厚含水松散层下煤岩柱合理留设研究.pdf

安徽理工大学 硕士学位论文 厚含水松散层下煤岩柱合理留设研究 姓名窦家环 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师何廷峻;杨本水 20070609 摘要 摘要 本文采用实验室分析、理论分析、物理与数值模拟和现场试验的综合研究方 法，对五沟煤矿厚含水松散层下开采时的上覆岩层移动规律、覆岩力学组合结构 类型、导水裂隙带等进行了深入研究，并分析了风化基岩的物理力学性能及变异 特征，建立了薄基岩浅埋煤层上覆岩层破坏移动规律的工程地质模型，得出了1 0 1 1 工作面开采期间直接顶初次垮落步距、基本顶初次来压步距、周期来压步距；分 析了导水裂隙带的发育形态获得了厚松散含水层下防水煤岩柱的合理高度，提 高了综采工作面的回采上限。研究成果不仅为煤矿提高资源回收率、水体下采煤 提供了理论依据，而且对该矿井和其它类似条件工作面提高回采上限有一定的借 鉴和指导意义。 图【7 5 】表【l O 】参【5 0 】 关键词煤岩柱；覆岩破坏移动；厚含水松散层浅埋煤层； 分类号T D 8 2 3 ．4 9 安徽理工大学硕士学位论文 A b s t r a c t I nt h i sp a p e r , e o m p o s i t i v er e s e a r c ht e c h n i q u e si n c l u d i n go f t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dl a b o r a t o r y a n a l y s i s ，p h y s i c sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i n - s i t um e a s u r e m e n ta r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t ei n t o m o v e m e n tl a w so fo v e r l y i n gs t r a t a , m e c h a n i c a lc o m p o s i t es t r u c t u r et y p e so fo v e r b u r d e ns t r a t aa n d f r a c t u r e dz o n eo fm i n i n gu n d e rt h i c ka q u i f e r o u sl o o s eb e di nW u G o um i n e ．P h y s i c i c a lm e c h a n i c s c a p a b i l i t ya n dv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fe f t l o r e s c e n tb e d r o c ka r ea n a l y z e da n de n g i n e e r i n g g e o l o g i cm o d e lr e f l e c t i n gt h er u l e so fo v e r l y i n gs t r a t am o v e m e n ta n dd a m a g eo fw e a k b e d r o c ks h a l l o we m b e d d i n gi sm o d e l e d ．T h er e s u l t s ，t h ei m m e d i a t er o o f c o l l a p s es t e pp i t c h ，m a i n r o o ff i r s tw e i g h t i n gs t e pp i t c h ，p e r i o d i cw e i g h t i n gs t e p p i t c h ，a r eo b t a i n e dd u r i n gf a c e1 0 11 w i n n i n g ．