灵新煤矿四采区古小窑采空区防突水设计

灵新煤矿四采区古小窑采空区防突水设计

1工作面顶部覆岩板老采空区灵新煤矿的四个区域是该煤矿的一个连续矿区。主采区为六经，地质储量为11.387mt，可采储量为5.54m。南翼厚，北翼薄，南翼顶板厚度2.4.2.8m，平均值2.6m，北翼厚度1.06.2.09m，平均值1.58m。与上、ii号煤层之间的距离为47.683.6m，平均距离约为57.8m。煤层开采后,工作面顶部“三带”高度依据相似条件下的科研成果计算为58.8m,没有安全岩柱,冒落裂缝带直接与上部二煤连通。根据宁夏煤炭勘察工程公司地质勘查院在四采区范围内进行的补充勘探和毗邻的磁矿老矿工回忆,确定四采区顶部及浅部煤层露头附近都有老采空区,但补勘报告提交资料对老窑区范围和开采情况都没有明确表述,只有一个推测的大概范围,具体积水深度、积水量和静水位标高均未明确指出。由于顶部上覆二号煤层老采空区及浅部六号煤层露头附近古小窑的形成时间、具体破坏范围、破坏下界标高、积水量、补给通道、补给水源、静水位标高都不清楚,工作面沿煤层掘进巷道时遇古小窑或煤层开采后顶板裂缝带与顶部二号煤层老采空区可能导通,受老采空水影响,将发生重特大透(突)水事故。因此,需要研究并提出探放水技术方案,预测老采空水量及水头压力,依此完善矿井排水系统,安装排水设施设备,确定探放水钻孔孔口装置,解决探放水钻孔布置方法和钻孔倾角、方位、终孔位置、钻深等技术参数如何确定的问题,并积极组织探放水工程施工,消灭矿井水患,保证矿井安全生产。2法测地质资料宁夏煤炭勘察工程公司地质勘查院根据灵新煤矿的要求,对四采区老采空区范围进行补充地质勘探,通过在地面采用以下3种物探技术手段,结合地面钻探方法,对老采空区域进行探测。施工前,对已知地质资料进行了分析,依据地形图上已有的勘探线号及二、六煤的底板等高线图,在对煤层的埋深充分了解的基础上进行布设和勘察方法有效性试验。在勘察方法有效性试验中,做了四极电测深点(Dc)一个测点;在已知的二煤层采空区,做了高密度电阻率法测线3条(Gy2,Gy3,Gy4线),中间梯度法(Ds线)测线1条和瞬变电磁法测点10个,CSAMT法布设了4个排列,计28个测点。2.1地表节距和最小并发症的确定四极电测深法的目的是了解目的层的地电断面,确定地层的物性参数,对选择中间梯度法的AB/2和高密度电阻率法的解释提供有效的参数。四极电测深法AB/2的选择采用1/6采样间隔的对数极距与10m算术等间隔极距相结合,采用固定MN法观测。最小AB/2=2m,在接口处和其他个别极距采用2次观测,其相对误差≤2%。图1为电测深原始曲线,从图中看出,地表10m左右是电阻率值较高的砂土层。随着AB/2的增加,探测深度加大,曲线急剧下降,电阻率达到最低值,这是由于含水层的影响。接着曲线趋于水平,呈锯齿状跳跃,电阻率值在25～35Ωm变化。从图上分析,在测点位置,地层稳定,无采空迹象,正常煤系地层的电阻率值在30～40Ωm,并确定中间梯度AB/2取300m。2.2高密度剖面位置高密度电阻率法试验的目的是解决地表有高阻覆盖层的测区探测深度问题。首先在G1,G2线布置2条测线。该位置六煤埋藏较深,约80～120m。高密度剖面数设置为21层。经对采集的数据进行处理,探测深度在80m左右。在其后的G14线试验中,采用了高密度三极测深法、四极测深法、温纳装置等,从探测深度来看,剖面数取19～21,基本上满足全区探测深度的要求。