唐山矿岳胥区奥灰水带压开采危险性评价_周泽.pdf

第43卷第2期 2015年4月 煤田地质与勘探Vol. 43 No.2 Apr. 2015 COAL GEOLOGY Ordovician limestone water; mining under pressure; risk of groundwater inrush 唐山矿位于河北省唐山市，主要赋煤5层，最 下层为14煤，属于华北煤田。华北煤田含煤地层的 基底为奥陶纪灰岩，一般为强的承压含水层，对于 华北地区煤矿开采是一大威胁，唐山矿开采14煤时 可能会受奥灰水威胁。实践证明，由于断层、陷落 柱等构造或开采裂隙，或者奥灰岩层与煤层间距过 小，导致奥灰岩与开采煤层直接或间接的连通，经 常造成矿井水害事故，特别是对于煤田最下层可采 煤层的安全开采危害很大，因此评价奥灰水害的威 胁程度至关重要［1-4］。 1 地质概况 1.1 构造发育特征 唐山矿在构造单元划分上属于中朝准地台（I级 收稿日期2014-03-17 构造单元），燕山台裙带（II级构造单元），马兰峪复 式背斜（III级构造单元），开深台凹（IV级构造单元）。 唐山矿主体构造形成于燕山运动期间，早期主要形 成了F1、F10、Fu逆断层以及Fm逆冲推覆构造的主 体形态，中期主要形成了F1v南、Fv逆冲断层的主体 形态，构造比较复杂（图1）。 由于构造的复杂程度与矿井带压开采的突水危 险性密切相关，笔者根据研究区构造资料对构造复 杂程度作出了评价［5-8］，以断层网络的复杂程度的分 维评价为主要指标，用人工统计和计算机相结合的 方法求出构造复杂程度分维值，并对构造复杂程度 分区（图2），可以看出，在研究区中存在3个构造复 杂区域，较复杂区域在岳膏区扩大区大部分存在， 中北部构造比较复杂，可能存在大的导水裂隙。 作者简介周泽1990一），男，江西南昌人，硕士研究生，研究方向为煤矿安全开采E-mailzhouze565105610 引用格式周泽，朱炎铭．唐山矿岳营区奥灰水带压开采危险性评价［J］.煤田地质与勘探，2015,432“-66. ChaoXing 64 煤田地质与勘探第43卷 哥 E二3剖面线BJ正断层匡3背斜 B;;;;J井田边界研究区逆断层应平向斜 图l唐山矿及研究区构造纲要图 Structure outline of Tangshan mine and the study area Fig.I 。lkm c- Ehl E;;a 井回分维值简单较复杂复杂 边界等值线 图214煤底板断裂网络分维值等值线图（单位m Fig.2 Contours of fractal dimension value of fracture network 。lkm 」一一－－－ EJ研究区边界[cSJ 脚下盘 区3断号码奥灰巴3断革灰 1.2 奥灰岩发育特征 唐山矿奥陶纪灰岩在井田北部及东北部出露地 表，在研究区除西部FIO、FI断层以北部分、Frn断 层西部边界处，灰岩逆掩于煤系地层之上，以及南 部边界煤层露头之外奥陶纪灰岩直接与新生界底部 砾卵石含水层接触，在研究区其它地区奥陶纪灰岩 均下伏于煤系地层。 研究区最下一层可采煤层为14煤，根据研究区 及周边揭露14煤及奥陶纪灰岩钻孔中两者的间距 及奥灰顶面的埋深，绘制了研究区奥灰顶板等高线 图（图3）。 盘 耻阴晴 断佑在 曰＋ 图3研究区奥灰顶板等高线（单位m Fig.3 Contours of Ordovician limestone roof in the study area ChaoXing 第2期周泽等唐山矿岳膏区奥灰水带压开采危险性评价 65 奥灰顶板等高线图显示奥陶纪灰岩顶面形态与 上覆地层基本一致，整体呈北深南浅趋势，最深处 标高达－1300 m以下，在南部边界处不断变浅，标 高约一600m。同时由于Fm断层的作用，西部边界处 断层上盘奥灰岩层被抬升，并上覆于煤系之上，形 成一定范围的压煤带。 