焦作矿区

焦作矿区（精选4篇）

焦作矿区 篇1

摘要：长期以来, 软岩支护一直是困扰煤矿井巷施工, 尤其是井深大, 围岩软弱、破碎、松散、膨胀, 地压大巷道施工的关键技术难题。软岩支护不能依靠传统的单一支护型式, 复合支护是目前软岩治理的一种有效手段。针对焦煤公司软岩的突出问题, 经过探索和实践, 逐步摸索出了一套适合焦作矿区软岩特点的支护方法。

关键词：软岩支护,支护强度,复合支护,支护改革

目前, 焦作矿区各矿大多进入深部煤层开采, 如古汉山矿已进入-500 m水平开采, 方庄矿最深进入-600 m水平开采。随着矿井开采深度的不断增加, 软岩支护问题更加突出, 每年因软岩支护造成巷道反复修理的费用在亿元以上, 严重影响了煤矿安全生产和经济效益的提高。为此, 焦煤公司近年来在软岩支护问题上进行了一些探索, 逐步摸索出了一套适合焦作矿区软岩特点的支护方法。

1 软岩支护概况

目前, 焦作矿区12对矿井中, 除朱村矿、韩王矿、小马村矿、白庄矿和张屯矿处于标高-300 m水平以上开采外, 其余全部进入标高-300 m水平以下开采。特别是赵固一矿、古汉山矿、方庄矿, 已处于标高-500 m水平以下开采。焦作矿区矿井进入-300 m标高以下, 采用传统单一的支护型式, 巷道不易维护。进入-400 m标高以下, 软岩支护问题特别突出。

焦作矿区软岩巷道具有高应力、节理化、复合型、强膨胀工程地质特征。软岩巷道大部分处于构造应力区, 其水平应力为原岩应力的3～5倍, 节理裂隙十分发育, 构造复杂。巷道大多处在泥岩、砂质泥岩、页岩等层位, 泥质成分高, 强度低, 遇水软化膨胀, 使巷道围岩发生复杂的变形, 矿区曾采用多种支护方式和控制技术, 例如:一次支护锚网喷, 二次支护架棚、砌碹、锚索、组合锚杆、联合支护等支护方式, 均不能控制其变形。因此, 寻求适应焦作矿区复杂应力软岩变形特点的控制方法势在必行。

焦煤公司从2002年开始, 针对软岩支护问题, 与国内外一些专家共同对高应力、软岩巷道围岩变形机理、围岩稳定原理及控制技术进行了深入研究, 通过分析破碎围岩力学特征及承载特性, 提出了破碎围岩承载规律。在此基础上研究、开发了高抗边让、松动卸压技术, 通过对高应力软岩巷道松动卸压, 控制高应力软岩巷道塑性区、破碎区的发展, 使破碎围岩在高支护阻力的作用下, 形成自稳结构, 实现高应力软岩巷道稳定;并研究分析了巷道围岩稳定与第一次、第二次支护强度, 支护特性的关系, 为确定合理的二次支护强度、支护特性提供依据。

2 软岩支护实例

焦煤公司根据各巷道压力大小的不同, 按照支护合理、经济可行的支护原则, 利用软岩支护研究得出的理论, 从中马村矿、演马庄矿、九里山矿较深部的巷道支护, 到古汉山矿、方庄矿、赵固一矿、赵固二矿的深部软岩支护, 探索出了锚网喷+网壳、锚绳喷、锚网+工钢圆对棚+喷浆、工钢圆对棚放矸、锚网+填充层+塑料网+钢网+U型钢+喷浆、锚网+U型钢+喷浆并配合围岩注浆等新型的复合支护方式, 取得了明显的效果。

2.1 古汉山矿

古汉山矿一水平埋深550～600 m。开拓、准备巷道和回采巷道大多处在软岩层位中, 受多种复杂应力的影响, 巷道围岩发生变形破坏, 多数巷道出现“前掘后修、前掘后冒”, 甚至大面积垮落等情况, 严重影响矿井安全生产, 维修费用居高不下, 每年高达3 000万元。从建矿至今, 采用锚网喷、锚索、工钢棚、混凝土碹、网壳等多种支护型式, 均不能有效控制巷道围岩的强烈变形。2004年开始采用锚喷+工钢圆对棚、工钢圆对棚放矸、锚喷+U型钢支护工艺, 在西大巷、11采区轨道上山等严重变形巷道中试验, 取得明显成效, 有效控制了巷道持续变形。