D e v e l o p e dc o n f i g u r a t i o no ft h ef r a c t u r a t i o nz o n ei sa n a l y z e d ，a n dr e a s a o n b l ew i d t ho f w a t e r p r o o fr o c k - c o a lp i l l a ru n d e rt h i c ka q u i f e r o u sl o o s eb e di so b t a i n d e d ，a n dm i n i n gt o p l i m i ti s i m p r o v e d ．T h er e s u l t sc a l lp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o ri m p r o v i n gt h er e c o v e r yo fm i n ea n dc o a l m i n i n gu n d e rw a t e r - b o d i e s ．A tt h es a m et i m e ，t h er e s u l t sh a v eg u i d i n gt oi m p r o v em i n i n gt o p l i m i t f o rt h i sm i n ea n do t h e rs i m i l a rc o n d i t i o n sm i n e ． F i g u r e 【7 5 1 ；t a b l e 【I O 】；r e f e r e n c e 【5 0 】 K e y W o r d s c o a la n dr o c kp i l l a r ，r u l eo f o v e r l y i n gs t r a t ad a m a g e ，t h i c kw a t e r - b e a r i n g l o o s e ，s h a l l o ws e a m C h i n e s eb o o k sc a t a l o g T D 8 2 3 ．4 9 ．1 1 ． 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀垄王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名．／弊日期．粤年一‘月西 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论文的规 定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于塞邀理 王太堂，学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅．本人授权塞筮垄王盍堂可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采恩影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文． 保密的学位论文在解密后适用 本授权书 签字日期为罗年臼厶r 签字日期也酬 年多月，j ‘日 f 1 绪论 l 绪论 1 ．1 问题的提出 我国黄淮地区拥有丰富的煤炭资源，是华东地区重要的能源供应基地。由 于主采煤层上覆有1 3 0 ～6 0 0 m 的巨厚松散层沉积，松散层底部常存在着弱至中 等富水的含水层，含水层的下部普遍覆盖一层厚1 5 ～4 0 m 的古风氧化壳Ⅲ[ 1 3 1 。 因此，传统的采矿地质理论均认为厚含水松散层下，风氧化带煤层距新地层 底部含水层近，受沉积水环境和风化损伤的共同影响，煤层顶板岩层裂隙发育， 岩体孔隙率高和强度衰减速度快，顶板自稳性能与承载能力差、顶板难以管理 且开采以后，垮落带和导水裂隙带会波及到底部弱至中等含水层，容易发生突 水溃砂事故，危及矿井安全生产。因而，在制定煤矿开采技术规范与安全规程 以及进行开采设计时，一般留设有5 0 ～8 0 m 的煤柱或将其风氧化带内煤柱列为 开采的禁区f 2 ] ，风氧化带内煤炭储量均被列为表外储量。初步计算这些煤柱储 量约有5 0 亿t ，仅安徽省的两淮新区就有约1 6 亿t ，造成大量煤炭资源浪费。 由于这些宝贵资源具有埋藏浅，勘探程度高，生产系统齐全，开采成本低等突 出优点。