含水层超前疏降水压, 进而减小或消除底板承压水对矿井安全的威胁, 但对于赵固二矿的地质条件而言, 底板含水层的水压较大 (平均7MPa) 、灰岩岩溶裂隙发育、含水性强、底板承压水补给丰富, 因此只能将疏水降压作为底板防治水辅助手段, 重点应做好地质体注浆改造工作。
4.3 地质体注浆改造
地质体注浆改造技术[10]作为矿井防治水技术的有效方法已被成功推广。通过打进煤层底部及含水层中钻孔, 向底板中导水裂隙注浆, 堵塞突水通道, 加固强化底板, 向含水层中的岩溶裂隙注浆, 充填含水层的岩溶裂隙, 把含水层改造成弱含水层或隔水层, 降低底板突水的危险性。
通过对L8灰岩注浆, 对该含水层进行改造, 使其富水性减弱并成为隔水层的一部分;另外, 通过对该层灰岩的高压注浆的改造, 对灰岩中发育的裂隙通道进行阻隔, 阻断了下部奥灰水对其的补给通道。另外对底板的改造加固减小了底板采动破坏深度。11011工作面共设计施工43个钻场 (回风巷21个, 运输巷22个) , 胶带运输巷、回风巷第1钻场距0 m通尺点分别为205.0, 76.5 m, 掘进过程中按要求位置每隔100 m掘1个煤层底板注浆改造钻场, 使底板注浆改造工作能及时进行, 以保证11011工作面能按时回采。在工作面回采过程中严格控制工作面底板注浆改造的质量, 工作面回采时应至少保证提前加固好前300 m, 否则停止回采进行加固。
11011工作面回采前, 工作面整体涌水量约30m3/h, 后经底板加固改造, 底板导水裂隙均得到了有效充填加固, 整个回采过程中底板未出现明显出水情况, 工作面回采结束后实际涌水量为15 m3/h左右, 并且大部分为顶板砂岩水。说明工作面底板注浆改造效果明显, 确保了11011工作面的安全回采。
5 结论
(1) 分析了赵固二矿11011工作面的充水来源、充水通道及补给来源, 认为该工作面底板L8含水层厚度较大, 距二1煤层较近, 且灰岩中岩溶裂隙发育为工作面主要充水来源;二1煤层与L7灰岩之间存在由采动影响造成的裂隙通道, 且煤层底板含水层的补给来源较广, 所以成为该工作面回采过程中的主要突水威胁。
(2) 利用突水系数法和“下三带”理论, 并结合前辈学者总结出的统计公式, 综合评价赵固二矿工作面开采底板突水的危险性, 认为该矿底板承压水较大且有效隔水层厚度较薄, 工作面开采具有突水危险性。
(3) 针对赵固二矿的采矿及地质条件, 运用超前探测、疏水降压、地质体注浆改造的防治水措施, 使得在工作面回采过程中底板没有明显突水, 确保了11011工作面的安全回采, 为矿井的防治水积累了经验。
摘要：基于赵固二矿的地质资料分析了矿井突水的成因;通过多种底板突水评价方法 (突水系数法和“下三带”理论) 综合分析了赵固二矿承压水上开采底板突水的危险性;根据赵固二矿的具体地质条件, 提出了超前探测、疏水降压、地质体注浆改造等防治水技术措施, 确保了工作面的安全回采。
关键词：高承压水,突水系数法,“下三带”理论,突水危险性,地质体注浆改造
参考文献
[1]管恩太.突水系数与煤矿水害防治[J].煤炭工程, 2011 (1) :54-56.
[2]牛森营.焦作矿区水文地质内边界特征研究[J].煤炭工程, 2006 (8) :67-69.
[3]潘国营, 聂新良, 王长文.焦作矿区底板岩溶突水特征与预测[J].焦作工学院学报, 1999 (2) :14-17.
[4]王建合, 任凰玮, 陈彦昭, 等.泉店煤矿水文地质条件分析与防治水措施[J].中州煤炭, 2009 (6) :91-93.
[5]李白英.预防矿井底板突水的“下三带”理论及其发展与应用[J].山东矿业学院学报:自然科学版, 1999, 18 (4) :11-18.
[6]高延法.煤层底板破坏深度统计分析[J].煤田地质与勘探, 1988 (1) :40-43.
[7]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社, 2000.
[8]许延春, 陈新明, 姚依林.高水压突水危险工作面防治水关键技术[J].煤炭科学技术, 2012 (9) :99-103.
[9]李德忠.煤矿特殊开采技术[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2008.
