山西双柳煤矿矿坑涌水量预测.pdf

硕士学位论文 山西双柳煤矿矿坑涌水量预测 硕士研究生余方胜 导师邵爱军 教授 申请学位级别硕士 学科、专业地质工程 答辩日期2012 年 6 月 3 日 授予学位单位石家庄经济学院 石家庄经济学院 2012 年 6 月 3 日 A Dissertation ted to Shijiazhuang University of Economics For the Academic Degree of Master P Prediction of water discharges orediction of water discharges of f Shuang liuShuang liu Coal Mine in ShanxiCoal Mine in Shanxi CandidateYu Fang Sheng Supervisor Professor Shao Aijun Academic Degree Applied forMaster Specialty School/DepartmentShijiazhuang University of Economics Shijiazhuang University of Economics May, 2012 独独 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明 所呈交的论文是我在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果， 也不包含为获得石家庄经济 学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 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了谢意。 签名 日期 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄经济学院有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 签名 导师签名 日期 I 摘摘 要要 双柳煤矿位于离柳矿区的西部，是山西省汾西矿业（集团）有限责任公司下 属的主要生产矿井之一，井田面积 31.03km2，矿区位处山西省河东煤田中部，在 水文地质单元中属柳林泉域岩溶水系统。矿井存在底板突水、陷落柱突水等水害 隐患，随着生产工作面的不断拓展，矿井地质及水文地质条件越来越复杂，为保 证矿山安全开采，进行涌水量预测具有重要的现实意义。 为解决双柳煤矿太原组灰岩含水层对煤层开采的影响，本论文的指导思想是 在充分收集现有的煤田地质勘探、水文地质补充勘探及矿井生产所取得的水文地 质资料的基础上，以三采区为主，结合疏水工程进行太灰水放水试验，以取得更 为可靠的水文地质参数， 进行涌水量的预测评价计算和太灰水危险程度分析评价， 并提出下一阶段合理的防治水技术措施。 本文建立了完整的有限差分非稳定流数学模型，并采用 Visual 软件中的 MODFLOW 模块，建立数值模型，通过模型的识别验证，观测孔水位的模拟值和 实测值拟合较好，因此，利用此模型预测矿坑涌水量。预测结果为34煤疏干 涌水量为 1920.0m3/d；89煤疏降涌水量为 3600.0m3/d。 根据涌水量预测结果及矿井具体情况， 提出了地表防治水措施和井下防治 水措施，针对矿井生产实际情况，应制定并实施中长期防治水规划。 关键词双柳煤矿；放水试验；涌水量；数值模拟；Visual MODFLOW II AbstractAbstract The Shuangliu coal mine is located the west of the mine of Liu which is one of the main production under the mine of Shanxi Province Fenxi Mining Group Co., Ltd., Ida area 31.03km2 .Mining area is located in central Shanxi Hedong coalfield, in the hydrogeological unit the case of Liuof Linquan domain karst water system. Mine has the the problems of existence of water inrush, the fall of the column of water inrush and water damage hidden .With the continuous expansion of the production face increasingly complex, the mine geological and hydrogeological conditions has importantly practical significance .In order to ensure the exploitation of mine safety, we should has the inflow forecast. To solve the Shuangliu mine Taiyuan ation limestone aquifer on the coal seam, the guiding ideology of this paper is on the basis of the full collection of existing coalfield