(1) 西大巷支护。

古汉山矿西大巷标高-450 m, 垂深545 m, 设计长度2 061 m。巷道揭露的大断层有3条, 最大落差达47 m。巷道岩性主要为泥岩及含砂泥岩, 是典型的节理化软岩, 具有高应力、节理化、复合型、强膨胀工程地质特征。原设计巷道断面宽4.5 m, 高3.75 m, 断面形状为直墙半圆拱, 支护型式为锚喷支护。古汉山矿西大巷从1998年开始掘进, 在掘进过程中出现“前掘后修、前掘后冒”, 甚至大面积垮落等现象。2000年, 被迫停止掘进, 重新开始修理, 历时5 a, 成巷430 m。在支护工艺上先后进行了摸索和实践:11#工钢单棚进行加固 (支护不住) →锚网喷+网壳 (采用网壳, 虽有一定的抗压能力, 但让压能力较弱, 局部压力大的地段仍支撑不住) →锚绳喷+锚注 (采用锚绳技术, 虽有一定的让压能力, 但抗压能力较弱;采用锚注技术, 部分新掘巷道注浆困难, 总体来说, 有一定的效果, 但仍不是特别理想) →工钢圆对棚放矸 (有一定效果, 但放矸比较复杂) →锚喷+工钢圆对棚或锚网+工钢圆对棚+注浆 (根据实际情况决定是否注浆, 从2004年12月至今, 巷道面貌良好) →锚喷+U36型钢 (根据实际情况决定是否带底拱, 是目前较成熟的支护工艺) 等阶段, 最终确立了锚网+工钢圆对棚+喷浆和锚网+U36型钢+喷浆并配合围岩注浆的支护工艺, 基本上控制了巷道的强烈变形, 达到了支护预期效果。

(2) 11采区3条上山支护。

11采区3条上山从1998年掘进施工完毕, 维修工作就一直没有停止过。刚开始的几年, 由于回采工作面少, 几乎每年修理1遍;2001年以来, 由于受采动影响, 每年要修理2遍。原支护为锚网喷, 2001年以前, 修理多采用锚网喷+锚注+锚索;2002年, 又对11采区3条上山进行锚网喷+拱形单工钢棚修理, 费用达1 500万元, 但到2003年还是被压坏。2003年, 用网壳支护技术对11采区3条上山及各车场进行了大规模的修理, 费用超过2 000万元。从2004年5月起, 先后对11采区3条上山及采区各车场, 用工钢圆对棚进行修理维护, 效果良好。

(3) 中部变电所支护。

中部变电所所处位置在11采区轨道上山三车场以上。2000年, 中国矿业大学何满超教授在古汉山矿测矿压时得出:从东南向西北的一条约200 m宽的高应力集中带穿过11采区, 中部变电所刚好在这条高应力集中带内。从1998年开始, 先后修理过8遍, 锚网喷、锚索、锚注、单拱形工钢棚、网壳等各种联合支护形式都采用过, 均没有奏效。2005年初, 曾经试图报废中部变电所, 但因没有合适的新位置而放弃该想法。2005年3月, 又重新将中部变电所用工钢圆对棚+喷混凝土进行了扩修。目前, 所修硐室几乎没有任何变形。

2.2 方庄二矿

方庄二矿20采区3条下山支护开拓巷道主要布置在煤层中, 服务年限较长, 随着埋深增加, 矿压变大, 造成多次修理、维护成本居高不下的局面。特别是20采区回风下山巷道维修成本每年达5 000元/m。连续6 a方庄二矿巷道维修费用在1 000万元以上。

2008年, 焦煤公司对方庄二矿的支护型式进行了革新, 从观念更新到引进技术, 从传统支护到高强度复合支护的尝试, 取得了初步成效。仅后半年就在20采区下半部、23采区轨道巷、25采区的2条下山和25采区的水仓等地点架设U型钢支架1 820架, 折合进尺910 m, 有效地改变了井下面貌。

(1) 20采区深部3条下山支护演变过程。

①巷道标高。巷道标高为-400～-500 m, 垂深为550～650 m。②巷道顶底板岩性。20采区3条下山虽然设计在煤层中, 但由于多年的维修, 巷道被人为抬高, 实际上, 顶板为已多次破坏的岩层。直接顶为黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩互层;基本顶为灰色中粒砂岩。③支护型式。20采区3条下山原设计断面为8.5～11.0 m2, 由于巷道变形严重, 断面缩小为3～4 m2, 先后经历了双层料石砌碹→锚网支护→锚网+锚索+喷浆→U型钢+钢网→锚网+填充层+塑料网+钢网+U型钢+喷浆进行复合支护等多种支护形式上的演变。通过多种支护型式对比, 锚网+填充层+塑料网+钢网+U型钢+喷浆复合支护效果良好。双层料石砌碹:工艺落后, 承压强度低, 支护时间短, 一般在3～6个月。锚网支护:承压强度优于双层料石砌碹, 但表面易风化, 使用时间在3～8个月。锚网+锚索+喷浆:使用时间在5～15个月。U型钢+钢网:优于锚网支护。锚网+填充层+塑料网+钢网+U型钢+喷浆进行复合支护:效果良好。