承压水防治 篇4
关键词：三软急倾斜,高承压岩溶水,防治
1 引言
高承压岩溶裂隙含水层上煤层的安全开采对赋存地层、煤 (岩) 层、地质构造等的稳定性、可靠性及准确性要求较高, 但这些地质对象大多具有较强的隐蔽性, 除了在长期的地质作用过程中发生不同程度的变形、断裂外, 还受人为采掘生产活动的破坏极大, 不可避免出现施工难度极大的防治水工程, 针对高承压含水层上煤层安全开采的影响因素多、分布特征异常、空间规律性不明显等特征, 正确认知、把握这些影响因素的彼此特性、分布规律, 对提高含水层上煤层安全开采上限和安全系数, 降低高承压水威胁程度都至关重要[1,2]。
为了准确把握这些影响因素的分布规律及其分布特征以及对煤层底板突水的影响, 可采取地面三维勘探方法、井下物探及钻探方法等地质勘探的手段, 获得这些因素的信息, 并通过建立诸多因素对比、综合评价, 制定针对性较强的施工方案, 对矿井水害防治有重要的指导意义[3]。本文主要以禹州矿区鸠山地区某矿实现三软急倾斜煤层高承压含水层岩上安全开采为例, 在矿井水文地质、矿床工程地质及开采技术条件特殊复杂的基础上对高承压水害进行了防治, 值得学习借鉴。
2 研究区概况
某矿位于该市区西北向37km处鸠山镇赵庄村境内, 由原官山一矿、赵庄煤矿、后沟七矿等四个矿井资源整合。矿井主采二1煤层, 属三软煤层, 采用三条斜井 (“二进一回”) 多水平开拓方式, 走向长壁后退式采煤, 采煤方法为炮采, 垮落法管理顶板。截至2014年11月, 矿井剩余可采储量497.65万t, 矿井设计生产能力为21万t/年, 剩余服务年限12.1年。
井田位于华北地台南缘嵩箕台隆中段, 处于新华夏第二沉降与第三隆起带之交接部位, 箕山背斜南翼, 呈西高东低、北高南低之势, 低山丘陵区。区内地层倾向130°~160°, 倾角16°~42°, 平均为36°, 总体为一东南方向倾斜的单斜构造, 发育有3条较大断裂, 并伴有次生断层及重力滑动构造。地层自老而新依次出露有古生界寒武系、石炭系、二叠系以及中生界三叠系和新生界第四系等。本区是一个相对独立的水文地质单元, 横向上位于区域分水岭箕山~荟萃山~风后岭背斜南翼的白沙向斜岩溶裂隙承压水文地质单元之西翼的浅部, 属于区域地下水径流区的上游, 工广内靠近西南部山麓出露大量灰岩露头, 在岩溶水系统的补给一径流带上, 受寒灰露头补给影响。区内的主要含水层有两组三段四层, 由上至下依次为顶板裂隙砂岩含水层、太原组上段L7-8灰岩含水层、太原组下段L1-4灰岩含水层及寒武纪灰岩含水层, 煤层上部砂岩裂隙水以淋水、渗水等形式充入矿床;太原组上段含水层由L7、L8灰岩组成, 且多破碎, 呈条带状不连续分布, 导水性不均一, 太原组下段L1-4灰岩含水层层位稳定, 富水性较强, 是主要防范治理对象, 尤其是对11采区西翼工作面影响较大[4,5,6]。
3 工作面底板突水危险性评判
基于高承压岩溶含水层上采煤产生的水文地质工程地质问题的复杂性, 与11采区西翼11041工作面地质及水文地质条件吻合, 其上部为11021工作面采空区, 下部为未开采实煤体, 西为赵庄断层保护煤柱, 东至副斜井井筒保护煤柱。该工作面走向长268m, 倾斜长80m, 由于煤层底板在工作面中部突然抬起, 煤层变薄, 煤层底板标高在-35.4m~+55.2m, 顶、底板起伏变化较大, 煤层倾角为32°~45°, 平均为42°;煤层厚度不稳定, 最大煤厚21m, 最小0m。
3.1 地面精密三维地震查明区域地质构造情况
为进一步探索查明适合本区内的地质构造, 指导井下基础水文地质工程的实施, 结合实际揭露的地质及水文地质情况及毗邻钻孔的成果资料, 经论证分析, 需在对应地表选择具有代表性的点开展点上试验, 以确定11041工作面底板隔水层分布情况、赋存规律及导水裂隙等因素。矿井与山东中煤物探测量总公司结合, 在该区域内对应地表位置布设“束状8线8炮, 中线发炮”的观测系统, 施工52条检波线、98条炮线、1502个物理点, 利用偏移叠加—偏移后再叠加 (即叠前偏移) 的方法对地震资料成像修正, 如图1所示。
测区控制点内的断层分布主要为图1中红色标示, 运用空间叠加分析功能, 进行多因素空间拟合, 获得研究区多因素空间叠加分析结果, 即该工作面属于受地质构造影响较大的突水危险性分区。为了精确反映地质构造的影响, 对断层影响区域进行缓冲二次分区, 并与传统的突水系数分区法、直流电法物探异常分区法相结合。
3.2 采用直流电测仪查明工作面水文地质条件
矿井标选河南理工大学对11041上、下顺槽、切眼进行直流电法物探, 共布设15站、勘察180个物理点, 根据提交的11041工作面直流电法物探勘察报告显示, 二1煤层底板以下20m、40m处存在2个低阻异常区, 经比对分析, 在工作面11041切眼位置、11041下顺槽测点H9以里约40m范围内, 存在A、B两个富水异常区, 且煤层底板隔水层厚度为38m, 在回采时, 煤层隔水层受采掘扰动破坏影响, 局部裂隙等导水通道可能增加或加大, 存在可能突水危险。
