重庆鱼田堡煤矿矿井充水条件分析及治理方案.pdf

成都理工大学 硕士学位论文 重庆鱼田堡煤矿矿井充水条件分析及治理方案 姓名徐海洋 申请学位级别硕士 专业地质工程 指导教师夏克勤 20090601 摘 要 I 重庆鱼田堡煤矿矿井充水条件分析及治理方案重庆鱼田堡煤矿矿井充水条件分析及治理方案 作者简介徐海洋，男，1982 年 2 月出生，师从于成都理工大学夏克勤副 教授，2009 年 6 月毕业于成都理工大学地质工程专业，获得硕士学位。 摘摘 要要 矿床充水问题是采矿工程中常见的问题之一，在矿井建设和生产过程中，矿 井充水，增加了矿井的排水费用，有些矿井则由于充水条件复杂，充水性强，影 响到已查明的矿产不能早日进行开采。对于一些生产矿井，由于矿井充水，轻者 影响采掘效率， 重者造成淹采区、 矿井， 迫使生产停顿， 尤其是在岩溶发育地区。 鱼田堡煤矿，是南桐矿业公司属下的煤矿之一，位于重庆南部的万盛区万东镇五 里村，南桐煤田中部，其井田总体走向东西向，东与东林煤矿相邻，以 V 号勘 探线为界，西与南桐煤矿相邻，以刘家河为界。自 1958 投产至今，随着矿井开 采向深部延深，矿井涌水量出现“跳跃式”的大幅增长，并且矿区的水均衡按照 常规计算，矿井涌水量不能平衡，水害问题日显突出，使鱼田堡煤矿成为我国南 方水害最为严重的矿井之一。鱼田堡煤矿目前各水平涌水量分别为＋150m 水 平平均涌水量 75m/h，约占总水量 30左右；－100m 水平平均涌水量 145m/h， 约占总水量 20；－350m 水平平均涌水量 438m/h，水平水量几乎占总水量的 50。 鉴于重庆鱼田堡煤矿复杂的水文地质条件，随着开采深度增加矿井涌水量 “跳跃式”增长以及矿区的水均衡按照常规计算，矿井涌水量不能平衡的现状， 结合 2008 年“重庆鱼田堡煤矿截流减排”项目，笔者在导师的指导下，以“重 庆鱼田堡煤矿矿井充水条件分析及治理方案”为题，大量收集有关该地区自然地 理及水文地质条件的资料文献，通过现场地表、井下调研，从鱼田堡矿区的特殊 水文地质条件入手，对矿区矿井的充水条件进行分析，根据当地的特殊地质环境 重点研究“三带” （即冒落带、导水裂隙带、整体移动带）充水通道对矿井充水 强度的影响。利用二维离散元（2D_Block 软件）数值模拟软件建立了矿区开采 到150m、- 100m、- 350m 水平时的模型，模拟研究随着煤层开采深度的增加上 覆岩层破坏特征，确定开采到各个水平时煤层顶板的冒落裂隙带的最大高度，从 而找出各个开采水平的导水裂隙带发育状况。由此，找出矿井充水通道，确定各 个开采水平的充水水源，建立煤矿在开采条件下矿井充水水文地质概念模式。最 终合理地提出重庆市鱼田堡煤矿截流减排工程方案（包括地面截流、井下截流和 封堵钻孔） ，减少矿井排水费用，增加企业的经济效益，对该矿今后的经济发展 成都理工大学硕士学位论文 II 有极其重要的意义。 关键词 鱼田堡煤矿 水文地质条件 充水条件分析 导水裂隙带 二维离散元 ABSTRACT III Analysis of water conditions and management program in Chongqing Yutianbao coal mine Introduction of the author Xu hai yang, male, was born in February, 1982 whose tutor was associate Professor Xia Keqin. He graduated from Chengdu University of Technology in Geological Engineering Geology major and was granted the Master Degree in June, 2009. ABSTRACT Water- filled in mineral deposit is one of the common problems in mining engineering, in mine construction and production process, the mine water and increase the cost of the mine drainage, due to the complexity of some mine in water conditions, water- based filling, and has found an impact that can not be carried out the exploitation of mineral resources as soon as possible. For the production of the mine, as mine water, the light impact of the extraction efficiency, the heavy impact of the flooding caused mining area, mine forcing a halt of production, particularly in karst areas.Chongqing Yutianbao coal mine,is affiliated the bureau of Nantong coal mining,in