煤層底板含水層注漿改造技術(shù)在焦作礦區(qū)的應(yīng)用
摘 要：文章根據(jù)焦作礦區(qū)水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜、突水頻繁、水害威脅嚴(yán)重的實(shí)際情況分析了煤層底板含水層注漿改造的必要性和可行性，闡述了實(shí)施煤層底板含水層注漿改造技術(shù)的基本內(nèi)容及工程應(yīng)用實(shí)踐，取得顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)安全效益。
關(guān)鍵詞：煤層底板；含水層；注漿改造；注漿材料
1 概 況
1．1 礦區(qū)概況
焦作礦區(qū)位于河南省西北部太行山南麓，為掩蓋式石炭二疊紀(jì)煤田，北依太行山，東至修武、輝縣，南抵武陟縣，西達(dá)博愛(ài)縣。東西走向長(zhǎng)65km，南北傾斜寬20km，礦區(qū)總面積約1300km2。礦區(qū)主采煤層為山西組二，煤，煤層總厚6～9 m，埋深100～1000m，為優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤，地質(zhì)儲(chǔ)量28．5億t。礦區(qū)現(xiàn)有8處生產(chǎn)礦井，生產(chǎn)能力350萬(wàn)t／a。
1．2 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造
焦作煤田位于太行山復(fù)背斜東南翼，處于東西向構(gòu)造段新華夏系構(gòu)造的復(fù)合部位，區(qū)內(nèi)廣泛分布著燕山期以來(lái)新生成的各種構(gòu)造形跡，以多期活動(dòng)的高角度正斷層為主，褶皺構(gòu)造表現(xiàn)微弱，斷裂構(gòu)造按其展布方向可分為NW向、NE向和近EW向三組，近EW向張性斷層和NE向壓扭性斷層控制著地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄。
1．3 礦區(qū)主要含水層情況
礦區(qū)發(fā)育有四個(gè)含水層(組)，自上而下分別是第四系(Q)砂礫石含水層；二疊系(P1)砂巖裂隙含水層；石炭系(C3)薄層灰?guī)r巖溶含水層；奧陶系(02)巨厚層灰?guī)r巖溶含水層，其中后兩個(gè)含水層(組)對(duì)礦井安全生產(chǎn)威脅最大。石炭系(C3)薄層灰?guī)r巖溶含水層主要有八層灰?guī)r含水層(L8)和二層灰?guī)r含水層(L2)，八層石灰?guī)r層厚6一10 m，上距二煤層18～40m，一般20m，該含水層含水性較強(qiáng)，是二，煤層的直接充水水源，礦區(qū)曾經(jīng)發(fā)生近千次八層灰?guī)r突水，最大突水量達(dá)6300m3／h。該含水層一旦通過(guò)構(gòu)造、礦壓破壞等形式與“二灰”、“奧灰”溝通，常會(huì)造成淹沒(méi)采區(qū)及礦井的災(zāi)害性突水事故，是礦井開(kāi)采過(guò)程中重點(diǎn)治理對(duì)象。二層石灰?guī)r層厚8～12m，上距二，煤層70m，下距“奧灰”頂面一般20m，該含水層巖溶裂隙發(fā)育，富水性強(qiáng)，水位變化基本與奧灰水位同步，是上覆各含水層的補(bǔ)給水源。當(dāng)巷道與其接近或通過(guò)破碎帶與之相通時(shí)，將可能造成突水淹井的毀滅性災(zāi)害。奧陶系灰?guī)r含水層(02)為煤系地層之基底，厚400m，巖溶裂隙十分發(fā)育，富水性強(qiáng)，在太行山區(qū)直接接受大氣降水及地表水的大量補(bǔ)給，然后轉(zhuǎn)為地下徑流，向東南運(yùn)移進(jìn)入礦區(qū)深部，成為焦作礦區(qū)各含水層間接的強(qiáng)大補(bǔ)給水源。
1．4 礦區(qū)水害威脅狀況
焦作礦區(qū)是全國(guó)著名的大水礦區(qū)，歷史上曾發(fā)生多次突水事故，截止2003年底集團(tuán)公司所屬礦井共發(fā)生60m3／h以上突水600余次，最大一次突水量為19200m3/h，因突水造成淹井17次，淹采區(qū)14次，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3億元之多，少出煤炭近千萬(wàn)噸，生產(chǎn)礦井的正常涌水量最高達(dá)30000m3／h以上。
如此巨大的礦井涌水量，加上頻繁的突水，迫使工作面不得不進(jìn)行改造，使得煤炭生產(chǎn)難以正常進(jìn)行，無(wú)法使用綜采等先進(jìn)采煤工藝來(lái)提高礦井生產(chǎn)能力。
2 煤層底板注漿改造技術(shù)在焦作礦區(qū)應(yīng)用的必要性
2．1 水害壓煤
