南屯煤矿下组煤水文地质分析与突水危险评价.pdf

2 0 0 7 年 第3 期 童堪晨 舛l故 5 9 南屯煤矿 下组 煤水文地质分 析与突水 危险评价 徐建国， 朱振雷， 侯艳萍 充矿集团南屯煤矿， 山东 济宁2 7 2 1 0 0 关键词 下组煤 阻水能力 突水系数法 突水危险性 南电煤矿 目前已转入配采 1 6 、 1 7煤阶段， 为了了解 1 6 、 1 7 煤底板的水文地质条件， 在 2 O 0 4～2 0 0 5年， 进行了 一4 3 2 水平的水文地质补充勘探和井下放水试验。 1 1 6 、 1 7 煤主要充水含水层及其对下组煤开采的影响 1 ． 1 主要充水含水层 1 第十下 层灰岩。厚 3 ． 3 1 ～9 ． 0 3 m， 平均 5 ． 2 1 m， 灰至深 灰色， 单位涌水量为 0 ． 0 0 4 7 3～O 0 2 6 9 Us m， 浅部为洞穴水， 深部为裂隙水， 井田西部富水性较好， 一 I- 7 灰是 l 6 煤开采 的直接充水含水层 ， 一2 9 0 m水平以上已基本被疏干。 2 第 十三层灰岩。厚度 0 ． 5 ～1 } ． 4 7 m， 平均厚度为 4 ． 8 2 m。 3 第 十四层灰岩。厚 0 ． 3 0～1 4 ． 7 9 m， 平均 9 。 2 9 m， 富水性差， 单位 涌水量为 O ． 0 0 0 0 8 3 0 ． 0 3 7 L ／ s ， 为下组煤开采时间接充水 含水层。 4 奥陶系灰岩。厚 4 5 0 ～7 5 0 m， 涌水量为0 0 3 9 7 ～ 3 ． 3 4 9 us m， 浅部及断层附近为裂隙洞穴水 ， 深部为裂隙水， 富水性较好， 现水压标高为2 8 ． 9 ～3 0 ． 1 m， 井田内水位变 化与区域水位变化趋势一致。 1 ． 2 充水 因素分析 在富水性上， 1 6 『 _ 煤顶板中砂岩含水层 、 十下灰及十四 层灰岩三个含水层相对较低， 且由于厚度有限， 自身的含水 量相对较小， 以静储量为主。在无外界水源补给情况下， 这 三个含水层水一般不会形成较长时间的较大充水。而与其 相比， 奥灰厚度火 ， 富水性强， 水压大 ， 且水量较为丰富。 上部 3 煤采空区积水及第四系水也可能构成充水的补 给水源， 尤其是浅部开采。由于三灰与断层 勾通程度较好， 成为煤系地层的主要补给水源， 从水源角度考虑， 下组煤开 采不能忽视上部含水层的补给。因此， 南屯矿下组煤开采存 在上、 下丰富的水源补给的可能性， 其中， 奥灰水应是下组煤 充水硅评价 及防 治的 重点。 2 1 6 、 1 7 煤底板 阻水能 力评价 2 ． 1 底板岩性特征 1 1 6煤底板。1 7煤 ～1 6 上煤间距一般为 1 2 1 4 m， 最 厚部位近2 0 m， 由厚层粉、 细砂岩问夹薄层泥质岩组成， 十一 灰和 1 6 F煤局部分布。1 7煤直接顶板多为深灰色泥质粉砂 岩， 局部与十一灰直接接触 ， 1 煤的直接底板为灰色粘土 岩， 厚度 0 3 ～1 ． 1 6 m 。 、 2 1 7 煤底板。根据部分钻孔揭露的地层资料， 1 7 煤至 奥灰顶部间距在井田范围变化较大， 中 、 西部一般在 7 0 m左 右， 而井田东部由于构造影响间距较小， 7 8号钻孔位置只有 2 8 m左右。1 7煤底板主要由泥质岩和灰岩组成 ， 1 8煤局部分 布 。 1 7煤至十四灰顶隔水段厚 2 9 ． 8 3 ～ 4 5 ． 2 0 m， 平均3 6 ． 2 8 m， 总体东部、 北部薄， 西南部厚 ， 主要为灰色泥岩、 粉砂岩和少 量杂色泥岩， 正常地段对 1 7煤的开采具有较好的隔水作用。 十四灰底至奥 灰顶 隔水段厚 1 4 ． 4 9～3 3 ． 9 6 m， 平均 2 3 ． 1 l m， 西部边界处薄， 井田西北部厚， 主要为杂色泥岩和铝 质泥岩， 正常地段可有效阻隔奥灰和十四灰的水力联系。 