the central of Nantong coal field,which located in Wuli Village in Wandong city,the south of Wansheng District of Chongqing.The coal field,the east- west direction in general,the east of it adjacent to Donglin coal mine,bounded by V lines of exploration,the west of it neighbored Nantong Coal Mine,Liu jia River as the border.Has been put into operation since 1958,with the deep extension of the exploitation, and the mining area in accordance with the conventional water balance calculation, the mine can not balance the discharge of the mine appeared “leapfrog“ in tremendous growth,the issue of water damage more obvious day by day,even causes the Chongqing Yutianbao coal mine as one of the most serious water disaster issues in south of China.The Chongqing Yutianbao coal mine present 3 water levels150m water level of the average water volume is 75m3/h,about 30 of the total amount of water volume;- 100m water level of the average water volume is 145m3/h,20 of the total water;- 350m water level of the average water volume is 438m3/h,accounting for almost 50 of the total amount of water. In view of complex hydrogeological conditions in coal field in Chongqing yutianbao, with the increase of mining depth， the current status of mine water growth in “leapfrog“, and the mining area in accordance with the conventional water balance calculation, mine water can not balance, combined with the project of discharge- saving and ejection- decreasing in Chongqing Yutianbao coal mine in 2008, under the guidance of instructor,in the title of “Analysis of water conditions and management program in Chongqing Yutianbao coal mine”,through a large number of ination on the physical geography of the region and the hydro- geological conditions of 成都理工大学硕士学位论文 IV literature,on- site research in surface and underground, from the special hydrogeological conditions in the area of Chongqing Yutianbao coal mine，analysis the conditions in water- filled mineral deposit according to the special local geological environment， focus on “three zones“ that is caving zone, hydraulic conductivity fracture zone, the overall mobile zone，where water- filled channel impacted on the Strength of water- filled mine.Using two- dimensional discrete element 2D_Block software of numerical simulation software to