(2) 施工工艺。

①先将一段失修巷道进行扩锚。②U型钢架设。③在U型钢与锚网岩体的中间, 先铺设钢网和塑料网, 然后然后充填装好的岩石袋。④1个月后进行喷浆。

3 结语

(1) 软岩支护原则。

①及时封闭围岩, 防止围岩风化和潮解;②及时采用锚杆支护, 提高围岩自稳能力;③采用圆对棚、U36型钢封闭支护, 并配合围岩注浆技术。

(2) 施工方法。

①按照支护合理、经济可行的支护原则, 选择复合支护型式。②支护强度和可缩量是软岩支护的2个最为重要的参数。焦作矿区在软岩治理中选择11#工钢全封闭圆对棚和U36型钢支护配合壁后充填让压层和壁后放矸减压等措施, 使之具备一定的承压和让压、卸压功能。③二次支护时机的选择很重要。如古汉山矿在一次支护后, 一般经过50～60 d, 才进行二次支护。④采用围岩注浆技术, 能有效地改变围岩岩性, 提高围岩自身承载能力。

焦作矿区 篇2

焦作矿区位于河南省北部,开采二叠系下统二1煤层,是优质的无烟煤生产基地,面积约1 000 km2。矿区现有生产矿井14对,70%以上为煤与瓦斯突出矿井,矿井瓦斯绝对涌出量为154.4 m3/min,年瓦斯涌出总量约0.8亿m3[1]。随着矿井开采深度增加,瓦斯涌出量不断增大,曾多次发生煤与瓦斯突出事故,瓦斯危害与事故严重地威胁着矿井安全生产。

为降低矿井生产安全隐患,充分利用煤层气资源,焦作矿区部分矿井相继开展井下煤层气抽放和地面抽采工作,已建有9个抽放矿井,建成10个煤层气抽放站,年抽放量可达1 400万m3[1]。随着煤层气勘探开发的兴起,先后有多家单位在矿区内开展基础煤层气研究和地面勘探开发试验工作,该区煤层厚度大、平面分布稳定,埋藏适中、煤层含气量和含气饱和度较高,逐步成为高煤阶煤层气勘探开发的热点地区;在二1煤层埋深800 m以浅,累计竣工煤层气参数井和生产井近40口,部分煤层气井日产量达600 m3,表现出良好的产气前景;由于矿区二1煤层渗透率较低,煤体结构变化较大,仍不能形成经济型煤层气排采井群。此次对焦作矿区煤层气赋存地质条件、赋存特征和储层特征进行分析、总结,以指导煤层气勘探开发井位选择和成井方法,实现煤层气开发的新突破。

1 煤层气赋存地质条件

1.1 构造条件

焦作矿区总体为一走向北东、倾向南东的单斜构造,地层倾角6°~16°,局部25°~30°。区内断裂发育,多为高角度正断层,按构造特征可分为三级,盘古寺断层(F8)为一级断裂构造;凤凰岭断层(F4-2)和耿黄断层(F40)为二级断裂构造;九里山断层(F14)、薄壁断层(F41)和峪河断层(F20)为三级断裂构造[2]。矿区据凤凰岭断层和峪河断层分为3个断块,峪河断层以北为北部断块,峪河断层和凤凰岭断层之间为中部断块,凤凰岭断层和盘古寺断层之间为南部断块(图1)。

1.2 埋藏条件

(1)深度条件。经构造运动,矿区被断裂切割成一系列断块,断块间煤层埋深差异较大。北部断块为地层走向北西、倾向南西的单斜构造,二1煤层埋藏390 m以深[3],北东浅,南西深;中部断块为地层走向北东、倾向南东的单斜构造,二1煤层埋藏50m以深[4],西北浅,东南深;南部断块整体为向斜构造,二1煤层埋藏550 m以深[5],向斜轴向东倾伏,西浅东深。受风化剥蚀和断层抬升影响,在同一方向,北部断块煤层埋藏浅,上覆基岩薄;南部断块煤层埋藏深,上覆基岩厚。

埋藏深度是影响煤层气富集的主要地质因素,煤层气含量与上覆基岩厚度密切相关。矿区在煤层埋藏500 m以深,气含量等值线与煤层底板等高线大致相同,含量总体随深度增加而增高,煤层埋深在1 100 m左右,气含量达到最高值,而后随深度增加略有下降。

(2)围岩条件。二1煤层顶板主要为泥岩、砂质泥岩和粉砂岩,其中泥岩分布最广,细—中粗粒砂岩零星分布。泥岩分布于恩村井田、马厂勘查区、程村井田和赵固井田,厚0.30~17.67 m,平均厚3.97m;砂质泥岩、粉砂岩主要分布于演马庄井田、九里山井田、冯营井田,厚0.30~26.84 m,平均厚6.69m[1];砂岩(细—粗粒砂岩)仅在中马村井田有零星分布,厚0.80~33.49 m,平均厚9.75 m[6]。二1煤层底板岩性为泥岩、砂质泥岩和粉砂岩。

煤层顶、底板岩性和厚度是煤层气藏保存的重要条件,顶、底板岩性特征取决于聚煤沉积环境。顶、底板以泥岩、砂质泥岩为主时,厚度越大,煤层易形成相对封闭的环境,有利于煤层气的保存。焦作矿区二1煤层顶、底板以泥岩、砂质泥岩为主,透气性较差,气体难以向外逸散,对煤层气的保存有利。

