五矿四采区带压开采预防措施.doc

五矿四采区带压开采预防措施阳煤集团五矿井田位于北方岩溶承压水娘子关泉域，随着煤炭产量大幅度增加，开采区域迅速扩大，生产采区向深埋区延伸，矿井水文地质条件由简单趋于复杂。在井田西部+420水平，煤系下伏的奥陶系灰岩岩溶承压水水位超过了矿井开采煤层15#煤的底板标高。现+420水平四采区，已经进入施工时期，存在带压开采问题。为了贯彻落实晋安监煤字（2004）140号关于印发山西省煤矿防治水管理办法通知的有关精神，杜绝重大水害事故,保障职工安全，保护煤炭资源和国家财产，保证煤炭生产持续稳定发展，依据安全生产法、矿山安全法、煤矿安全规程、煤矿安全监察条例，并参照煤矿防治水工作条例、矿井地质规程、矿井水文地质规程、建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程等有关规程规定和技术要求，特编制此带压开采预防措施。 一、地质及水文地质特征1、井田内构造复杂、岩溶陷落柱强烈发育。五矿截止2004年9月勘查与揭露陷落柱404个，最大密度 34个/KM2，平均5.05个/ KM2，具备潜在导水通道，它的存在有沟通奥灰水的可能，对带压开采不利。由于五矿原来开层均位于矿区浅埋区，水文地质条件由简单中等，不存在带压开采问题，因此带压开采问题从未进行过分析，现急待研究解决。2、井区奥灰水水文地质概况中奥陶统灰岩是煤系地层的基底，是开采下组煤的间接充水含水层。在五矿以往勘探工作中，钻孔大多数都在本溪组终孔，仅有限几个钻孔对中奥灰揭露较深，其终孔层位均为峰峰组，而对上下马家沟没有控制钻孔。根据贵石沟矿供水水源勘探资料、分析叙述如下：中奥陶统灰岩厚约600米，在阳泉矿区划分三组六段，即峰峰组与上下马家沟组，每组又划分上下两段。其主要含水层段的岩性为上下马家沟组厚层灰岩。峰峰组平均厚194.7米，上部二段岩性为花斑灰岩，灰岩夹泥质白云岩，溶洞及网状溶孔发育，裂缝也较发育，但多被泥质充填。下部一段岩性为角砾状灰岩，富含石膏层夹泥灰岩，且岩性多成互层状结构，不易形成连通性较好的裂缝。上马家沟组二段，平均厚223.5米岩性为中厚层灰岩，花斑灰岩、角砾状灰岩与白云岩。富水性比上部强。单位涌水量为1.41510.135/sm。渗透系数为22.9292.50md。上马家沟一段，平均厚85米，岩性为角砾状泥灰岩。角砾状白云质泥灰岩，偶夹灰岩，其顶部或上部角砾状白云质灰岩，蜂窝状溶孔发育。由于渗孔连通性差，裂缝不发育，属弱岩溶化，故富水性弱。下马家沟组二段，厚度148.20163.39m。上部为中厚层状灰岩夹白云岩、白云质灰岩、泥灰岩，中部为白云岩，白云质灰岩与泥灰岩互层。下部为中厚层状灰岩，岩溶相当发育。下马家沟组一段，厚度12.7581.2m。岩性为白云质灰岩、泥灰岩，由于埋藏深，岩溶不发育。中奥灰岩溶裂缝含水层富水性是不均分的。膏溶作用强度和深度。岩溶发育程度及连通性是影响富水性强弱的重要因素。相比较而言，上马家沟二段与下马家沟二段，岩溶发育富水性强，而峰峰组与上下马家沟一段，富水性相对较弱，为相对隔水层。阳泉矿区位于娘子关泉域西南部，属于娘子关泉水文地质单元。娘子关泉群流量10.215.8m/s，平均12.85m/s,是全排泄型的水文地质单元东部、北部及南部裸露的奥陶系石灰岩为单元的补给区。补给形成的大气降水入渗。河床渗漏补给，如冠山沟，北川河均属河床及沟谷补给。区域奥灰地下水在北部，东部形成两个迳流带。补给区中部阳泉、平定、昔阳等地，地下水位是波浪状下降状态。年下降幅度25米，雨季过后出现一个水位高峰。排泄区水位变化与降水高峰不吻合，呈明显滞后型。区域地下水水力坡度补给区为0.0060.018，迳流区为0.0010.004。排泄区泉田附近为0.0060.012。水力坡度的变化规律大致为，补给区和排泄区较陡，迳流区较平缓。