3.3 对比井下水平长观孔水位值推算评价
根据+45m水平太灰长观孔的水压值2.40MPa, 推算该工作面底板承压值为3.58MPa, 二1煤层底板距L1-4灰岩含水层约38m, 根据《煤矿防治水规定》, 底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa/m, 由突水系数计算公式Ts=P/M得出, 11041工作面底板承受水压值为3.58MPa;突水系数为0.094MPa/m (Ts=P/M=3.58MPa/38m=0.094MPa/m) ;大于临界突水系数, 由此计算可知:11041工作面回采期间, 底板隔水层受矿压叠加破坏, 致使导水裂隙带升高, 突水威胁较大[7,8]。
根据研究区勘探资料及水文地质、工程地质与开采技术条件分析, 并结合现场试验测试资料, 获得研究区各个主控因素的典型量化数据如表1。
由表1得出, 影响工作面底板突水的主要因素依次为底板有效隔水层厚度、地质构造异常、煤层底板标高等, 分析掌握这些因素, 开展相对应的针对性措施有依可循。
4 富水异常区域验证性钻孔的施工评价
4.1 验证性钻孔施工情况
根据以上三种手段的理论分析, 钻探揭露实际情况研究分析表明, 11041工作面的底板灰岩含水层除工作面的煤层底板20m~38m之间赋水性较丰富外, 其余部位浅层砂岩赋水性相对较差。分段岩层岩性特征为: (1) 煤层底板隔水层以中、粗粒砂岩, 泥岩, 炭质泥岩为主, 局部泥岩厚度达到20m; (2) 底板煤层赋存情况不稳定, 个别钻孔见不到煤层, 其中2-2孔见到2层煤; (3) 各钻孔分别揭露至少2层灰岩层, 灰岩层厚度在0.8~7.39m不等, 实际出水位置均在灰岩层位中, 各钻孔揭露灰岩层距二1煤层底板平均为38.0m。
4.2 钻孔施工过程中存在的问题
孔壁垮塌:在施工1-1孔时, 钻进煤层底板松软破碎、裂隙发育的岩层时, 虽加入泥浆护壁, 但泥浆配比不易把握, 有效护壁的作用不大;同时, 涮孔的水压过大, 在接口不严处形成涡流, 直接冲刷孔壁;置钻加固不牢, 钻杆震动剧烈, 碰击孔壁。
岩粉沉积聚集:钻进软岩时, 钻探速度过快、送水量过小、泥浆使用不及时、泵压不足, 水未至孔底便返回、不能使岩粉及时排出;停泵过于频繁或时间较长, 而钻具不能及时提离孔底一定高度或退钻, 直接导致埋钻事故发生。
钻具脱落:在补打1-1孔时, 由于钻头与导向杆丝扣部位保护不好, 连接过松, 未对正即强行扭接, 造成丝扣变形、磨损、产生凹痕等, 使钻杆与接头丝扣连接松弛, 出现滑扣, 钻具脱落。
5 结论
建立了煤层底板突水危险性多因素综合评价模型, 根据研究区的水文工程地质及开采技术条件分析可知, 影响研究区高承压水体上采煤安全性的因素多且复杂, 确定了煤层底板破坏深度, 煤层底板抗压强度, 煤层底板隔水层厚度, 煤层底板水压, 煤层底板标高, 断层密度, 高承压含水层顶板标高, 高承压含水层水位标高8个影响本研究区煤层高承压水体上开采的主控因素。
以山西太原组岩溶高承压水采掘为例, 应用高承压水体上采煤危险性多因素综合评价模型, 获得工作面的开采危险性指数分区等级图, 并与传统的突水系数分区法相比, 可知本文提出的煤层底板突水危险性的多因素综合评价更加精确, 并且能综合反映断层构造的影响范围及影响强度。
参考文献
[1]尹传理, 李化敏.我国煤矿深部开采问题探讨[J].煤矿设计, 1998 (8) :7-11.
[2]李化敏, 付凯.煤矿深部开采面临的主要技术问题及对策[J].采矿与安全工程学报, 2006, 23 (4) :468-471.
[3]王作宇, 刘鸿泉.承压水上采煤[M].北京:煤炭工业出版社, 1993.
[4]杨天鸿, 唐春安, 等.岩体破坏突水模型研究现状及突水预测预报研究发展趋势[J].岩石力学与工程学报, 2007, 26 (2) :268-277.
[5]武强.基于GIS的地质灾害和水资源研究理论与方法[M].北京:地质出版社, 2001.
[6]Wu Qiang, Zhou Wanfang.Prediction of inflow fromoverlying aquifers into coalmines[J].Environmental Geology, DOI 10.1007/s00254-007-1030-1, 2008.
[7]武强, 张志龙, 马积福.煤层底板突水评价的新型实用方法I——主控指标体系的建设[J].煤炭学报, 2007, 32 (1) :42-47.