1.3 水文地质条件

(1)内在含水性。煤层内在水分含量与煤层气含量呈消长关系。一般情况下,煤变质过程中,从褐煤到无烟煤,煤颗粒表面的亲水能力逐渐减弱,内在水分逐渐减少。焦作矿区二1煤为无烟煤,煤颗粒表面的亲水能力较弱;据勘查资料统计,二1煤水分1.0%~2.0%居多,平均1.66%[6],煤的内在水分含量较少,有利于煤层气的吸附富集。

(2)围岩含水性。煤层围岩含水性对煤层气的赋存有一定影响。顶、底板为砂岩、灰岩等岩溶裂隙发育的强含水层时,富水性较强,水分子易吸附于煤粒表面,减弱煤对CH4吸附能力,且侵占煤的微孔隙,排挤呈自由状态的游离CH4,降低煤层气含量;煤层顶、底板为泥岩、砂质泥岩等弱含水层或隔水层时,富水性弱,有利于煤层气保存。

(3)地下水流动性。地下水运动强度与煤层气富集呈负相关关系。地下水对CH4具溶解作用,溶解度为0.15~2.83 L/L[1],可使CH4随地下水流动而运移、失散和聚集;在断层附近的岩溶裂隙水强径流带,造成煤层气逸散,气含量较低,向斜轴部附近地下水活动迟缓,利于煤层气富集,气含量较高。

2 煤层气赋存特征

2.1 煤层气含量

(1)北部断块。受峪河断层(F20)影响,断块地层大幅度抬升,长期遭受风化剥蚀,致使二1煤层上覆基岩厚度小,且断块内断裂多为开放性正断层,不利于煤层气保存,煤层气含量较低,二1煤层CH4含量为0.01~15.36 m3/t,一般为2.79 m3/t[7,8]。其生产矿井赵固一矿、赵固二矿、程村矿等均为瓦斯矿井[9,10]。

(2)中部断块。发育燕山期形成的北东、北北东向断裂,受挤压作用为主,后期受拉张作用,多为反倾向走向正断层,将断块切割成一系列阶梯状小断块,构造复杂,煤层气含量较高,二1煤层CH4含量为3.59~51.38 m3/t,一般为13.48 m3/t。其生产矿井中马村矿、冯营矿、方庄矿、古汉山矿、九里山矿和演马庄矿均为瓦斯突出矿井[11]。

(3)南部块段。主要发育近东西向断裂和褶皱,而北北东向构造不甚发育,与中部断块相比,构造相对简单,而煤层气赋存条件好,二1煤层CH4含量高,普遍在30 m3/t以上,最大89.45 m3/t[12,13]。

2.2 煤层气赋存特征

在226.96~1 650.90 m取样范围内,二1煤层CH4含量0.01~89.45 m3/t,平均16.31 m3/t;煤层气成分以CH4为主,占煤层气成分的23.79%~99.48%,一般90%左右;其他为N2和CO2,一般9%左右;含少量重烃,一般小于1%。

该区煤层气含量平面分布特征与煤层埋深变化相关。据统计,在二1煤煤层气风化带以深(约500m煤层埋深),气含量递增梯度2.72 m3/(t·hm),煤层气含量峰值出现在煤层埋深达1 100 m,最高达89.45 m3/t,而后随煤层埋深增加缓慢降低[14]。

3 煤层气储层特征

3.1 煤层特征

二1煤层位于山西组下部,全区发育,属较稳定厚煤层,煤厚0.65~19.59 m,一般为5~6 m,结构较简单,一般不含夹矸,局部含1~2层夹矸。

二1煤为灰黑—黑色,块状、粉状,北、中部断块多为块状,南部断块粉状居多;煤体较坚硬,坚固性系数为0.64~2.90,一般为1~2;透镜状、条带状结构,层状构造,多为原生结构煤,局部为构造煤。煤岩组分以亮煤为主,暗煤次之;煤岩类型多为半亮型,少量光亮型和半暗型。

3.2 裂隙特征

区内二1煤层变质程度较高,裂隙不甚发育,且不同地段裂隙发育程度具不均一性。据九里山矿井下煤层观察,裂隙密度差异较大,为1~150条/cm,以追踪张裂隙、共扼剪裂隙为主,构造形迹多表现为雁行状和菱形网状,展布方向与宏观断裂构造方向具一致性[1]。

3.3 吸附特征

据压汞试验资料,该区二1煤孔隙表面积以微孔为主,占96.6%,中、大孔仅占3.4%,由此可知,该区二1煤的吸附能力强。据马厂勘查区二1煤等温吸附试验,当温度为30~35°C时,煤对CH4最大吸附量区间在28.15~49.92 m3/t[14];由于马厂勘查区实际解吸含气量更高,则表明部分地段存在超压吸附[15]。