区域岩溶地下水迳流条件较好，水循环交替强烈。二、带压开采底板突水条件：底板突水是由采动矿压和底板承压水的水压共同作用而产生的。它反映了底板岩性破坏区范围与破坏程度，以及地应力和承压力的相对大小来决定： 、突水必要条件：存水导水破碎带。M（h1+h3）=0 M：底板隔水层厚度（米） H1：采动破坏深度（米） H3：水压破坏深度（米）不论是地质构造作用先期形成，还是后期采掘的矿压造成，只要使底板隔水岩层破坏至一定深度，具与下部承压水导升高度相沟通或波及到下部含水层时。底板岩层体强度就会破坏，造成底板渗流增大。 、突水的充分条件：承压水的水压（pw）大于或等于隔水层水平最小主应力（2）a：M（h1+h3） 不会突水b：M（h1+h3）pw 不会突水c：M（h1+h3）0 pw发生突水三、底板突水的预测方法 、突水系数： 根据隔水层厚度h3和水压pw确定突水系数Tspwh3峰峰矿务局：Ts.6发生突水 Ts0.6不会突水，可安全开采、阻水系数法：根据现场底板钻孔水压致裂法测试底板岩层的平均阻水能力Zc/RZ：阻水系数。c：岩体破裂压力。R：裂缝扩展半径cpw不突水 cpw时，Z总pw不突Z总pw则可能突水。根据突水指数，经验公式，统计归纳经验公式作为底板突水预测为依据是远远不够的。分析、研究方法是正常地质和开采条件为前提是这样。但如遇特殊地段的地质构造和开采环境变迁将可能成为潜在的突水点。四、水害因素分析1、小窖水采空积水区的特点：一般多以涌水、溃入的形成出现。水量集中，来势突然，对安会生产危害极大。五矿生产中，多年未发生过老窖突水事故，近几年来由于小煤窖管理混乱，乱采乱掘现象十分严重，时常有越层越界现象。比如平定鸿泰煤业公司在我矿西北翼采区东北一角越界30米，造成我矿8104工作面涌水达13m3/h，影响生产一月之久，必须引以为戒。对井田内的小煤窖加以调查，掌握生产动态，避免类似的突水事故发生。2、地表水及孔隙水我矿大部分范围为十几米的第四系黄土覆盖，黄土透水性微弱，井田内沟谷发育，地表高差大，植被稀少，因此降水大部分沿地表沟谷流走。但靠近浅部露头地带的地表水体、河流下来时，煤层开采后，岩石产生移动，形成冒落裂隙带，随着采空面积的增大，表层移动范围也相应增大，发展到地表，产生塌陷、裂隙、滑动等现象，由此构成地表水体与孔隙水直接与间接的渗流入井下通道。如北翼采区8101工作面开采后地面北川河河床水下渗，导致工作面长时间涌水。五林井一采区工作面开采后，岩石产生移动、冒落、塌陷，地表产生大量裂缝，导致冠山沟、柳树沟等水断流，渗入井下，导致工作面长期涌水。2004年8月庙沟煤矿突水，漫延流入我矿五林井一采区造成8104、8106工作面总回风巷立交处涌水达31.00m3/h，长达一个半月之久。而我矿西南部15#煤层埋深大，远远大于防水煤柱高度。因此，井下工作面生产与孔隙水无关。故西南部开采，地表水与孔隙水不会形成影响。3、砂岩水与薄层灰岩水 根据上下层位空间关系分析，石盒子组与山西组砂岩含水层远离15#煤，而且补给条件差，富水性弱，含水层水不会有什么影响。太原组k2、k3灰岩位于15#煤顶板，为直接冲水含水层，也属于15#煤层采动冒落破坏含水层，薄层灰岩含水层，因补给条件差，以净储量为主，含水量较弱，易于疏干，在一般情况下，对西南部15#开采也不会有什么威胁。4、奥灰水奥灰岩含水层厚度大，一般在600m左右，在阳泉按岩性含水段与弱含水层段划分三个组六个段，其中二、四、六段厚层灰岩和花斑灰岩组成，为主要含水层段，而一、三、五段由白云质角砾岩和泥质灰岩组成，富水性较差，为弱含水层。但弱含水层段的某些地段由于受构造影响，裂隙岩溶发育，渗透性较好，成为沟通上下含水层通道。故奥灰岩含水层各段有各自特点，又存在密切水力联系，属于一个复杂型裂隙岩溶含水体系。