近年来，随着矿井开采技术水平的提高与支护设备性能的改善，越来 越多的衰老矿井均将厚含水松散层下浅部受松散层含水体威胁的煤层的开采作 为矿井挖潜革新和延缓衰老的首选目标，从而成为当前矿业工程领域内的一个 研究热点。但由于缺乏应有的技术支撑和系统的研究，尤其是对风氧岩体的风 化损伤岩体力学性能的劣化、岩石的强度和弹性模量的降低、风化损伤岩体的 渗流特征、水砂在风化损伤岩体内的运移机理等特定损伤属性、失稳条件、绿 色开采的机理和应采用关键控制技术及对策掌握和认识不深，导致部分矿井相 继发生了局部冒顶、突水溃砂淹井、埋架埋人等重大安全事故 如安徽皖北煤 电集团祁东煤矿突水淹井、淮北矿业集团桃园煤矿溃砂埋人埋面、山东横河煤 矿溃砂埋面、淮南矿业集团潘三煤矿溃砂埋架 给国家、企业造成了重大经济 损失【3 】。因此，开展此方面的研究对于上述煤炭资源的安全回收与受松散层含 水体威胁的煤层的安全绿色开采以及厚含水松散层覆盖下资源即将枯竭的矿井 的稳定、繁荣与可持续发展具有一定的理论意义和现实意义。 我国许多煤田的水文地质条件十分复杂，在煤层开采过程中受到多种水体 的威胁，煤矿防治水问题是煤矿生产及科研中的一大技术难题。据初步统计， 全国重点煤矿中受水威胁的矿井占4 7 ．5 ％，受水害威胁的储量达2 5 0 亿t 。从近 安徽理工大学硕士论文 年的开采情况看，每年采出受水害威胁的煤炭占总储量的1 0 ％。因此，如果不 能解放这些受水害威胁的煤炭储量，不仅影响煤矿的产量，而且一些老矿并还 有被迫提前关井的危险。 我国煤矿区主要受三类水害威胁1 5 1 。第一类是巨厚强含水冲积层对其下覆煤 层开采的威胁；第二类是具有强含水层或地表水体享卜绘的太原群岩溶灰岩含水 层，对其上下煤层的威胁；第三类是厚层灰岩岩溶强含水层对上覆煤层开采的 威胁。几乎所有大的煤矿突水及淹井事故都是由水害引起的。 五沟煤矿主采煤层1 0 煤，平均倾角8 。，为优质的工业用煤，矿井设计生 产能力6 0 万t ／a 。由于主采煤层上方覆盖2 7 0 m 左右的厚松散含水层，特别是 其底部平均厚2 0 ．7 m 的第四系砂、砾石含水层，直接覆盖在开采煤层露头之上， 对煤系地层直接进行渗透补给，给浅部煤层的安全开采构成了较大地威胁，矿 井初步设计留设6 0 ．0 ～9 1 ．3 5 m ，平均8 4 ．0 7 m 的防水煤岩柱，压煤量2 6 6 5 余万 t ，资源损失严重，技术经济合理性受到置疑。由于损失的资源具有勘探程度高、 埋藏深度浅、地质构造简单、开采技术条件好等显著特点。因此，煤岩柱的合 理留设．首采工作面开采后上覆岩层“三带”演化移动特征和矿压显现规律， 成为五沟煤矿理论上和技术上急待解决的技术难题之一。 1 ．2 国内外研究现状 在中、厚松散层下进行防水、防砂煤柱留设的开采技术研究在国外的相关 文献已经有报道 8 l 【9 l I ⋯，许多国家通常都是留设足够大的防水煤柱。部分国家在 采矿安全规程中，对防水 砂 煤柱最小藏度都做了规定。波兰保证安全开采 的有关规定是在含水层下的煤层露头处应留设安全煤柱，其高度是开采煤层 厚度的8 倍，这种煤柱的最小垂直厚度定为2 0 m 。西澳大利亚科利煤田采用深 将强排的措施进行了松散层 覆盖层厚1 3 0 ～1 8 0 m 采煤试验等1 2 2 l 。美国则对 煤柱回收提出适合于特定水文地质条件的设计方案脚】。南斯拉夫维伦杰褐煤矿 在地表水体下采用跨落或分段跨落的长壁采煤法采掘由厚达5 0 0 m 的第四系多 含水层系统覆盖的褐煤层，并取得成功B “。 为了减少和防止浅部煤层开采突水溃砂等重大地质灾害的发生，国内外学 者对风化损伤岩体在采动影响下，裂隙岩体内围岩的损伤演化和应力场、位移 场、渗流场等进行了许多有意义的研究【1 5 】[ t S l ，取得了一些有价值的成果。如损 伤模型可用于模拟脆性岩石动态断裂破碎，损伤模型研究是在K i p p 和G r a d y 、 T a y l o r 以及K u s z m a u l 等人研究的基础上进行的【1 4 1 ，后经T h o m e 修正扩充了处 ．2 ． 1 绪论 理大量密集裂纹的能力，其主要作用是处理岩石微裂纹受拉应力作用引起的连 续损伤的动态断裂过程9 1 1 2 0 l [ 2 H 。国内对于岩体的损伤渗流属性研究始于八十年 代，如谢和平院士、钱鸣高院士建立了裂隙岩体的损伤分析模型，杨会军等对 基岩裂隙水的渗透特征进行了研究，葛修润院士、郑少和等对裂隙岩体的渗流场 与损伤场进行了耦合分析。