祁东煤矿底砾含水层突水灾害成因与治理技术

摘要: 文章介绍了皖北煤电集团公司祁东煤矿3222 工作面特大突水灾害过程, 并根据“四含”水文长观孔水位, 突水后水温变化特点、水质化验资料及防水煤岩柱构成, 分析出水水源为: 第四系“四含”水; 导水通道可能为: ①采动裂隙沟通风化网络裂隙; ②工作面中部存在垂向导水裂缝带, 使“四含”水下泻所致。通过对突水性质和水情发展趋势的分析研究, 决定采用强制排水、建防水闸墙、水泥浆封盖“四含”和基岩风化带堵出水水源; 粘土浆充填固结采空冒裂带的治理方案。实施后, 堵水率达100 % , 仅用102 d 就恢复了矿井生产, 安全撤出了综采支架, 取得了良好的经济效益和社会效益。

关键词: 突水灾害; 底砂含水层; 治理技术; 祁东煤矿

　　2001 年11 月24 日, 皖北煤电集团公司祁东煤矿东翼- 420m 水平试采3222 倾斜长壁工作面, 发生了第四系底部砾石含水层特大突水淹井灾害, 最大涌水量达1670m3Ph , 其突水量之大, 在全国第四系“四含”突水事例中也较为罕见。致使刚刚建成, 设计年生产能力150 ×104 t , 准备于12 月26 日正式投产的祁东矿井被淹, 给国家和企业造成了巨大的经济损失。

1 　突水简况

111 　3222 工作面水文地质条件及开采概况祁东煤矿开采的煤田为一第四系松散含水层覆盖下的隐伏煤田, 煤系地层属石炭- 二叠系, 煤系基底为奥陶系石灰岩。矿井直接充水含水层为煤系顶、底板砂岩裂隙含水层, 主要充水水源为第四系底部的第四含水层(以下简称“四含”) 和奥陶系灰岩含水层(简称“奥灰水”) 。鉴于32 煤层下距“奥灰水”的层间距达580 m , 浅部煤层开采时如无特殊的大型垂向导水构造,“奥灰水”直接突出的可能性较小; 第四系中的第一、二、三含水层(组) 下方有80～100 m 的第三隔水层, 隔断了与“四含”的直接联系, 故突水的主要危险来自与煤系地层直接接触的“四含”水。井田内“四含”的两极厚度为0～59110 m , 平均厚度35～40 m , 由于受古地貌形态制约, 井田中部偏西为一近SN 向的谷口冲洪积扇沉积, 首采区和3222 采面正好位于其中, 平均厚度42 m。该冲洪积扇主要由砾石、砂砾、粘土砾石、砂、粘土质砂等组成, 夹多层薄层粘土或砂质粘土层, 分选性不好。首采的3222 工作面位于水平二采区, 起止标高为- 420～ - 540 m , 长800 m , 宽150 m , 为倾斜条带综采工作面。煤层厚度平均215 m , 平均倾角10° 左右。第四系松散层厚370 m , 其底界标高为 - 358 m。32 煤层直接顶板为泥岩, 厚度1183～2141 m; 老顶为细砂岩, 厚0189～10141 m。老顶之上以泥岩和粉砂岩为主, 厚度2818 m; 底板岩性为粉- 细砂岩, 厚约15 m。采面内未发现有断距> 310 m 以上的断层, 但采区东部有断距为0～28 m 的F25 正断层; 此外尚有F3221 和F3222 等断距> 2 m 的断层6 条以及断距< 2 m 的断层11 条。工作面开采前, 采用无线电坑透仪进行探测, 未发现明显的异常点和断层。 32 煤层基岩风化带深度20～30 m。其中, 强风化带8～15 m , 弱风化带15～20 m。基岩风化带内的岩性主要以中砂岩为主。

112 　突水经过 3222 工作面于2001 年11 月5 日开始试采, 11 月18 日工作面推进至2818 m 时老顶初次来压, 老空区及采面未发现出水。11 月24 日4 :30 , 工作面推进至42 m 时顶板周期来压, 机头处底板出现渗水, 5 : 56 渗水量增至10 m3Ph , 8 : 00 增至80 m3Ph , 11 : 05 增至1300 m3Ph , 11 月25 日4 : 20 续增至 1520 m3Ph。由于矿井排水能力不足, 于4 :36 - 600m 泵房被淹。淹井后根据主、副井淹没水位. 2 　突水水源及导水通道分析通过地质资料及水位、水质动态观测资料分析, 判断此次突水水源为第四系底部砾石含水层水(简称“四含”水) 。其理由为:

 (1) 突水水温为26 ℃。本区在勘探期间所取得的恒温带深度为40 m , 温度 1516 ℃。按平均地温梯度值为3 ℃P100m 计算, 突水水源应来自于- 355 m 深度。

(2) 突水后3 d 内, 3222 工作面周围的SQ1 、SQ2 、SQ3 3 个“四含”长观孔水位下降了30～33 m; 距出水点约10 km 之桃园煤矿的2 个“四含”长观孔, 也分别下降217 m 和 310 m。与此同时, 矿区内与相邻矿井的“太灰” “奥灰”长观孔水位未变化。

(3) 出水后经过4 次水质化验, 水质由SO2 - 4 ·HCO- 3 —K+ ·Na + ·Ca2 + 型、永久硬度为0、全硬度为16184 德国度的砂岩裂隙水, 逐渐过渡水质为SO2 - 4 ·Cl - —K+ ·Na + ·Ca2 + 型、永久硬度为17192 德国度、全硬度为26130 德国度的 “四含”孔隙水。 3222 工作面虽处于52 m“四含”底砾层覆盖之下, 但开采煤层顶板距“四含”底砾层距离达63 m (风巷) ～73 m (机巷) , 由中厚层泥岩夹中砂岩组成的复合体; 3222 工作面开采以前, 祁东煤矿曾委托煤科院唐山分院就3222 面的开采上限做专题研究, 由唐山分院提供的《祁东矿厚含水松散层下防水煤岩柱尺寸安全合理性的试验研究》报告中指出: 3222 工作面预计导水裂隙带高度为3216 m , 保护层厚度按照《“三下”采煤规程》规定取6 倍煤层采厚为1618 m , 设计32 煤层防水煤岩柱垂高终值为4914 m , 故实际留设的63 m 防水煤岩柱应是安全可靠的。况且, 3222 工作面只开采20 d , 推进48 m ,“两带高度”正常情况下未能发育到最大值, 不可能涉及 “四含”含水体。

经分析研究导水通道可能有以下2 个。

 211 　采动裂隙沟通了风化网状裂隙 3222 工作面灾害发生后施工检查探注孔资料表明: 与底部第四系砾石含水层相接触的基岩风化带均为厚达27 m 的中砂岩; 简易水文观测表明: 钻进到此层位时, 水位下降幅度快, 冲洗液消耗量大; 取样经X光衍射和岩矿分析结果表明: (1) 风化带岩石质地坚硬、均匀、松散。岩石中含碎屑矿物较多, 粘土矿物含量低; (2) 岩石中的碎屑矿物主要为石英、长石及云母碎片, 碎屑粒度较粗。岩石中的矿物碎屑间充填有较多的方解石脉, 碎屑间互不接触, 形成了岩石的基底式钙质或硅质胶结; (3) 岩石的显微结构多为钙硅质或粉砂泥质, 遇水后垂直与水平层理方向膨胀量都较小; (4) 岩石中具易溶于水的矿物且微孔洞与微裂隙较发育。由此判定, 3222 工作面上方基岩风化带内原生裂隙相对较为发育, 并富含水。由于3222 工作面正好位于“四含” 沉积时期的古河床中心, 原始沉积时期水动力条件强, “四含”沉积层厚、颗粒粗, 以厚层砂砾石为主, 富水性强, 水压大。风化后, 两者形成了统一的含水体。当3222 工作面的采动裂隙与此沟通时, 第四系底部砾石含水层的水, 就通过风化网状裂隙经采动裂隙源源不断地泄入工作面, 造成水灾。 3222 工作面的水质变化特点也说明了此点。

212 　工作面中存在有垂向导水裂缝带矿区内南侧魏庙断层呈EW 向展布, 经勘探证实该断层带两侧新地层厚度高差达60～80 m , 形成新地层陡坎, 且底部砾石层位相应错位, 亦显示断层断距, 此断层向西进入祁东矿区内。其新地层底部薄层泥岩被证实断距达50～60 m , 说明该断层在新构造运动时期活化。基于有此地质构造背景, 也与地域新构造运动展布相同, 矿区内应相应地发育有近EW向走向的新构造破裂带。此种构造破裂带属于原位破裂, 切割深, 延展远, 倾向陡, 具有方向性、稳定性、间隔性。在中国东部地区构成基岩的主要控水构造之一。主裂带成为导水构造, 淮北山区基岩露头处可清晰见此种构造破裂带。若工作面中存在此种导水构造, 恰巧与工作面推进面平行, 放顶时形成顶板整体来压, 老顶整体沿已有的新构造破裂带切断, 破坏了正常的导水裂隙带和冒落带的发展过程, 致使导水裂隙沿新构造破裂带直通底砾层水体。在顶板切断下降和水力冲刷作用下, 砾石层中水体迅速下泄, 形成直通水道, 造成水灾。