奥灰水补给范围广，迳流排泄畅通，从隔水层岩性及其组合条件看，虽然隔水性能较好，但由于我矿地质构造发育，尤其是岩溶陷落柱特别发育，当底板隔水层完整性遭受破坏的情况下，构造导引，开采15#煤就有可能引发奥灰水突出，对矿井造成严重威胁。五、水害分析及其奥灰水突水威胁的评价五矿15#煤底板下奥灰水含水层水位标高为410460m。四采区420水平15#煤底板标高为310510m，巷道掘进期间存在含水层水头值高于巷道的情况，故为带压开采。在奥灰承压水上采煤过程中，主要关注的是煤层底板是否会发生突水，突水的性质与突水量的大小及发展的趋势。突水系数作为评价底板突水可能性的一种方法，方法简便，应用比较普遍。五矿底板隔水层厚度平均43.56m，其底板承受奥灰水头压力为1.55MPa。计算突水系数如下：Ts=P/(M-CP)=1.55/(43.56-15)=0.0356 MPa/m式中：Ts突水系数（MPa/m）；P隔水层底板承受的水压（MPa）；M底板隔水层厚度（m）；CP采动对底板隔水层的扰动破坏厚度（15 m）。根据突水统计规律确定底板受构造破坏块段突水系数不大于0.06 MPa/m，而本次计算值为0.0356 MPa/m。一般情况下无突水危险，然而实际情况较复杂，需引起高度警惕。（一）五矿东部和西北部在奥灰水位线以上采煤，就是遇上陷落柱也不存在奥灰水的威胁；而西南部属于奥灰水位下采煤，在承压水作用下以及采动矿压对底板造成破坏，矿压与水压共同作用，就不能排除陷落柱与断层导水的可能。（二）应用突水系数临界值进行突水判别，这在我国六七十年代起过一定作用。但随着防治水工作的深入，就逐渐暴露出这种方法的不足与缺陷，结果有时出现与实际情况不符甚至相差较大的情况，从统计资料发现原来认为不可能突水，却发生了突水；反之，原来认为突水的，结果未发生突水。应用突水系数方法作为判别突水与否的指标，就受到了怀疑。因为突水系数仅仅反应单位隔水层厚度上所承受水压值的大小，工作面与含水层之间隔水层在垂直方向上的水头梯度，用这个数值无法确定突水的临界值。因他并不能反映隔水层本身的岩性，不同的岩性组合及其完整性的阻水性能。在此情况下，采场的突水系数究竟取多大才比较安全，只能借助于以往经验来判断，或用数据统计的办法取一个经验值，而这对煤矿安全生产来说较难把握，难以保证矿井安全生产。五矿未进行过水文地质勘探，相对而言，五矿水文地质为空白区，对奥灰水位动态变化、陷落柱分布的位置与范围不清楚，对15#煤底板的完整性及搞渗性能不了解。由此右预见，这里潜伏着一定的突水危险性，加之工作面宽、采高大、采动对底板破坏影响大。因此，突水危险程度相对也就大。六、带压开采出水前的预兆（一）、突水一般预兆1、煤层变潮湿、松软，煤帮出现滴水现象，且淋水由小变大，有时煤帮出现铁锈色水迹；2、工作面气温降低，出现雾气或硫化氢气味；3、有时可闻到水的嘶嘶声；4、矿压增大，发生片帮，冒顶及底臌。（二）、工作面底板灰岩含水层突水预兆1、工作面压力增大，底板臌起，底臌量有时可达500mm以上；2、工作面底板产生裂隙，并逐渐增大；3、沿裂隙或煤帮向外渗水，随着裂隙的增大，水量增加，当底板渗水量增大到一定程度时，煤帮渗水可能停止，此时水色时清时浊，底板活动时水变浑浊，底板稳定时水色变清；4、底板破裂，沿裂缝有高压水喷出，并伴有嘶嘶声，或刺耳的水声；5、底板发生底爆，伴有巨响，地下水大量涌出，水色呈乳白或黄色。（三）、松散孔隙含水层水突水预兆1、突水部位发潮、滴水，且滴水现象逐渐增大，仔细观察可以发现水中含有少量细砂；2、发生局部冒顶，水量突增并出现流砂、硫砂，常呈间歇性，水色时清时混，总的趋势是水量、砂量增加，直至流砂大量涌出。3、顶板发生溃水、溃砂，这种现象可能影响到地表，致使地表出现塌陷坑。