承压水防治 篇5
中国平煤神马集团 (以下简称集团公司) 生产矿井主要分布于平顶山及相邻的许昌地区 (主要在许昌市下辖禹州市) 境内。该区域位于河南省中部, 煤炭资源丰富, 煤矿数量众多, 规模大小不一, 既有300万t/a的国有大型矿井, 也有100万t/a的中型矿井, 也有15万t/a的地方小型煤矿。矿区内地质构造复杂, 水文地质条件复杂多变, 集团公司所属矿井中水文地质类型极复杂矿井3对, 复杂矿井4对。矿区开采时间长, 大矿大多都有50多年的开采历史, 采空区面积大;范围内小煤矿众多, 采空区范围及积水情况不明;随着开采水平不断延伸, 开采一组煤和二组煤的矿井大部分都受底板灰岩承压水的威胁。此外, 部分矿井还受顶板水和断层水威胁, 但矿区 (均指平顶山矿区及许昌境内禹州矿区两个矿区) 主要水害为二组、一组煤层底板下伏的灰岩承压水、遍布矿区的小窑局部老空水和该矿老空水等, 条件复杂、防治难度大, 是该矿区安全生产所要着力解决的难题。
1.1 老空水
平顶山、许昌矿区中型以上矿井大都有数十年的开采历史, 留下了面积巨大的采空区, 且不断有老空水积聚, 对矿井的正常接替生产造成了较大影响。此类老空水范围大, 水量掌握较清, 补给来源稳定。此外, 矿区内还有数量众多的小煤矿, 经过历次整合, 有的已经关闭, 有的合并开采, 但一方面由于小煤矿开采历史复杂, 人员更换频繁, 开采资料非常缺乏;另一方面由于小煤矿众多, 盗采侵采资源现象非常严重, 真实情况难以摸清, 这就造成了小煤矿开采范围很难掌握清楚, 老空区及老空水量也无法掌握清楚, 对邻近矿井的开采造成了非常大的威胁, 严重影响了安全。
1.2 承压水
近年来, 随着开采水平的延伸, 矿区主采煤层由三组、四组煤层转变为二组、一组煤层。由于该两组煤层距离主要充水含水层———石炭系和寒武系灰岩含水层较近, 受灰岩承压水的威胁或影响也相对较重。历史上, 平顶山及许昌市的禹州矿区底板灰岩水害事故多发, 经济损失巨大。随着矿井开采深度的增加, 二组、一组煤层底板承受的水压越来越大, 对安全生产的威胁程度也会越来越高。如平禹一矿就曾发生过底板灰岩承压水突水淹井事故, 造成了巨大的经济损失。
2 突水方式
2.1 老空水突水
老空水一般积存时间长, 水量补给差, 属于“死水”, 所以有“挂红”、酸度大、水味发涩的特点。老空水多以静贮量为主, 犹如地下水库。根据其存在的情况, 多为掘进期间意外与老空积水区相遇, 或虽没有直接贯通, 但所剩煤柱已经小于要求的安全煤柱。掘进工作面发生突水, 突水来的猛去的快, 破坏性强, 会产生有害气体。例如2012年4月14日, 河南省煤层气平顶山裕隆源通煤业有限公司在该矿区某矿2010复采面机巷发生废弃井筒积水突水事故, 突出水浆冲垮运输上巷道140 m。
2.2 承压水突水
承压水为二煤底板寒武系、石炭系太原组下段、上段灰岩岩溶裂隙承压水。寒武系灰岩岩溶发育, 富水性强, 补给充沛;太原组灰岩岩溶裂隙发育, 富水性不均, 局部量大。寒武系灰岩水突水, 突水强度大, 突水点多, 掘进工作面和回采工作面都可能发生承压水的突水事故。例如平禹煤电公司一矿2005年10月东大巷扩砌时, 发生寒武系灰岩参与的突水, 初期突水量5 000 m3/h, 最大突水量达38 056 m3/h。
3 水害防治技术路线
3.1 该矿老空水防治技术路线
根据采掘工程平面图上老空区的位置、面积估算老空区积水范围、积水量、水压, 标注在平面图和充水性图上, 并绘制积水线, 探水线, 警戒线, 编制探放老空水设计、措施并进行探放水作业, 以解除老空区水害。
3.2 小窑老空水防治技术路线
走访调查、查阅图纸→地面物探 (瞬变电磁勘探) →圈定富水异常区→井下物探 (瞬变电磁、电法勘探) →有掘进必钻探→解除水害
3.3 二煤、一煤灰岩水防治技术路线
3.3.1 二煤带压区域灰岩水防治技术路线
二煤层底板距寒灰含水层的间距在42~85 m之间, 可以划分出非突水危险区、突水威胁区和突水危险区, 灰岩水防治技术路线如图1所示。
3.3.2 一8煤 (为一组煤主采煤层) 带压区域灰岩水防治技术路线
一8煤层底板距寒灰含水层间距在20~45 m之间, 因采动破坏带深度基本到寒灰顶面, 只要带压就存在突水危险性, 故仅可划分出非突水危险区和突水危险区, 灰岩水防治技术路线如图2所示。
4 水害防治方法
4.1 该矿老空水防治