establish a mining model of the 150m,- 100m,- 350m levels,simulat the characteristics of destruction of the coal seam with an increase in the exploitation depth,determine the maximum height of overlying strata fracture zone,caving roof in various exploitation level,in order to identify the development status of crack in the various levels of water extraction.Thus, find out water- filled channel to determine the filled- water in various level, establish the water- filled mine hydrogeological conceptual model in coal mining conditions. Ultimately, propose the project of discharge- saving and ejection- decreasing in Chongqing Yutianbao coal mine reasonably including the ground closure, underground mine closure and borehole sealing,to reduce the cost of the mine drainage and increase the economic efficiency,it is extremely vital significance to the development of the mine enterprise’s economic in future. Key words Yutianbao coalmine hydrogeologiealeondition Analysis of water conditions Water- flowing Fractured Zone Two- dimensional discrete element 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 成都理工大学 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的人员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 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 成都理工大学 有关保留、 使用学位论文的规定， 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 成都理工大学 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，可以采用影印、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） 学位论文作者签名 学位论文作者导师签名 年 月 日 第 1 章 前 言 1 第 1 章 前 言 第 1 章 前 言 1.1 概述概述 矿井充水，就是在矿井开采时，矿区范围内及其附近的各有关水源（大气降 水、地表水、地下水及老窑积水等） ，通过各种渗透条件（地形、岩性、构造及 空隙等） ，流入矿井的过程[1]。在矿井建设和生产过程中，矿井充水，增加了矿 井的排水费用，有些矿井则由于充水条件复杂，充水性强，影响到已查明的矿产 不能早日进行开采。对于一些生产矿井，由于矿井充水，轻者影响采掘效率，重 者造成淹采区、矿井，迫使生产停顿。鱼田堡煤矿由于矿井充水增加了煤层开采 的费用，因此对矿井充水的防治，可以减少矿井排水费用，减少每吨煤的生产成 本，增加企业的经济效益，对该矿今后的经济发展有极其重要的意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 矿井充水条件分析的研究现状 矿床充水条件分析，是矿床水文地质学重要研究内容之一，也是矿井水文地 质工作的重要环节之一。该项工作从普查勘探阶段开始，直至矿床开采，贯 穿于整个工作过程。普查勘探阶段的矿床充水条件分析，主要是依据矿床所 处的自然地理、地质构造和矿区水文地质特征，重点分析天然条件下主要充水岩 层（组）的地下水类型、赋存条件、循环条件和补给条件等，并初步预测矿床开 采后矿床主要的充水水源和通道，为详细水文地质勘察的工程部署提供依据。详 勘阶段， 为矿井涌水量预测计算提供天然条件及开采条件下的水文地质物理概念 模型。 矿床开采阶段，井巷工程已经形成，矿床充水条件分析更为具体。该阶段的 充水条件分析工作重点是解决在开采条件下矿床充水的水源和通道问题， 它们是 该阶段矿井水文地质工作的核心。这些工作对预测矿井正常和最大涌水量、对确 定科学合理的防治水方案具有极其重要的理论意义和实用价值。 