上述研究主要应用于水利水电工程建设和矿井深部 开采，对风化损伤岩体的属性与缩小防护煤柱开采之间的联系研究较少，但对 本课题的研究具有重要的启发和借鉴指导作用。 至于在含水层下缩小防护煤柱开采方面。国外许多国家都作了相关的规定 [ 2 5 1 ，日本在海下采煤，留设煤岩柱高度为采厚的3 0 ～1 0 0 倍，英国在海下留设 的煤岩柱高度必须大于6 0 m ，波兰通过抽水试验，确定下部含水层的水文地质 参数以及井下开采动态参数来确定煤岩柱的合理高度。规定在含水层下采煤， 煤岩柱高度为8 倍采厚，西澳大利亚科利煤田在1 3 0 ～1 6 0 m 的含水松散层下采 煤通过抽水试验叫I ，确定下部含水层的水文地质参数以及井下开采动念参数来 确定煤岩柱的合理高度。国内，煤炭科学研究院北京开采所刘天泉院士等对我 国煤矿开采覆岩破坏与导水裂隙分布作了大量的实测和理论研究【3 】[ 1 3 11 2 7 1 ，得出 了计算非高压水作用下导水裂隙带高度的经验公式，并指导了许多煤矿进行了 水体下采煤试验，中国矿业大学的隋旺华教授等人采用多因素拟合，建立了近 风化煤层开采的决策模型；近2 ～3 年来，杨本水等人进行受松散层含水体威胁 的煤层绿色开采机理研究，回收煤量1 7 0 万t ，创产值3 ．3 5 亿元；桂和荣等人在 芦岭煤矿的8 1 0 采区进行研究，获得了近7 0 0 0 万元的经济效益。 我国华北、东北的许多大煤田多为隐伏型，煤层上伏有1 3 0 ～3 0 0 m 的中、 厚松散层沉积，松散层底部常存在着中等富水、甚至很强富水的含水层、根据 资料调查，为了安全生产，安徽淮北的临涣与宿州的两个矿区的矿井在防松散 层水煤柱高度都在5 0 m 以上，最厚的可达9 0 m 以上，防水煤柱总压煤量达5 ．2 亿t ；安徽淮南潘谢矿区普遍留设了高度为6 0 ～8 0 m 防松散层水煤柱，防水煤 柱压煤量达1 l 亿t 左右；兖州矿区的防松散层水煤柱的设计高度为6 0 ～8 0 m ， 防水煤柱压煤量达4 ．7 亿t ，占总储存量的1 2 ％，另外还有黑龙江省、吉林省、 河北省、山东省以及河南省等地区的矿区。据初步计算我国中、厚松散层煤柱 约有5 0 亿t ，造成了大量煤炭浪费，长期得不到_ 丌发利用。 为了安全地最大可能地回收煤炭资源，我国在中、厚松散层下进行防水煤 柱留设的试采实践和理论技术研究从6 0 年代初就已经开始，到7 0 年代中期就 已经初步形成理论，如“淮河下采煤试验”、“开采滨河地区含水砂层下两种类 ．3 ． 安徽理工大学硕士论文 型的急倾斜厚煤层试验总结”。而我国在中、巨厚松散层下进行缩小防水煤柱留 设的试采实践和理论技术研究探讨从7 0 年代初期已经开始，并进行了理论探 讨，如“邢台煤矿缩小巨厚冲洪积层防水煤柱试验总结”、“厚含水冲积层下开 采厚煤层缩小防水煤柱的初步认识”。到8 0 年代后期，由于部分老矿区的资源 日渐减少，业内专家学者都十分关注矿井在中、厚松散含水层下提高开采上限 的研究，从而达到尽可能多的解放防水煤柱储量的目的。 综上所述，本文分析厚含水松散层底部含水层富水性特征和风化损伤岩体 变异的工程地质特征，采用显微分析、相似材料模拟实验并结合理论分析和数 值模拟技术，对影响受松散层含水体威胁的煤层安全高效开采的问题进行系统 的研究，如研究风化损伤岩体在采动作用下，渗流特征与覆岩破坏移动演化 新特征以及水沙在风化岩层采动裂隙场的运移机理，从而揭示受松散层含水体 威胁的煤层绿色开采机理、条件与途径；构建防治突水溃砂控制软弱顶板的决 策分析模型。其研究成果可以在煤岩柱留设、软岩顶板控制等工程中发挥重要 作用，该研究不仅具有理论价值，而且具有一定实际意义，该课题的完成将对 厚含水松散层下浅部受松散层含水体威胁的煤层安全高效开采设计理论和开采 方法产生一定的影响，特别是在受松散层含水体威胁的煤层的安全高效开采中 的应用，将为众多衰老矿井的繁荣、稳定与可持续发展提供一定的借鉴意义。 1 ．3 覆岩破坏的一般规律研究和影响因素 在采用长壁工作面顶板全部垮落采煤法的情况下，回采地区上方岩层逐次 发生断裂垮落、开裂和弯曲下沉，从而形成冒落带、导水裂缝带和弯曲下沉带。 1 ．冒落带 冒落带，紧靠煤层、发生断裂垮落的顶板岩层遭采动影响范围。冒落带垮 落的岩块有以下特点 1 不规则性。在一般能随采随冒的顶板条件下，绝大多数冒落岩块特别是 下中部岩块块度大小不一，杂乱堆积，无一定的规则。