geological prospecting, the hydrogeological additional exploration mine production made by hydro-geological data and Third District-based combined with the hydrophobic works too gray water drainage test which order to obtain more reliable hydrogeological parameters, prediction of water inflow uation of computing and too gray water level of risk analysis and uation, and proposed next phase of the prevention and treatment measures of water technologies. In this paper, the finite difference unsteady flow mathematical model, MODFLOW and Visual software modules, to establish the numerical model through the identification of the model validation, the simulated and measured values of the observation wells water level fits well, and take advantage of this The model predicts mine discharge . The predicted result is 34coal dewatering water inflow 1920.0m3 / d；89coal dewatering water inflow 3600.0m3 /d. Inflow the predictions and mine-specific circumstances, surface water prevention and control measures and underground water prevention and control measures for mine production of the actual situation, we should develop and implement long-term control of water planning. Keywords Shuangliu coal mine; drainage water test; water inflow; numerical simulation; Visual MODFLOW 目 录 摘 要 ......................................................................................................................................................... I Abstract .......................................................................................................................................................II 第一章 绪 论......................................................................................................................................... 1 1.1 选题的目的意义.......................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状.......................................................................................................................... 1 1.3 研究内容及技术路线 .................................................................................................................. 3 第二章 研究区概况................................................................................................................................. 5 2.1 自然地理概况.............................................................................................................................. 