焦作礦區(qū)所屬各生產(chǎn)礦井均為水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井，主要充水水源為二煤層底板石炭系太原組薄層灰?guī)r巖溶裂隙水。隨著開(kāi)采水平的不斷延深和開(kāi)采范圍的不斷擴(kuò)大，水壓逐漸升高，水文地質(zhì)條件變得愈來(lái)愈復(fù)雜，突水威脅愈加嚴(yán)重，礦區(qū)受水嚴(yán)重威脅儲(chǔ)量高達(dá)14．5億t。如不采取有效措施解決水患威脅，將導(dǎo)致礦區(qū)可采儲(chǔ)量減少，礦區(qū)年產(chǎn)量逐年下降，直接影響到礦區(qū)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。
2．2 礦井經(jīng)常性涌水量過(guò)大
焦作礦區(qū)每采一噸煤要排50～60t水，是全國(guó)平均水平的5～6倍，僅排水費(fèi)用每年就高達(dá)6000余萬(wàn)元，噸煤排水費(fèi)用占噸煤成本20％，造成企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益低下。也造成排水泵房設(shè)備老化，礦井抗災(zāi)能力大大降低。
2．3 突水頻繁突水量大
焦作礦區(qū)突水之頻繁，突水量之大，經(jīng)濟(jì)損失之驚人，都達(dá)到了極其嚴(yán)重的程度。近幾年來(lái)，隨著礦井開(kāi)采水平的不斷延深，水文地質(zhì)條件變得愈加復(fù)雜，雖然開(kāi)展了八層灰?guī)r含水層疏水降壓等多項(xiàng)綜合防治水工作，但對(duì)一些水文地質(zhì)條件復(fù)雜含水層富水性強(qiáng)的地區(qū)效果不明顯，而且巨額的排水費(fèi)用礦井也難以接受。
綜上所述，在焦作礦區(qū)應(yīng)用煤層底板含水層注漿改造這一新技術(shù)不僅是十分必要的，也是十分迫切的。
3 煤層底板注漿改造技術(shù)在焦作礦區(qū)應(yīng)用的可行性
煤層底板含水層注漿改造技術(shù)就是沿工作面下順槽大面積布置注漿鉆孔，通過(guò)注漿鉆孔注漿來(lái)充填底板灰?guī)r含水層的巖溶裂隙和導(dǎo)水裂隙，從而大大減弱含水層的富水性并切斷水源補(bǔ)給通道，使受注含水層被改造為不含水或弱含水層，同時(shí)亦增強(qiáng)了煤層底板隔水層的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)工作面不突水開(kāi)采。
3．1 泣漿開(kāi)采有成熟的技術(shù)和成功的經(jīng)驗(yàn)
注漿改造含水層進(jìn)行開(kāi)采源于1984年，經(jīng)過(guò)20年來(lái)的發(fā)展，經(jīng)歷了地面打孔、地面注漿和井下打孔、井下注漿兩個(gè)發(fā)展階段后，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了井下大面積打孔地面連續(xù)注漿的新工藝，已經(jīng)積累了成熟的注漿改造技術(shù)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。
3．2 各礦井水文地質(zhì)條件已經(jīng)查明，有利于注漿改造技術(shù)的實(shí)施
國(guó)家級(jí)工業(yè)性試驗(yàn)項(xiàng)目《華北型煤田奧灰?guī)r深水綜合防治工業(yè)性試驗(yàn)》，歷經(jīng)“七五”、“八五”兩期工業(yè)性試驗(yàn)階段，通過(guò)鉆探、物探等多種探測(cè)手段，焦作礦區(qū)各礦井水文地質(zhì)條件已經(jīng)基本查明，為防治水工作奠定了基礎(chǔ)。
3．3 新型注漿材料確保了注漿改造開(kāi)采既可行又經(jīng)濟(jì)
隨著注漿技術(shù)的發(fā)展，注漿材料也經(jīng)歷了從單液水泥漿到水泥、粘土、水玻璃等多元材料的發(fā)展過(guò)程，水泥粘土漿不但注漿成本低，材料來(lái)源廣，而且漿液流動(dòng)性好，充填效果佳，改造質(zhì)量高，確保經(jīng)濟(jì)可行。
3．4 新型物探手段有助于注漿改造技術(shù)成功應(yīng)用
直流電流物探等新型物探手段在焦作礦區(qū)已經(jīng)推廣應(yīng)用多年，通過(guò)對(duì)數(shù)十個(gè)工作面進(jìn)行探測(cè)，證實(shí)對(duì)探測(cè)L8灰?guī)r富水帶和巖溶發(fā)育帶比較準(zhǔn)確。通過(guò)物探技術(shù)探測(cè)，一方面可以了解底板含水層裂隙分布情況，確定富水地段，指導(dǎo)注漿孔的合理布置，另一方面為檢驗(yàn)注漿效果提供了探測(cè)手段，有利于注漿改造技術(shù)的應(yīng)用。
通過(guò)以上的綜合分析，我們認(rèn)為在焦作礦區(qū)實(shí)施煤層底板注漿改造含水層技術(shù)是可行性，可以解決長(zhǎng)期以來(lái)被動(dòng)防水的難題。
4 煤層底板注漿改造技術(shù)的主要內(nèi)容
煤層底板注漿改造工程主要包括地面造漿站、井下工作面打注漿鉆孔、井下連續(xù)注漿等工程。
