山东省煤矿水害特征及防治技术途径研究.pdf

分类号分类号TD745TD745TD745 TD745 密密级级 公公开开 U D CU D CU D C U D C 单位代码单位代码 104241042410424 10424 学学 位位 论论 文文 山东省煤矿水害特征及防治山东省煤矿水害特征及防治山东省煤矿水害特征及防治 山东省煤矿水害特征及防治 技术途径研究技术途径研究技术途径研究 技术途径研究 刘刘 永永 贵贵 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位专业专业名名称称矿产普查与勘探矿产普查与勘探 指导教师姓名指导教师姓名魏魏 久久 传传职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二零零七零零七年六月年六月 论文题目论文题目论文题目 论文题目 山东省煤矿水害特征及防治山东省煤矿水害特征及防治山东省煤矿水害特征及防治 山东省煤矿水害特征及防治 技术途径研究技术途径研究技术途径研究 技术途径研究 作者姓名作者姓名作者姓名 作者姓名 刘永贵刘永贵入学时间入学时间入学时间 入学时间 200200200 200 4 4 4 4 年年 9 9 9 9 月月 专业名称专业名称专业名称 专业名称 矿产普查与勘探矿产普查与勘探研究方向研究方向研究方向 研究方向 水文地质与水资源工程水文地质与水资源工程 指导教师指导教师指导教师 指导教师 魏久传魏久传职职职 职 称称称 称 教教授授 论文提交日期论文提交日期论文提交日期 论文提交日期 200200200 200 7 7 7 7 年年 5 5 5 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期 论文答辩日期 200200200 200 7 7 7 7 年年 6 6 6 6 月月 141414 14 日日 授予学位日期授予学位日期授予学位日期 授予学位日期 THETHETHE THE WATER-DISASTERWATER-DISASTERWATER-DISASTER WATER-DISASTER CHARACTERISTICCHARACTERISTICCHARACTERISTIC CHARACTERISTIC OFOFOF OF SHANDONGSHANDONGSHANDONG SHANDONG COALCOALCOAL COAL MINESMINESMINES MINES ANDANDAND AND THETHETHE THE STUDYSTUDYSTUDY STUDY ONONON ON ITSITSITS ITS APRROACHAPRROACHAPRROACH APRROACH TOTOTO TO WATERWATERWATER WATER PREVENTIONPREVENTIONPREVENTION PREVENTION ANDANDAND AND CURECURECURE CURE TECHNOLOGYTECHNOLOGYTECHNOLOGY TECHNOLOGY A A A A DissertationDissertationDissertation Dissertation tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements ofofof of thethethe the degreedegreedegree degree ofofof of MASTERMASTERMASTER MASTER OFOFOF OF E E E E NGINEERINGNGINEERINGNGINEERING NGINEERING fromfromfrom from ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and TechnologyTechnologyTechnology Technology bybyby by LiuLiuLiu Liu YongguiYongguiYonggui Yonggui SupervisorSupervisorSupervisor Supervisor ProfessorProfessorProfessor Professor WeiWeiWei Wei JiuchuanJiuchuanJiuchuan Jiuchuan CollegeCollegeCollege College ofofof of GeoinationGeoinationGeoination Geoination ScienceScienceScience Science andandand and EngineeringEngineeringEngineering Engineering JuneJuneJune June 200200200 200 7 7 7 7 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认认 的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它 任何学术机关作鉴定。任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION AFFIRMATION I I declaredeclare thatthat thisthis dissertation,dissertation, tedted inin fulfillmentfulfillment ofof thethe requirementsrequirementsforforthetheawardawardofofMasterMasterofofEngineeringEngineeringininShandongShandong UniversityUniversity ofof ScienceScience andand Technology,Technology, isis whollywholly mymy ownown workwork unlessunless referencedreferenced ofof acknowledge.acknowledge. TheThe documentdocument hashas notnot beenbeen tedted forfor qualificationqualification atat anyany otherother academicacademic institute.institute. SignatureSignature DateDate 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘要要 山东省煤矿水文地质条件比较复杂，肥城、新汶、淄博等矿区都是全国有名的大水 矿区，随着开采深度的增加，水害威胁越来越大，防治水工作比较严峻。本文研究了山 东省煤矿水害类型、特征和矿井水害发生机理，探讨了山东省煤矿水害防治技术途径。 论文在对山东省区域地质和水文地质背景分析的基础上，对山东省煤矿开采煤层和充水 性进行了分析和总结；通过对山东省煤矿突水资料的统计分析，对山东省煤矿水害类型 进行了划分，对各类水害特征进行了分析；运用“上三带”和“下三带”理论,研究了煤 层顶、底板突水机理；分别从不同水害类型防治、区域防治、重点防治、人为防治、环 境防治等方面提出了山东省煤矿水害防治技术途径。 