豐城礦區(qū)上二疊統(tǒng)長興灰?guī)r巖溶發(fā)育規(guī)律與頂水開采實(shí)踐

豐城礦區(qū)上二疊統(tǒng)長興灰?guī)r巖溶發(fā)育規(guī)律與頂水開采實(shí)踐

豐城礦區(qū)含煤層為上疊統(tǒng)龍?zhí)睹合?。龍?zhí)睹合抵泻猩稀⑾聝蓚€(gè)煤組,即上部的C煤組和下部的B煤組。C煤組上覆厚達(dá)80～200m的長興灰?guī)r,長興灰?guī)r不僅厚度大、巖溶發(fā)育、含水豐富,補(bǔ)給水源充足,且距上煤組的間距僅為幾米,達(dá)不到上煤組中C23主采煤層開采所需的防水煤柱要求。由于豐城礦區(qū)2.2億多噸的保有地質(zhì)儲(chǔ)量中,上煤組占有0.7億t之多。為此,我局從1969年開始建設(shè)開采淺部上煤組的云莊試驗(yàn)井,先后進(jìn)行了疏干開采、頂水冒落條帶開采的試驗(yàn);1985年又建成條帶開采中深部上煤組的尚莊三井。雖然這兩對開采上煤組的礦井,都因斷層導(dǎo)致突水和水量超過礦井排水能力而先后被關(guān),但在國內(nèi)巨厚巖溶水體下首次采取部分開采的技術(shù)途徑,以減小采動(dòng)對覆巖破壞的影響,取得了頂水開采的經(jīng)驗(yàn)和適合這類水體下條帶開采的采出率,并為本局長興灰?guī)r地面建筑物下開采提供了參考。1長興石灰?guī)r巖石的發(fā)育特性與擾動(dòng)的導(dǎo)水性1.1長6巖石區(qū)巖溶分布長興灰?guī)r在井田內(nèi)分布廣,其巖性為厚層狀結(jié)晶灰?guī)r,鉆孔揭露的平均厚度為204m。勘探中揭露灰?guī)r鉆孔21個(gè),其中漏水鉆孔14個(gè),見溶洞鉆孔7個(gè)。溶洞高度一般為0.5～0.7m,最大的達(dá)9.7m,巖溶發(fā)育標(biāo)高一般在0～-80m之間,最低標(biāo)高為-220m。云莊礦在建井過程中通過物探、鉆探和巷探等對長興灰?guī)r巖溶發(fā)育規(guī)律與賦水性有了進(jìn)一步的認(rèn)識:以-110m水平大巷為準(zhǔn),將井田分東、西兩部,以-40m標(biāo)高為分界線,分淺部和深部。其巖溶發(fā)育規(guī)律是東部、淺部巖溶發(fā)育,溶洞規(guī)模大,西部、深部巖溶發(fā)育較弱,溶洞規(guī)模小。此外,斷層帶及其附近巖溶較發(fā)育。西部巖溶發(fā)育標(biāo)高為+29.15～-87.55m,個(gè)別可深達(dá)-220.1m。溶洞大都集中在長興灰?guī)r中上部,距C23煤層為29.67～119.46m。洞高一般在0.3～2m之間,最高達(dá)20.01m。長興灰?guī)r由于厚度大、巖溶發(fā)育,含水豐富,構(gòu)成礦井直接充水水源。1.2巷道圍巖高度分布豐城礦區(qū)長興灰?guī)r中的斷層一般都是導(dǎo)水?dāng)鄬?。云莊礦-60m水平總回風(fēng)巷施工中就是因?yàn)橛鰯鄬釉斐赏凰途?。突水時(shí),該巷已掘進(jìn)338m,其中205m位于長興灰?guī)r內(nèi)。總回風(fēng)巷與C23煤層距離約25m,巷內(nèi)大都干燥無水,只有局部地段潮濕滴水,其涌水量約2m3/h。在272m處遇F46斷層后進(jìn)入煤層底板掘進(jìn),在20°上山到-45m標(biāo)高處又遇一小斷層,見C23煤層。見煤時(shí)無突水預(yù)兆,隔1d后小斷層滴水,后因放炮煤層垮落2m高,2m長,此時(shí)小斷層由滴水變成股流,發(fā)生突水(見圖1),瞬時(shí)突水量為19482m3/h。突水85min淹沒巷道27600m3。同時(shí)地面出現(xiàn)塌陷坑21處。