2 ． 2 底板阻水能力分析 安全隔水厚度 t ． ／ r 2 十 8 日一扎 一一一 ～一⋯ 一 9 6 第 2 ． 3 ． 4条要求“ 与主井井 口房、 翻车机房、 选矸楼、 筛 分楼、 原煤仓、 转载点等生产系统连接的输送机栈桥处” 应设 消防水幕， 但消防水幕如何设置， 特别是水幕喷头型号、 安装 位置、 水幕控制形式、 流量等重要设计参数均未明确。设计 时是否可以参考 自动喷水灭火系统设计规范 G B 5 0 0 8 4 2 0 0 1 有关防火分隔水幕的设计要求， 也是设计中值得探讨 的问题 ，． 4 结语 在设计过程中， 设计人员应充分理解瓶版 建筑设计防 火规 范 G B 5 0 0 1 62 O O 6 、 煤 炭 工业 矿 井 没计 规 范 G B 5 0 2 1 5 2 0 0 5 、 煤矿井下消防、 洒水设计规范 G B 5 0 3 8 3 2 0 0 6 的要求， 当不同规范对同一设计存在不同要求时， 应 结合煤炭工业的实际情况进行设计。对于新版规范的新增 要求也要在设计过程中不断熟悉， 深化理解。 作者简介左宏伟 男 国家注册公用设备工程师， 2 O 0 O年 毕业予青岛建筑工程学院给水排水工程专业， 获工学学士学 位， 现在煤炭工业济南设计研究院有限公司工作， 从事给水 排水工程设计。 维普资讯 东 谯j i 斜枝 2 0 0 7 年 第3 期 式中 三 一采掘工作面底板最大宽度 m ； y 一隔水层的容重 t ， I n 3 ； 一 隔水层抗张强度 t ， m 2 ； 一 隔水层底板承受的水头压力 t ， m 2 。 根据下组煤底板岩层物理力学性质试 验结果， 综 合 N O , 一 。 孔、 丁 1 1 8 孔、 丁 1 9 2孔资料 ， 取隔水层的容重 7为2 ． 5 8 取不同岩层的厚度加权平均值 ， 隔水层抗张强度 为2 4 5 t i m 2 ， 奥灰水头压力 为4 5 0t ， m 2 ， 则依据上式计算， 下 组煤采掘工作面最大宽度 ￡ m 分别为 1 5 0 m， 1 0 0 m， 5 0 m 时， 安全隔水层厚度分别为9 6 m， 7 3 m和 4 2m。 1 7煤底板隔水层其厚度及其岩性组合对其阻水性能影 响很大， 岩性以泥岩、 泥质砂岩、 砂质泥岩和铝土质泥岩为 主， 占总厚度 3 0 ％ ～8 0 ％， 且与粉砂岩、 细砂岩、 石灰岩互层 对底板抵抗奥灰水有利。在钻探过程中对 1 7 煤底板至奥灰 顶面隔水层进行了物理力学性质试验， 泥岩抗压强 1 ． 9 8～ 3 7 ． 6 M P a ， 铝质泥岩 1 8 ． 7～ 3 7 ． 6 M P a ， 砂岩 6 0 ． 4～ 8 9 ． 5 M P a ， 灰 岩 3 9 ． 4 1 ～1 0 3 ． 2 M P a ， 吸水后强度下降很大。泥岩的渗透率 较低， 最低为 一 的岩样， 达9 ． 41 0 。达西， 但对于 1 4 0 1 孔 有裂隙的岩样， 渗透率增加到 5 ． 6 21 0 达西， 说明裂隙对 隔水层渗透率的影响巨大， 本区地质构造比较发育， 将增加 隔水层的渗透性。 、 1 7 煤层底板断层和裂隙较发育， 成为奥灰水上涌的通． 道， 这些小型断层和裂隙会随采矿的进行 与奥灰含水层沟 通， 造成突水。据下组煤首采 区 范 围为十三采 区， 面积约 3 ． 1 m 2 ， 实测面积 4 ． 5 m 2 三维地震探查结果， 其构造发育程 度比原先的精查结果要复杂得多。 根据相邻矿区下组煤顶底板采动影响的研究成果， 1 6 上 煤开采覆岩导水裂隙带高度在 1 5～1 7 m， 最大 1 9 m左右； 1 7 煤 开采底板破坏深度在 9 ～1 3 m； 在断层面倾向与工作推进方向 相同或交角较大情况下， 顶板变形导致的断层活化程度可达 1 0 m左右， 底板变形导致的断层活化范围为 4 ～8 m， 如果综合 考虑这种顶底板采动影响效应、 原始导高和断层活化效应 ， 在 整个底板中岩层中将有 3 0 m左右的岩层起不到阻水作用。 