2.3部分重合的合并中间梯度法试验为了对比的方便,与G14线部分重合。中间梯度法MN首先采用20m,基本满足勘探要求。在后来的工作中,为增加在矿区的抗干扰能力,将MN调整为30m。2.4瞬变电法瞬变电磁法在本区和测区北部无高压线的位置各布置了5个测点。本区由于高压线干扰严重,没有采用瞬变电磁法。2.5振动器境高频法csamt可控源音频大地电磁测深(CSAMT)法试验包括收发距试验和剖面效果试验2个部分。(1)发射源位置的选择供电电极AB主要是向地下供入某一频率f的谐变电流I=I0e-iωt(ω=2πf),在一侧60°张角的扇形区域内观测。距离太近则观测资料尾支会出现45°陡峭上升的近场效应,过远则不能保证信号强度和探测深度。在了解该区电阻率和干扰源的情况下,选择在测区西部4.5km,AB供电极距1.5km布设发射源。该距离通过试验分析,没有发现观测曲线有近场效应,满足观测深度要求。(2)资料表现及资料估算方法有效性试验中,布设4个排列,计28个点,280m。剖面北段在已知采空区上面,南段下部为非采空区。试验的主要目的是了解采空区与非采空区在剖面资料上的电性反映,确定工区测量参数的选择。图2为试验剖面电阻率、相位及反演的成果资料,断面图上可以看到在140m的位置两侧存在明显的电性差异,左侧视电阻率数值较右侧要高,在低频段范围出现明显的高阻异常;相位资料右侧高频部分呈现连续的低值特征;受体积效应的影响,在反演断面图上采空区呈现明显的高阻异常,阻值超过22Ω,且规模较大,明显的向深部延伸,非采空区正常煤层阻值相对低,规模明显要小,高阻异常横向上等值线相对比较连续。该采空区电性表现为高阻特征,两者对应关系明显,说明方法有效。应用高密度电阻率法、CSAMT法、中间梯度法进行综合解释,圈定了六煤露头小窑采空区的边界,对四采区南翼二煤层采空区的东部边界也进行了圈定,并对部分采空区进行了钻孔验证。结合钻探资料,综合分析表明四采区南翼老采空区存水区域在63×104m2左右,估算四采区南翼回采影响范围内顶部有水力联系的二号煤层采空区积水静储量约119×104m3;六煤层露头附近古小窑采空破坏面积在57×104m2左右,虽然距离一区段工作面上风巷位置留设有最小65m的隔离煤柱,但采空区推测边界有不确定性,且老窑采空区由于开采年代较长,均采用房柱式开采,根据本矿及周边矿井揭露老采空区情况分析,预计每个独立老窑积水量约2×104m3左右,若各老窑相互连通,则积水量更大。3计算的池塘体积3.1老采空区静排水量预测根据灵新煤矿一、三采区探放水经验及以往揭露的二煤层老窑积水的情况,对老采空区积水量估算如下:(1)预计顶板垮落情况下的积水量根据补充勘探报告资料及相邻磁矿实际揭露二号煤层情况,老采空区静水位标高在+1243m水平左右,预计采空区下界标高+1180m,则老采空区静水头高度63m,根据矿井一、三采区探放采空区积水的经验,采空区积水孔隙率一般在12%左右,此次探放水区域由于采空区形成时间久远,孔隙率相对较低,取值按其一半进行估算,孔隙率取6%,由于二煤层积水面积约63×104m2左右,积水区域按楔体计算,则静积水量约为:(2)预计顶板没有垮落情况下(仓房式回采)的积水量由于二煤层积水面积约63×104m2左右,煤层平均倾角10°,根据以往揭露老采空区仓房式开采情况,采厚多在3m左右,不考虑煤厚因素,采出率一般在老采空区面积的50%左右,则静积水量为:由于两种方法计算出的积水量差值较大,为减少积水量估算误差,最终预测积水量取最大值,则二煤采空区静积水量约为1.19×106m3左右。