关键词关键词水文地质，水害类型，水害特征，突水机理，水害防治 山东科技大学硕士学位论文摘要 AbstractAbstract The hydrogeological condition of Shandong Province is comparely complex, and Feicheng, Xinwen, Zibo are all the famous water-rich mining areas in China.Thepaperstudiesthewater-disastertype,water-disaster characteristicandcoalminewater-disastermechanismanddiscussesthe approach to water- disaster prevention and cure in Shandong province. At the basis of the background analysis of regional geological and hydrogeological characteristic of Shandong coal mines, The paper summarizes the mining- coalbedandwater-filledproperty;thepaperclassifiesthetypeofthe water-disaster and its characteristic through the statistics of the water- inrush material of Shandong coal mines; At the basis of the up “three zones” and down “three zones” theory, coalbed top layer and floor water- inrush mechanism are studied;The water-disaster approach to prevention and cure of Shandong coal mine is presented from the aspect of different water- disaster type, regional, major, human-control, environment prevention and cure. KeyKey WordsWordshydrogeology,water-disaster type,water-disaster characteristic water-inrush mechanism,water-disaster prevention and cure 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1 绪论....................................................................................................................1 1.1 课题来源及研究意义.................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状.......................................................................................................... 1 1.3 研究的主要内容、研究方法及技术路线.................................................................. 5 2 山东省区域地质和水文地质背景....................................................................7 2.1 区域地质背景.............................................................................................................. 7 2.2 水文地质背景............................................................................................................ 13 3 山东省煤矿水害类型及特征..........................................................................20 3.1 煤矿突水资料统计分析............................................................................................ 20 3.2 煤矿水害类型............................................................................................................ 23 3.3 煤矿水害特征............................................................................................................ 36 4 矿井水害发生机理..........................................................................................38 4.1 底板突水机理............................................................................................................ 38 4.2 顶板突水机理............................................................................................................ 50 5 山东省煤矿水害防治技术途径......................................................................61 5.1 煤矿不同水害类型的防治........................................................................................ 