矿井主要水害防治技术

2022-09-12

1 矿区基本情况

显德汪矿隶属于河北金牛能源股份有限公司,属省级地方煤矿。矿井始建于1976年,1982年投产,目前年生产能力150万吨/年。主采山西组1#、2#及太原组9#煤。矿井水文地质条件中等,矿井水害主要为井田内无证小煤矿滥采滥挖所形成的采空区积水、井田边界附近有证小煤矿越层越界开采所形成的采空区水及深部奥灰岩溶承压水。

2 矿井防治水

根据“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则,防治水工作必须制定出严密的“防、堵、疏、排、截”措施。而要使防治水工作作到有的放矢,就必须查明水源及水害范围,即查明水源和通道,查明水源的水位、水压、水量等。

2.1 老空水的探测

显德汪矿井田内外历史上共存在109个小煤矿,经过1997年小煤矿整顿后,井田内无证小煤矿均已关闭,目前井田周边仍存在有证小煤矿15个。这些小煤矿分布于井田浅部,曾发生多次突水事故,其采空区、巷道积水范围尚不甚清楚,给显德汪矿防治水工作带来很多困难。巷道掘进期间,一旦揭露上述小煤矿采空积水区和积水巷道,势必发生突水事故。小煤窑采空区积水是显德汪矿安全生产的重要隐患之一。如2005年10月27日1191探巷发生小煤矿老空水突出,瞬时突水量达1000m3/h。因此,在小煤矿非法开采区域,所有开掘巷道掘进时必须加强对小煤矿老空水的超前探查与防治。根据现有探测技术及手段,探查方法可采用地面三维地震综合勘探、高密度直流电法、瞬变电磁勘探等物探方法提前查明小窑积水范围,再通过采取合理可控疏放或隔离措施预防小煤窑老空积水突出。

(1)地面三维地震综合勘探。

三维地震勘探技术是目前查明地质构造、采空区最经济、准确率最高的勘探手段,在条件允许的情况下,能准确测出勘探区内的地层褶曲、断层、陷落柱、采空区范围、火成岩侵入范围。配合地面直流电法勘探,能准确的查明地质构造、采空区的导含水情况。如:显德汪矿于2003年11月至2004年6月对四六采区进行了地面综合三维地震勘探,查出四六采区9#煤-50以浅区域大部分已被周边小煤矿破坏。2006年1月四采九煤轨道石门掘进时,在距勘探出的小煤矿开采边界100米处施工小煤矿采空区超前探查孔,探查孔孔深90m时揭露采空区,区内存在大量老空水。这说明地面三维地震综合勘探结果准确。

(2)地面“TEM法(瞬变电磁)”、直流电法探测小煤矿采空区范围。

在地面三维地震综合勘探条件不允许的情况下,可采用TEM法(瞬变电磁)结合直流电法对采空区范围及采空区的富水情况进行勘查。

在煤系地层中,不同岩性的地层存在明显不同的电性差异,在原生地层状态下,导电性特征在纵向上有其固定的变化规律,而在横向上相对比较均一。当煤层中存在采空区时,如果采空区内不含水,则其导电性较差,使局部电阻率值增高;如果采空区内积水,由于含水体具有良好导电性,它与围岩产生明显的电性差异。因此,只要煤层被采动破坏,无论其含水与否,都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律。这种变化特征的存在,为以导电性差异为应用基础的电法探测技术提供了前提。

TEM法(瞬变电磁)物探技术,该技术对地下水体反映敏感,地形影响较小,效果好。

显德汪矿为查明1191、1192、1720、1911工作面附近小煤矿采空区范围,分别在地面进行了瞬变电磁和直流电法的综合勘探,查明了小煤矿采空区范围。经掘进及钻探验证,探测位置与实际相差15~20米,上述物探工作为工作面布置及防治水设计提供了技术依据。减少了巷道无效进尺,使上述工作面的防治水工作能作到有的放矢。减少了巷道掘进中的物探、超前钻探工作量。

(3)井下巷道掘进过程中的超前探测。

对于地面物探查明的小煤矿采空区,要根据“矿井水文地质规程、矿井防治水条例”等有关规定,在地面探测确定范围外推一定距离确定探水警戒线、探水线。进入探水线后,先采用“直流电法”进行超前探测,探测距离60米~80米。在直流电法超前探测中发现低阴异常区后进行钻探验证。以保证巷道掘进安全。

(4)井下巷道侧向探测。

井下巷道瞬变电磁侧向探测也是探查小煤矿采空区不可或缺的探测技术,利用瞬变电磁侧向探测技术对事先初步圈定的积水范围进行不断的修正,以期获得准确可靠的积水线。

2.2 深部奥灰岩溶承压水的探测:

显德汪矿奥灰水位目前+35米左右,9#煤开采水平+20~-200米,受深部奥灰岩溶承压水威胁,开采9#煤时必须对奥灰承压水进行综合探测和治理。探测方法有直流电法超前、高分辨底板电测深法、音频电透视、瞬变电磁勘探。根据有关防治水规程及防治水条例规定,凡遇到下列情况时都必须探查断层、裂隙、岩溶陷落柱的含(导)水性,以保证矿井采掘工程安全。

(1)采掘工作面前方或附近有含(导)水断层、裂隙、岩溶陷落柱存在,但具体位置不清或控制不够严密时。

(2)采掘工作面前方或附近预测有断层、裂隙、岩溶陷落柱存在,但其位置和含(导)水性不清,有可能突水时。

(3)采掘工作面底板隔水层厚度与实际承受的水压力都处于临界状态(即等于安全隔水层厚度和安全水压的临界值),在掘进工作面前方和采面影响范围之内是否存在断层、裂隙情况不清,一旦遭遇很可能发生突水时。

(4)断层已经被巷道揭露或穿过,暂时没有出水象征,但由于隔水层厚度和实际水压力已经接近临界状态,在采动影响下,有可能引起突水,需要探明其深部是否已经和强含水层导通,或有底板导升高度时。

(5)采掘工作面距离已知断层、裂隙、岩溶陷落柱60m时。

(6)采掘工作面接近推断含水断层、裂隙、岩溶陷落柱100m时。

(7)采掘工作面附近构造不明,含水层水压又大于2MPa时。

根据上述要求,显德汪矿先后在九煤一采轨道上山、九煤一采运输上山、九煤集中运输上山利用“高分辨底板电测深法”对巷道底板断层深部导含水性进行了探查,查明了断层在深部的导含水性;2006年3月利用瞬变电磁侧向勘探技术对1193运巷外侧F36断层的导含水性进行了探查,为1195工作面布置及安全掘进提供了技术依据;2006年6月、2008年4月利用直流电法超前、高分辨底板电测深法、音频电透视、瞬变电磁综合勘探技术分别对1193、1195工作面底板水文地质条件进行了综合评价,为1193、1195工作面奥灰水害防治提供了技术依据。上述地区九煤一采轨道上山、九煤一采运输上断层经3年的水文观察,未发现断层附近巷底有涌水现象,说明探测结果准确。