黄陵一号煤矿三、四盘区突水机理及治理方案

1 矿井概况

黄陵一号煤矿位于陕西省黄陵县西北部, 系黄陵矿业集团所属现代化矿井, 是国家“八五”期间重点建设项目之一, 2001年正式投产。核定生产能力500万吨/年, 主采延安组2号煤层。

矿井地处陕北黄土高原南部, 半干旱地区大陆性气候, 年平均气温9°C左右, 年平均降水量978毫米, 蒸发量大于1300毫米, 雨水多集中在八、九月。地形属较为复杂的中—低山区。区内树枝状水系较发育, 属洛河水系。

矿区地层由老到新有三叠系上统永坪组 (T3y) ;侏罗系下统富县组 (J1f) ;侏罗系中统延安组 (J2y) 、直罗组 (J2z) 及安定组 (J2a) ;白垩系下统洛河组 (k1l) 、华池组 (K1h) ;新近系上新统保德组 (N2b) 及第四系上更新统 (Q3m) 和全新统 (Q4) 。

本区地质构造比较简单, 为倾角1°~4°的单斜构造, 断层较少。

2 402工作面突水机理分析

1999年和2004年一号煤矿先后发生了两次较大规模的突水事故, 特别是2004年4月2日在402工作面回采至38米处出现的突水现象, 水量由30m3/h~800m3/h, 直接造成402工作面停产, 威胁着整个一号矿井的生产安全。

2004年底至2005年初, 黄陵矿业公司一号煤矿对该矿三、四盘区进行了综合物探 (瞬变电磁法、高分辨直流电法) , 提交了J2z2隔水层等厚线图, 圈定了J2z2隔水层缺失区的范围。

据物探资料, 结合已往地质勘探报告, 一号煤矿三盘区2煤顶板为厚约80m左右隔水层, 岩性为粉砂岩、泥岩互层, 隔水层之上为厚约120m的中、粗粒砂岩含水层 (J2z1含水层) , 分布稳定, 富水性不均一。J2z1含水层之上分布有J2z2隔水层, J2z2隔水层在该采区内厚度0~50m, 其厚度变化较大, 分布不稳定, 在402、300、301、302等工作面的东部存在J2z2隔水层缺失区。根据钻探资料及井下涌水情况分析, 在J2z2隔水层缺失的区域, J2z1含水层裂隙发育, 富水性强, 顶板探放孔在距该含水层还有15m时, 钻孔揭露裂隙发生钻孔涌水现象, 工作面回采时顶板涌水也多发生在该区段, 因此, J2z1含水层为威胁2煤安全开采的直接充水含水层。

该采区地表分布厚约30~130m的黄土层, 为黄土塬地貌, 地面标高+1 0 8 8~+1204m, 和寨沟由北向东南方向流经三、四盘区, 据调查, 和寨沟基本长年有水, 受季节影响, 雨季时水量较大, 旱季时则呈枯竭态势。自从三、四盘区开始采矿活动后, 地表先后出现多处沉陷裂缝, 随之和寨沟在与工作面相对应位置发生断流, 随着采区其它工作面向北部延伸, 断流位置不断向上游移动。

根据矿井开采水文地质条件及和寨沟水断流情况分析, 402工作面矿井突水模式为以下几点。

(1) 2煤开采顶板垮落, 采动冒裂带沟通J2z1含水层, 导致该含水层水直接涌入矿井。

(2) 采矿引起地表沉降, 上部整体移动带发育至地表, 在沉陷盆地边缘形成地裂缝, 导致和寨沟水沿地裂缝渗入地下, 补给J2z1含水层, 成为该含水层的补给水源, 并直接造成和寨沟水断流。

(3) J2z2隔水层缺失区, 第四系地层与J2z1含水层直接接触, 上部第四系及新第三系松散层潜水直接补给J2z1含水层, 随J2z1含水层水涌入矿井。

(4) 在J2z2隔水层缺失区, 受古地形、古气候和风化作用的影响, J2z1含水层裂隙发育, 富水性较其它地段强, 402工作面的突水点就位于为J2z2隔水层的集中缺失区。

发生突水后突水量较大。

(5) 在J2z1含水层水、地表和寨沟水及第四、第三系松散层潜水中, J2z1含水层水是402工作面顶板突水的主要水源, 同时J2z1含水层是地表和寨沟水及第四、第三系松散层潜水的主要通道。

(6) 当工作面采空区、J2z2隔水层缺失区及地表和寨沟水河流区在投影水平面上重叠时, 工作面顶板突水量大, 在地表沉降裂隙发育地段可使地表河流流量减少。

3 治理工程总体方案

根据402工作面突水模式及三盘区矿井充水条件, 本设计的总体方案和思路为:

(1) 通过资料分析及野外调查、踏勘, 确定402工作面突水点、J2z2隔水层缺失区及和寨沟水流经区平面投影重叠处的位置。

(2) 对投影重叠区及J2z1砂岩含水层富水异常区、径流带实施注浆改造工程, 减小J2z1含水层的过水断面, 减少J2z1含水层水、和寨沟水及第四、第三系松散层潜水对矿井的涌水。