5 2.2 矿井概况 ..................................................................................................................................... 7 第三章 地质及水文地质条件 ................................................................................................................. 8 3.1 地质条件 ..................................................................................................................................... 8 3.2 水文地质条件............................................................................................................................ 12 第四章 太灰含水层疏放水试验 ........................................................................................................... 25 4.1 太灰初始流场分析 .................................................................................................................... 25 4.2 8 煤轨道联巷探放水................................................................................................................ 26 4.3 井下联合放水试验 .................................................................................................................... 29 第五章 太灰地下水数值模拟 ................................................................................................................. 34 5.1 水文地质概念模型 ................................................................................................................... 34 5.2 地下水流数学模型 .................................................................................................................... 38 5.3 地下水流数值模拟 .................................................................................................................... 39 5.4 模型识别与检验........................................................................................................................ 40 第六章 太灰水涌水量预测及突水危险性评价 ................................................................................... 50 6.1 太灰水涌水量预测 .................................................................................................................... 50 6.2 太灰水涌水量预测评价 ............................................................................................................ 57 6.3 太灰水突水危险性评价 ............................................................................................................ 57 6.4 太灰水防治措施与建议 ........................................................................................................... 63 第七章 结论........................................................................................................................................... 65 参考文献 .................................................................................................................................................. 66 致谢 .......................................................................................................................................................... 69 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.11.1 选题的目的意义选题的目的意义 我国煤炭资源丰富,在探明的能源资源总量构成中，煤炭占 87.4。我国煤炭 生产以井工开采为主，其产量占煤炭总产量的 95。但我国煤矿的水文地质条件十分 复杂,煤矿受水害威胁非常严重。据统计资料,目前国有煤矿有 200 多对矿井受水害威 胁,其生产能力占总生产能力的 30左右。因此，为煤矿安全开采提供正确、直观的水 文地质依据，具有重要的现实意义。 由于受矿区水文地质条件的勘探复杂程度及数学模型的应用条件等的限制，使矿 井涌水量的预测往往难以获得令人满意的结果，预测值与实际值之存在较大的偏差， 或是导致设计排水能力不足、或是导致“大马拉小车”的浪费现象；这一问题在水文 地质勘查投入相对较小的中小型矿山尤为突出。双柳煤矿地处河东煤田中部，在水文 地质单元中属柳林泉域，从井下生产揭露情况来看，井田内小断层比较发育，不同含 水层之间的水力联系十分复杂。在开采上、下组煤过程中，将不同程度地受到太原组 灰岩水和奥灰水的威胁。尤其因下组煤上覆有太原组薄层灰岩含水层，下伏有奥陶系 高承压含水层，所以对下组煤资源的开发将面临严重的矿井水害问题。因此，以该煤 矿为例，进行矿坑涌水量预测研究，不仅具有一定的理论意义，而且也有一定的实用 价值。 山西省吕梁地区煤炭资源丰富。双柳煤矿位于离柳矿区的西部，是山西省汾西矿 业（集团）有限责任公司下属的主要生产矿井之一。井田面积 31.03km2，实际生产能 力 300 万吨/年。 本论文是在充分收集现有的煤田地质勘探、水文地质补充勘探及矿井生产所取得 的水文地质资料的基础上，以三采区为主，结合疏水工程进行太灰水放水试验，以取 得更为可靠的水文地质参数，从而建立相应的地下水数值模型，通过识别验证最终进 行矿坑涌水量预测，为矿坑水资源利用和矿区合理开发资源提供科学依据。 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 长期以来，矿坑涌水量一直是困扰矿山安全生产的一个非常棘手且又必须面对的 石家庄经济学院硕士研究生论文 2 问题。该水量确定的可靠度将直接关系到人们的生命财产安全，对于防止矿井突水、 淹井等矿山恶性事故发生、降低生产成本、保障矿山安全生产也具有重要意义。矿井 涌水量预测包括矿井总体涌水量预测和具体开拓工程（如竖井、平巷、斜井）涌水量 预测。主要任务是预测不利边界条件、不利垂向补给条件下将威胁矿山安全的最大涌 水量和正常补给条件下正常涌水量，为设计矿山排水能力提供依据；预测枯水条件下 的最小可能涌水量（简称最小涌水量） ，为利用矿井水提供水量下限；必要而且可能 时， 预测正常补给条件下矿井排水量与矿山疏干时间的关系， 以确定最佳疏干排水量。 矿井涌水量预测不仅要反映补给期与非补给期、洪水年份与枯水年份在补给因素、边 界条件和径流通道方面的差异，也要反映天然条件以及矿床开采条件的变化。为此， 国内外众多学者从不同角度对矿井涌水量预测进行了研究。国内外常用的矿坑涌水量 预测方法主要有水文地质比拟法、涌水量曲线方程法和稳定流解析法四类。这四类方 法简便易行，但仅适用于水文地质条件比较简单的矿山矿床。随着科学技术的发展， 20 世纪 70 年代以来，数值法和电网络模拟法逐渐得到了应用，这两类方法不仅可以 模拟边界比较复杂的矿床，还可以考虑含水层的各项异性，模拟矿山排水条件下，涌 水量随时间的变化过程，但该方法对基本的地质、水文地质条件要求勘探程度较高。 矿井涌水量预测是随矿床地质勘探程度的深入和对矿床水文地质条件认识的深 化而逐渐完成的，可分为三个步骤建立水文地质模型；选择计算方法，建立相应的 数学模型；求解数学模型，评价预测结果。常用的矿井涌水量预测方法有涌水量曲线 方程法、水文地质比拟法、稳定流解析法和水均衡法四类。这四类方法适用于水文地 质条件相对简单的矿山，且都具有简单易行的优点。根据当前矿坑涌水量预测中常用 的各种数学模型的种类，可将其划分为如下类型 Q-S                          曲线方程 非确定性统计模型 回归方程 稳定井流公式 解析解井流方程 非稳定井流公式 有限元法 数学模型分类 确定性模型 数值解 有限差分法 水均衡法 混合型模型 第一章 绪论 3 目前最常用的计算方法是有限元法和有限差分法。根据不同的方法，国外编制 了不同的数值模拟软件，主要有美国地质调查局的标准有限差分程序 MODFLOW、 加拿大Waterloo水文地质公司Visual MODFLOW、 德国卡塞尔大学PM有限差分软件， 还有 GMA、GW、Vista 等软件。这些国际流行的地下水流模拟软件，可以实现水质 点的向前、 向后示踪流线模拟、 计算出三维流线分布和任意时间段水质点的移动位置、 进行任意区域的水均衡研究。