14煤至下伏奥灰地层间距基本保持稳定，间距 为122～133m，且间距呈现南东部较大，向北西方 向间距变小，但变化较小，整个研究区厚度差值仅 约lI m。 此外，笔者根据2012年4个钻孔奥灰含水层水 位观测结果绘制了奥灰等水位线图（图的。可以看出 井田内奥灰水水位由北向南依次升高，但水力坡度 较小，研究区内奥灰水位最高，水位标高一10←9m。 2 奥灰突水危险性评价 2.1 危险性评价备参数选取说明 对研究区奥灰水突水危险性评价综合采用目前 图4奥陶纪灰岩含水层等水位线图 Fig.4 Water level contours of Ordovician limestone aquifer 广泛应用的安全水头值法、突水系数法及安全隔水 层厚度3个不同指标进行谨慎评价。 针对研究区扩水13奥灰水文钻孔抽水试验各 项参数（表I），并结合唐山矿奥灰水其他资料及 图3、图4，对研究区的奥灰水压进行了推算，发 现研究区奥灰水水压约为5.58～13.51MPa，因此在 评价过程中采用推算的研究区水压以及统计推测 的14煤至奥灰地层顶面间距为带压开采的评价参 数对研究区带压开采情况进行评价。 表1扩水13水文孔抽水试验参数表 Table 1 Pumping test parameters of hydrological hole Kuoshui 13 含水层名称含水层厚度Im 静止水位标高Im降深次数 奥灰99.35 -29 3 2.2 安全水头值法预测评价奥灰突水危险性 “安全水头值”法预测评价奥灰突水危险性主要 包括掘进巷道及回采工作面安全水头值法两种，由 于回采工作面安全水头值法的研究原理与突水系数法 原理类似，笔者仅对掘进巷道水头值进行预测评价。 研究区资料显示巷道宽度L为4.5m，底板隔水 层的平均重度y为0.026MN/m32.56 g/cm3），底板 隔水层的平均抗拉强度KP为1.1孔。al1.6 kg/cm3, 隔水层厚度t取122～133m，根据经验公式（1）得出底 板隔水层所能承受的水压为1620.20-1 925.23 MPa。 掘进巷道底板安全水头值经验公式 p＝咔＋yt 1 式中p为底板隔水层能承受的安全水压，MPa;t 为隔水层厚度，m;L为巷道宽度，m;Y为底板隔 水层的平均重度，MN/m3;KP为底板隔水层的平均 抗拉强度，MPa。 研究区奥灰水压约为5.58～13.51MPa，远小于 隔水层所能承受的水压，所以用安全水头值法评价 掘进巷道底板是安全的。但值得注意的是在构造发 抽水试验参数 降深Im单位漏水量／（Lsmf1渗透系数／（md-1影响半径Rim 16.6 12.36 8.86 0.138 6 0.174 8 0.204 3 0.16 60.7 SO.I 37.9 育地区，由于构造破坏作用，使得底板隔水层的平 均抗拉强度KP远小于1.1MPa，因此，尽管隔水层 很厚，在断层、陷落柱等构造发育地区依然存在较 高的突水危险性，需进行进一步的评价。 2.3 突水系数法预测评价奥灰突水危险性 “突水系数”法是预测评价矿井突水危险性的重 要方法之一，笔者根据查阅前人相关文献［9-12］，采 用突水系数经验公式计算研究区突水系数 T ＝主（2 M 式中T为突水系数，MPa/m;P为底板隔水层承受 的水压，MPa;M为底板隔水层厚度，m。 依研究区资料，底板隔水层厚度取122～133m, 底板隔水层承受的水压P取5.58～13.51MPa，据经 验公式（2）得出突水系数为0.043-0.105岛1Pa/m，研究 过程据煤矿防治水规定（2009），突水系数指标采 用构造破坏段突水系数不大于0.06MPa/m，隔水层 完整无断裂构造破坏地段突水系数不大于0.1MPa/m, 根据研究区构造复杂程度（图2），对研究区构造破坏 块段与构造完整块段突水系数进行了带压开采危险 ChaoXing 66 煤田地质与勘探第43卷 区的划分，并绘制了研究区14煤突水系数评价结果 图（图匀，突水危险区主要在研究区两侧扩大区，中 部基本不存在带压开采危险，开采过程中应加强两 侧扩大区水害防治工作。 --b置.J-k且一一一 N 6;J研究区E.S;;J突水系数哩，带压开采 边界危险区 图514煤突水系数评价结果图 Fig.5 uation results of water inrush coefficient of 14th coal seam 2.4 安全隔水层厚度计算预测评价奥灰突水危 险性 根据前人研究资料的整理，对安全隔水层厚度 计算采取经验公式（匀，其主要适用于掘进工作面。 研究区资料显示巷道底板宽度L为4.5m，底板隔水 层的平均容重y取0.026MN/m3，底板隔水层的平 均抗张强度KP取1.1MPa，底板承受的水压值按 5.5813.51 MPa考虑，据经验公式得出安全隔水层 厚度t为7.14～11.13m，而研究区14煤距奥灰顶面 距离100m以上，远大于安全隔水层厚度，掘进工 作面不存在带压开采危险。同样值得注意的是，由 于构造的发育会使得奥灰层与14煤连通，导致实际 隔水层厚度远小于安全隔水层厚度，存在一定的突 水危险性，因此应注意构造发育地区的奥灰水防治 工作的开展。 L,/y2L2 8K0P-yl r 3 4KP 式中t为安全隔水厚度，m;L为巷道底板宽度，m; y为底板隔水层的平均容重，MN/m3;KP为底板隔 水层的平均抗张强度，MPa;P为底板隔水层承受 的水头压力，MPa。 3结论 a.研究区奥陶纪灰岩埋深整体呈北深南浅，最 深处标高达－1300 m以下，在南部边界处标高则为 -600 m，且由于Fm断层的作用，西部边界处断层 上盘奥灰岩层被抬升，并上覆于煤系之上，形成一 定范围的压煤带；研究区14煤至下伏奥灰地层间距 较大，约为122～133m，整体呈南东部较大，向北 西方向间距变小的趋势；井田内奥灰水水位则由北 向南呈依次升高的趋势，水力坡度较小，研究区内 奥灰水位最高，水位标高－10←9m。 b.通过安全水头、突水系数、安全隔水层厚度 3个不同的指标，对研究区带压开采问题的评价结 果显示据进巷道安全水头值及安全隔水层厚度评 价结果显示无带压开采危险，突水系数评价结果则 显示研究区存在范围不等的带压开采危险区，突水 危险区主要存在研究区两侧扩大区，煤矿开采过程 中应针对性的开展岳营区两侧扩大区奥灰水害防治 工作。 参考文献 川卡万奎，徐慧．某矿区带压开采逆断层活化及突水性分析［巧． 煤炭学报，2011,367 1177一l183. [2］马培智．华北型煤田下组煤带压开采突水判别模型与防治＊ 对策［巧．煤炭学报，2005,305 608-612. [3］钟亚平，洪益清巨厚奥灰含水层煤系基底的安全开采技 术［J.煤炭科学技术，2002,301 55 57 [4］赵庆彪带压开采防治水技术保障体系建设［巧中国煤炭， 2010, 361 98-103. [5］陈尚斌，朱炎铭，袁伟，等．开漆唐山矿逆冲推覆构造及其控 煤作用［巧．煤田地质与勘探，2011,392 7一12. [6］闰庆磊，朱炎铭，袁伟，等．开平煤田构造发育规律对煤层赋 存的影响问．中国煤炭地质，2009,2112 38-41. [7］张志龙，高延法，武强，等大屯姚桥矿矿井水文地质条件分 类与评价［几煤田地质与勘探，2013,412 67-71. [8］张旭，朱炎铭，陈尚斌，等应用分形理论评价唐山矿南五区 构造复杂程度［J）.煤矿安全，2012,436 164-167. [9］武强，樊振丽，X,j守强，等．基于GIS的信息、融合型含水层 富水性评价方法一一富水性指数法［J］.煤炭学报，2011, 367 1124-1128. [10）武强，杨柳，朱斌，等，“脆弱性指数法”在赵各庄矿底板突水 评价中的应用［J］，中国煤炭地质，2009,216 40-44. [II］武强，朱斌，李建民，等．断裂带煤矿井巷滞后突水机理数值 模拟［J］.中国矿业大学学报，2008,376 780--785. [12］裙程程，杨滨滨．灰色理论在矿井涌水量预测中的应用［月．煤 困地质与勘探，2012,402 55-58 （责任编辑张宏） ChaoXing