3.4 渗透性

据勘查测试资料,中部断块的中马村矿二1煤层渗透率0.001×10-3μm2,经水力压裂处理后,渗透率提高至0.771 6×10-3μm2;南部断块恩村井田二1煤层渗透率0.002×10-3μm2[1];马厂勘查区北部二1煤层渗透率0.13×10-3μm2,南部二1煤层渗透率0.30~0.49×10-3μm2。由此说明,焦作矿区二1煤层的渗透性较差,远低于全国煤储层渗透率的平均值1.27 m D。

3.5 储层压力

经煤层气参数井测试,南部断块储层压力7.30~11.52 MPa,压力梯度0.88~1.09 MPa/hm,属正常~超压状态;中部断块储层压力2.52~4.03MPa,压力梯度0.59 MPa/hm,属欠压状态[14]。

4 开发利用前景

4.1 煤层气资源量

浅部以煤层采空区或煤层气风化带为界,深部至煤层埋深2 000 m等值线,焦作矿区二1煤煤层气资源量估算面积712.55 km2,获得煤层气资源量为1 196.38亿m3;其中预测资源量406.94亿m3,远景资源量789.44亿m3[1]。各断块煤层气资源量分布情况见表1。

4.2 开发条件分析

(1)煤层厚度。二1煤层厚度一般5~6 m,属较稳定的厚煤层,结构简单,无明显分岔现象,有利于煤层气的整体排水降压。

(2)含气饱和状态。二1煤层变质程度较高,无烟煤阶段,生气量大,煤层封盖条件好,各断块内含气量由浅部向深部有逐渐增高趋势。受煤层埋深、基岩厚度、构造条件、围岩封闭和地下水活动等因素的控制,各断块煤层气含量不均。北部断块二1煤层含气量低,处于欠饱和状态;中部、南部断块深部二1煤层含气量高,多为饱和状态或近饱和状态。

(3)资源丰度。全矿区二1煤层气总资源量为1 1 9 6.3 8亿m3,煤层气资源总丰度为1.6 8亿m3/km2,气资源分布具有明显分带性,由浅至深煤层气资源丰度逐渐增大。北部断块资源丰度低,为0.71亿m3/km2;中部断块资源丰度较高,为1.50亿m3/km2;南部断块资源丰度高,资源丰度为2.72亿m3/km2(表1)。

(4)煤层埋深。矿区整体为单斜构造,由北西向东南煤层埋深逐渐增加,但由于北东向断层的切割,形成多个煤层埋藏深浅不一的断块。浅部300~500 m二1煤层多数为生产矿井采空区,且属煤层气风化带,已无勘探开发价值;对煤层气开发有利的煤层埋深在500~1 200 m。

(5)物性特征。矿区煤中孔隙度及其孔径大小由煤岩类型及其煤化程度等决定,由东北向西南、由浅部至深部,二1煤的孔隙度由小到大,此外,断裂构造附近煤的孔隙度大幅度升高。二1煤层渗透率差异较大,主要取决于断块构造部位、煤中裂隙特征和煤体结构,断层构造带附近煤层渗透率较高。矿区煤层原始渗透率一般较低,但压裂后煤层渗透率明显增高。

(6)储层压力。煤储层压力一般随煤层埋深增加而增加,各断块储层压力差异较大,储层压力梯度一般为0.5~1.1 MPa/hm,南部断块大部为正常—超压储层,中部断块多为低压储层。

4.3 矿区综合评价

(1)参数选取。依据煤厚、气含量、资源丰度、煤层埋深定量评价,煤体结构、构造复杂程度、水文地质条件定性评价,含气饱和度、压力梯度、渗透率、临储比等参数综合评价。主要评价参数见表2。

(2)评价结果。依据评述参数,推测南部断块最有利—有利区块;中部断块为有利—较有利区块,局部为不利区块;北部断块多为不利区块。

5 结语

焦作矿区中部、南部断块二1煤层厚度稳定,煤层气资源量丰富,储层压力较高,有较大的开发潜力。南部断块恩村井田施工1口煤层气参数井(CQ6),单井日产量最大500 m3,认为恩村井田煤层气资源条件好,具有较好的开发前景。

矿区渗透率较低,影响煤层气整体开发利用。中部断块古汉山井田曾施工煤层气试验井5口,其中西部3口按三角形小型井网布置,采用裸眼造穴和水力压裂等增产工艺,对煤储层进行强化和改造,并进行了排采试验,单井日产量为100~600 m3,差异较大。初步认为由于煤储层非均质性的影响,使煤层气扩散速度较慢,煤层气井产量上升缓慢而产生差异。

新工艺、新方法的应用是煤层气勘探开发成功的关键,应在有利区块内施工煤层气参数井,进一步探索矿区煤层气地质特征、成井工艺和储层改造措施,并加强成井方法的研究,以提高煤层气产能。

