山西霍宝干河煤矿煤层底板突水评价与预测预报研究

山西霍宝干河煤矿煤层底板突水评价与预测预报研究煤层底板水害因其剧烈的致灾性引起了国内外广泛研究与关注。近年来,作为山西焦煤霍州煤电集团主力生产矿井之一的霍宝干河煤矿,其主采煤层(上组2#和下组10#煤层)开采正受到煤层底板承压含水层水的巨大威胁。针对以上问题,为控制煤层底板承压含水层水对该矿主采煤层开采构成的威胁,文中综合运用水文地质钻探、抽水试验、水文测井、岩与水试样测试、煤层底板破坏理论计算和有限元RFPA-2D数值模拟分析、“脆弱性指数法”和“五图双系数法”煤层底板突水评价等技术方法,对该矿2#和10#主采煤层在其底板石炭系太原群灰岩和奥陶系灰岩含水层水源威胁下的底板突水危险性进行了评价区划,并与实际开采揭露的水文地质条件进行了对比与完善,优选了适合相似地质条件下相关问题的综合评价技术与方法,并提出了针对具体评价结果和煤层回采实际揭露水文地质条件的煤层底板水害评价方法与防控措施,为保障矿山的安全开采提供了重要技术支持。通过以上相关研究,其主要成果如下:⑴通过水文地质钻探、抽水试验、水文测井和岩、水试样分析测试和相关理论计算等工作方法与技术手段,查明了矿井边界断层性质及其对矿井开采的威胁,预测了未来开采矿井涌水量,查明了石炭系太原群灰岩(K2灰岩)和奥陶系灰岩的厚度、岩性和富水性等特征,即:K2灰岩属弱富水性含水层,而奥陶系灰岩属强富水性含水层;查明了主采煤层(上组2#煤和下组10#煤,下同)与其底板主要承压含水层的隔水层厚度、岩性、岩石力学指标和阻水性能等特征,查明了主要煤层底板各主要承压含水层之间的水力联系,即奥灰含水层在局部通过垂向构造补给K2灰岩含水层,是K2灰岩含水层的主要补给来源。⑵运用有限元RFPA-2D软件对上组2号煤开采造成的底板矿压破坏范围进行了数值模拟分析,并将其模拟结果与理论计算及周边矿井原位实测经验值及成果进行了对比分析。即:在考虑随工作面长度推进和工作面不同采宽时的该煤层底板矿压破坏深度为约14m,小于理论公式及现场实测成果的22~25m,为确保后续评价成果安全性,将经理论公式计算和周边矿井原位实测成果作为后续评价主要依据。该煤层开采底板矿压破坏深度的综合评价为后续煤层底板突水危险性区划评价提供了技术支持。⑶对研究区主采煤层的底板突水脆弱性采用“脆弱性指数法”进行了评价区划。结果表明:(1)在干河矿区范围内,2#号煤层底板K2灰岩含水层突水可能性从南向北呈递增态势,而在断层和褶皱等构造分布区域则多处于脆弱和较脆弱区;(2)干河煤矿10#煤层开采时底板奥灰突水可能性整体较大,即:其相对安全区主要分布在矿井东南部,较脆弱区则集中在矿井中北部,而脆弱区则主要集中在矿井构造较发育地带的矿井北部和矿井其他部位。⑷对研究区主采煤层的底板突水危险性采用“五图双系数法”进行了评价和区划。结果表明:(1)该矿2#煤层开采时底板K2灰岩含水层在矿井中北部易形成非直通式突水,而因奥灰含水层形成的突水可能性较小,危险区仅存在于矿井北部小部分区域;(2)该矿10#煤层开采时底板形成奥灰含水层直通式突水的区域主要集中在井田西部,而形成非直通式突水的区域主要集中在井田中东部。⑸综合上述两种方法所得评价结果并与开采揭露水文地质条件对比,可以看出:(1)运用“脆弱性指数法”进行底板突水危险性评价时,考虑主控因素比较多,体现了地质现象的逐渐变化特征,而“五图双系数”进行底板突水危险性评价,考虑的因素少,没有明显的过渡区;(2)“五图双系数法”没有考虑构造对煤层底板突水评价的影响致使其评价结果安全性偏低;(3)底板突水是一个非线性的多因素的突发性比较强的过程。“脆弱性指数法”更好地反映了煤层底板突水非线性、多因素和突发性特征,而单纯考虑底板隔水层与水头因素,不能更好地反映实际情况;(4)“五图双系数法”评价结果较为保守,导致大量煤炭资源浪费,而脆弱性指数法则能更大地解放煤炭资源,增加经济效益,缓解能源紧张。综上所述,文中将基于“脆弱性指数法”的评价结果作为其最终依据。⑹提出了基于上述“脆弱性指数法”评价结果和经开采实践验证的主采煤层底板突水防控技术方法。即:(1)对于评价区划结果的相对安全区和较安全区,应采取在生产中时刻关注回采工作面情况、涌水量变化和太灰水位变化,发现异常,及时上报的应对措施。(2)对于评价区划结果的过渡区,除采取在相对安全区和较安全区的防控措施在,还应采用含水层改造和隔水层加固、注浆措施改造含水层或加固隔水层,进一步提高隔水层强度。(3)对于评价区划结果的较脆弱区,应主要采取以下措施,即:在回采过程中进行超前探水;利用物探、钻探等综合勘探手段,查明隔水层薄弱地段、富水区段和潜在导水通道(断层、裂隙带);采用地球物理、钻探等手段,查明回采工作面范围内煤层底板岩层的连续性与裂隙发育特征,确定裂隙发育地段,采取注浆改造措施改造含水层和加固隔水层,使其变为相对隔水层甚至隔水层,进一步提高开采安全性;在生产中疏降含水层水压至安全水压再进行回采作业,特别对于情况复杂地段,在巷道掘进过程中应进行超前探放水并酌情设立防水闸门。(4)对于评价区域结果的脆弱区,应采取以下主要防控措施:对隔水层厚度较薄区域,采取注浆加固隔水层方法,以确保隔水层强度满足水压破坏与安全开采要求,对于矿压破坏带下脆性岩厚度较小区域,亦可采取注浆加固,以确保隔水层强度;对于区域富水性较高区域,可疏水降压后进行开采;而对于水头压力较大采区,则需采取疏水降压方法,基于具体情况和现场经验,把承压含水层水头压力降到隔水层所能承受的安全水头压力范围内。(5)需要特别指出的是,对于断层、褶皱等构造分布区,因构造的存在破坏了隔水层连续性,因此当煤层回采揭露这些构造时,其可能会作为导水通道直接或间接把含水层承压水引入工作面进而造成严重后果。故主要应采取以下措施加以应对,即:首先,在煤层回采中对这些区域留设足够的隔水煤(岩)柱,严重的可采取两盘预注浆或局部疏水降压等措施处理;其次,在巷道掘进靠近这些构造分布区域时应进行超前探放水,利用