随着我国矿山开采事业的发展，矿井充水条件分析的理论也日趋完善。我国 20 世纪 50～60 年代教课书中该部分内容被称为“矿床充水因素分析” ，只讲天 然状态下的充水因素；70 年代以后的教课书和有关讲义称该部分为“矿坑充水 条件分析” 、 “矿井涌水条件分析”等，不仅名称有所改变，而且讲述内容也有较 深入地发展。 成都理工大学硕士学位论文 2 矿床充水的基本条件可分为天然充水条件和人为充水条件两大类[2]，如图 1 1 所示。 图图 11 矿床充水基本条件 因此充水条件分析主要是对矿井充水水源和充水通道以及影响矿井充水强 度的因素进行研究。 鱼田堡煤矿采掘工艺是炮采炮掘，全陷冒落法管理顶板。采用全陷冒落法， 煤层开采后，对采空区不进行充填，而是让煤层顶板在重力作用下冒落，由此导 致岩层在空间上的变化， 从而破坏了岩层的应力平衡状态和地下水的天然水动力 状态，即在一定范围内，产生了人工裂隙，给降水和地表水造成了下渗的有利条 件，使矿井涌水量增大[1]。鱼田堡煤矿在煤层开采后，顶板岩石冒落并产生导水 裂隙带，当这些裂隙带到达上覆嘉陵江组含水层底板时，嘉陵江组含水层的地下 水就会向下层补给水，这种人为通道增强了矿区的矿井充水强度。因此，确定矿 区的顶板冒落带和导水裂隙带的高度问题是本文的研究重点。 1.2.2 冒落带及导水裂隙带的研究现状 1.2.2.1 国外研究现状 国外在水体下和海下采煤情况下对地表水和地下水受煤层开采影响后的实 测和规律分析方面研究比较深入，同时对导水裂隙带的理论进行了长期研究，并 各自根据本国实际制定了相关规程和规定[3,4,5,6- 11]。Halbaum1903将采空区上方 的岩层看作是悬臂梁[12]； Fckardt1913把岩层移动过程视为各岩层逐渐弯曲的结 论[13]； 西德学者克拉茨H Kratzsch1961总结概括了煤矿开采沉陷的预计方法， 并发表采动损害及其防护[14]；耳哈西1982的“自然斜面理论”[15]；法国人 Fayol1885的“圆拱理论”[15]；豪斯1889的“分带理论”[15]；日本曾经有 11 个矿井进行过海下采煤，海下的水患防治措施严密，安全规程针对冲积层的组成 与赋存厚度作出了允许与禁止开采规定[15]；英国矿业局于 1968 年就颁布了海下 采煤条例，对覆岩的组成、厚度、煤层采厚以及采煤方法等都作了相应具体规定 [16]；俄罗斯于 1973 年出版了确定导水裂隙带高度方法指南，1981 年颁布了有关 第 1 章 前 言 3 水体下开采规程，根据覆岩中粘土层厚度、煤厚、重复采动等条件的变化来确定 安全采深，但这些规定与规程大多是统计经验而没有深入的理论和方法研究[17]。 1.2.2.2 国内研究现状 近几十年来，我国已在不同条件下成功的进行了大量的开采实践，理论上也 有了很大的发展，对覆岩的移动、破坏规律有了比较深入的认识。国内导水裂隙 带发育规律研究的历史，大致可分为三个阶段 1 20 世纪 60 年代以前，煤炭资源开采的重点多集中在开采技术条件较好 地区，因此，对导水裂隙带高度的研究基本上处于认识性阶段。这些都主要是从 岩层移动造成的地质灾害出发，定性分析煤岩层的地质环境条件，进而利用类比 法对导水裂隙带高度进行初步预测，其特点为①以煤岩层赋存条件为主要研究 内容；②研究方法主要为定性描述和分析[18 ～21]。 2 20 世纪 60 年代至 80 年代，为适应水体下采煤技术的迫切需要，开展了 大量的裂高孔现场观测和试验性研究工作相似材料模拟技术，许多矿区在裂高 孔现场观测资料和试验性研究的基础上，结合煤层的采出厚度、岩体的强度类型 等，总结出不同覆岩类型条件下，煤层采出厚度与冒高、裂高的相关关系式，并 以此来指导实际生产[12]。刘天泉1981等对水平煤层、缓倾斜煤层、急倾斜煤层 开采引起的覆岩破坏与地表移动规律作了深入的研究[17]，提出了导水裂隙带概 念，建立了垮落带与导水裂隙带计算公式，为提高煤层开采上限，减少煤炭资源 损失作出了很大贡献；李增琪1983应用积分变换法推导出层状岩层移动的解析 解[13]；杨伦、于广明1987的岩层二次压缩理论[14]，将地表沉陷与岩层的物理力 学性质联系起来；张玉卓1989应用边界元法研究了断层影响下地表移动规律及 提出了岩层移动的错位理[17,22]等。总体上说该阶段仍处在经验积累阶段，其研究 特点为①以覆岩体工程地质环境和岩体力学环境为主要研究内容；②以导水裂 隙带高度与岩体强度类型之间的关系为研究重点； ③研究方法虽然仍以定性描述 和分析为主，但已向定量化研究迈出了可喜的一步[23]。 3 20 世纪 80 年代以来，随着国民经济对能源需求的不断增长，许多水体 下积压的煤炭资源（如淮河下、微山湖下等） ，相继进入了建设和开发阶段。在 借鉴国内外经验的同时，大规模开展了对水体下（包括含水层下）采煤覆岩导水 裂隙带发育规律和防水煤（岩）柱留设的研究[18 ～21]。我国开展了许多水体下采 煤的专题性研究，取得了不少突破性进展。