七、带压开采的防治方法1、带压开采区的采掘工作面如发生底板出水或煤层淋水等情况时，应及时调查出水点的出水时间、位置、标高、出水范围和出水形式、水量、水温、水质，如有顶板岩石露出，调查其岩性与裂隙发育情况，断层构造情况等，并分析判断水源，水量大于3m3/h时，应每日观察其水量。施工队组在开掘回采过程中应注意观察各类地质构造，导阻水性能，系统分析研究构造、断裂与含水层的相应关系，工作面与含水层间距，出水点位于断层附近、产状要素、断层特征、两盘岩性和节理裂隙发育情况、出水原因，判断水源，采取措施。2、受底板岩溶水的威胁在开采前必须进行疏水降压，使灰岩岩溶的水压降到安全水压值以下，煤采后底板移动破坏带以下，否则，不准开采。3、在带压开采过程中，虽经疏水降压达到安全水压值以下，还应特别注意工作面范围内的小断层和小褶曲，当这些小构造与含水灰岩或切割灰岩的较大断层相通过时，往往形成突水通道，矿井水文人员及回采队工作人员发现构造，遇有出水征兆及时汇报，以便处理。4、为了防治带压开采区段煤底板岩溶水，矿井水文人员及有关领导要研究灰岩突水机理，研究“下三带”（即底板采后导水破坏带，有效保护带和地下水导升带）在煤层开采后的发育规律，指导煤矿安全生产。5、当水文地质条件差异，分别采取不同方法防治底板水害的发生：A、当地质构造复杂程度高的区块，突水事故极易发生；B、当底板隔水岩层厚度较大时，采用大面积注浆加固底板隔水层的方法来解决。C、当底板隔水岩层厚度较小时，采用大降深疏降的方法。D、当底板高承压含水层为薄层灰岩时，采用帷幕疏的方法，实现大降深疏降。E、当底板隔水层厚度处于中间状态时，采用大面积加固底板隔水层，小面积开导相结合。F、在地质构造复杂程度低的区块：a、当底板隔水层厚度较大时，采用构造地段局部注浆加固。b、当底板隔水层厚度较中等时，采用构造地段局部注浆加固和小面积开采相结合。c、当底板隔水层厚度较小时，除以上方法外，还应考虑岩石充填法。八、井下防治水1、相邻矿井的分界处，必须留设防水煤柱。矿井以断层分界时，必须在断层两侧留有防水煤柱。防水煤柱的尺寸，应根据相邻矿井中的地质构造、水文地质条件、煤层赋存条件、围岩性质、开采方法以及岩层移动规律等因素，在矿井设计中规定。2、井田内有与河流、湖泊、溶洞、含水层等有水力联系的导水断层、裂隙带、陷落柱时，必须查出其确切位置，并按规定留设防水煤柱。巷道必须穿过上述构造时，必须探水前进。3、采掘工作面或其他地点发现有挂红、挂汗、空气变冷、出现雾气、水叫、顶板淋水加大、顶板来压、底板鼓起或产生裂隙，出现溢水、水色发浑、有嗅味等突水预兆时，必须停止作业，采取措施。立即报告矿调度室，发出警报，撤出所有受水威胁地点的人员。4、在其他有突水危险的地区，只有在其附近设置防水闸门后，方可掘进。5、防水闸门符合下列要求：（一）、防水闸门必须采用定型设计。（二）、防水闸门的施工及其质量，必须符合设计要求。闸门和闸门硐室不得漏水。（三）、防水闸门硐室前、后两端，应分别砌筑不小于5m的混凝土护碹，碹后用混凝土填实，不得空帮、空顶。防水闸门硐室和护碹必须采用高标号水泥进行注浆加固，注浆压力应符合设计要求。（四）、防水闸门来水一侧1525 m处，应加设1道挡物篦子门。防水闸门与篦子门之间不得停放车辆或堆放杂物。来水时先关篦子门，后关防水闸门。如果系双向防水闸门，应在两侧各设1道篦子门。（五）、通过防水闸门的轨道、电机车架空线、带式输送机等必须灵活易拆；通过防水闸门墙体的各种管路和安设在闸门外侧的闸阀的耐压能力，都必须与防水闸门所设计压力相一致；电缆、管道通过防水闸门墙体时，必须用堵头和阀门封堵严密，不得漏水。（六）、防水闸门必须安设观测水压的装置并有放水管和放水闸阀。（七）、防水闸门施工竣工后，必须按设计要求进行验收；对新掘进的巷道内建筑的防水闸门，必须进行注水耐压试验，水闸门内巷道长度不得小于15m，试验的压力不得低于设计水压，其稳定时间应在24h以上，试压时应专门安全措施。6、探放水规定（1）、在防治水规程