深部煤层开采高承压水突水预报及控制

1、第23卷第6期 辽宁工程技术大学学报 2004年12月 V ol.23 No.6 Journal of Liaoning Technical University Dec. 2004文章编号：1008-0562(200406-0758-03深部煤层开采高承压水突水预报及控制王希良1，彭苏萍2，郑世书3（1. 石家庄铁道学院 交通系，河北 石家庄 050043；2. 中国矿业大学 研究生院, 北京 100083；3. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008）摘 要：以煤矿沉积岩体的工程地质、水文地质结构为切入点，利用地震和地质雷达技术实现软弱结构面的准确空间定位和岩体结构的精

2、细探测。在GIS 的支持下，建立煤层底板突水预测模型，提出底板突水评价指标体系，为煤矿深部开采提供系统的理论基础和安全可靠的技术方法。采用先进工艺的注浆堵水技术，对高承压水实施封堵，堵水效果100%。为深部煤层高承压含水层上安全开采提供了一套较成功的预报和控制技术。关键词：深部开采；高承压含水层；突水预报；控制技术中图分类号：TD 742.1 文献标识码：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 言华北地区石炭二叠系煤田受底板奥陶系灰岩水的威胁越来越大，突水淹井事故时有发生，严重地影响和制约了煤炭企业的发展。因此，研究煤矿底板突水规律及机理，采取有效地方法进行预测预报，为受岩溶水威胁煤层开采提供可靠的水文地质依据，已成为煤矿安全生产中急需解决的重大课题。自从煤矿底板突水问题出现以后，即引起了国内外学

7、术界和工程界等领域内的专家、学者的高度重视和极大兴趣，他们从各自的领域出发，结合现代科学的先进理论和技术，在煤矿底板突水机理、预测预报和防治等方面取得了丰富的成果： 侧重于水文地质方面研究的突水系数和“下三带”理论； 重点研究煤层底板岩体变形破坏的零位张裂与破坏、梁板模型和关键层理论等。然而，由于煤矿底板岩溶水突出的影响因素多、机制复杂而使传统的底板突水预测方法遇到了前所未有的挑战，这些理论和技术虽然在不同程度上为防治底板突水起到了积极的作用。但预测预报的精度仍然较差，特别是在指导深部煤炭资源开发时困难更大，突水淹井事故时有发生，造成了很大的经济损失。随着现代数学和信息技术的出现，为解决煤矿底

8、板突水问题提供了契机，以GIS 为代表的信息技术提供了有力的理论依据和技术支持，它能综合考虑与底板突水有关的地质、水文地质和开采条件等因素，建立的突水危险程度分区图像和突水预报模式比较符合实际情况，以其快速处理、实时决策的特点，为煤矿安全开采提供正确、直观的地质依据。 在邢台煤矿底板开采实践中，将地质雷达和地震探测技术、GIS 和具有先进工艺注浆技术应用于高承压突水预报和控制，取得了较好的效果。收稿日期：20031027基金来源：河北省教育厅博士基金资助项目（B2002115） 作者简介：王希良（1966-），男，山东 平度人，博士，副教授。本文编校：唐巧凤第6期 王希良等：深部煤层开采高承压

9、水突水预报及控制 759301 1 001 1 1 001 1 1 001201 10011 1 001101 1 0011 10011 1 0011 1 0011 煤层底板突水机理和主影响因素多年开采实践及大量突水事例和理论表明，奥陶系灰岩含水层的存在是煤层底板突水的物质基础，其水压和岩溶发育程度直接影响了突水危险程度和突水量的大小。水压的大小和隔水层的工程岩体力学特性是决定底板能否突水的一对矛盾，当水压和隔水层的稳定性处于相对平衡状态时，断层起控制作用，使矛盾由不突水向突水方向转化13FL SP 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000图1 单炮

10、记录解释。Fig.1 section of seismic survey for engineering geology of working face概括地说，影响煤层底板突水的主要因素有四种：奥陶系灰岩含水层的富水性、奥陶系灰岩含水层作用于煤层底板上的顶托压力、对底板突水起控制作用的断层、抑制突水的底板隔水层厚度。2 煤矿底板突水预测方法煤层底板突水的发生，受地质、水文地质和开采条件等多种动态因素的影响，突水模式的建立和预测方法的确定应既能反映底板突水机理，又能同时考虑多种突水因素及其它们之间的相互作用。研究的目标是在地理信息系统的支持下应用信息复合的方法，构造一个包含多变量的、具有实际物

11、理意义的数学模型，以反映多因素对底板突水的综合作用及机理。3 用地质雷达和地震技术探测岩体结构（1）地质雷达探测 探测原理 在已破坏和未破坏的岩层分界处，形成了两种介质，已破坏的岩层对电磁波吸收较大，电磁波速度小，未破坏的岩层对电磁波吸收较小，电磁波速较大，因此，在雷达剖面上已破坏岩层与未 试验区地质、开采破坏岩层会产生明显的界面4；条件 煤层总厚度6.4 m，倾角4º12º，煤层顶板为9.516.3 m的粉砂岩、砂岩，节理发育，煤层底板为一层厚7.5 m粉砂岩，下部为0.2 m薄煤层，煤层下部为中粒砂岩。工作面埋深334384 m、倾斜长度为100 m。采煤方法为放顶煤开