地面造漿站由儲(chǔ)土棚、粗漿池、精漿池、一攪池、二攪池、注漿棚、清水池等設(shè)施組成。主要設(shè)備有制漿機(jī)、攪拌機(jī)、雜污泵、泥漿泵、空壓機(jī)等。根據(jù)漿液的擴(kuò)散半徑以及16灰?guī)r含水層的富水性，在工作面下順槽每隔一定距離施工一個(gè)鉆窩，每個(gè)鉆窩內(nèi)施工3～4個(gè)注漿鉆孔，具體參數(shù)根據(jù)被改造含水層具體水文地質(zhì)條件確定。注漿鉆孔要分三個(gè)序次施工，全部注漿結(jié)束后，視鉆孔涌水量和進(jìn)漿情況確定補(bǔ)打檢驗(yàn)孔。制好的粘土水泥漿由泥漿泵→輸漿鉆孔→輸漿管路→注漿鉆孔→含水層。注漿壓力一般為水壓的2～3，倍，漿液擴(kuò)散范圍較大，注漿后可封堵含水到煤層的導(dǎo)水裂隙，加固煤層底板隔水層；也可改變L8灰?guī)r富水性，變強(qiáng)含水層為弱含水層或隔水層，同時(shí)亦可切斷底板L8含水層與L2灰?guī)r及O2灰?guī)r含水層的水力聯(lián)系，從而達(dá)到安全開(kāi)采之目的。
5 煤層底板注漿改造技術(shù)在焦作礦區(qū)應(yīng)用的效果
5．1 九里山礦14041等工作面
九里山礦西翼采區(qū)水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，一四采區(qū)首采面14021在開(kāi)采中曾發(fā)生兩次突水，水量分別為840m3／h和360m3／h，造成工作面停產(chǎn)。通過(guò)實(shí)施該技術(shù)，不僅沒(méi)有發(fā)生突水而且由于漿液大范圍擴(kuò)散充填了水源補(bǔ)給通道，封堵了14021工作面老突水點(diǎn)水量360m3／h，一二采區(qū)涌水量也減少600m3／h，僅此一項(xiàng)每年就可節(jié)約排水費(fèi)用320萬(wàn)元，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，又相對(duì)增強(qiáng)了井底泵房的抗災(zāi)能力，對(duì)礦井安全生產(chǎn)起到了重要作用。
繼14041工作面進(jìn)行了煤層底板含水層注漿改造實(shí)現(xiàn)了開(kāi)采不突水后，為了推進(jìn)高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)，2001年集團(tuán)公司決定在14061工作面進(jìn)行首個(gè)綜采試驗(yàn)。通過(guò)應(yīng)用該技術(shù)保證了第一個(gè)綜采工作面的順利回采，并安全采出煤炭53萬(wàn)t。而
14051綜采工作面實(shí)施了煤層底板含水層注漿改造，也安全采出煤炭38萬(wàn)t，該礦2003年礦井產(chǎn)量首次達(dá)產(chǎn)，突破100萬(wàn)t。
5，2 演馬莊礦25081工作面
演馬莊礦25081工作面下風(fēng)道位于一條H＝5m的斷層附近，通過(guò)物探手段探測(cè)顯示為低阻帶，極有底板突水可能。因此對(duì)25081工作面也實(shí)施了該技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)下風(fēng)道和斷層之間的破碎帶進(jìn)行加固。回采期間也未發(fā)生大的突水，安全采出煤炭20萬(wàn)t。
該技術(shù)在九里山礦和演馬莊礦成功應(yīng)用后，又相繼在朱村礦、韓王礦和古漢山礦等三對(duì)礦井進(jìn)行了推廣應(yīng)用；截至目前已安全采出煤炭240余萬(wàn)t，不僅避免了大的突水事故的發(fā)生，并且實(shí)現(xiàn)了綜采，為集團(tuán)公司高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)。與此同時(shí)，九里山礦等五對(duì)礦井利用底板含水層注漿改造系統(tǒng)封堵了井下多處突水點(diǎn)，減少礦井涌水量3000m3／h，年節(jié)約排水費(fèi)用l275萬(wàn)元，取 得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)大水礦區(qū)的水害治理具有重要的技術(shù)指導(dǎo)作用。
6 結(jié) 論
通過(guò)煤層底板含水層改造技術(shù)在焦作礦區(qū)的成功應(yīng)用，我們認(rèn)為該技術(shù)是解決底板突水威脅的有效途徑之一，能夠消除重大突水隱患，實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)；有利于提高煤炭資源回收率；緩解礦井水平接替緊張局面；增加產(chǎn)量，降低成本；為集團(tuán)公司高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)創(chuàng)造良好條件，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可在河南省及華北地區(qū)大水礦區(qū)推廣應(yīng)用。(安全文化網(wǎng))
| 編 輯：蘭天 |