2上煤組開采試驗(yàn)及地質(zhì)條件2.1西第一井:第1井豐城礦區(qū)長興灰?guī)r巖溶水體下開采上煤組礦井為云莊礦和尚莊三礦。云莊礦作為全面開發(fā)河西煤田上煤組的第1對試驗(yàn)井,設(shè)計(jì)年產(chǎn)量15萬t。該礦斜井開拓,3個(gè)井筒均沿煤層底板掘進(jìn)。第1水平運(yùn)輸大巷設(shè)在-110m標(biāo)高,開采上煤組的淺部煤層。尚莊三礦1985年建成投產(chǎn),尚莊三礦的第1水平大巷設(shè)在-350m標(biāo)高,開采上煤組中深部的煤層。2.2油松河豐城礦區(qū)中點(diǎn)斷裂帶的厚度兩礦均開采上煤組中的C23煤層。C23煤層與長興灰?guī)r之間為細(xì)砂巖、粉砂巖、粘土巖,為相對隔水層。C23煤層有關(guān)參數(shù)和隔水層的厚度見表1。從表1中看到,云莊礦C23煤層的平均厚度為1.80m,煤層至長興灰?guī)r底板之間的相對隔水層平均厚度為6.0m,而尚莊三礦C23煤層厚度為0.92m,煤層至長興灰?guī)r底板之間的相對隔水層平均厚度為9.0m。由于豐城礦區(qū)位于萍樂凹陷帶,受豐城河西弧炭口山背斜的影響,兩井田的斷裂構(gòu)造發(fā)育,均有較大的斷層數(shù)條。以云莊井田為例,在2.4km2的井田內(nèi)就分布8條正斷層。3長興石灰?guī)r下采砂和勘探3.1長壁采煤試驗(yàn)方案的確定由于云莊礦和尚莊三礦C23煤層與上覆長興灰?guī)r之間相對防水層厚度均低于水體下頂水全采對防水煤柱的要求,因此確定了在云莊礦對長興灰?guī)r巖溶水體疏干后長壁采煤的試驗(yàn)方案。3.1.1工作面高度、距離疏干試采區(qū)的回風(fēng)巷標(biāo)高為-60m,運(yùn)輸巷為-110m標(biāo)高;試采工作面為北翼采區(qū)的兩個(gè)長壁工作面,即101和102面(圖2),兩面走向長均為400m,傾斜長均為150m。工作面回采標(biāo)高為-65～-85m,采深105～125m。試采工作面內(nèi)巖溶發(fā)育標(biāo)高在±0和-50m有2個(gè)集中通道。長興灰?guī)r底板距C23煤層的距離平均6.0m,而最低巖溶距C23煤層距離一般為50m左右,但試采區(qū)邊緣地帶達(dá)不到50m,如東北角為24.74m,西北角為32.83m。C23煤層開采高度為2.2m,煤層傾角8～10°。3.1.2地面施水管井施工為了對長興灰?guī)r水進(jìn)行疏干,施工放水孔15個(gè)。并在其中的放2,放4,放9,放10,放7等5個(gè)鉆孔進(jìn)行了放水,放7和放10放水效果較好。排水系統(tǒng)設(shè)在-110m運(yùn)輸大巷,中央水倉容積為3000m3,設(shè)計(jì)排水能力1000m3/h,實(shí)際排水能力為1152m3/h。為防止突水潰砂淹井,大巷中部設(shè)有防水閘門。從地面施工直通式鉆孔穿入井下放水,孔底裝有調(diào)節(jié)閥門,控制放入礦坑水量,以達(dá)到減少礦井涌水量逐漸疏干頂板巖溶水的目的。放水試驗(yàn)到109d時(shí),因地表出現(xiàn)了181處塌陷,特別因云莊村內(nèi)發(fā)生塌陷,被迫停止放水。109d的放水,共排出水量160.6萬m3,平均每小時(shí)為616m3。2個(gè)主要放水孔:放10和放7水位分別降至-5.72m和-27.5m,降深分別為33.34m和57.73m。因試采上限為-65m,放水后的殘余水頭仍有40～60m,故疏干試采方案未能實(shí)現(xiàn)。3.2長興石灰?guī)r下采砂帶上煤組3.2.1工作面采出率:10.在疏干長興灰?guī)r巖溶水全采上煤組的試驗(yàn)未能實(shí)現(xiàn)的情況下,確定了首先在云莊礦用條帶開采上煤組的試采方案。