王国林
(神华宁夏煤业集团枣泉煤矿,宁夏 银川 751400)
摘要: 宁夏回族自治区宁东矿区是我国建设的13个亿吨煤炭基地之一,该区域煤层浅部局部存在火烧区,火烧区普遍存在积水现象。枣泉煤矿120104工作面、120206工作面均受Ⅱ号死火烧区积水的威胁,根据相关物探资料,Ⅱ号火区含水体储量为1.5万m3,以烧变岩裂隙、孔隙层间承压水体。预防工作面回采后覆岩垮落与Ⅱ火烧区积水导通灌入回采工作面,须在120104和120206工作面分别提前对Ⅱ号火烧区进行探放水。
关键词:火烧区 积水 覆岩垮落 探放水
1 井田地质、水文地质
神华宁夏煤业集团枣泉井田位于鄂尔多斯盆地西缘,宁夏灵武市城东南62km的毛乌素沙漠边缘,地层区划属华北地层区、陕甘宁盆缘地层分区、马家滩地层小区,主要为下奥陶统至第四系的沉积。钻孔揭露的地层为第四系、中朱罗统安定组、直罗组和延安组,下朱罗统富县组及上三叠统延长群。含煤地层为中侏罗延安组,共有可采煤层9层,煤类单一,煤质变化小,主要是特低灰、特低硫、特低磷、中高发热量的不粘煤。
枣泉井田区域水文地质区划是属于陶(乐)灵(武)盐(池)台地水文地质区中的西部低丘台地裂隙孔隙水亚区。本区地下水的形成与分布受自然地理与地质条件所控制,呈现出西北地区特有的干旱、半干旱区的水文地质特征。区域年降水量200mm左右,除部分蒸发外,其余均被地表广泛分布的风积沙吸收。
2 Ⅱ号火区简介
Ⅱ号火区位于枣泉井田东井北翼南部,一煤、二煤露头区域至碎石井沟结束。Ⅱ号火区为一、二煤层浅部烧变区,烧变面积约0.405 km2, 火区西部为煤层露头,二煤层烧变深度为16-50m。Ⅱ号火区向北延展1220m,相隔350m后为Ⅱ号北部火区②。Ⅱ号火区两处富水区相连,火区烧变岩含水体,位于井田东翼,26线至29I线,长1605m,东西宽为0.21km,向东沿地层倾向逐渐加深。烧变岩体走向近南北向,倾向东。烧变最深为1305m水平。水位高程为1334.66m,埋深29m,体积储量为1.49万m3。含水体以烧变空隙、间隙间含水,具体形态尚需实际揭露查明①。
3 工程概况
枣泉煤矿120104和120206工作面分别位于一、二层煤中,两个工作面均采用倾斜长壁综采机械化采煤法一次采全高,120206工作面采用放顶煤开采,采高3m,放顶煤5m。120104风巷和120206风巷距火烧区最近距离分别为78.5m和50.5m。120206工作面西侧局部处于Ⅱ号火烧区一煤层烧变区域下部。
由于120104工作面风巷没有突破50m防水煤柱线,因此,回采受到Ⅱ号火区烧变岩含水体影响较小。但其下部采用综采放顶煤工艺回采的二煤120206工作面,其风巷布置在平面投影上比120104风巷向火区方向偏移70~100m(切眼处为70m)。120206工作面回采后,老顶垮落会与上部的一煤火区导通,Ⅱ号火烧区积水将会对120206工作面构成安全隐患。如果为避开Ⅱ号火区含水体,不进行探放水工作,工作面需要向东平移117m布置,则2煤层损失煤量约291.3万吨(工作面切眼长度240m,煤层平均厚7.8m),且车场还需重新布置巷道。
考虑到Ⅱ号火区为积水量较小,采用探放水手段可以排除Ⅱ号火区含水危胁。
图1 枣泉井田一、二层煤层位关系图
3 运用防治水技术
Ⅱ号火区上部一煤烧变区域向东逐渐接近地表,向西与二煤浅部烧变区域相连,形成烧变富水区域,形同一锅底状整体。回采120104工作面不会对Ⅱ号火区产生裂隙连通,但回采下部的120206二煤工作面,由于工作面布置平面上达到一煤烧变边界,由于塌陷裂隙影响,导水裂隙势必会连通烧变区锅底上部富水区域。