在初次采动的情况下， 岩性坚硬、岩层厚度较大时，冒落岩块块度大；岩性软弱，岩层厚度较小时， 冒落岩块块度小。采动影响次数愈多，块度愈小。冒落岩块的不规则性，是影 响顶板再生性和具有很强导水透砂能力的重要原因。 2 碎胀性。顶板岩层冒落到采空区后，其体积较未冒落前增大。在自由堆 积状态下，冒落岩块的碎胀是影响冒落带高度和阻止上位岩层继续断裂、冒落 的主要因素。 ．4 ． 绪论 3 密实性。冒落岩块堆积的密实性程度决定着冒落带的透水、透砂能力。 岩性软弱，冒落带的透水、透砂能力较差，特别是在采空区经过灌浆处理后， 冒落带能够形成密实的再生顶板，甚至可能局部地恢复其原有的隔水能力。岩 性坚硬，冒落带的透水、透砂能力较强，不易密实。在远离采场的后方采空区， 冒落岩堆在上覆下沉的岩层应力作用下，被逐渐压实、压合，透水能力明显减 弱甚至消失。 2 ．导水裂缝带 裂缝带，也叫弯曲破裂带，位于冒落带之上。裂缝带具有以下特点 1 规则性。裂缝的形式及其分布有一定的规律性。此带岩层以开裂为主， 但仍保持一定的连续性和原有层序。裂缝多数是发生垂直或近于垂直层面的裂 缝，也有一些离层裂缝；多数裂缝彼此连通，具有一定的导水能力。 2 具有明显的分带性。根据岩层开裂、离层的发育程度和导水能力，裂缝 带由下向上可以分为严重断裂、一般开裂和微小开裂三个部分。 1 严重断裂。大部分全厚度断开，但仍保持原有的沉积层次。裂缝异常 ．发育，连通性和导水能力强。现场钻孔观测时，冲洗液量大于1 ．0 升／秒．米。 2 一般开裂。岩层在全厚度内未断开或很少断开，层次完整，裂缝问的 连通性较好，有一定的渗导水能力。 3 微小开裂。部分岩层有微小裂缝，基本上不断开，裂缝间的连通性不 太好，导水性微弱。现场钻孔观测时，冲洗液漏失量小于0 ．1 升／秒。 3 ．弯曲下沉带 弯曲下沉带，指的是自裂缝带顶界到地表的整个岩系。弯曲下沉带内岩层 具有以下显著特点 1 完整性。此带主要为岩层的弯曲下沉．一般保持原有的应力状态和状况； 处于岩层的弯曲下沉带部分，有一些离层裂缝和少量的高角度裂缝，但一般不 具连通和渗导水性；弯曲下沉带内的松散地层，会发生整体下沉移动。 2 隔水性。在弯曲带内虽然也有可能产生裂缝，但裂缝微小，数量较少， 导水能力很弱，而且随着移动过程的发展，岩层受压程度愈来愈高，岩层的隔 水性也会获得完全恢复。因此，对于水体下采煤来说，弯曲下沉带内岩层可视 为保持其原有的隔水性。 在正常地质采矿条件下，影响覆岩破坏范围最大高度及发展状态的因素一 般为采厚和采空区面积，采煤方法和顶板管理方法，地层结构和岩性，煤层 的倾角，以及时间过程等。这些影响因素既有主次之分，同时它们之间又相互 一5 一 安徽理工大学硕士论文 约束，互为条件。 1 ．4 课题提出的意义与论文的主要工作 1 ．4 ．1 课题研究的目的 由于五沟煤矿是皖北煤电集团乃至淮北临涣矿区采用走向长壁大采高综采 开采厚含水松散层下薄基岩浅埋煤层的第一对矿井，矿区内无成功经验可供借 鉴，本文研究的主要目的为 1 ．掌握厚含水松散层下浅埋煤层顶板的运动规律、防水煤岩柱性能，实现 高效，安全、合理回采。 2 ．在含水的松散含水层下将矿压显现、地表移动同覆岩破坏“两带”高度 观测研究有机的结合起来，揭示它们之间的内在联系，并探讨有关的技术措施， 制定切实的防水防砂关键技术措施。 3 ．合理确定防水防砂煤岩柱的高度，提高回采上限，增加煤炭回收率，提 高煤炭资源回收率。 1 ．4 ．2 课题研究的意义 水体下采煤是涉及到采矿、地质、水文地质、地球物理勘探、岩石力学、矿 山测量、计算数学等多个学科领域的边缘学科，是一项包含着覆岩破坏规律研究、 防水煤岩柱性能研究、地下水动态变化规律及含水层富水特征研究、防水煤岩柱 尺寸测定与留设技术研究、经济效益与社会效益评价等多项相关规律研究和先进 的探测技术的复杂工作。开展此方面的研究对于厚松散含水层下煤炭资源的安全 回收与受松散层含水体威胁的煤层的安全绿色开采以及厚含水松散层覆盖下资源 即将枯竭的矿井的稳定、繁荣与可持续发展具有理论意义和现实意义t 2 8 1 1 2 ”。该项 目的成功对类似条件下的矿区和矿井都有一定的借鉴意义。 1 ．4 ．3 论文的主要研究内容和方法 本次课题研究的是厚含水松散层下煤岩柱的合理留设问题，研究内容具体 分为以下七个方面 1 ．实验室对风化基岩的物理力学性质进行分析； 2 ．上覆岩层内直接顶的力学模型建立及应力场、位移场的计算； 3 ．