本论文将运用 Visual MODFLOW 数值模拟和计算。 1.31.3 研究内容及技术路线研究内容及技术路线 本文研究的主要内容包括以下几个方面 在广泛阅读大量国内外关于矿井涌水量文献的基础上，对该领域的研究动态进行 总结，评价各种矿井涌水量预测的方法，分析矿井涌水量预测主要研究进展、存在问 题以及需要继续深入研究的问题。 水文地质参数的确定是研究地下水运动问题的关键，本文通过抽水试验、同位素 示踪等方法获取研究区的有关参数值，并将其作为数值模型的参数初值，最后通过模 型识别得出各个参数分区的值。 通过对和县龙塘沿铁矿矿区地质、水文地质条件的分析、边界条件的概化，概化 研究区的水文地质概念模型，并在此基础上建立研究区矿坑涌水量的数学模型与数值 模型。 利用 Visual MODFLOW 软件建立数值模型，预测涌水量。针对矿区主要煤层预 测矿坑涌水量，提出合理的防治水措施 根据上述研究内容，本论文的技术路线如图 1-1 所示。 石家庄经济学院硕士研究生论文 4 图 1-1 技术路线图 Fig.1-1 Technical route 含水层水力特 征分析 计算范围和边 界条件分析 煤矿防治水措施 地下水数学模型 模型识别与验证 预测矿坑涌水量 水文地质概念模型 水文地质专项勘查 含水层内部结 构分析 地下水数值模拟 矿坑突水危险性评价 收集前人工作资 料 第二章 研究区概况 5 第二章第二章 研究区概况研究区概况 2.12.1 自然地理概况自然地理概况 矿区位处山西省河东煤田中部。南距柳林县城 17km，行政区划属吕梁地区柳林 县管辖。其范围北至三交三号井田精查区 13 剖面线，南至聚财塔断层，东至精查区 东界，西至黄河阶地。区内柳林县有铁路、公路与全国各地相通，县城通往孟门镇的 公路从井田中部通过，南距 307 国道 10 余公里，各大村镇均有简易公路相通，交通 较为便利（见图 2-1） 。 图图 2-1 交通示意图交通示意图 Fig.2-1 The sketch map of traffic 地理坐标 东经 11045′43″～11050′23″， 北纬 3730′19″～3735′ 00″。井田面积 31.03km2。本次疏放区范围为双柳井田一水平二采下山巷道和三采区 的轨道巷中。井田范围及勘查区范围（见图 2-2） 。 双柳 石家庄经济学院硕士研究生论文 6 19479000 19479000 19480000 19480000 19481000 19481000 19482000 19482000 19483000 19483000 19484000 19484000 19485000 19485000 19486000 19486000 19487000 19487000 4153000 4154000 4155000 4156000 4157000 4158000 FS1 FS2 G1 FS4 FS5 G4 G5 G6 G3 G7 N 4154000 4155000 4156000 4157000 4158000 FS6 4153000 孟门镇 刘家塔 小河沟村 岭上村 郭家塔 西刘家山 郭家山 崖窑上村 工业广场 本次施工太灰钻孔 本次施工奥灰钻孔 井田范围 疏放区范围 图图 2-2 双柳井田范围及双柳井田范围及疏放疏放区范围简图区范围简图 Fig.2-2 Shuang liu Mine and exploration area diagram 柳林泉域地处吕梁山中段西部。 山脉走向近南北， 地势东高西低， 南北高中部低。 区内最高点在南部的上顶山和东部的五龙山，海拔分别为 2100.7m 和 2106.5m，最低 点在双柳煤矿西南角的黄河滩（标高 644m） 。泉域内山峰连绵、沟谷纵横。地貌形态 依次为中高山、中山、低山丘陵、河谷组成的地貌景观。纵观井田全区，地形东高西 低， 沟谷基本呈近东西向垂直黄河分布。 区内地形最高点位于白家坡南， 标高 1000.5m， 最低点为西南角的黄河滩， 标高 644m， 一般标高 750m～850m， 相对高差 356m 左右。 双柳井田地处晋西黄土高原，属暖温带大陆性季风半干旱气候，气温昼夜变化悬 第二章 研究区概况 7 殊，四季分明。冬季寒冷干燥，冬春季多西北风，气候干旱，夏季炎热，雨量集中， 有时出现洪水灾害。多年平均气温 10.5℃，其中 1 月最低，平均-6.1 C，7 月最高， 平均 24.6℃。春季多东风，夏季多南风，秋季多西风，冬季多北风。年最小相对湿度 0，年平均相对湿度 55％。 多年平均年降水量 472.3mm，历年最大年降水量 632mm，最小为 242.1mm，降 水量年内差异悬殊，主要集中在 7～9 月，且多暴雨，占年总降水量的 58.8％。历年 日最大降水量 90.6mm。1973～2008 年历年降水量动态见图。 0 19731978 降水量（100mm） 1 2 3 4 5 6 7 8 198319881993199820032008 图 2-3 历年降水量动态图 Fig.2-3 Dynamic of precipitation over the years 2.22.2 矿井概况矿井概况 双柳煤矿位于离柳矿区的西部,井田面积 31.03km2，井田共划分两个水平，标 高分别为585m 和510m。一水平划分三个采区，一采区已密闭，矿井目前开采一水 平二采及三采区二叠系山西组 3、4煤层上组煤，实际生产能力 300 万吨/年。双柳 煤矿目前采用主斜井、副立井混合开拓方式。矿井目前主要采掘第一水平 34煤层， 顶板采用全部垮落法管理。二采区 222、三采区 303 综采工作面采用长壁后退式，工 作面平均长度 168m，平均采高 3.3m，回采率为 95，采用斜切进刀方式开采。 