摘要：煤层气富集与地质条件和储层特征密切相关。利用煤田勘查和矿井生产资料,分析了焦作矿区二1煤煤层气赋存地质条件、赋存特征和储层特征;研究表明,区内煤层气含量与煤层埋深、围岩气密性呈正相关,与水文地质条件呈负相关,并受构造条件制约;预测矿区中部断块和南部断块二1煤煤层气资源丰富,有较好的开发利用前景。由于煤层渗透率较低,煤体结构变化较大,部分地段不利于通过压裂产生有效延伸长度和导流能力的裂隙,需要进一步探索成井工艺和储层改造措施,以提高煤层气产能。

焦作矿区 篇3

关键词：煤层底板,含水层,注浆改造,推广应用

1 概况

1.1焦作矿区水害基本特征

焦作矿区位于华北煤田南端, 太行山南麓, 矿区北部出露约1800km2的奥陶系灰岩, 接受大气降雨补给, 奥灰岩溶水水量十分丰富, 北部山区奥灰岩溶水以平均12.7‰的水力坡度向南流至焦作矿区, 流量为14m3/s。目前焦煤集团共有17对生产矿井, 开采的主要是二叠系山西组二1煤, 煤层赋存稳定, 地质构造复杂, 矿井水文地质条件均为复杂型。充水水源主要为大气降水、老空水、顶板砂岩水和底板岩溶水, 导水通道以断层带、顶板冒裂带、底板破坏深度和底板岩溶水为主。煤层底板下距石炭系八灰20～40m、二灰70～80m、奥灰100～120m, 受矿区内发育的中小断层影响, 二灰水与奥灰水同源、同压, 若断层导水, 则可能造成奥灰突水淹井。

1.2焦作矿区煤层底板含水层简述

矿区主要可采煤层为二叠系 (P1) 山西组的二1煤层, 煤层底板含水层主要有石炭系 (C3) 薄层灰岩岩溶含水层;奥陶系 (O2) 巨厚层灰岩岩溶含水层。本区石炭系地层为石灰岩、砂岩、粉砂岩、页岩和煤层互层, 厚度为90～100m, 其中石灰岩9层, 总厚度20～40m, 占本地层厚度的30～50%;含水层以第二层灰岩 (简称“二灰”, L2) 和第八层灰岩 (简称“八灰”, L8) 为主, 厚度较大且分布稳定, 具有较强的充水作用, 是本矿区的主要充水含水层。

八灰厚度6～10m, 平均8m。距二1煤20～40m, 渗透系数K=1～15m/d, 静止水位标高+90m。八灰承压水通过断层破碎带等导水通道向二1煤采掘区突水, 是本矿区开采二1煤层的主要突水水源, 单点突水量40～120m3/min, 单位压力涌水量为3m3/min/kg/cm2。

二灰厚度4～21m, 平均12m, 岩溶发育, 富水性强。由于二灰离本区最主要的奥灰含水层很近, 一般为10～20m, 因此很容易与奥灰含水层沟通, 从而导致灾害性突水事故。

八灰及二灰的岩溶发育有以下特点:①在静水位活动带附近 (即标高60～90m) 岩溶发育。②岩溶发育程度随埋深的增大而减小。③岩溶发育受到本区各导水断层的控制, 在构造破碎带岩溶特别发育, 常发育有蜂窝状溶洞, 有些溶洞直径达到7～8m。

奥陶系地层为厚层状石灰岩、泥灰岩和白云质灰岩互层, 为煤系地层的基底, 距煤层底板100m左右, 厚度超过400m, 在太行山区大面积裸露, 直接接受大气降水及地表水的大量补给, 裂隙发育, 富水性强, 成为焦作矿区各含水层间接的强大补给水源。是本矿区的最主要含水层。

2 焦作矿区应用煤层底板注浆改造技术的必要性

焦作矿区主采二1煤层, 下距石炭系L8灰岩含水层仅20m左右, L8灰岩含水层又通过断层破碎带、导水裂隙与L2灰岩和奥陶系O2灰岩沟通, 具有水压高, 水量大的特点, 而且一旦发生突水, 轻则影响生产, 重则淹采区、甚至淹井, 焦作矿区历史上共发生17次突水淹井事故, 突水水源均是底板灰岩含水层, 极大地影响了企业的经济效益, 给矿井的安全生产造成了极其严重的影响。由于有大量的太行山区大气降水及地表水的补给, 疏水降压效果不明显, 而且要耗费巨额的排水电费, 因此, 我们果断决定在焦作矿区大力推广应用煤层底板含水层注浆改造技术, 让百年老矿区重新焕发生机。

3 煤层底板注浆改造技术的可行性

3.1煤层底板含水层注浆改造技术的发展

煤层底板含水层注浆改造技术起源于1984年, 经过近30年的不断实践、改进, 发展到目前, 利用地面注浆站通过多趟注浆管路同时对工作面进行大面积连续注浆, 而且又摸索出一套适合焦作矿区的技术参数, 经实践证明, 是切实可行的。

