丰城矿区上二叠统长兴灰岩岩溶发育规律与顶水开采实践

丰城矿区上二叠统长兴灰岩岩溶发育规律与顶水开采实践

丰城矿区含煤层为上叠统龙潭煤系。龙潭煤系中含有上、下两个煤组,即上部的C煤组和下部的B煤组。C煤组上覆厚达80～200m的长兴灰岩,长兴灰岩不仅厚度大、岩溶发育、含水丰富,补给水源充足,且距上煤组的间距仅为几米,达不到上煤组中C23主采煤层开采所需的防水煤柱要求。由于丰城矿区2.2亿多吨的保有地质储量中,上煤组占有0.7亿t之多。为此,我局从1969年开始建设开采浅部上煤组的云庄试验井,先后进行了疏干开采、顶水冒落条带开采的试验;1985年又建成条带开采中深部上煤组的尚庄三井。虽然这两对开采上煤组的矿井,都因断层导致突水和水量超过矿井排水能力而先后被关,但在国内巨厚岩溶水体下首次采取部分开采的技术途径,以减小采动对覆岩破坏的影响,取得了顶水开采的经验和适合这类水体下条带开采的采出率,并为本局长兴灰岩地面建筑物下开采提供了参考。1长兴石灰岩岩石的发育特性与扰动的导水性1.1长6岩石区岩溶分布长兴灰岩在井田内分布广,其岩性为厚层状结晶灰岩,钻孔揭露的平均厚度为204m。勘探中揭露灰岩钻孔21个,其中漏水钻孔14个,见溶洞钻孔7个。溶洞高度一般为0.5～0.7m,最大的达9.7m,岩溶发育标高一般在0～-80m之间,最低标高为-220m。云庄矿在建井过程中通过物探、钻探和巷探等对长兴灰岩岩溶发育规律与赋水性有了进一步的认识:以-110m水平大巷为准,将井田分东、西两部,以-40m标高为分界线,分浅部和深部。其岩溶发育规律是东部、浅部岩溶发育,溶洞规模大,西部、深部岩溶发育较弱,溶洞规模小。此外,断层带及其附近岩溶较发育。西部岩溶发育标高为+29.15～-87.55m,个别可深达-220.1m。溶洞大都集中在长兴灰岩中上部,距C23煤层为29.67～119.46m。洞高一般在0.3～2m之间,最高达20.01m。长兴灰岩由于厚度大、岩溶发育,含水丰富,构成矿井直接充水水源。1.2巷道围岩高度分布丰城矿区长兴灰岩中的断层一般都是导水断层。云庄矿-60m水平总回风巷施工中就是因为遇断层造成突水淹井。突水时,该巷已掘进338m,其中205m位于长兴灰岩内。总回风巷与C23煤层距离约25m,巷内大都干燥无水,只有局部地段潮湿滴水,其涌水量约2m3/h。在272m处遇F46断层后进入煤层底板掘进,在20°上山到-45m标高处又遇一小断层,见C23煤层。见煤时无突水预兆,隔1d后小断层滴水,后因放炮煤层垮落2m高,2m长,此时小断层由滴水变成股流,发生突水(见图1),瞬时突水量为19482m3/h。突水85min淹没巷道27600m3。同时地面出现塌陷坑21处。2上煤组开采试验及地质条件2.1西第一井:第1井丰城矿区长兴灰岩岩溶水体下开采上煤组矿井为云庄矿和尚庄三矿。云庄矿作为全面开发河西煤田上煤组的第1对试验井,设计年产量15万t。该矿斜井开拓,3个井筒均沿煤层底板掘进。第1水平运输大巷设在-110m标高,开采上煤组的浅部煤层。尚庄三矿1985年建成投产,尚庄三矿的第1水平大巷设在-350m标高,开采上煤组中深部的煤层。2.2油松河丰城矿区中点断裂带的厚度两矿均开采上煤组中的C23煤层。C23煤层与长兴灰岩之间为细砂岩、粉砂岩、粘土岩,为相对隔水层。C23煤层有关参数和隔水层的厚度见表1。从表1中看到,云庄矿C23煤层的平均厚度为1.80m,煤层至长兴灰岩底板之间的相对隔水层平均厚度为6.0m,而尚庄三矿C23煤层厚度为0.92m,煤层至长兴灰岩底板之间的相对隔水层平均厚度为9.0m。由于丰城矿区位于萍乐凹陷带,受丰城河西弧炭口山背斜的影响,两井田的断裂构造发育,均有较大的断层数条。以云庄井田为例,在2.4km2的井田内就分布8条正断层。3长兴石灰岩下采砂和勘探3.1长壁采煤试验方案的确定由于云庄矿和尚庄三矿C23煤层与上覆长兴灰岩之间相对防水层厚度均低于水体下顶水全采对防水煤柱的要求,因此确定了在云庄矿对长兴灰岩岩溶水体疏干后长壁采煤的试验方案。3.1.1工作面高度、距离疏干试采区的回风巷标高为-60m,运输巷为-110m标高;试采工作面为北翼采区的两个长壁工作面,即101和102面(图2),两面走向长均为400m,倾斜长均为150m。工作面回采标高为-65～-85m,采深105～125m。