探放老空水方法主要包括老空区积水范围的确定和积水量的估算、探水“三线”、“两距”的确定和放水效果的判定, 要坚持预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采的原则。具体方法: (1) 探放水设计的重要一环就是确定老空区积水范围和估算积水量。它必须在以往收集的水文和地质资料的基础上, 在采掘工程平面图上深入分析和研究老空区的空间构造条件和水源条件, 准确地确定老空区积水范围和估算积水量, 标注在采掘工程平面图和充水性图上, 正确指导防治老空水工作。 (2) 探水“三线”的确定。探水“三线”是指积水线、探 (放) 水线及警戒线。积水线:积水区外缘标高等高线, 确定积水水面的标高后, 可直接在采掘工程平面图上按等高线标定;探 (放) 水线:积水线外推20 m即为探水线;警戒线:积水线外推60 m即为警戒线。掘进工作面进入警戒线后, 必须超前探放水。探水“三线”必须在采掘工程平面图上明确标出。 (3) 放水效果的判定。根据水压的变化进行判断:水压较大时, 放水前用精密压力表或者用压力计法测出老空积水水位;水压较小时, 用架接胶管法测定水位。放水过程中要及时测定水压值, 确定放水情况, 判断是否放干;根据钻孔溢出的风流或者气味进行判断:纵向终孔层位标高较高的钻孔先干, 低的钻孔后干, 放净水后钻孔有时有漏风现象, 或者有臭味溢出。
4.2 小煤矿老空水防治
小煤矿老空水的防治方法主要包括走访调查和查阅图纸资料、井上下物探圈定富水异常区和坚持“有掘必探”原则: (1) 小煤矿大都经历不同经营者生产, 技术人员流动频繁, 且巷采、侵采、盗采现象严重, 致使真正的老空资料也很难掌握清楚, 所以要多走访曾在该矿工作过的技术人员, 调查周边煤矿的采掘活动情况, 查阅相关资料, 尽力多掌握该矿的采掘情况和老空区资料, 为老空水的治理提供相关依据; (2) 要真正掌握小煤矿采空区情况, 就必须对全矿井田范围内进行井上下物探勘探, 查明主采煤层的富水异常区, 结合已经掌握的老空区资料, 圈定老空积水或可能区域, 为下一步的防治提供依据; (3) 由于小煤矿老空区掌握不清的特殊性, 凡是在煤层中的采掘活动和有危险性的维修活动, 必须坚持“有掘必探”原则。
4.3 底板灰岩承压水防治
为评价开采煤层受底板灰岩承压水的威胁程度, 根据煤层底板隔水层厚度、煤层底板承受的水压值, 结合构造发育情况, 对带压开采煤层的突水危险性进行分区、评价, 并确定二组、一组煤层底板灰岩水防治的方法。
(1) 突水威胁采掘工作面作业采取以下措施: (1) 掘进过程中执行超前探断层或其它导水通道措施, “物探先行、钻探验证”, 根据验证结果采取针对性的防治水措施; (2) 回采前查明底板可能的承压水导升带, 存在有突水威胁的承压水导升带时采取疏水降压或局部注浆加固底板的措施。
(2) 突水危险采掘工作面采取以下措施: (1) 先治理、后生产。治理坚持以区域治理为主、局部治理为辅的原则, 将突水危险区转变为非突水危险区或突水威胁区; (2) 采取疏水降压方法时, 先把承压水水头降至安全水头以下, 开掘过程中执行突水威胁区的防治水措施; (3) 不具备疏水降压条件时, 采取建筑防水闸门、注浆加固底板、留设防水煤柱或增加抗灾强排能力等防水措施。
5 防治效果
(1) 该矿老空水存在的空间位置关系比较清楚, 积水范围、积水量、水压等积水情况较容易掌握清楚, 防治措施针对性较强, 经过防治, 取得效果非常明显, 在工作面回采之前, 基本都解除了老空水对工作面的威胁。
(2) 小煤矿老空水由于其复杂性, 防治难度很大, 但由于采取的措施比较全面、完善, 虽然工程量相对较大, 但有效地解除了小煤矿老空水的危害, 确保了矿井的安全生产。
承压水防治 篇6
任楼煤矿中六运输大巷位于- 520 m水平, 累计施工900 m后由下盘揭露F2- 1 断层。F2- 1 断层为正断层, 走向NEE~NNE, 倾向NNW~NWW, 落差12 m, 倾角75°, 属富水性断层带, 伴有涌水现象。大巷底板内有多层含水层, 邻近断层组位置的巷道底板距离太一灰岩最近的仅2.5 m, 底板探查孔最大涌水量50 m3/h, 最大水压4 MPa, 水患对中六大巷的安全掘进和巷道维护造成威胁。
2 巷道支护设计
2.1 超前预注浆
根据已施工钻孔资料及断层发育情况, 对F2- 1 断层及巷道底板进行探查和注浆加固, 探查孔兼作注浆孔, 终孔压力7~12 MPa。对注浆孔扫孔检验, 对涌水量大于1.0 m3/h的单钻孔需设计补强孔、重新注浆并布置检验孔验证, 直至达到理想加固效果。
2.2 锚网索喷永久支护
中六运输大巷为直墙半圆拱形巷道, 在原断面3.6 m×3.4 m的基础上外扩到4.0 m×3.6 m, 预留一定变形量, 进行锚网索喷永久支护。采用φ22×2 400 mm左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆, φ17.8×6 200 mm的钢绞线锚索。锚杆间排距700 mm×700 mm, 锚索间排距1 200 mm×1 400 mm, 矩形布置。
2.3 反底拱加强支护
2.3.1 底板反拱力学模型分析