3 　快速治理技术

311 　治理技术思路根据祁东煤矿“11124”特大突水水源来自煤层顶板第四系第四含水层、导水通道可能是采动裂隙沟通次生风化裂隙且补给有限这一特点, 为使矿井较快恢复生产并保证3222 工作面综采支架的完好性, 其治理技术思路为: “强排”,“建闸”,“堵源”, “注浆加固”。决策依据如下:

31111 　基于突水性质和当时井下水情发展趋势的分析、判断, 认为由突水造成的“四含”水位下降漏斗已形成, 并正趋于稳定, 涌水量跳跃上升期已经过去, 今后的涌水量不仅不会再增加, 反而会随着覆岩下沉逐步减小, 因此强排是可行的。

31112 　强排到底, 用潜水泵“稳水”, 抢占泵房, 恢复矿井的原有排水能力, 已有成功经验。

31113 　在巷道过水量600～800 m3Ph 条件下建造隔水闸墙, 虽然施工难度很大, 但也有成功的经验, 在技术上是可以解决的。

31114 　隔水闸墙的建立, 能为恢复安全生产和在静水条件下进行水害“根治”创造必要条件(静水条件下灌注粘土水泥浆是完好地保存和安全撤出综采设备所必需的) , 从而实现提前恢复生产和“生产” 与“治理”齐头并进的治理模式。

312 　治理技术难点为确保整个注浆堵水工程的效果, 需要解决以下几个主要技术难点: 31211 　正确分析判断突水来水通道的隐伏部位, 通过少量钻孔进行有效、有控制的注浆封堵。

31212 　正确确定冒裂带上部边界和通过少量钻孔实现对采空区和冒裂带充分地充填灌注, 并使固结体硬度达到最适宜的程度。

 31213 　尽可能扩大注浆有效充填范围, 使各孔之间的“注入体”有效的连接并向周边地区延展。以改善其相邻采区、工作面的生产条件, 防止浆液无效扩散。

31214 　通过浆液配比的调控, 分别使早、中、晚期注入的浆体通过加压、脱水, 大致达到同期凝结目的, 并使注浆压力及单位时间注入量达到可随机调整、控制, 使每次注浆的有效性及合理性得到提高。

31215 　依据现有技术方法和观测手段, 分析、掌握地下岩层中变化的水情及导水裂隙封堵情况, 使注浆工程在施工过程中存在的问题得到及时发现和纠正, 达到少走弯路的目的。

31216 　根据此次注浆特点及要求, 在注浆配套设备和工艺、技术方面必须克服和解决以下难点, 即: 粘土水泥浆的日造浆、注浆能力不小于300m3Pd , 纯高稠度水泥浆的造浆能力不小于25 m3Ph , 单孔最大注浆能力不小于800 LPmin , 最小注入量不大于80 LP min ; 整个造浆注浆系统具有连续配制浆液和能高压 (20MPa) 压注重度高达119 的高稠度浆的能力。

313 　封盖堵水与充填加固为了提高封水效果, 有利于被淹埋的综采设备回收, 避免后期岩移下沉对“固结体”的破坏和尽可能降低堵水工程成本, 决定对采空区和冒裂带的充填加固注浆段采用就地取材的粘土水泥浆, 对采空区冒裂带以上至“四含”这一段基岩内较发育的隐伏导水通道, 采用特种水泥浆注浆封水法予以封堵, 以确保注浆质量。其钻孔布置与治理工程见图 3。整个治理工程共施工注浆钻孔8 个, 注各种浆液总量为4117 ×104m3 。

4 　治理效果祁东煤矿底砾含水层突水灾害堵水治理工程历时102 d , 采用了强排、建闸、注浆封盖、充填固结、拔架的快速治理思路, 共施工钻孔8 个。采用静水注浆技术, 底砾含水层和基岩风化带封盖堵水, 采空区和冒裂带充填固结的治理方案, 形成了纵横交错的注浆帷幕封堵盖, 堵水率达100 % , 效果良好, 不仅消除水患隐患, 而且节省了排水开支, 安全地撤出2800 多万元的综采设备支架, 保护了地下水资源。2002 年祁东煤矿生产原煤105 ×104 t , 取得了良好的经济效益和社会效益。