摘要:基于唐家会矿61303工作面开采受底板灰岩水害威胁,为杜绝发生突水事故,根据唐家会井田水文地质特征,采用槽波地震、音频电透视、瞬变电磁等探查方式对工作面水文地质情况进行探查,圈定水文异常区;并采用定向顺层长钻孔和穿层短钻孔相结合的方式对工作面底板、物探异常区、隔水层厚度探查验证;最终通过注浆加固、封堵方式对工作面底板奥灰水进行预防和治理。工作面回采结果表明,该防治技术取得了成功,消除了工作面底板灰岩水害,确保了工作面安全回采。
内蒙古准格尔矿区唐家会矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市薛家湾镇,蒙、晋、陕交界处,东临黄河,在构造上位于山西台背斜与鄂尔多斯台向斜的过渡地带、天桥岩溶水系老牛湾子系统的西北部[1]。井田总的构造为具有波状起伏的近南北走向、向西倾斜的单斜构造。唐家会矿61303工作面位于矿井一盘区南翼,工作面开采受底板灰岩水害威胁,面内最高带压1MPa,主采6煤层底板为强富水的奥灰含水层,且断层、陷落柱等隐伏构造较发育,区域内灰岩水可能通过导水通道充入矿井造成重大突水事故,严重威胁矿井安全开采。现有防治水措施主要为局部探查和治理,无法做到工作面回采区域全覆盖,无法保障面内主采范围不受底板灰岩水害威胁[2],因此,针对唐家会矿61303工作面开采受底板灰岩水害威胁的问题,采用槽波地震、音频电透视、瞬变电磁等探查方式对工作面水文地质情况进行探查,并采用注浆加固、封堵方式对工作面底板奥灰水进行预防和治理,取得了成功,消除了工作面底板灰岩水害,确保工作面安全回采。
1、工作面概况
1.1 工作面地质条件
61303工作面为矿井一盘区南翼开采的第一个工作面,工作面东侧三条盘区系统大巷已施工完毕,其它无采掘活动。6煤层底板标高+747.9~+777.5m,6煤倾角0°~6°,平均2°,工作面南高北低,东高西低,整体为一单斜构造,但局部有褶曲。工作面回采长度1867m,面宽240m,煤层厚度17.2~27.3m,平均厚23.1m,煤层厚度南厚北薄,西厚东薄。煤层全区赋存稳定,含3~15层夹矸,夹矸厚1.3~6.47m,平均2.8m,局部呈透镜状。夹矸岩性多为泥岩,局部含粉砂,全区稳定,煤质为长焰煤。工作面地质储量为1269万t,采用综采放顶煤方法开采,采高4m,之上为放顶煤。
矿井地层根据唐家会井田煤炭勘探报告成果及井筒掘进实际揭露资料,由老至新为:奥陶系(O1+2)、石炭系上统太原组(C2t)、二迭系下统山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)、上统上石盒子组(P2s)、石千峰组(P2sh)、白垩系下统志丹群(K1zh)、第三系(N2)、第四系(Q)。61303工作面6煤距下伏奥陶系灰岩间距43.52~80m,平均55m。奥陶系中统为马家沟组白云质灰岩。根据工作面巷道实际揭露地质情况,工作面内回采范围共发育15条落差0~2m小断层。
1.2 工作面回采底板奥灰水害威胁分析
1.2.1 底板灰岩水
工作面内6煤底板赋存太原组砂岩裂隙含水层水及奥灰含水层水。6煤距奥灰含水层距离37~80m,平均55m,在隔水层薄、阻水性能差或存在奥灰含水层水原始导升的地段,有效隔水层厚度小。煤层回采时,会造成底板隔水层应力局部集中,形成底板采动破坏带,将进一步减弱隔水层的阻水性能,成为潜在的导水通道[7]。
根据61101、61103、61201工作面的底板破坏工程探查成果,最大破坏带深度为15m,最大扰动影响深度为32m。所以正常地层条件下,奥灰含水层水为间接充水水源。在有垂向导水构造发育块段,煤层顶底板含水层水与底板奥灰水相互连通,则奥灰含水层为直接充水水源[8]。
1.2.2 工作面充水通道
工作面主要充水通道包括:底板采动破坏带、封闭不良钻孔、断裂构造及隐伏岩溶陷落柱。
1)底板采动破坏带。由矿井实测结果可知,6煤回采后底板采动破坏带可波及底板太原组砂岩裂隙含水层,成为底板主要导水通道。
2)封闭不良钻孔。工作面范围内有五水1,T22、T23等三个地面勘探钻孔,钻孔封孔质量达到设计要求,但封孔后未对钻孔封孔质量进行透孔检查,按封闭不良钻孔进行处理。
3)断裂构造及隐伏岩溶陷落柱。根据周边井田及该矿井开采情况,工作面有发育隐伏陷落柱的可能,为此,必须施工底板探查治理工程,消除安全隐患。
2、工作面地质构造探查
2.1 物探
61303工作面采用了槽波地震、音频电透视及瞬变电磁法三种物探方式进行探查,并根据探查结果圈定了物探异常区,由于三种方式圈定范围较多,并存在差异,以下仅以三种方式共同圈定异常范围为例介绍[9]。
2.1.1 槽波地震探查
采用槽波地震物探方式对工作面煤层及底板构造情况进行了探查[10],发现煤层及底板以下存在异常区。异常区西起切眼东帮,东至切眼西帮东58m,东西长度约58m,北起回风巷北北帮,南至回风巷北南72.6m,南北长度约72.6m,并根据探查结果圈定槽波异常区,如图1所示。
图161303工作面物探异常区位置
2.1.2 音频电透视探查