61 5.2 区域防治.................................................................................................................... 68 5.3 重点防治.................................................................................................................... 71 5.4 人为防治.................................................................................................................... 73 5.5 环境防治.................................................................................................................... 76 5.6 小结............................................................................................................................ 79 6 结论..................................................................................................................80 致 谢....................................................................................................................82 攻读硕士期间主要成果......................................................................................83 参考文献..............................................................................................................84 山东科技大学硕士学位论文contents ContentsContentsContents Contents 1 1 1 1 IntroductionIntroductionIntroduction Introduction 1 1 1 1 1.1 The Resourses of project and Research signification 1 1 1 1 1.2 Research actuality both at home and abroad 1 1 1 1 1.3 Research contents and s and technical line 5 5 5 5 2 2 2 2 TheTheThe The backgroudbackgroudbackgroud backgroud ofofof of regionalregionalregional regional geologygeologygeology geology andandand and hydrogeologyhydrogeologyhydrogeology hydrogeology ofofof of ShandongShandongShandong Shandong ProvinceProvinceProvince Province 7 7 7 7 2.1 Regional geology backgroud 7 7 7 7 2.2 Hydrogeology backgroud 1 1 1 1 3 3 3 3 3 3 3 3 TypeTypeType Type andandand and characteristiccharacteristiccharacteristic characteristic ofofof of water-disasterwater-disasterwater-disaster water-disaster ofofof of ShandongShandongShandong Shandong coalcoalcoal coal minesminesmines mines 202020 20 3.1 Statistical analysis of water-inrush materials of coal mines 202020 20 3.2 Water-disaster type of coal mines 232323 23 3.3 Water-disaster charicteristic of coal mines 363636 36 4 4 4 4 MechanismMechanismMechanism Mechanism ofofof of water-disasterwater-disasterwater-disaster water-disaster occurrenceoccurrenceoccurrence occurrence ofofof of coalcoalcoal coal mineminemine mine 383838 38 4.1 Mechanism of water-inrush from floor 383838 38 4.2 Mechanism of water-inrush from roof 505050 50 5 5 5 5 TheTheThe The approachapproachapproach approach tototo to water-disasterwater-disasterwater-disaster water-disaster controlcontrolcontrol control techniquestechniquestechniques techniques ofofof of ShandongShandongShandong Shandong coalcoalcoal coal minesminesmines mines 616161 61 5.1 Different kinds of water-disaster’s control 616161 61 5.2 Regional control 686868 68 5.3 Major control 717171 71 5.4 Human error’s control 737373 73 5.5 Environmental control 767676 76 5.6 Summarization 797979 79 6 6 6 6 ConclusionConclusionConclusion Conclusion 8 8 8 8 0 0 0 0 AcknowledgementAcknowledgementAcknowledgement Acknowledgement 828282 82 MainMainMain Main WorkWorkWork Work AchievementAchievementAchievement Achievement ofofof of thethethe the AuthorAuthorAuthor Author duringduringduring during WorkingWorkingWorking Working ononon on MasterMasterMaster Master PaperPaperPaper Paper 838383 83 ReferrencesReferrencesReferrences Referrences 848484 84 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 1 1 1 绪论绪论绪论 绪论 1.11.11.1 1.1 课题来源及研究意义课题来源及研究意义课题来源及研究意义 课题来源及研究意义 1.1.11.1.11.1.1 1.1.1 课题来源 该论文选题来源于 2004 年山东科技大学与山东省煤炭工业局合作项目 山东省煤矿 水害重特大灾害治理与预防研究 。 