相似材料模拟上覆岩层覆岩破坏移动规律，确定“三带”高度； ．6 ． 1 绪论 4 ．数值模拟上覆岩层的移动变形规律 离层状态、移动曲线和移动影响角 及“两带”高度的发育形态 5 ．数值模拟上覆岩层的应力场 支承压力影响范围、应力集中系数 、位 移场； 6 ．预测上覆岩层的“两带”发育高度，分析采高与导水裂隙带高度的关系； 7 ．防水煤岩柱高度的合理确定。 根据以上研究内容和相关领域的进展，论文研究的技术路线如下所示 I 调研收集资料l lI 理论分析研究现场观 i 辫分析研究相似梗拟、数值梗拟 lII l ll l 项板四舍舍、f ；水层厚度获得顶板覆岩移动破坏规德， 三带发育高度及隔水程度 兰带高度的确定 应力分布规霉 I 现场实例分析 防水煤岩柱台理高度的确定 I l 主要结论1 ．7 ． 安徽理工大学硕士论文 2 矿井水文地质特征和开采技术条件 2 ．1 新生界松散层结构特征和含隔水性 多年的勘探成果资料说明，新生界松散层底部含水体是五沟煤矿乃至整个 两淮新区矿井开采薄基岩浅埋煤层的主要充水水源之一，松散含水砂砾层尤其 是下部的第四含水砂砾层，同矿井开采关系密切。显然，在合理留设煤岩柱开 采关键技术的试验研究中。确切查明松散层底部沉积特征与含隔水性，深入分 析研究松散层下部含、隔水层的分布状况、厚度、结构、性质、含水或隔水性， 及其对井下开采的影响程度，是非常必要的。 2 ．1 ．1 新生界松散层的组合结构与基本特征 历次勘探成果资料表明五沟井田新生界松散层厚度为2 6 2 ．3 6 ～2 8 7 ．0 5 m 。 平均2 7 3 ．4 0 m 。古地形起伏不大，由北往南逐渐增厚。整个井田内的松散层， 自上而下划分为4 个含水层组和3 个隔水层组，新生界松散层沉积基本特征和 含隔水性评价。如图1 和表1 所示。 表1 五沟煤矿新生界松散层结构特征 T a b l e1R e l a xc o n f i g u r a t i o nc h a r a c t e ro f C a e n o z o i ci nW uG o um i n e ．8 ． 2 矿井水文地质特征和开采技术条件 1 ．第一、二含水层与隔水层 由表l 和图1 可知，处于松散层上、中部的第一、第二含水层与隔水层， 在全井田分布比较稳定。一含，厚6 ．4 0 ～2 0 ．1 3 m ，平均1 2 ．2 0 m ，临接地表，主 要接受大气降水和地表水垂直渗透补给，为富水性较强的孔隙潜水体，系矿区 主要供水水源。二含，厚3 ．0 0 ～2 5 ．3 0 m ，平均1 0 ．4 0 m 。岩性以土黄色、浅肉红 色细砂、粉砂为主，夹2 ～3 层粘土或砂质粘土。砂层结构松散，成分以石英、 长石为主，次为云母，分选性较好，为中等富水的孔隙承压水体。 嬲曩猡E 刃￡万 砣■刀啜 一⋯一⋯一⋯．一⋯，一一⋯一⋯_ ⋯’⋯● 一含 一隔 二含 二隔 三含 三隔 四含 图l 五沟煤矿薄基岩浅埋煤层覆岩结构示意图 F i gIC o n f i g u r a t i o ns k e t c hm a p o f t h i nb e d r o c ks h a l l o wb u r y i n gc o a li nW uG o um i n e 一含和二含之下，分别为一隔和二隔。其厚度分别4 ．6 0 ～2 4 ．6 0 m ，平均 1 2 ．2 0 m 和1 ．4 0 ～3 1 ．2 0 m ，平均1 5 ．O O m ，以粘土和砂土为主。间夹1 ～2 层薄层 细砂及粘土质砂，全区分布稳定。一隔，厚度大，塑性指数1 7 ～2 2 ．8 ，为区域 性稳定的良好隔水层。二隔，属较好隔水层，但厚度变化较大，构成上下含水 层间隔局部越流补给条件。 由上述可见，一含和二含水量比较丰富，补给比较充分，但由于其下部分 别有一隔和二隔的阻挡，根据区域水文地质特征和临涣矿区的开采实践，对井 下浅部煤层的安全开采不产生直接影响。 ．．9 ． 安徽理工大学硕七论文 2 ．第三含水层与隔水层 第三含水层，在全井田稳定分布，厚为2 2 ．3 0 ～6 5 ．0 6 m ，平均3 8 ．3 0 m 。岩 性以土黄色、浅肉红色、棕红色、灰白色细砂、粉砂、中砂、粘土质砂为主 图 2 所示 ，夹棕黄色、浅肉红色及灰绿色粘土或砂质粘土3 ～5 层，砂层结构松散， 主要矿物成分为石英，次为长石及云母片，分选性较差。