3.2老采空区静排水能力根据相邻磁矿多处揭露的六号煤层露头附近老窑积水情况,老采空区为仓房式开采,采厚2.0m,采出率一般为老采空区面积的50%左右,其老采空区煤壁片帮,部分直接顶垮落,采空区高度在垮落后平均为3m,空隙率为50%,对老采空区静积水量估算如下:所以四采区顶部二号煤老采空区及六号煤采空区合计总积水量为:4在地下测量的老采区，水池、边界和可控水流的范围4.1老窑水探清根据宁夏煤田地质局对四采区补充勘探资料所圈定的老采空区范围,经过科学分析论证,对四采区开采方案进行调整,由原从上向下改为从下向上开采,先回采二区段,探放二号煤层老采空区积水,再边探边掘,探清楚六号煤层露头附近老采空区边界,保证正常的采掘接续及采区接续。为了最大限度将老窑水探清并有效疏放,根据“有疑必探”原则,按照先风巷、后机巷,先浅部、后深部的顺序,先在切眼上口风巷两侧100m范围内采用分组钻孔探水作业,每组钻孔都没有探到老采空积水区,可根据情况适当增加1～2个钻孔进行补探,最后经过综合分析,确定该组钻孔控制范围附近没有老采空区后,再逐步下移,在切眼中部和下部施工钻孔,每组钻孔不少于3个,呈扇性布置,终孔间距不大于15m,必要时增加验证孔对放水情况进行验证。在切眼下口若探到老采空积水区,必须在其下方增加钻孔,重新布置钻孔,彻底探明二煤老窑积水区下界实际边界位置,将老窑区积水探放干净。对二号煤层老采空区进行反复研究,决定在井下采用“钻探为主,物探为辅”的技术手段,进行井下各地点探放水工作;对于六号煤层老采空区,实施“巷探为主,结合钻探及物探”的技术手段进行探放水工作,从而实现分阶段、分层次、分步骤进行探放水施工。4.2通过地下勘探和后续勘探，探索老采空区的水池和可控供水4.2.1钻孔布置及施工通过对宁夏煤田地质局的补充勘探资料进行科学论证、分析,并对探放水地点的地质及水文地质情况进行综合分析比较,先后多次讨论修改相关钻孔技术参数后,形成探放水设计,主要包括以下几方面内容:(1)钻孔布置方式通过对补充地质勘探资料及四采区区域地质、水文地质情况综合分析,结合探放水地点的局部水文地质特征,根据设计科学合理进行钻孔布置,二区段首采面形成后,利用形成的巷道,对六煤层开采后的顶部裂缝带向外延伸35m范围内且在地面物探结果表明的富水区域分组进行全面钻探探测,每组钻孔设计为3个,呈扇形布置,终孔间距不大于15m。在一区段探巷掘进期间,采用边探边掘的探放水方式,在巷道正前和上帮布置钻孔进行探水,钻孔成组布置,每组3个呈半扇面形布置,钻孔采用单孔定向沿煤层钻进。(2)钻孔终孔层位的确定根据设计钻孔探放不同类型老采空区水的施工目的,确定探放二号煤层老采空区钻孔的终孔层位为二号煤层实体顶板或老采空区,探放六号煤层老采空区钻孔的终孔层位为巷道迎头及上帮20m范围以外的实体煤或老采空区,钻孔布置平剖面见图3。(3)钻孔施工深度和角度的确定根据设计的钻孔探测范围、布置方式及终孔层位,结合地面补充勘探成果得到的煤层产状要素和层间距等具体数据,以及施工现场条件进行综合分析计算,确定钻孔钻进深度为80～100m,并据此分别计算各钻孔的施工角度。(4)钻孔施工要求钻孔施工前必须准备好专用孔口管,钻孔采用直径108mm的钻头开孔5m,在孔内安装5m长的ϕ102mm孔口管,安装期间用水泥砂浆塞入孔口管与孔壁间进行固定,凝固不小于24h,孔口管安装、固定好后,用ϕ48mm的无芯钻头施工钻孔直至终孔位置。