1.1.21.1.21.1.2 1.1.2 研究意义 矿井水害一直是制约煤矿安全生产的重大矿井灾害之一。山东省是我国煤炭资源大 省，2004 年达 1.8 亿吨，煤炭产量居全国第二位，占全国总产量的 10。煤炭资源在山 东省经济发展中占有举足轻重的地位，但山东煤炭资源开发历史悠久，开采深度越来越 大，煤矿安全事故时有发生。从山东煤矿开采历史上统计，国有重点煤矿从 1949 年至 2004 年共发生重特大水害事故 55 起，造成死亡事故 25 起，死亡 431 人。地方煤矿（包 括国有地方煤矿和乡镇煤矿）从 1972 年至 2004 年共发生重特大水害事故 41 起，死亡 351人。2003 年全省发生煤矿水害事故 4 起，死亡 51 人。其中重大事故 2 起，特大事故 1 起。 死亡人数占全省煤矿死亡总人数的52.6（全省煤矿死亡人数 97人） 。这是自1993 年以来水害事故死亡人数最多的年份。 截至到 2005 年底，在全省 327 对生产矿井中，受五种自然灾害威胁的矿井占 70％ 以上，其中受各类水害威胁的矿井 127 对（占 38.8） ，充分说明山东省煤矿防治水工作 的长期性、艰巨性和紧迫性。 煤矿水害事故的发生，不仅造成生产损失和人员伤亡，导致多种环境负效应，而且 还威胁着大量煤炭资源不能开采，对矿井安全生产构成重大影响。通过对山东煤矿水害 情况调查、分析、研究，掌握山东省水害的分布规律与特征，可以提前采取有效的探放 水措施， 解放大批受水威胁的煤层， 创造更大的社会价值和经济效益,这对实现矿井安全 生产具有重大的理论和现实意义。 1.21.21.2 1.2 国内外国内外国内外 国内外 研究现状研究现状研究现状 研究现状 1.2.11.2.11.2.1 1.2.1 国外研究现状国外研究现状国外研究现状 国外研究现状 [36] 世界上许多国家如匈牙利、南斯拉夫、西班牙等，岩溶地层覆盖面积很大，因而在 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 煤矿开发中都程度不同的受到岩溶水的影响。国外煤矿底板岩溶水的研究一有 100 多年 的历史，在底板岩体结构的研究、探测技术及防排水措施等方面，积累了丰富的经验。 早在 20 世纪初，国外就有人注意到底板隔水层的作用，并丛若干次底板突水资料 中认识到，只要煤层底板有隔水层，突水次数就少，突水量也小，隔水层越厚则突水量 越少。直到 1944 年，匈牙利韦格.弗伦斯第一次提出底板相对隔水层的概念。他指出， 煤层底板突水不仅与隔水层厚度有关，而且还与水压力有关。突水条件受相对隔水层厚 度（相对隔水层厚度是等值隔水层厚度与水压力值之比）的制约。同时提出，在相对隔 水层厚度大于 1.5m/atm 的情况下，开采过程中基本不突水，而 80～88的突水情况都是 相对隔水层厚度小于此值。1952 年以后，许多岩溶水上采煤的国家引用了只要相对隔水 层厚度大于 2m/atm 就不会引起煤层底板突水的概念。 以后， 现场和实验室结合研究了隔 水层的作用，研究的主要问题有两个，一是岩体结构阻水能力，二是岩体强度抗破 坏能力。 1974 年，匈牙利国家矿业技术鉴定委员会已将相对隔水层厚度的概念列入矿业 安全规程 ，并对不同矿井条件做了规定和说明。70 年代后，苏联等国家也开始研究相 对隔水层的作用，包括采空区引起的应力变化对相对隔水层厚度的影响以及水流和岩体 结构关系等。 在理论研究的同时， 世界各国还十分重视水害的防治和岩溶及断裂的探测技术等工 作。随着电子工业的发展，国外岩溶探测技术有了很大进步，尤其是 80 年代，探测仪器 的先进性、实用性有了长足的进步，主要表现在能准确探察采前煤层底板岩溶发育特 点及分布规律，超前探测构造的导水性，并且向“无损”探测技术发展。各种探测仪器 也相继研发成功，如美国国际地球物理公司（GI）研制的 Petro-sonde 地电探测仪、GD 公司研制的 ES-1225 及 ES-2401 型多道信息增强型地震仪、美国军工生产的地质雷达、 德国的SEAMEX-85型槽波地震仪、 日本VIC公司研制的GR-810型全自动地下勘探仪等等 。 此外，匈牙利、南斯拉夫等国家采用偶极探测法寻找地下岩溶溶穴；激发极化法探测地 下含水岩层；无线电波透视发探测孔距 200m 内的岩溶、不连续界面等。所有这些都为煤 层水害的防治作出了重大贡献。 1.2.21.2.21.2.2 1.2.2 国内研究现状国内研究现状国内研究现状 国内研究现状 早在 20 世纪 50 年代， 国内专家就已认识到突水现象与含水层的富水性、 水头压力、 相对隔水层厚度及断层的存在等因素有关。60 年代初，煤炭科学院地质勘探分院将突水 作为上述因素的综合结果，以统计资料为基础，提出了突水系数的概念，即单位实际隔 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 水层厚度可承受的临界水压值，在当时发挥了一定的作用。60 年代中期，煤炭科学院地 质勘探分院与峰峰矿务局合作，对隔水底板进行了钻空水试验，提出突水过程和每米厚 度岩层，包括断层、节理、裂隙等结构面在内的极限强度有关。70 年代后，由于矿井突 水事故频繁，淹井事故严重，造成了很大的国民经济损失。为此我国的科学研究者开展 了广泛的科学研究和现场测试工作，对煤矿底板突水有了较深的认识，取得了大量研究 成果， 为矿井安全生产作出了重大贡献。 80 年代中期， 对底板突水机理基本得到了共识 ， 那就是含水层的富水性、隔水层底板厚度及存在的断层、裂隙、水头压力和矿压（包括 地应力）诸因素综合作用的结果，并通过水文地质、工程地质、岩体力学、地球物理勘 探和现场测试等多种技术手段进行了综合研究，取得了许多研究成果，并在此基础上结 合岩石力学理论总结出具有我国特色的突水机理新理论，主要有煤科总院北京开采所 刘天泉院士、张金才博士等提出的薄板结构理论、煤科总院北京开采所王作宇、刘鸿泉 等提出的“零位破坏”与“原位张裂”理论、中科院地质所提出的“强渗通道”说 、 、煤 科院西安分院提出的“岩水应力关系”说、中国矿业大学钱鸣高院士、黎梁杰博士等提 出的“关键层”理论、山东矿业学院特采所李白英教授及其同事提出的“下三带”理论。 目前，基于对煤矿水害的分析与防治，许多学者都做了大量的研究，并取得一定的 成果。如山东科技大学的魏久传、施龙青等与新汶矿业集团合作的“新汶矿区水害治理” 项目通过研究，建立起了矿井防水系统和设施的安全评价体系，从理论、手段和方法上 形成具有矿区特色、国际先进水平的矿井水防治体系，并为其他类似矿区的水害防治起 到了示范作用。王永红、沈文的“中国煤矿水害预防及治理”， 全面论述了中国水害类型 、 特点及突水特征，并提出了预防与治理措施[33]。山东科技大学施龙青、韩进的“底板突 水机理及预测预报”， 结合实用矿山压力控制理论及几何损伤力学力学， 论述了底板突水 机理，并提出了底板突水预测预报的新方法[26]。福建省煤田地质局黄必荣的“福建省煤 矿水害事故综合分析与防治对策”， 选择了福建省 1975～1998 年发生的 23 起典型水害事 故，进行综合分析，寻找福建省煤矿水害事故的特点、发生原因和教训，并提出防治对 策[10]。郑州煤炭工业集团有限责任公司陈建生的“郑州矿区水害与防治技术”，介绍了 郑州矿区水文地质特征、矿区水害类型及产生水害的原因，阐述了矿区奥灰水、石炭系 薄层