本组中部有一层厚层 粘土将含水层分为上、下两部；上部局部含有l ～3 层透镜状钙质胶结的砂岩 盘 ，厚1 ～3 m ，较坚硬，局部有溶蚀现象上部砂层单层厚度大，富水性较 强。下部砂层不太 图2 三隔钙质粘土结构特征图 F i g2T h ec o n f i g u r a t i o nc h a r a c t e ro f t h r e ei n s u l m i o nc o u r s ec a l c i u mc l a y 发育，单层厚度较小，质不纯，含泥质量增高，富水性较弱。第三隔水层厚约 3 6 ．6 0 ～7 7 ．7 7 m ，平均6 1 ．5 0 m 。岩性以灰绿色、棕黄色、棕红色砂质粘土、粘土 及灰白色钙质粘土、泥灰岩为主，夹砂层或粘土质砂O ～5 层。在深度1 7 0 ～1 9 0 m 处局部地段为厚层砂。上部粘土、砂质粘土可塑性好。膨胀性强，塑性指数I p 为1 1 ．3 0 ～2 7 ．8 0 ，膨胀量为0 ．0 2 ～3 ．7 0 5 ，自由膨胀率为1 9 ～1 1 0 。下部狄白色、 乳白色钙质粘土，泥灰岩呈半固结状，可塑性较差，为湖滨回水湾静水环境沉 积。在该层 组 粘土类可塑性好，膨胀性强，厚度大，分布稳定，隔水性良 ．1 0 ． 2 矿井水文地质特征和开采技术条件 好，是区域及煤矿内重要的隔水层 组 。由于它的存在，使其以上各含水层地 下水及地表水、大气降水与其下的四含水、煤系砂岩裂隙水之问失去水力联系。 3 ．第四含水层 四含含水砂层在五沟煤矿开采范围内底板埋深2 6 2 ．3 6 ～2 8 7 ．0 5 m ，平均 2 7 3 ．4 0 m 。厚度6 ，1 2 ～3 9 ．1 9 m ，平均2 0 ．7 0 m 。四含沉积厚度受古地形控制。矿 内3 0 线以南的中部地段古冲沟地形低洼处，四含沉积厚度较大，为3 5 ．8 5 m ，砂 砾颗粒较粗。3 0 线以北及东西两侧四含沉积厚度较小，为7 ．4 8 m ，。四含厚度由 北向南、由东西两侧向中部逐渐增厚，富水性也由北向南、由东西两侧向中部 逐渐增强，首采区首采工作面浅部四含平均厚度为1 5 ．4 m 。 四含岩性复杂， 如图3 、图4 所示 由砾石、砂砾、粘土砾石、粗砂、中 砂及粘土质砂等组成，其间夹有0 ～4 层薄层状粘土夹砾石、粘土、砂质粘土、 钙质粘土等。从总体上看四含岩性泥质含量高，渗透性差，补给条件较差，一 般富水性弱。其地下水依靠区域层间迳流，同时由于该含水层直接覆盖在煤系 地层之上，与煤系砂岩裂隙含水层通过风化裂隙带构成直接水力联系。 据3 0 - 8 孔和补5 水文采前对比孔抽水资料，四含静止水位标高 1 7 ．2 4 m ， q O ．0 0 4 2 ～0 ．1 3 5 1 ／s ，k O ．4 3 5 7 2 m ／d ，水化学类型为S 0 4 ．H C 0 3 一N a ，矿化度 0 ．9 8 2 9 ／1 ，全硬度1 4 ．3 2 德国度。 图3 采前对比孔四含结构特征图 沙 F i g3T h ec o n f i g u r a t i o nc h a r a c t e rc o n U ∞to f f o u ra q u i f e rb e f o r ee x p l o i t a t i o n s a n d 安徽理工大学硕士论文 图4 采前对比孔四含结构特征图 粘土 F i g4T h ec o n f i g u r a t i o nc h a r a c t e rc o n t r a s to f f o u ra q u i f e rb e f o r ee x p l o i t a t i o n c L a y 综上所述，在新生界松散含水层中，直接覆盖在煤系地层之上的第四含水层 水，是矿井安全生产特别是薄基岩浅埋煤层绿色安全开采的主要安全隐患之一。 2 ．1 ．2 四含的特征与富水性评价 1 ．四含的赋存规律及其颗粒级配 第四砾石含水砂层 如图5 、图6 所示 ，系坡积与网状河流交互相沉积， 它主要由砾石、砂砾、粘土砾石、粗砂、中砂及粘土质砂组成，颗粒成份以石 图5 四含结构特征图 砾石 F i g5T h ec o n f i g u r a t i o nc h a r a c t e ro f t h ef o u r t ha q u i f e r g r a v e l ．1 2 ． 