在查明矿区水文地质条件、奥灰及太灰岩溶水赋存规律及突水条件的基础上，本 论文根据钻孔、含水层高程信息等资料，建立了数值模型，并对目的层进行矿坑涌水 量预测，为保证矿井安全生产和开展防治水技术措施提供依据。 石家庄经济学院硕士研究生论文 8 第三章第三章 地质及水文地质条件地质及水文地质条件 3.13.1 地质条件地质条件 3.1.13.1.1 地层地层 研究区地层自老至新有下古生界奥陶系中统下马家沟组、 上马家沟组、 峰峰组； 上古生界石炭系中统本溪组、上统太原组；二叠系下统山西组、下石盒子组，上统上 石盒子组及石千峰组；新生界第三系、第四系。井田内出露地层为二叠系上统上石盒 子组及石千峰组。地层由老至新叙述如下 （1）奥陶系（O） ① 中统马家沟组（O2x 、O2s） 出露于泉域东部。据中阳县苍湾实测剖面资料，本组厚度为 361m。 下马家沟组（O2x）厚度 133m，根据岩性可分为三段。一段（O2x1）为灰黄色角 砾状白云质泥灰岩夹薄层石灰岩；二段（O2x2）为浅灰、深灰色厚层状白云质灰岩夹 薄层灰岩；三段（O2x3）为青灰、黄灰色薄-中厚层状白云质灰岩与泥灰岩，顶部含致 密块状白云岩，质纯。 上马家沟组（O2s）厚度为 228m，根据岩性分为三段。一段（O2s1）为一套灰黄、 灰白色角砾状白云质泥灰岩夹薄层泥灰岩；二段（O2s2）为青灰色中厚层状白云质豹 皮灰岩；三段（O2s3）以灰、深灰色厚层状石灰岩、豹皮状灰岩及白云质灰岩为主， 夹白云质泥灰岩及泥质白云岩。 ② 中统峰峰组（O2f） 出露于泉域东部，与下伏上马家沟组呈整合接触，平均厚度为 119.54m。据岩性 分为二段，一段（O2f1）为浅灰、灰白色泥灰岩夹薄层白云质灰岩及铝土质泥岩，含 脉状及纤维状石膏 3～5 层，厚度不一，局部见硬石膏层，厚度 90～100m 左右；二段 （O2f2）为中厚-巨厚层状灰白、深灰色微晶石灰岩，质较纯，夹薄层灰黑色泥灰岩、 泥岩，厚度 20～30m 左右。 （2）石炭系（C） ① 中统本溪组（C2b） 该组平行不整合于峰峰组之上，厚度 21～34m，平均厚度 27.3m。据岩性分二段， 一段岩性为铁铝岩段，以褐铁矿及团块式黄铁矿为主，底部为山西式铁矿，呈透镜体 第三章 地质及水文地质条件 9 和鸡窝状，钻孔揭露以团块状黄铁矿为主，上部为深灰、褐灰色铝土岩（G 层铝土矿） 及黄铁矿结核， 平均厚度 8.5m； 二段岩性为灰黑色泥岩、 砂质泥岩、 深灰色铝质泥岩、 粉砂岩，夹灰色中-细粒石英砂岩，含 0～3 层石灰岩，平均厚度 18.8m。 ② 上统太原组（C3t） 本区主要含煤地层之一，该组以 K3砂岩底为顶界，以 K1砂岩底为底界，连续沉 积于下伏中统本溪组地层之上。根据沉积环境及岩性组合特征，由上至下分为三段， 揭露厚度 55.92～87.45m。 上段（C3t3） 由 K3砂岩底至 L5灰岩顶。岩性以深灰色、黑灰色泥岩、砂质泥岩 为主，夹薄层炭质泥岩或浅灰色铝质泥岩。揭露厚度 5.10～10.40m。 中段（C3t2） 由 L5灰岩顶至 L1灰岩底。岩性主要由 3～5 层深灰色、灰黑色中厚 层状生物碎屑灰岩（L5、L4、L3、L2、L1）夹碎屑岩类组成。生物碎屑灰岩为泥晶（微 晶）结构，泥质成分较高，裂隙及岩溶不发育，且多被泥质所充填。灰岩中夹灰黑色 泥岩、炭质泥岩及浅灰色铝质泥岩，以及灰黑色粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩（K2） 。 本段含煤 1～2 层，为 6和 7煤层，为局部可采薄煤层。揭露厚度 34.99～47.71m。 下段（C3t1） 由 L1灰岩底至 K1砂岩底。岩性为灰黑色泥岩、砂质泥岩、炭质泥 岩，浅灰色、深灰色中厚层状细粒砂岩，中夹 0～1 层极不稳定的生物碎屑微晶灰岩 （L0）及浅灰色铝质泥岩。本段含煤 3 层，自上而下为 8、9、10煤层均为可采煤层。 底部为灰色、 灰白色中厚层状细中粒石英砂岩 （K1标志层） 。 揭露厚度 27.0～39.41m。 本组地层含蜒、腕足、苔鲜虫、介形虫、瓣鳃、棘皮等动物化石及羊齿、楔叶、 鳞木等类植物化石。 （3）二叠系（P） ① 下统山西组（P1s） 本段为井田内另一主要含煤地层， 出露于井田以东的沟谷中。 厚度 50.56～87.8m， 平均 68.2m。以 K3砂岩为底，与下伏地层整合接触。岩性为灰白色、深灰色砂岩、黑 灰色泥岩及煤层，其中可采煤层及局部可采煤层 3 层（2、3、4） 。 ② 下统下石盒子组（P1x） 厚度 47.00～136.60m，平均 85.90m。分上、下两段下段底部以 K4砂岩为底连 续沉积于山西组之上，由灰色、灰绿色石英砂岩、长石石英砂岩及灰绿色砂质泥岩、 粉砂岩组成，偶有薄层状煤线。K4砂岩厚度变化大，0～20.81m，平均 5.4m，岩性为 中-细粒长石石英砂岩，发育交错层理。上段为灰绿色中厚层状砂岩，夹砂质泥岩、粉 砂岩、泥岩，顶部夹有紫色斑点的浅灰色铝质泥岩（桃花泥岩） 、富含铁质鲕粒及结 核，底部为厚层 K5砂岩，K5砂岩厚度 3.30～30.15m，平均 13.40m。 ③ 上统上石盒子组（P2s） 石家庄经济学院硕士研究生论文 10 在区内沟谷大面积出露，厚度 303～392m，平均 377.6m，以 K6砂岩为底连续沉 积于下伏地层之上。 分上下三段 下段平均厚度 102.9m， 主要由灰绿色砂岩夹紫红色、 黄绿色砂质泥岩及黑色砂质泥岩组成，下部 K6砂岩为一灰-灰白色厚层状中粗粒长石 石英砂岩；中段平均厚度 107.6m，以紫红色砂质泥岩为主，夹灰色、灰绿色砂岩和灰 黑色泥岩， 底部为一层厚层状长石石英砂岩， 泥质胶结， 含砾； 上段平均厚度 1