试采工作面内岩溶发育标高在±0和-50m有2个集中通道。长兴灰岩底板距C23煤层的距离平均6.0m,而最低岩溶距C23煤层距离一般为50m左右,但试采区边缘地带达不到50m,如东北角为24.74m,西北角为32.83m。C23煤层开采高度为2.2m,煤层倾角8～10°。3.1.2地面施水管井施工为了对长兴灰岩水进行疏干,施工放水孔15个。并在其中的放2,放4,放9,放10,放7等5个钻孔进行了放水,放7和放10放水效果较好。排水系统设在-110m运输大巷,中央水仓容积为3000m3,设计排水能力1000m3/h,实际排水能力为1152m3/h。为防止突水溃砂淹井,大巷中部设有防水闸门。从地面施工直通式钻孔穿入井下放水,孔底装有调节阀门,控制放入矿坑水量,以达到减少矿井涌水量逐渐疏干顶板岩溶水的目的。放水试验到109d时,因地表出现了181处塌陷,特别因云庄村内发生塌陷,被迫停止放水。109d的放水,共排出水量160.6万m3,平均每小时为616m3。2个主要放水孔:放10和放7水位分别降至-5.72m和-27.5m,降深分别为33.34m和57.73m。因试采上限为-65m,放水后的残余水头仍有40～60m,故疏干试采方案未能实现。3.2长兴石灰岩下采砂带上煤组3.2.1工作面采出率:10.在疏干长兴灰岩岩溶水全采上煤组的试验未能实现的情况下,确定了首先在云庄矿用条带开采上煤组的试采方案。为图2所示,顶水条带试采工作面布置在原来准备疏干全采的101和102两个长壁工作面内。将这两个长壁工作面改造成9个仰上条带工作面,其编号为01,02,03,04,05,06,07,09,10。条带工作面的设计采宽为18m,留宽为13m,采出率为58%。由于试采工作面内的断层留设20m的断层煤柱(两边各留10m)。试采区的实际采出率在50%以下。第1阶段,定采留比条带开采。01,02,03,04,10等5个条带工作面严格按照采18m,留13m,采出率为58%的设计采、留比进行了开采,05,06,07等3个条带工作面的采宽增为20m,留宽仍为13m,采出率为60%进行开采。这8个条带工作面共采出煤炭8万t,开采面积1.8万m2,采区实际采出率为40.6%。开采后,矿水涌水量由采前的23m3/h增加为71m3/h。实现了安全开采。第2阶段,扩大采留比条带开采。在试采区最后1个条采工作面,即09条带工作面的采宽由18m扩大到36m,留宽由13m扩大到17m,工作面采出率为68%。当工作面由切眼推进45m,开采面积达1303m2时,距工作面后方15m处的1105巷和09条带回风巷交叉处因小断层连通顶板长兴灰岩岩溶集中通道而突水。矿井涌水量由突水时的829m3/h,剧增为1577m3/h,超过实际排水能力,在提前关闭防水闸门后,因防水闸门泄水道盖板失灵无法关严,造成全井淹没。突水后,地面出现岩溶塌陷数个。3.2.2条带法开采的确定尚庄三矿是在云庄矿顶水条带开采初见成效,且条带采宽已在逐步加宽,正在酝酿南一采区短壁开采的情况下恢复建设的。1985年矿井建成后确定了开采中深部长兴灰岩岩溶水体下上煤组。尚庄三矿在建井期间,对开采范围内的长兴灰岩岩溶发育情况又进行了探测,证实长兴灰岩的中、深部岩溶率虽然比浅部减少,但岩溶裂隙比较发育,为此确定了按50%的回采率采用条带法进行开采,具体为采宽6m,留宽6m。条带开采后,井下涌水量比较正常,后来,由于采出率人为不断增大和8年时间的开采,矿井累计涌水量的自然增长,以及断层的突然涌水,使矿井的排水能力达不到矿井实际涌水量的要求,而将矿井关闭。4富水岩溶地下水开采区开采通过云庄矿、尚庄三矿在长兴灰岩岩溶水体下上煤组的开采试验,得到如下几点认识:(1)长兴灰岩岩溶由于有浅部强、深部弱的发育规律,因此,长兴灰岩岩溶水体下上煤组的开采顺序,应先采中深部,再采深部,最后采浅部。这样,不仅可以避开首采面就面临强含水带水患的威胁,而且又可以利用中深部以下的采空区当作浅部开采时的“水仓”,在突水瞬时增大时,可以起到缓冲作用,避免淹井。(2)长兴灰岩由于厚度大,岩溶发育,富水性强,溶洞之间连通性好,且与第三系砾岩裂隙水又有密切的水力联系,所以,长兴灰岩岩溶水是个疏而不干的水体。对于下部煤层如采取提前疏干的方法进行开采,无论采取何种疏干方式,都难于