2 矿井水文地质特征和开采技术条件 图6 井筒施工四舍结构特征图 F i g6T h ec o n f i g u r a t i o nc h a r a c t e ro f t h ef o u a ha q u i f e ri ns h a f t 英、长石为主，问夹砂质粘土及亚粘土，系多层复合结构；粘性土常呈透镜状， 穿插在砂层之中，约占砂层全厚的2 0 ～2 5 ％左右，其沉积过程中颗粒组成特征 见表2 ，一般表现为下粗上细的特点，可分为三种类型即粉细沙为主结构类 型；砂砾层为主结构类型和粘性土为主结构类型。它主要接受侧向区域迳流补 给，水平渗透性强，垂直渗透能力次之，补给能力不畅。 ． 表2 五沟煤矿补5 采对比孔及第四含水层结构特征表 T a b l e2T h ec o n f i g u r a t i o nc h a r a c t e ro f t h ef o u r t ha q u i f e ra n dc o m p l e m e n t a r i t y f i v ec o n t r a s tb o r ei nW uG O t lm i n e ．1 3 ． 安徽理工大学硕士论文 从全井田看，四含厚度为6 ．1 2 ～3 9 ．1 9 m ，平均2 0 ．7 0m ，矿内3 0 线以南的 中部地段古冲沟地形低洼处，四含沉积厚度较大，砂砾颗粒较租。3 0 线以北及 东西两侧四含沉积厚度较小，四含分布情况见图2 ．3 ～2 ．6 。四含厚度由北向南、 由东西两侧向中部逐渐增厚，富水性也由北向南、由东西两侧向中部逐渐增强。 在本项目的研究过程中，对0 5 1 采前对比孔和首采区内1 2 个钻孔揭露四含的 资料进行了对比分析，确定四含厚度在首采区为7 ～2 9 m 。通过对补1 ～补4 和 采前对比孔的四含土样进行颗粒分析试验，结果是粘粒占2 ～1 9 ％，粉细砂粒 含量4 7 ～7 0 ％，中粗砂粒占1 0 ～4 0 ％，砾石占2 ～1 0 ％。可见，四含颗粒组成不 均匀，级配中等～良好。 2 ．四含的渗透稳定性性分析 薄基岩浅埋煤层开采过程中，覆岩会产生冒落、裂隙，随着地下水的渗透 以及细颗粒随水流出。原来相对平衡的渗透场被打破，从而逐渐影响到的渗透 稳定性。渗流是水流流过土体颗粒间孔隙的一种现象，一般用渗透系数来反映 土体的渗透性能，用水力破坏梯度反映土体的渗透稳定性。 从四含的颗粒分选性实验可以看出，其颗粒组成较为分散，差异较大，性 质较复杂。工程上的研究证明，孔隙的大小直接关系到土体的渗透性和渗透稳 定性。而土体中的孔隙又取决于颗粒级配。一般情况下，在土体中，中粗粒形 成骨架，细粒充填孔隙，充填得越密实，土体的孔隙越小。所以需要从粗粒含 量对四含渗透系数及破坏水力梯度的影响方面探讨其渗透稳定性。 结合本次研究中补1 ～补4 和水文对比孔四含土样进行的渗透实验，渗透 系数为0 。3 4 6 ～1 ．9m ／d 。测试结果表明，粗粒含量越高，渗透系数越大。由现 场和实验室测试结果来看，四含单位涌水量和渗透系数值均较小，表明四含地 下水的迳流补给条件相对较差。可作为相对隔水层来看待，也可将其作为薄基 岩浅埋煤层采煤煤岩柱的一部分。 3 ．四含的富水性分析评价 根据补1 ～4 和补5 采前水文对比孔和井筒开挖揭露资料以及井筒施工和上 述实验结果表明四含为多层结构，富水性各向异性，属于非均质含水层。由 于砂的粒径小，含泥量大，呈固结半固结状态，富水性较弱，透水性也不强， 流动性较差，对五沟煤矿薄基岩浅埋煤层的安全开采较为有利。 2 ．2 基岩含水层性质及断裂构造导水性 勘测资料表明，五沟煤矿的基岩含水层，主要是煤系砂岩含水层和煤层底 ．1 4 2 矿井水文地质特征和开采技术条件 部灰岩含水层。同时，基岩风氧化带含隔水性和断裂构造的渗阻水性，对井下 开采亦有不同程度的影响。 2 ．2 ．1 煤层顶底板砂岩含水性和汇水特征 五沟井田二迭系地层的含水层，主要是l O 煤层顶部砂岩和7 、8 煤层顶底 板砂岩裂隙含水层。1 0 煤层顶板5 0 m 以上的7 、8 煤层顶板岩层中的砂岩，多 为泥质胶结，裂隙不发育；3 、7 、8 煤顶底板砂岩富水性极弱，可视为弱透水 层。且距酋采工作面较远，对首采工作面无影响。 在砂岩裂隙含水层中，对首采工作面充水有直接影响的，主要是1 0 煤层顶 底板砂岩。在该层上覆岩层5 0 m 范围内，砂岩累计厚度平均为5 ～l O m ，约占2 0 ％ 左右