假设巷道底板为各向同性介质, 且忽略应力的梯度, 认为在反拱开挖范围内, 围岩应力均为固定值F, 方向沿反拱法线指向圆心[1,2]。建立如图1所示的坐标系, 底板反拱受力平均, D点挠度最大, 因此该问题只分析D点挠度情况。
式中:ωD为D点挠度, m;r为反拱半径, m;d为反拱水平投影宽度, m;F为围岩应力, MPa。
随着反拱直径的增大, D点挠度逐渐增大, 呈渐进线性关系;随着反拱半径的增大, 开挖的工程量逐渐减小, 成反比关系。考虑开挖的工程量、支护的经济成本及现场施工条件, 确定中六运输巷反拱直径为8.25 m, 底板中部条件开挖500 mm。
2.3.2 反拱支护结构设计
在初次锚网索喷永久支护结束后, 在断层前后20 m段巷道对底板进行加强支护。底板做半径6 m的反拱、最大开挖深度500 mm, 底板反拱采用锚杆锚索支护, 每排3 根锚索和2 根底角锚杆, 锚杆规格为φ22×2 400 mm左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆, 锚索规格为φ17.8×6 200 mm的钢绞线。底角锚杆距两帮500 mm、倾角45°, 锚索间排距750 mm×1 400 mm。2 根底角锚杆和3 根底板锚索在一条梯子梁上[3]。钢筋梯子梁为 φ14 mm圆钢焊接而成, 梯子梁长3 700 mm, 梯子梁下铺设钢筋网。反底拱支护断面如图2 所示。
底板锚杆与垂直方向夹角分别为45°, 底板锚索与垂直方向夹角分别为20°。为了底板滞后注浆服务, 底板锚索替换成规格 φ22 mm×6 200 mm注浆锚索, 呈菱形布置。
2.4 底板注浆锚索滞后注浆加固
在巷道围岩初期大变形基本趋于稳定后通过预留注浆锚索进行底板注浆, 目的是加固节理破碎围岩, 防止底板因节理裂隙发育影响反拱结构性能而造成底板大变形。根据工程经验, 巷道掘进大约8 d后初期大变形逐渐趋于稳定, 进入缓慢变形期。中六运输大巷日进尺2.2 m, 考虑围岩地质特征及巷道掘进施工特点及巷道掘进影响, 滞后掘进头20 m进行滞后注浆。掘进过程中及时观测巷道围岩变形量, 根据现场实测数据随时调整滞后注浆时机。
在初次锚网索喷支护的基础上, 采用高压渗透注浆对巷道进行加强支护[4]。通过注浆加固, 提高支护结构的整体性和承载能力, 封堵断层破碎带内大量的导水裂隙通道, 有效防止围岩遇水膨胀和泥化现象, 从而保证巷道围岩和支护结构的长期稳定。注浆压力要能够克服裂隙阻力以便浆液渗入围岩。对中六运输巷底板采用深孔注浆, 因注浆孔深、围岩裂隙发育程度差, 应施加较大的注浆压力, 保证浆液的渗透范围。因此, 确定底板滞后注浆压力为5.0 MPa。
3 施工组织
巷道掘进至过断层5 m位置处停止进尺, 在断层破碎带前后10 m范围内进行混凝土反底拱施工, 采用风镐卧底, 如遇坚硬岩石无法清理时, 放炮处理, 但必须打浅眼“放小炮”将岩石震裂, 以减小对硐室顶帮及底板围岩的破坏。
底板清理后及时按设计要求施工底角锚杆与底板锚索钻孔, 使用气腿钻机施工 φ32 mm钻孔, 采用底板锚索钻机按照设计角度施工 φ60 mm钻孔。钻孔施工后放入锚杆、锚索, 并用纱布封堵孔口。待加固段钻孔施工结束后, 对所有钻孔进行冲孔排水、排渣;铺设钢筋网与双筋梯子梁。底角锚杆使用树脂药卷加长锚固, 锚索用水泥沙浆进行全长锚固。对底板支护进行预紧力检测, 清理巷道涌水, 使用C30 混凝土进行反拱浇筑。
4 支护效果
对中六运输大巷F2- 1 断层处进行了5 个月的巷道表面位移观测, 结果表明:巷道顶板与两帮经缓慢变形后逐渐趋于稳定, 4 个测站两帮变形均小于20 mm, 顶板下沉量最大43 mm。底板反底拱施工结束后, 底鼓最大位移量58 mm。当前支护有效控制了顶板下沉和底板变形, 保证了巷道安全使用。
5 结论
(1) 中六大巷断层带巷道底板受灰岩水威胁, 水压高达4 MPa, 底板距灰岩最近2.5 m, 要保证巷道安全掘进, 必须对底板进行注浆加固。
(2) 采用预留巷道变形量+ 超前注浆+ 锚网索喷永久支护+ 反底拱加强支护+ 底板滞后注浆的联合支护方案保证了掘进施工安全通过断层, 充分发挥了围岩自身承载性能。对断层破碎带内承压水巷道围岩变形的控制效果明显, 巷道底板底鼓量小, 避免了卧底引起的突水威胁。
参考文献
[1]唐芙蓉, 刘娜, 郑西贵.直墙半圆拱U型钢封闭支架控底力学模型及应用[J].煤炭学报, 2014 (11) :2165-2171.
[2]勾攀峰, 晁建伟, 孙光中.回采巷道过断层顶板应力分布特征研究[J].能源技术与管理, 2007 (4) :1-3.
[3]刘海生, 张茂民, 杨新平.超大硐室底板钢筋混凝土反底拱+超长锚索群加固技术[J].建井技术, 2014 (4) :25-27.