(5)其他技术要求除上述探放水钻孔基本技术参数以外,设计报告还对水仓、水泵、管路、水沟等排水系统及能力、电话通讯联系方式、避灾路线、通风措施和瓦斯检查制度、水情及避灾联系汇报制度和灾害处理措施、掘探位置关系等内容均作了详细规定。4.2.2探放设备及放水量的解决措施(1)通过科学计算分析,合理估算老采空区水头高程和积水量,依据《煤矿安全规程》、《矿井水文地质规程》、《煤矿防治水工作条例》和《井下探放水技术规范MT/T632-1996》相关规定,合理选择孔口管长度,确定探放水钻孔孔口管长度均为5m。(2)根据补充地质勘探资料,推测二号煤层老采空积水静水压力在1.0MPa以上,水压较高,在钻探时先从工作面上部施工,然后逐步下移,施工穿层放水孔,一边降低水压,一边探放。(3)对于六号煤层露头附近的古小窑探巷施工时的钻探工程,钻孔采用单孔定向沿煤层钻进,巷道掘进时,迎头始终滞后钻孔终孔位置并留设不小于20m的超前距离,保证巷道掘进安全,防止发生透水事故。(4)在孔口管出水口前焊接专用挡板,支设2颗戗柱,即增加了孔口管的抗冲击强度,又加强维护了煤帮,起到了护帮柱的作用,一柱两用,确保了施工作业安全。(5)在孔口管外端出水口安装四通,每个泄水口都装设闸阀,并在旁通连接好2趟排水管,同时准备好1趟主排水管待钻孔施工结束后连接主泄水口,确保钻孔出水后能利用水压及时将老采空水自流排走,减少排水系统上的“瓶颈”制约因素,即实现了放水量在矿井排水能力允许条件下的最大化,同时有效实现了控制放水。(6)在钻场架设棚梁维护顶板,防止钻孔出水后顶板受高压水冲蚀发生漏顶,消除了作业环境的不安全因素。(7)探放水工程施工前考虑了最大放水量及排水要求,通过计算,在1050m水平中央水泵房更换了2台D450-60×5的新泵,2台新泵联合运转排水能力683.3m3/h,比更换前2台水泵联合运转排水能力增大173.45m3/h,基本解决了探放水期间因矿井涌水量增大,排水能力制约,影响探放水工程进度的问题。(8)探放水工程在施工期间比正常排水管路多安装专用排水管路15趟,排水管总长度15km,同时增加放水孔,放水量增大200m3/h以上,有效解决了排水管路制约放水速度的问题。(9)探放水期间严格按照相关《规程》规定,每天对探水钻孔的水压和涌水量进行观测,并记录、分析。5老采空段边界探测探放水钻孔探到老采空区后,经过长时间疏放,钻孔水流量逐渐减少以致干孔,钻孔水压最终降低到零,证明老采空区积水已经疏干,但为了确保万无一失,又采取了以下措施进行探放水钻孔放水效果检查验证:(1)应用FDG-A型防爆多功能高密度电法探测系统进行探测验证在L4506工作面开切眼和L4306风巷探巷迎头,分别采用高密度电阻率法和超前探测法,对老采空区含水性及老采空边界进行探测,据此分析判断老采空区积水是否疏放完毕。(2)应用KDZ1114-6A30矿井地质探测仪进行探测验证在L4306风巷降标高巷,应用新引进的KDZ1114-6A30矿井地质探测仪,采用“反射共偏移探测方法”和“单点探测方法”,对附近已探到的老采空区边界进行探测圈定,结合已有的钻探和巷探资料,确定地质异常带为老采空破坏下边界。如图4。(3)施工验证钻孔,对干孔后的老采空区进行钻探验证通过上述2种井下物探技术验证,又对物探所获得的技术成果资料进行了认真分析讨论,对不确定的地点,又增加了钻孔进行实测点验证,施工了验证钻孔17个,同时对放水孔进行透孔,确认采空区水