(3) 对和寨沟水实施明渠铺底工程, 修筑水渠使和寨沟水顺渠而下, 不再渗入地下涌入矿井采空区。

3.1 治理工程

402工作面的突水水源为J2z1含水层水、地表和寨沟水及第四、第三系松散层潜水, 其中J2z1含水层水是最主要的充水水源, 地表和寨沟水断流对当地农业生产和地表生态的影响较大, 但水量有限, 故治理工程将重点围绕J2z1含水层展开。

3.2 J2z1含水层改造工程

3.2.1 钻探工程

本工程注浆孔设计为单排, 孔间距约为20m, 钻孔沿沟谷道路布置, 共25个孔, 其中机动注浆孔5个, 注浆孔20个。

本工程的机动孔用于吃浆量过大地段增加注浆工程量或检查工程效果不理想时进行补充注浆。

3.2.2 注浆工程

(1) 注浆方式。

本工程的注浆方式为跳孔注浆、分段下行式注浆法, 孔口封闭静压注浆。

(2) 注浆材料。

(1) 水泥采用PO32.5普通硅酸盐水泥, 其质量应符合国家GB175-92标准。

(2) 造浆用水水质满足国家混凝土拌合用水质量标准, 其SO42-含量应<1%, PH应>4。

(3) 注浆中若吃浆大采用水泥~粘土浆液、水泥~粉煤灰浆液或C-S浆液 (水泥-水玻璃双液浆) 。

(4) 注浆中采用C-S浆 (水泥-水玻璃双液浆) 时, 水玻璃模数宜为2.4~3.0, 浓度宜为30~45波美度。在施工现场进行浆液配比试验, 确定不同配比的每方浆液中各种材料的掺入量及其浆液比重、凝胶时间 (初、终凝时间) 等性能指标。

(5) 搅拌系统应采用两次搅拌, 一次搅拌的浆液经筛网过滤后, 方可放入二次搅拌池。注浆期间, 二次搅拌机应保持持续运转, 保证浆液均匀、不沉淀。其工艺流程如图1所示。

(6) 注浆泵、输浆管路应保证浆液流动畅通, 并能承受1.5倍的最大灌浆压力。

(7) 注浆泵和注浆孔口处均安设压力表。使用压力宜在压力表最大标值的1/4~3/4之间。压力表经常进行检定, 采用带有隔浆装置的抗震压力表。

(8) 配备孔口封闭器或专用高压灌浆塞混合器。在混合器的水泥与水玻璃入口处安设逆止阀, 防止孔内浆液回流或拆卸管路时喷浆伤人。

(3) 注浆结束标准。

注浆压力的大小直接影响到浆液的扩散距离与有效的充填范围。为使浆液有适当的扩散范围, 根据402工作面附近J2z1含水层的水文地质条件和以往注浆经验, 要求孔口注浆压力Pm为2.0 Mpa, 即当孔口压力Pm为2.0 Mpa时, 可认为该受注层段注浆已达到压力结束标准。

3.3 和寨沟明渠工程

为了防止和寨沟水下渗涌入进行采空区, 对和寨沟水实施明渠铺底工程。在以后的开采过程中若再次出现河流漏水现象可及时发现并采取补救措施。

(1) 明渠断面。

根据地区水文、气象资料, 和寨沟雨季时的最大流量可达100m3/h, 考虑到洪水影响, 明渠设计过水能力不小于300m3/h。

设计明渠断面为U形 (见附图) , 其上部为矩形, 下部为半圆形, 明渠过水能力为336m3/h~978m3/h, 满足300m3/h的过水能力。

(2) 明渠要求采用C20混混凝土现浇施工。

(4) 混凝土配筋为Φ6mm钢筋, 水渠纵向布置3根, 横向每0.5m布置1根, 均匀布置, 钢筋交叉处用匝丝或电焊连接;混凝土现浇过程中将钢筋置于混凝土中部, 以保证保护层厚度。

(5) 混凝土在现浇过程中必须拌和均匀, 振捣密实, 避免跑模, 拆模后不允许出现空洞及蜂窝麻面, 严禁渠底渠帮出现漏水现象。

(6) 明渠每6米留伸缩缝1道, 宽度2cm, 用沥青浇缝防渗。

(7) 明渠砌制之前先人工开挖沟槽, 沟槽宽度大于60cm, 高度大于50cm, 砌渠之前要夯实渠底渠帮。

4 结语

该治理工程自实施后, 和寨沟断流消失, 矿井涌水量已大大降低, 由此表明, 该工程采取J2z1含水层注浆改造及和寨沟明渠工程的措施来减少矿井涌水量切实有效, 速度快, 治理效果好, 不失为一种较好的治理方法。

摘要：黄陵一号煤矿于2001年正式投产, 主采2号煤层。本文通过对一号煤矿的三、四盘区水文地质条件的分析, 论述了矿井突水的诱发原因和岩层水治理改造方案, 并对治理效果进行了简要评价, 为矿井开采防治水害提供了参考资料和决策依据。

关键词：岩层水,突水机理,注浆改造

参考文献

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