3 突水 危险性评价 3 ． 1 评价方法 奥灰承压水上开采小槽煤 ， 最关注的是首采区煤层底板 是否会发生突水。根据矿井水文地质规程的规定 突 水 系 数 缶 删 m 式中 P 一十四灰 含水层承压水作 用在隔水层上 的水压 Ⅷ a ， 可根据十四灰水位和灰岩顶面标高求得； 肘一1 7 煤底板至十四灰顶面间隔水层厚度 m ； 煤层回采过程中， 采动应力对底板隔水层的破坏 深度 m ； d 一奥灰承压水原始导高， 根据井下钻孔承压水原始导 高的探查分析， 奥灰水的原始导高按 1 0 m计算。 3 ． 2 底板采动导水破坏深度的确定 小槽煤采用长壁式采煤法， 全部垮落式管理顶板， 对拉 工作面长度按 2 1 0 m考虑。 底板采动破坏深度 C p 0 ． 7 0 0 7 0 ． 1 0 7 9 L ， 其中L为对拉 工作面长度， 计算可得底板导水破坏深度为 2 3 ． 4 m ， 研究成 果表明， 底板破坏深度约 1 5 m。 上述公式是根据工作面的底板破坏深度总结的经验公 式， 随着回采工作面宽度的增加 ， 破坏深度与工作面宽度不 会永远保持正比关系， 另外 1 7煤平均厚度只有 1 ． 1 l m， 经验 证明煤层厚度越小， 上述公式与煤层厚度无关 ， 所以该公式 的计算结果偏大。 3 ． 3 结果分析 根据上述计算方法 ， 对 1 1 个钻孔进行 了突水危险性进 行评价 ， 突水系数在 0 ． 0 5 6 2 5 4 ～0 ． 0 9 9 7 6 3 。根据全国各矿区 突水资料的统计分析， 构造破坏块段的临界突水系数一般为 0 ． 0 6 MP a ／ m 。因南屯煤矿的地质构造比较发育， 临界突水系 数取 0 ． 0 6 MP a ／ m， 待带压开采一段时间后， 根据实际开采工 作面的突水系数的统计分析， 进一步确定井田的临界突水系 数。 本首采区构造比较发育， 对突水系数作了如下分区。 安全 区T0 ． 1 0 M P a ／ m 。 南屯井田9 5 ％范围为过渡区， 在井 田西北部为安全区。 井田一 4 3 2 水平以上突水系数超过0 ． 0 6 M P a ／ m， 具有突水的可 能性。煤层底板的隐伏断层有可能直接沟通了底板各含水 层的水力联系， 是底板突水与否的决定因素。 4 结论 1 下组煤 的直接充水含水层为顶板十下灰岩含水层， 富水性较差， 井下探测孔十下灰最大水量 0． 2 I n 3 ／ h ， 十一灰 最大水量0 ． 0 1 ／ h ， 顶板水量会很小， 以静储量为主易于疏 干， 对开采不构成威胁。 2 下组煤底板的薄层灰岩包括十二灰、 十三灰、 十四 灰 ， 井下揭露只有十四灰出水， 平均水量为0 ． 2 4 ／ h ， 放水试 验及水质化验证明十四灰和奥灰没有水力联系。 3 奥灰含水层为富水性中等的含水层 ， 1 7 煤底板至奥 灰顶面隔水层平均厚度为 7 8 ． 3 6 m， 1 7煤开采的防治水对象 是奥灰水， 矿区 一 4 3 2 水平 1 7 煤底板奥灰含水层水压较大为 4 ． 7 MP a ， 井 田 9 0 ％区域 突水系数大于临界突水 系数 0 ． 0 6 M P a ／ m， 井田内地质构造比较发育， 奥灰突水的危险性较大。 4 对 1 7 煤层底板奥灰含水层防治水策略是带压开采， 由于 1 7 煤底板下灰岩厚度较大， 且水位在 2 8 m左右， 不具 备疏降条件， 只要分区查清 1 7 煤底板的水文地质条件， 带压 可采是可行的。 作者简介徐建国 1 9 6 6 一 男， 山东高唐人 ， 1 9 8 9 年毕业 于山东科技大学， 科长， 工程师， 从事矿井水文地质、 水害防 治方向的管理和研究工作。 维普资讯