车集煤矿采煤工作面底板水害防治

摘　要:通过对永煤公司车集煤矿水文地质条件分析,提出了采煤工作面的防治水方法,并取得了显著效果。
关键词:工作面防治水;底板加固;含水层改造

　永城煤电公司车集煤矿,设计年产180 万t ,主采煤层为二叠系山西组二2 煤层。矿井水文地质条件复杂,自1999 年底投产以来,连续5 次发生工作面底板突水事故,先后淹掉3 个综采工作面,2 个炮采工作面,经济损失较大。2002 年矿成立了专门的防治水机构,针对矿井水文地质条件,采取了可行性防治水方法,经过一年来实践证明,效果显著。
1 　矿井水文地质条件
车集矿主采煤层为二叠系山西组二2 煤层,下距石炭系上段灰岩含水层组50m 左右,该含水层组由6 层石灰岩组成,层间夹有泥岩及砂质泥岩各层灰岩层位稳定,裂隙发育,富水性强,渗透系数一般为2～20mPd ,水压4～6MPa ,各含水层之间存在水力联系,是工作面发生突水的主要水源。煤层底板岩层是一组砂、泥岩互层的隔水岩层,由于地质构造复杂,隐伏断裂发育,构成高压水的导水通道,在煤层开采过程中易引发突水,而且突水量大,来势凶猛,且不易疏干。
2 　工作面突水可能性简析
主采煤层底板隔水层厚度为50m ,由砂、泥岩组成,抗张强度低(16～30kgPcm2 ) 。根据经验回采时受采动影响底板直接破坏深度为10～17m ,剩余有效隔水层厚度仅有35m ,底板承受水压值为5MPa ,根据公式计算,煤层底板隔水层安全厚度为50m ,而在际仅有35m ,远小于安全厚度。而且由底板水压应力比Ip 随底板突水阻抗因子和底板导水裂隙发展因子而发展直至突水的尖点突变模型规律可知Ip > 1 ;都表示了极可能发生突水的危险数据,加之局部地段存在原始导高,更增加了突水的可能性。因此,工作面开采底板岩层受矿山压力和底板承压水静水压力共同作用下必将引发突水。
3 　工作面防治水案
3. 1 　缩短工作面倾斜长度
工作面斜长对底板突水的影响比采深,煤层倾角,底板岩体力学强度等都明显,因为短壁式采煤法可有效地减弱底板破坏强度,缩小破坏深度,有效地阻止底板承压水的浸入。用数理统计的方法,提出了适合车集矿水文地质条件的合理工作的斜长为40m ,可有效地控制工作面底板突水。要加大工作面斜长,必须采取底板加固和底板含水层改造,防止底板突水。
3. 2 　工作面底板加固和含水层改造
工作面底板加固是对底板隔水层薄弱带进行注浆强化处理,使其有较强的抗采动能力,达到安全生产的目的,尤其对存在原始断裂构造地段进行注浆加固,具有重要意义。含水层改造是通过钻探注浆把含水层内的地下水置换到采场以外并占据贮水空间,切断工作面突水源。底板加固和含水层改造是工作面防突水的重要措施。
3. 2. 1 　底板加固和含水层改造的方案设计
在工作面上、下巷道内每隔一定距离面置一个钻探注浆硐室,在硐室内向工作面扇形布置钻孔。根据已往钻探注浆经验,在本矿底板含水层中注浆,浆液扩散半径可达20～30m ,因此在工作面布置钻孔时,各终孔位置相距20～30m ,终孔层位在石炭系含水层L10中下部。
3. 2. 2 　钻孔参数确定
由于矿井地下水压较高,一般为4～6MPa ,煤层底板岩层软弱,施工钻孔时孔口管长度必须下入16～20m ,注浆加固,且必须做耐水压试验,试验耐压值必须在15MPa 以上,钻孔周围无底鼓或漏水现象。开孔孔径Φ133mm ,孔口管直径Φ108mm ,终孔直径Φ75mm。孔深根据钻孔具体位置而定。一般在80～150m 之间。
3. 2. 3 　注浆参数确定
注浆材料采用425 # 普通硅酸盐水泥(量大时可掺入黄土或粉煤灰) 浆液配比一般为1∶0. 3～0. 5(水、水泥重量比) ,如果钻孔出水量较大(100m3Ph 以上) ,可将水灰配比调至1∶0. 5～1∶0. 8。注浆终压一般控制在水压值的2～3 倍,一般为14MPa 。即保证最大程度地注入泥浆又兼顾注浆施工的安全性。
4 　防治水效果
车集煤矿采用底板加固和含水层改造这一方案在2404 工作面防治水工作中取得良好效果。2404工作面位于北翼下山采区,工作面走向长800m ,倾斜长度80～120m ,煤层厚度2. 8m ,煤层倾角16°,可采储量40 万t ,水压值5. 5MPa 。回采前采用瞬变电磁法对工作面底板含水构造进行了探测,发现工作面底板下30～50m 范围内存在两个富水异常区,是极易发生突水的地段,故而采取了底板加固和含水层改造方法加以防治。根据2404 工作面防治水方
案,共施工28 个钻孔,总钻探进尺2558m ,注入水泥306. 5t 。实现了工作面安全回采,未发生底板突水,工作面防治水工作取得圆满成功。
5 　经济效益
车集矿采用底板加固和含水层改造防治水害,一年来未发生突水事故,有效地控制了矿井涌水量的增加,根据计算每1m3Ph 的矿井涌水量,一年排水费用1. 5 万元,照此计算,一个工作面不发生突水一年可节约费用数百万元,而且可实现安全生产,取得了很好的经济效益和社会效益。
6 　结　论
1) 车集矿在水压高、含水层厚度大、煤层距含水层较远的条件下进行底板加固,在全国尚属首例,经过认真细致地工作之后,取得了良好效果,证明底板加固和含水层改造是适合车集矿水文地质条件的防治水方法。在类似条件的矿区可推广使用。
2) 在工作面回采前,采用井下瞬变电磁法探测水源是进行底板加固和含水层改造的前沿工作,具有指导和参考作用,使防治水工作有目的有重点。物探与井下钻探相结合,可保证工作面防治水的有效性。
3) 注浆改造的目的层:通过对含水层分析确定L10为改造目的层。即可以切断煤层底板与含水层水力联系,又能增加底板抗张强度,使Ip < 1 不发生突水。
4) 在所有设计钻孔施工完之后,要在曾经出水较大的钻孔附近或者认为注浆质量不理想的钻孔附近增加注浆钻孔兼做检查钻孔,检查孔出水量小于20m3Ph ,做为钻探注浆的效果标准。