齐齐哈尔市第四系承压水水质评价 篇7
关键词：承压水,水质评价,地下水,第四系,黑龙江齐齐哈尔
齐齐哈尔市地处松嫩平原西北部, 嫩江中游。该区第四系松散堆积物沉积厚度大, 分布范围广, 岩性稳定, 为孔隙水的贮存提供了良好的空间, 储存了丰富的地下水。按埋藏条件和水文特性, 可分为第四系潜水 (浅层地下水) 和第四系承压水 (深层地下水) 2个含水层。经计算, 该区地下水可开采资源量68 304万m3/a, 是齐齐哈尔市工业、生活、农牧业用水的主要供水水源[1,2]。第四系潜水埋藏浅, 易开采, 是区内农村生活用水和牧业用水的主要供水水源, 第四系承压水埋藏较深, 不易受污染, 是区内工业用水及城镇生活用水的主要供水水源。该文只对第四系承压水进行水质评价。
1 第四系承压水水质分析
区内第四系承压水阴离子以重碳酸盐为主, 阳离子以钙、钠为主, 溶解性总固体一般小于1 000 mg/L, 属中性、弱碱性低矿化重碳酸型淡水。水化学类型以HCO3—Ca、HCO3—Ca·Na、HCO3—Na·Ca型为主, 其次为HCO3—Ca·Mg型水。第四系承压水总铁含量0.20～3.40 mg/L, 最高达44.73 mg/L, 超标率90.0%, 最高超标148.1倍;锰含量一般为0.11～0.31 mg/L, 最高达0.648 mg/L, 超标率76.7%, 最高超标5.48倍。
区内第四系承压水的主要污染物为亚硝酸盐氮、氨氮、溶解性总固体等 (表1) 。总硬度、硫酸盐、氯化物、硝酸盐、砷等项指标均有不同程度检出, 但均不超过饮用水标准。氟化物、铜、锌含量甚微;铅、汞、镉、铬、挥发酚、氰等指标均未检出。
2 第四系承压水水质评价
2.1 评价方法
采用国家《地下水质量标准 (GB/T14848-93) 》规定的综合评价方法[3]。通过对地下水水质监测资料的统计分析, 考虑导致地下水质量下降的主要污染物, 选择能代表地下水水质状况的溶解性总固体、总硬度、硫酸盐、氯化物、硝酸盐氮、氨氮、砷、亚硝酸盐氮和高锰酸盐指数等9项指标作为评价项目。评价标准采用国家《地下水质量标准》。
2.2 评价结果
重点对中心城区和富拉尔基区进行评价。 (1) 中心城区。按综合评分值划分为水质良好、水质较好和水质较差3个区。水质良好区分布在大田集团—炮台屯一带, 面积约11 km2, 占评价面积的5.6%;水中各项评价指标均在水质标准Ⅱ类内, 水质良好, 适用于各种用途用水[4]。水质较好的中心城区内绝大部分为该类水, 占评价面积的94%以上。水中各项指标基本符合饮用水标准, 个别点的氨氮有超标现象, 该类水总体水质较好, 适用于生活用水和农业用水。水质较差区仅在中心城区的一机床呈点状分布, 评价指标中氨氮含量较高, 已达Ⅴ类水质标准, 必须经除氨氮处理后可适用于生活用水和工业用水。 (2) 富拉尔基区。也划分为3个区。水质良好区分布在南部沿江一带, 面积约8 km2, 占评价面积的14%, 各项评价指标均在水质标准Ⅱ类内, 水质良好, 适用于各种用途用水;水质较好区占评价面积的85%以上, 水中各项评价指标均在水质标准Ⅲ类以内, 适用于生活用水及工农业用水。水质较差仅在三水源呈点状分布, 亚硝酸盐氮有超标现象, 其他各项指标均符合饮用水标准, 经除氮后可使用[5]。
2.3 变化规律与趋势
第四系承压水的总硬度、氯化物、亚硝酸盐氮等项指标略有降低的趋势;氨氮的检出含量略有增加的趋势。从总体来看, 水质没有明显变化。水体总硬度、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮等各项指标略有降低。氨氮的检出率、超标率和平均浓度均有增加的趋势, 硫酸盐、氯化物检出最大值略有增加。其他各项指标没有明显的变化规律。
3 结论
齐齐哈尔市第四系承压水主要污染物为亚硝酸盐氮、氨氮和溶解性总固体等。用综合评价法对地下水质量进行评价, 第四系承压水分为水质良好、水质较好和水质较差3个区, 水质较好和良好区占99%以上。水体各项指标基本符合饮用水标准, 适于生活、工农业用水;水质较差区呈点状分布, 氨氮或亚硝酸盐氮有超标现象, 经除氮处理后可使用。
参考文献
[1]金传良, 郑连生.水质技术工作手册[M].北京:能源出版社, 1989.
[2]费里泽R A, 彻里J A.地下水[M].北京:地震出版社, 1987:67-69.
[3]沈继方, 高云福.地下水与环境[M].武汉:中国地质大学出版社, 1995:65-72.