3.2注浆改造开采既可行又经济

焦作矿区属于山前冲击平原地区, 地表覆盖大面积的黏土层, 材料来源广, 成本低, 单价约30元/ m3, 在浆液中加入黏土, 不但可以降低注浆成本, 而且浆液流动性好, 扩散半径大, 注浆效果更好。

3.3物探技术在注浆改造技术成功应用

瞬变电磁、直流电法等先进的物探仪器在焦作矿区已经取得了显著的效果, 利用先进的物探仪器准确探测底板含水层的突水异常区, 对异常地区进行重点改造。另外, 工作面在改造结束以后, 还要进行物探验证, 与注浆前的物探成果进行对比, 确保工作面的安全回采。

综上所述, 我们认为可以在焦作矿区大力推广应用煤层底板含水层注浆改造技术。

4 应用效果

4.1赵固一矿11011、12011等工作面

赵固一矿为水文地质条件复杂型矿井, L8灰岩水压高达5MPa, 遇断层或导水裂隙极易发生恶性突水事故。在矿井基建期间, 东大巷掘进遇一条落差1.5m的小断层, 发生600 m3/h的突水, 几乎造成淹井事故。因此, 经经研究, 赵固一矿首采工作面11011必须进行底板含水层注浆改造经验证合格后方可进行回采。设计首先采用均匀布孔的原则, 另依据巷道掘进过程中实际揭露的地质资料以及物探资料所显示的异常区进行重点改造。工作面外围加固范围30m左右;底板注浆改造钻孔应尽量与主裂隙方向正交或斜交;浆液扩散半径按25～30m;断层带考虑平面和立体布孔, 要在垂直方向上加大加固深度, 防止断层深部导水;检查孔应布置在断层破碎带、水量大注浆量小的钻孔附近。该工作面底板注浆改造共投入资金近1000万元, 安全回采煤量150万吨, 没有发生突水事故, 取得了巨大的经济效益和安全效益。

继11011、11051等工作面进行了煤层底板含水层注浆改造实现了安全开采不突水后, 为了推进高产高效矿井的建设, 2010年集团公司决定在12011工作面进行首个大采高 (采高6m) 工作面综采试验, 必须保证工作面不突水。通过应用该技术并在实践中不断优化改进, 目前该工作面已接近回收阶段, 水量为30m3/h, 该矿2011年矿井产量首次突破500万t。

4.2中马村矿27011工作面

中马村矿的27011工作面在掘进过程中揭露小断层10余条, 最大落差达2.7m, 而且利用瞬变电磁、直流电法探测, 存在大范围的低阻异常区, 极有底板突水可能。因此对27011工作面也进行了底板含水层注浆改造, 而且根据物探结果, 重点对物探异常区和断层破碎带进行改造。回采期间也未发生大的突水, 安全采出煤炭70万t。

煤层底板含水层注浆改造技术目前在焦作矿区已经被广泛推广应用, 在应用过程工作中, 多次进行设计优化, 比如, 在条件许可的情况下加大注浆压力, 延伸底板改造深度, 增加注浆设备和注浆管路, 在井下建立注浆加压站, 改造后再进行物探验证等, 截至目前, 焦作矿区所有水文地质条件复杂矿井和受水害威胁的矿井都已经建立了地面注浆站, 像赵固一矿、二矿、古汉山矿、演马庄矿等还对原注浆站进行了改扩建, 最大可以同时用8趟注浆管路同时进行注浆。2011年, 焦作矿区煤炭产量已达1700万吨, 比注浆以前的350万吨翻了近5倍。

5结论

焦作矿区 篇4

1.1 矿区概况

焦作市位于河南省西北部,北依太行,南临黄河,呈“北山、中川、南滩”之势。焦作市是我国的重要的粮食主产区,同时又是重要的能源基地,是国家规划的13个大型煤炭基地之一。焦作矿区地跨焦作、修武、辉县等县(市)。北起薄壁,南至大高村,东起辉县,西到柏山,东西长60 km,南北宽20 km~25 km,含煤面积1 660 km2。主要生产低中灰、特低硫、高发热量的优质无烟煤,是我国六大无烟煤生产基地之一,也是河南省大型煤炭基地中的六大矿之一。

矿区位于太行山南麓,地势西北高、东南低,地面标高介于85 m~250 m。区内有沙河、王村河、峪河等季节性河流,分别汇入卫河。由于地貌类型的多样性,造就了潮土、褐土、石质土、骨质土、棕壤土等繁多的土壤类型。

本区属暖温带亚湿润气候。极端最低气温-16.9℃,极端最高气温43.2℃,年平均气温为14.8℃。年平均降雨量624 mm。全年无霜期238 d。最大冻土层深度0.19 m,最大风力11级,夏季多东南风,冬季多西北风。

矿区水资源丰富,主要有第二系、第三系、第四系沙砾层水,水位1.63 m~21.18 m,水质为重碳酸镁钙型,矿化度308 mg/L~316 mg/L。资源开采后,一般不会出现积水。