音频电透视成果分析工作面内低阻异常区为:走向上由切眼至工作面内0~250m之间,倾斜长基本贯穿整个工作面,异常范围较大,幅值较强,高频成果与低频成果与异常区平面位置基本一致,如图1所示。
2.1.3 瞬变电磁探查
瞬变电磁采用扇形观测系统,其数据采集点分为侧帮和迎头两部分,其中侧帮(左侧帮和右侧帮各采集4组数据),迎头采集5组数据,共13组数据。每个采集点的探测方向分为顶板(+30°)、顺层(0°)和底板(-30°)三个方向[11]。在工作面内底板下30m层位附近平面趋势图发现低阻异常区,异常区走向上由切眼至工作面内0~150m之间,主要集中回风巷和切眼附近,异常范围较大,幅值较强;底板下50m层位附近平面趋势图发现低阻异常区,异常区走向上由切眼至工作面内0~150m之间,贯通工作面分布,异常范围较大,幅值较强,异常区圈定范围如图1所示。
综上所述,物探异常区为多种物探重复解释异常区且位于切眼附近,该区段在掘进前探和工作面底板顺层钻孔施工期间,均表现为富水(水量、水质)异常,结合工作面综合水文地质资料进行梳理和分析后,针对异常区实施钻探进行探查与验证。
2.2 钻探
2.2.1 掘进期间钻探
掘进期间钻探主要采用穿层钻探方式对巷道掘进前方上下左右20m空间范围内进行超前探查,同样保留20m超前距。根据掘进期间探查孔资料,6煤底板下煤岩层赋存稳定,6煤下直接底为灰黑色砂质泥岩,层厚约为2m,局部变厚。6煤底板下5~6m为灰白色中粒砂岩,层厚6~8m,该层为6煤底板下第一层灰白色砂岩层。6煤底板下14m发育一层炭质泥岩层(含9煤),层厚约为0.2~3m,该层位赋存不稳定,局部相变为砂质泥岩。6煤底板下16m为灰白色中粒砂岩,层厚10~15m,该层内夹有厚0.2m左右灰黑色砂质泥岩,该层为6煤底板下第二层灰白色砂岩层。巷道底板下42~50m见灰岩,灰岩与6煤底板下第二层中粒砂岩间以泥岩为主,夹有中粒灰色砂岩。由探查孔的见水情况分析,在6煤底板下16m灰白色砂岩层中较富水,探查孔在进入灰岩后普遍水量增大。探查孔进入灰岩后取水样化验氯离子含量分布范围366.81~615.39mg/L,其中最大为615.39mg/L,最小为366.81mg/L,探查孔终孔水温在24.5~26.7℃之间。
根据对61303工作面前探孔资料进行排查,发现切眼内两轮前探孔、回风巷靠近切眼的前探钻孔和运输巷靠近切眼前探钻孔中的下行孔中有24个钻孔出水量较大,单孔出水量最大为82m3/h,注水泥52.6t;且个别钻孔水质异常,Cl-含量为1049.32mg/L,初步判定切眼附近存在富水异常区。为保证安全掘进,掘进期间采用长探短掘的方式,留足超前距离,做好安全评价工作,最终于2017年底贯通。
2.2.2 异常区钻探验证及探查
根据物探异常区圈定范围,按照穿层钻孔结合定向顺层长钻孔探查的方式,针对异常区共设计12个全孔取芯穿层钻孔和3个定向长钻孔对其实施全覆盖探查[12]。穿层钻孔布置方式为终孔层位进入奥灰顶界面,定向长钻孔结合原设计的底板定向孔布置[13],钻进层位位于6煤底板下35m,探查孔施工参数见表1,异常区探查钻孔布置如图2所示。
表1探查孔施工参数
图2异常区探查钻孔布置
根据异常区钻探资料分析,水温、水质、水量、注浆量等指标均出现了异常,取芯孔通过鉴定岩芯发现局部岩层异常,且在钻孔施工过程中出现了空推现象,判断异常区存在异常的原因是存在垂向导水构造[14],该构造垂向发育至6煤,构造影响区裂隙较发育,初步判断该导水构造的发育形态如图2所示。
3、防治水治理工程
针对物探、钻探圈定的水文异常区,采取穿层钻孔和底板顺层长钻孔,对异常区范围导水通道进行注浆封堵和加固,确保达到治理效果消除安全威胁后进行回采[15]。
61303工作面异常区注浆加固治理穿层钻孔,主要针对异常区范围煤层底板砂岩含水层及灰岩含水层进行导水通道注浆封堵加固[16],共施工钻孔30个,共注水泥355.2t。其中,切眼施工穿层注浆加固钻孔13个,钻探工程量1084m,共注水泥297t;切眼以东150m共施工穿层注浆加固钻孔17个,钻探工程量655m,共注水泥58.2t,其中针对单孔出水量最大达133m3/h钻孔单孔透孔次数最多达9次,单孔注水泥量最多达76.85t。
61303工作面底板注浆加固定向长钻孔原则上按40m间距均匀布孔覆盖工作面,钻孔层位位于6煤底板下35~45m的9煤下砂岩层位。特别针对水文异常区范围内终孔水量大于30m3/h的钻孔进行反复透孔注浆。
注浆封堵加固治理结束后,采用直流电法、音频电透视及瞬变电磁对61303切眼至切眼以东150m范围进行注浆效果检测。结果显示,注浆之后整体岩层电阻率值抬升,浆液将底板岩层裂隙充填,岩层导电性变差,富水性变弱,岩层之间富水差异性变小。
4、结语
61303工作面目前已安全回采完毕,充分表明该水害治理取得了成功,所采用的一系列探查及治理技术手段达到了水害治理效果,该项技术可广泛应用受奥灰水害威胁的同类地质条件矿井。
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