承压水防治 篇8
刘桥一矿水文地质条件类型为复杂型, 经勘探、补充勘探及建井期间的水文地质工作, 有效解决了松散层孔隙水与主采煤层顶底板砂岩裂隙水对回采的威胁。但随着矿井不断延伸, 6煤层底板下伏太灰、奥灰岩溶水等高承压水突水危险问题, 已日趋突出。该矿结合实际, 系统运用预测预报、疏水降压、煤层底板注浆改造、井下突水点封堵、各类防水煤柱留设等构成的高承压灰岩水综合防治技术, 有效缓解了6煤层底板高承压水水害威胁。据矿井水位观测资料显示, 自2000年以来矿井太灰水位平均下降了100 m。随着近位疏放和底板改造等高承压水综合防治技术的成功应用, 现矿井太灰水放出量已经能够满足工作面安全回采需求, 并且达到了富余状态。若不及时采取控放措施, 将增加矿井排水设施及排水成本。此外, 过分疏降也将造成区域地下水资源体系的破坏, 势必引起诸多环境、生态和工程地质问题[1]。
1 控放原理
高承压水合理控放技术主要基于抽、放水实验有关数据, 在充分了解高承压水连通性的前提下, 在某个区域施工一系列放水钻孔、放水巷等, 通过合理控制放水量, 降低相临采区、工作面灰岩水突水系数, 实现安全开采。结合该矿工程实际, 控放工程主要分为闸门控放、钻孔控放。
(1) 闸门控放。把掘进过程中出现大突水点的底板岩巷, 用水闸墙封闭起来留好闸门进行控放, 水闸墙是出水后再建的, 可避免因疏水巷揭露不了较大岩溶裂隙, 放水量小而造成的工程浪费和利用效率低[1]。
(2) 钻孔控放。由若干独立的可控制涌水量的井下放水钻孔构成, 依据工程需要钻孔可适当分散, 以避免 (减弱) 相互干扰和扩大疏降范围。这种形式工程量较小, 适宜在放水量较小的条件下使用。
2 技术保障
为准确实现灰岩水控放效果, 达到控放要求, 刘桥一矿从多方面入手, 确保该项技术成功应用。2006年新建了北风井地面注浆站, 对受高承压水威胁的煤层进行底板注浆加固改造, 增强底板隔水厚度及性能, 确保安全开采。
2009年7月进行了井上下水文遥测监控系统优化升级整合, 对地面水文钻孔安装KJ402-FA水文分站, 实现水位、水温的自动监测, 对井下高承压水疏放孔安装KJ402-F水文分站, 分别监测压力、温度、流量等。通过光纤将井下监测数据传输到机房, 同时, 设立了与矿内网连接的网络页面, 真正做到井下数据实时在线监测, 准确及时掌握水文动态, 实现了高承压水疏放量合理控制、水害事故早发现、早预报、早防治。
3 控放工程实例
3.1 钻孔控放
为确保Ⅱ661工作面安全回采, 结合矿井二水平放水试验资料分析, 在临近工作面的Ⅱ46轨道石门处施工1个灰岩水放水孔, 可有效降低Ⅱ661工作面灰岩水水位, 同时结合工作面煤层底板注浆改造工程, 实现工作面安全回采。Ⅱ46放水孔与Ⅱ661工作面空间位置关系如图1所示。
3.2 未施工放水孔前工作面灰岩水突水系数
据工作面附近的Ⅲ2资料, 6煤底板至太灰顶板间距为47.65 m, 水16孔太灰水位-312 m, 工作面回采下限标高-632 m, 经计算该工作面突水系数为0.067 MPa/m。淮北地区临界突水系数0.07 MPa/m (完整底板) 和0.05 MPa/m (不完整底板) , 该工作面突水系数接近0.07 MPa/m (完整底板) , 且该面受陈集向斜构造影响, 煤层底板岩石破碎, 裂隙发育, 存在原始导高, 不排除灰岩水突出威胁。因此工作面回采前需在临近工作面区域施工一个灰岩水放水孔, 进行灰岩水控放;同时进行底板注浆改造, 改善底板隔水性能, 大大降低突水系数, 确保工作面安全回采。
3.3 底板改造完成并控放灰岩水后工作面灰岩水突水系数
工作面形成之后于2009年11月份对工作面煤层底板进行注浆改造, 2010年1月底完工;随即施工Ⅱ46放水孔, 对该区域的灰岩水进行控放, 截止2010年4月20日, 该区域附近的水16孔太灰水位降至-367 m。放水孔起用后工作面灰岩水突水系数计算:水16孔太灰水位-367 m, 6煤底板至太灰顶板间距为58 m (底板注浆改造后隔水层厚度) , 此时Ⅱ661工作面灰岩水突水系数为0.045 MPa/m。可见, 工作面灰岩水水位得到明显控制, 突水系数远小于淮北地区临界突水系数, 达到安全回采的要求, 此时停止放水。
完成Ⅱ46放水孔施工并进行有效的控放水后在Ⅱ661工作面形成了灰岩水位降落漏斗, 运用矿井水文动态监测智能预警系统时时在线动态观测水16孔水位变化趋势, 如图2所示。及时调整Ⅱ46放水孔放水量, 可在确保工作面安全回采的前提下, 有效节约排水费用。
4 结语
在充分了解矿井水文地质条件的情况下, 结合煤层底板注浆改造技术, 运用矿井水文动态监测智能预警系统在线观测灰岩水位变化, 合理控放灰岩水, 可有效降低突水系数, 保证安全回采, 增加资源回收量, 节约排水费用, 社会效益及经济效益显著。
参考文献