為圖2所示,頂水條帶試采工作面布置在原來準(zhǔn)備疏干全采的101和102兩個(gè)長壁工作面內(nèi)。將這兩個(gè)長壁工作面改造成9個(gè)仰上條帶工作面,其編號為01,02,03,04,05,06,07,09,10。條帶工作面的設(shè)計(jì)采寬為18m,留寬為13m,采出率為58%。由于試采工作面內(nèi)的斷層留設(shè)20m的斷層煤柱(兩邊各留10m)。試采區(qū)的實(shí)際采出率在50%以下。第1階段,定采留比條帶開采。01,02,03,04,10等5個(gè)條帶工作面嚴(yán)格按照采18m,留13m,采出率為58%的設(shè)計(jì)采、留比進(jìn)行了開采,05,06,07等3個(gè)條帶工作面的采寬增為20m,留寬仍為13m,采出率為60%進(jìn)行開采。這8個(gè)條帶工作面共采出煤炭8萬t,開采面積1.8萬m2,采區(qū)實(shí)際采出率為40.6%。開采后,礦水涌水量由采前的23m3/h增加為71m3/h。實(shí)現(xiàn)了安全開采。第2階段,擴(kuò)大采留比條帶開采。在試采區(qū)最后1個(gè)條采工作面,即09條帶工作面的采寬由18m擴(kuò)大到36m,留寬由13m擴(kuò)大到17m,工作面采出率為68%。當(dāng)工作面由切眼推進(jìn)45m,開采面積達(dá)1303m2時(shí),距工作面后方15m處的1105巷和09條帶回風(fēng)巷交叉處因小斷層連通頂板長興灰?guī)r巖溶集中通道而突水。礦井涌水量由突水時(shí)的829m3/h,劇增為1577m3/h,超過實(shí)際排水能力,在提前關(guān)閉防水閘門后,因防水閘門泄水道蓋板失靈無法關(guān)嚴(yán),造成全井淹沒。突水后,地面出現(xiàn)巖溶塌陷數(shù)個(gè)。3.2.2條帶法開采的確定尚莊三礦是在云莊礦頂水條帶開采初見成效,且條帶采寬已在逐步加寬,正在醞釀南一采區(qū)短壁開采的情況下恢復(fù)建設(shè)的。1985年礦井建成后確定了開采中深部長興灰?guī)r巖溶水體下上煤組。尚莊三礦在建井期間,對開采范圍內(nèi)的長興灰?guī)r巖溶發(fā)育情況又進(jìn)行了探測,證實(shí)長興灰?guī)r的中、深部巖溶率雖然比淺部減少,但巖溶裂隙比較發(fā)育,為此確定了按50%的回采率采用條帶法進(jìn)行開采,具體為采寬6m,留寬6m。條帶開采后,井下涌水量比較正常,后來,由于采出率人為不斷增大和8年時(shí)間的開采,礦井累計(jì)涌水量的自然增長,以及斷層的突然涌水,使礦井的排水能力達(dá)不到礦井實(shí)際涌水量的要求,而將礦井關(guān)閉。4富水巖溶地下水開采區(qū)開采通過云莊礦、尚莊三礦在長興灰?guī)r巖溶水體下上煤組的開采試驗(yàn),得到如下幾點(diǎn)認(rèn)識:(1)長興灰?guī)r巖溶由于有淺部強(qiáng)、深部弱的發(fā)育規(guī)律,因此,長興灰?guī)r巖溶水體下上煤組的開采順序,應(yīng)先采中深部,再采深部,最后采淺部。這樣,不僅可以避開首采面就面臨強(qiáng)含水帶水患的威脅,而且又可以利用中深部以下的采空區(qū)當(dāng)作淺部開采時(shí)的“水倉”,在突水瞬時(shí)增大時(shí),可以起到緩沖作用,避免淹井。(2)長興灰?guī)r由于厚度大,巖溶發(fā)育,富水性強(qiáng),溶洞之間連通性好,且與第三系礫巖裂隙水又有密切的水力聯(lián)系,所以,長興灰?guī)r巖溶水是個(gè)疏而不干的水體。對于下部煤層如采取提前疏干的方法進(jìn)行開采,無論采取何種疏干方式,都難于