1.2 塌陷区概况

由于长期受采煤的影响,导致采区的地表大面积变形和塌陷,大量房屋建筑、公共基础设施、耕地植被等遭到严重破坏,给塌陷区经济发展和人民生命财产造成很大损失。

采煤塌陷的深度平均在3 m左右,最深达到7 m,采空区面积与地表影响面积的比例为1∶1.3左右。塌陷地多位于丘陵地,对地表的形态特征影响较小,但是开采后出现裂缝,增加了水土流失,塌陷区内土质较差,肥力较低。

2 复垦工程措施

土地复垦工程措施主要分为四个部分,分别是土壤重构、植被重建、配套工程和监测与监管工程。

2.1 土壤重构工程

土壤重构工程根据不同的地表形态包括充填工程、土壤剥覆工程、挖深垫浅、平整工程、坡面工程、生物化学工程和清理工程,具体详见图1。

1)塌陷地充填利用土壤、煤矸石、粉煤灰和露天矿排放的剥离物等容易得到的矿区固体废弃物,填充采煤塌陷地,使之恢复到设计地面高程,然后进行机械压实整平等处理,可以直接用于林业,或者进行覆土用于农牧业,或者进行地基处理用于城镇建设。

2)土壤剥覆工程把采煤塌陷区表层30 cm~70 cm土壤利用工程机械进行剥离并且统一堆放。

3)挖深垫浅工程,挖深区通过打井抽水降低地下水位、表土层剥离和开挖土方后修葺鱼塘进行水产养殖;回填区通过铲运机进行表层熟土的剥离、回填重构、土地平整重建、翻耕和施肥进而达到作物种植的目的。

4)生物化学工程通过施用易溶性磷酸盐、含Ca2+化合物、添加营养物质提高土壤的肥力。

5)平整工程、坡面工程和清理工程通过平整、局部平整、梯田改造等达到作物种植的目的。

2.2 植被重建工程

植被重建工程包括林草恢复工程和农田防护工程,具体详见图2。

植被的重建工程首先应注重植被的筛选与引种,选定植物应该具有较强的适应性,对干旱、潮湿、瘠薄、盐碱、酸害、毒害、病虫害等不良立地因子有较强的忍耐能力,对粉尘污染、烧灼、冻害、风害等不良大气因子也有一定的抵抗能力;根系应具有固氮根瘤,可以缓解养分的不足;根系发达,有较快的生长速度;播种栽培较容易,成活率高。

植被的重建工程其次注重植被的配置,可以混播牧草(种籽)、榆树(截干苗)、大白柠条(两年生苗)等进行配置,也可以柠条(一年生苗)、章子松(容器苗)、榆树(一年生苗)、混播牧草(种籽)、小叶锦鸡(一年生苗)进行配置。

2.3 配套工程

配套工程包括灌排工程、喷(微)灌工程、水工建筑物、集雨工程、疏排水工程和道路工程,具体详见图3。

配套工程根据区域内地形地貌不同设置方向不同,露天采场多设置截排水沟,道路工程,沉砂池,消力池,陡坎;非积水塌陷地多设置塘坝、地堰、水平沟、鱼磷坑、谷坊等工程,道路工程;季节性积水塌陷地多设置疏排水工程,灌排工程,道路工程;积水塌陷地疏排水工程,灌排工程,道路工程;排土(岩)场多设置截排水沟,道路工程,集雨工程,边坡砌护,消力池,陡坎;尾矿库多设置截排水沟,道路工程,灌溉工程,沉砂池,消力池,陡坎;矸石山多设置截排水沟,道路工程,灌溉工程,沉砂池,消力池,陡坎;赤泥堆多设置截排水沟,道路工程,灌溉工程,沉砂池,消力池,陡坎;工业场地多设置灌排工程,水土保持工程,道路工程,监测管护工程。

2.4 监测与管护工程

监测与管护工程包括监测工程和管护工程,具体详见图4。

1)监测工程包括原地貌地表状况监测、土地损毁监测和复垦效果监测,其监测标准按照《土地复垦技术标准》为准,监测频率至少一年一次。

2)管护工程包括植被管护、草地管护和建筑设施管护,植被管护时间应根据区域自然条件及植被类型确定,一般地区3年~5年,生态脆弱区6年~10年;渠道、水库、塘坝、泵站、水厂、堤防、田间道路、简易桥梁、防护林、电网等,应该按时有计划地对其进行维护和保养,保证设施的无损坏,使得复垦项目区正常生产工作。

3 结语

矿区废弃地复垦是关系焦作市土地整治、环境治理、造福后代的系统工程,是一项投资大、涉及面广、历时漫长、某种程度上见效慢的复杂系统工程,因此在治理之前,必须做好前瞻性的规划设计,有计划有步骤的促进区域经济的持续发展和生态环境的良性循环。

摘要：结合焦作市矿区的地质情况,从土壤重构、植被重建、配套工程、监测与监管四方面阐述了该矿区废弃地复垦工程采取的措施,以期通过土地复垦工作促进该区域经济的持续发展和生态的良性循环。