12、采，采用长壁倾斜、区域后退垮落式分层开采，分层采高为2.83.0 m； 试验结果 试验结果表明，工作面最大破坏深度为11.7 m，在最大破坏深度范围内，底板岩体以下各段破坏程度不同，自底板以下其破坏程度依此减弱，亦即当它们受到水压作用时，其阻水能力是不同的。 （2）地震探测 探测原理 在工程岩体结构松动破碎区，地震波波速较小而振幅衰减较快，反之，在岩体结构较完整区，地震波波速较大、振幅衰减较慢。破坏范围的岩体与其周围未破裂的岩体的结构不同，它们之间形成一个明显的波阻抗界面，因此，可以利用地震波频率波速的变化曲线来划分不同的工程地质区5,6； 探测结果 分别在巷道的顶板、底板、两帮布置检波器，获

13、得各断面的单炮记录，通过比较直达波和折射波频率的相对高低、采用多点交汇法作图，划分工作面的工程地质范围。从图1可以看出，工作面不同部位地震波的频率是不同的，这反映了地震波在不同的岩体结构介质中的传播速度是不同的，也说明了巷道围岩结构的复杂多样性。如图1，1218、2327道地震波速最低，岩体结构最松散、工程地质条件最差，59、912道地震波速度较低，岩体结构较松散，工程地质条件较差；15、2730道地震波速较高，岩体结构较完整，工程地质条件较好；1823道地震波速最高，岩体结构相对其他区段最完整，工程地质条件最好。根据以上分析，工作面可划分为表1的4个工程地质区。表1 工作面工程地质条件分类T

14、ab.1 classification of engineering geology of working face区 工程地质条件良好区，地震波速度相对最高，反射散射波曲线规则，岩体平均速度>3 000m/s。区 工程地质条件中等区，地震波速度较高，反射散射波曲线较规则，岩体平均波速2 5003 000 m/s。区 工程地质条件较差区，地震波速度较低，反射散射波曲线不规则，岩体平均波速20002 500 m/s。区 工程地质条件最差区，地震波速度最低，反射散射波曲线极不规则，岩体平均波速<2 000 m/s。4 GIS支持下突水模式的建立与预测对奥陶系灰岩含水层水压、奥陶系灰岩岩

15、溶发育程度、断层网络复杂程度和隔水层有效厚度4种因素量化后，利用ARC/INFO的数据输入功能，将量化结果输入计算机，绘制成等值线图，建立拓扑关系后，以专题层的形式存储。在GIS 的支持下，对影响煤层底板突水的因素逐一分析，确定与底板突水相关程度较高的主要因素，根据底板突水机理，构筑初始数学模型，并与实际突水点进行复合处理，经反复运算，最后得出比较符合实际的突水模式7602T SZ =K g (W P +F d +K g /M V辽宁工程技术大学学报 第23卷的在于固结一定深度范围内的岩体，使围岩完整、强度提高。注浆孔呈梅花型布置在突水点周围，孔深1.82.0 m，控制距离35 m。采取间歇注

16、浆的方法并注意掌握好注浆节奏，一开始注较浓的浆液，适当加大水玻璃的比例和质量浓度，同时，加入一定量的高凝胶化剂。深孔打至较完整的围岩，以浆液扩散至出水口12 m为准，为防治跑浆过多，在浆液中加入了一定量的高凝胶化剂，堵水效果100%。式中Tsz 突水指数；K g 岩溶发育程度；W P 奥陶系灰岩含水层水压；F d 断层分维值；M V 隔水层有效厚度。根据突水模式的输出结果，对煤层底板突水危险程度进行划分，如图2。 突水区（Tsz 1.5）：突水点大多发生在此区域，这些地区在开采之前必须做专门的矿井水文地质探查，并采取切实可行的防治水措施； 可能突水区（0.7Tsz <1.5）：本区在安全

17、开采取得经验的基础上再进行开采，并制定切实可行的防治水措施； 基本安全区（Tsz <0.7）：这些地区在正常地质条件下一般不会发生突水，但在开采之前仍应进行矿井水文地质探查、编制开采方案和制定相应的防治水措施。可能突水区 基本安全区图2 邢台煤矿下组煤开采突水危险性分区 突水区Fig. 2 zones of water inrush from coal seam floor6 结 论 根据岩体结构理论及电磁波、地震波的传播特性，采用地质雷达和地震技术可以对软弱结构面和岩体结构进行精细探测； 应用地质雷达和地震技术进行地下工程岩体结构的探测，突破了传统的以地质素描为手段的工程地质条件定性认

18、识的局限性，提高了工程地质条件评价的定量化水平； 从突破的观点来看，工程岩体的破坏及底板突水总是先从工程地质条件最差的地段发生，然后才由点到面，逐渐扩展到全部，因此在制定防治水方案时应对突破点（、区）首先进行控制； 应用GIS 预测预报煤层底板突水的危险性，克服了传统预测方法的局限性，对突水机理的认识更加深刻，评价结果比较符合实际情况； 可以利用地理信息系统快速运算能力和实时决策的特点，进行底板突水的短期实时预报，为煤矿安全生产提供可靠的水文地质保障； 化学浆液是一种具有可灌性、粒间渗透能力强、抗压抗剪力学性能指标高、稳定性和抗老性能好等特点的优异浆材，特别适应于岩石类突水点的堵水工程； 整个治水过程，设计合理，注浆工艺简单，成本较低，施工时间短，堵水效率高。既节约排水费用，又消除了事故隐患，同时，也保护了宝贵的岩溶水资源，经济效益和社会效益十分明显。 参考文献：1 张大顺, 郑世书. 地理信息系统技术及其在煤矿底板水害预测中的应用M.徐州:中国矿业大学出版社,1996.2 王希良.GIS 支持下的煤矿底板突水预报研究J.工程勘察,2001,(1:20-2.3 王则才. 国庄矿北大巷突水通道分析J.煤田地质与勘探,2001,(6:6-7 4 杨永杰. 巷道围岩松动圈的地质雷达探测及