为避免物探资料对Ⅱ火区边界控制的不准确,保证120104、120206回风巷掘进及12206二煤工作面回采的安全,提前探明Ⅱ号火区含水性,在两个工作面回风顺槽巷道掘进期间施工超前探水钻孔,从而保证巷道掘进安全。对Ⅱ号火区含水情况,采用钻探的方式对Ⅱ号火区进行探放水。为预防钻孔出水水量较大、水压过高并可以有计划的控制放水,在穿越火区烧变岩含水体积水线的超前钻孔及探放水钻孔孔口安装止水套管。
孔口止水套管安装技术要求如下:
钻孔开口直径113 mm; 开口深度5.0m;套管长度5.0m;
套管固定方式:水泥砂浆封孔固定,砂灰比3:1;
铁卡两端需用锚杆锚固;
孔口套管阀门:10~15cm水阀门;
孔口套管需安装流量计、水压表;
图2 超前钻孔、钻孔孔口装置示意图
3.1超前探水
在120104与120206工作面回风顺槽巷道掘进过程中,采用MAZ-200钻机在巷道迎头,靠近火烧区一侧施工钻孔进行超前钻孔探水。
图3 工作面回风顺槽超前探水钻孔平面图
3.1.1钻孔超前距及止水套管
根据探放老空水的超前距,根据水压、煤(岩)层厚度和强度及安全措施情况确定,但最小水平钻距不小于30m,止水套管不小于10m③。
3.1.2防水煤柱
由于含水体主要为孔隙、裂隙含水体,可根据含水或含水断层防隔水煤(岩)柱的留设经验公式计算:
L=0.5·K·M·≥20③
式中:L - 煤柱留设宽度,m; K - 安全系数,一般为2-5,取3.5;
M - 煤层厚度,m; P - 水头压力,MPa;
Kp -煤的抗张强度,MPa。
枣泉煤矿一、二层煤对Ⅱ号火区烧变岩含水体防水煤柱统计表 表1
|
K |
M(m) |
P(MPa) |
Kp(MPa) |
L(m) |
一煤 |
3.5 |
3.5 |
0.15 |
1.21 |
4.0 |
二煤 |
3.5 |
7.8 |
0.35 |
1.21 |
12.8 |
Ⅱ号火区位于120104、120206工作面西部,在两个工作面回风巷迎头西侧施工超前钻孔,然后进行掘进施工,在掘进过程中保证120104、120206回风巷西部始终有20米的安全距离;同时,保证120206风巷迎头始终留有15m的防水煤柱(二煤计算防水煤柱为12.8m);120104风巷迎头留有9.5m的防水煤柱(一煤计算防水煤柱为4.0m)。如图4、图5。
图4 120104回风巷迎头超前探水钻孔平面图 图5 120206回风巷迎头超前探水钻孔平面图
3.2对火烧区探放水
在120206工作面回采前期,在其回风巷525m、844m、1000m、1180m、1704m处,分别施工长4.0m,宽3.0m,高3.2m的探水硐室。在探水硐室采用CLJ-350型坑道钻机施工探水钻孔,以便查明Ⅱ号火区是否为岩石烧变后产生的孔隙、裂隙含水;如果通过探放水钻孔查明Ⅱ号火区没有资料中所提供的烧变孔隙、裂隙含水,而是以大面积含水体赋存,则可以提前进行疏排,为120206工作面回采解除突水危胁;如果Ⅱ号火区含水为孔隙裂隙含水,则预计疏排水效果不会很彻底,但可以对120206工作面回采时不受突水危胁予以肯定。
4 结论
枣泉煤矿选用了最简单的设备和方法对井田内Ⅱ号火区进行了探放水工程,提高了工程进度、减少了劳动强度、降低了探放水工程成本,共疏放出火烧区积水 1.5万m³,解放出采区291.3万吨煤炭资源。
参考文献
[1] 王定国,黄敏杰,曹从军,等.宁夏回族自治区灵武矿区枣泉井田勘探(精查)地质报告[R]. 甘肃省煤田地质勘探公司133队,1989.11:130-131.
[2] 靳聚盛,杨剑,刘克军,等.宁夏煤业集团枣泉煤矿首采区三维地震、电法、磁法勘探报告[R].甘肃省煤田地质局综合普查大队,2004.06:89-95.
[3] 煤矿防治水规定[Z].煤炭工业出版社,2009.09.
[4] 杨孟达,等.煤矿地质学[M].煤炭工业出版社,2000.08.