邓喀中1993提出了开采沉陷的结构 效应[24]；吴立新、王金庄1994建立了条带开采覆岩破坏的托板理论[25]；杨硕 1990建立了开采沉陷的力学模式[26]；麻凤海1996应用离散元法研究了岩层移 动的时空过程[27]；赵经彻等1997应用内外应力场理论对分层开采、网下综放、 全厚综放三种不同开采条件下冒落岩层厚度、导水裂隙高度、地表沉陷特征以及 支承压力大小及分布特点进行分析和探讨，建立了相应的计算模型[28]；崔希民、 成都理工大学硕士学位论文 4 陈至达1997～1999利用平均整旋角概念和裂纹产生与扩张的几何准则，建立了 确定实时位形上，水下采煤导水裂隙带高度的方法[29 ～31]；钱鸣高等1997～2004 应用模型实验、图像分析、离散元模拟等方法，对上覆岩层采动裂隙分布特征进 行了研究，揭示了长壁工作面覆岩采动裂隙的两阶段发展规律与“O”形圈分布 特征,并将其用于指导生产实践，取得了显著效果[32 ～36]；梁运培、文光才2000 通过综合运用组合岩梁理论、顶板岩层破断裂隙计算以及有限元数值分析,对顶 板岩层“三带”进行了定量划分[37]；黄庆享2000运用特制的相似材料立体精细 模拟实验系统， 对浅埋煤层开采引起顶板的空间结构特征和裂缝分布规律进行了 研究[38]；张永波等2004利用相似材料模拟实验模拟采动岩体裂隙的形成过程和 分布状态，运用分形几何理论研究采空区冒落带、裂隙带和弯沉带岩体裂隙分布 的分形规律[39]；涂敏等2004通过对厚松散层及超薄覆岩的含、隔水层及基岩风 氧化带工程岩组性质的分析， 采用相似模拟试验与数值模拟等手段研究不同采放 比条件下覆岩最大冒高和有效导水高度[40]等。其研究特点为①理论上更先进， 开始引入现代统计数学、损伤力学、断裂力学、弹塑性力学、流变力学等理论和 现代测试技术及计算机技术； ②研究内容更广泛， 重点研究地质构造、 地层岩性、 水文地质特征、岩体结构等地质条件外，还广泛研究了与覆岩移动变形有关的原 岩应力场。在深入研究岩体力学特性、时间效应的基础上，对裂隙带的演变过程 进行动态分析；③研究方法更先进，广泛应用物理模拟和数值模拟方法，使研究 的深度不仅仅局限于覆岩移动变形、破坏现象，而且从覆岩变形破坏过程、影响 因素等方面去探讨导水裂隙带的形成机制，在此基础上进行有效的预测[15]。 据初步统计，自建国以来，我国已有十几个省五十多个煤矿，采用近十种方 法，对不同地质采矿条件下的薄、中厚、厚煤层分层开采的一百多个工作面的覆 岩破坏状况进行过现场探测，得出了近水平至倾斜煤层开采后覆岩裂隙呈“马鞍 型”的规律[4,41 ～44]，如图 12 所示。 图 12图 12 覆岩裂隙的“马鞍型”分布形态 目前对导水裂隙带的研究有很多方法，如有地震勘探法、井下仰孔注水测漏 法、反程序开采法、高密度电阻率法、力学理论分析法、瞬变电磁法、超声波穿 第 1 章 前 言 5 透法、声波 CT 层析成像技术、相似材料模拟分析法、数值模拟分析法、钻孔冲 洗液法和钻孔电视法等。现场常用的是钻孔冲洗液法，这种方法是在采空区上方 打钻， 并在打钻过程中通过观测钻孔冲洗液消耗量和水位来确定导水裂隙带发育 高度[45 ～58]。康永华依据大量的现场实测资料，总结了中硬覆岩厚煤层长壁冒落 开采条件下炮采、 综采及综放开采方法对导水裂隙带发育高度及其分布形态的影 响，提出减小初次开采厚度以降低导水裂隙带发育高度[59,60]。邹海等综述了导水 裂隙带研究现状及其发展趋势，提出了覆岩体地质环境，覆岩体力学环境和数值 模拟技术三位一体的综合预测评价方法， 使用 FLAC 预测综采放顶煤条件下导水 裂隙带高度[18,19]。桂和荣等建立了“大采高 FEM- NTA 耦合模型” ，选择了合适 的屈服准则、 流动法则及应力应变本构关系， 采用应力法预测导水裂隙带高度[61]。 汪华君、姜福兴等在井下应用微地震（MS）技术监测覆岩导水裂隙带高度[62,63]。 马亚杰等基于 BP 人工神经网络的理论及方法，建立了煤层开采工作面顶板导水 裂隙带高度预测模型[64]。 程金泉根据钻孔中水位变化、 冲洗液消耗量大小及岩芯 破碎程度综合分析， 确定了深埋近露头煤层开采后导水裂隙带发育高度和分布形 态[65]。姜福兴提出的“岩层质量指数”[52,66]，高延法提出的岩移“四带”模型等 [67]。 许家林等在分析计算机图像处理的步骤与采动裂隙二值化图像统计算法的基 础上， 编制采动裂隙图像处理程序 FIMAGE， 对覆岩采动裂隙模型试验结果进行 定量分析[34]。陈荣华等采用岩石破断过程分析软件 RFPA2D 对至开切眼至充分 采动全过程覆岩随工作面推进时的变形、冒落情况进行数值模拟，以确定导水裂 隙带的高度[68]。 从总体上看， 无疑这些研究成果将会对导水裂隙带发育规律的研究奠定一定 的基础，但是还存在下列几个方面的不足[15] 1 煤层开采是一个动态过程。随着工作面的推进，上覆岩层的受力状态将 会不断地发生变化，而传统的顶板岩层分析把其上的垂直压力简化为均布载荷， 且以静载处理。 2 准确地预测导水裂隙带高度，既可据此留设合理的防水煤岩柱尺寸来 保证矿区的安全生产，又可减少对矿区宝贵地下水资源的破坏，而现有的高度预 测方法大多数都是通过实际观测资料建立经验公式或者通过神经网络、 分形理论 等进行预计以及凭借数值模拟、相似材料模拟等试验手段进行预测，真正从导水 裂隙带形成机理角度的研究却较少。因此，从机理角度研究导水裂隙带高度的预 测新方法具有十分重要的理论与实用价值。 3 鱼田堡矿区煤层大部分埋深在 300m 以上的深部。埋深大、基岩厚是该 区煤层的典型赋存特征。在这样的条件下开采，采动覆岩中导水裂隙带的形成过 程及机理具有一定的特殊性， 而现有的常埋深条件下导水裂隙带理论已不能很好 解释这一现象和机理。因此，鱼田堡矿区导水裂隙带的形成过程及机理是目前急 需解决的，也是对该矿井充水条件分析的主要内容。 成都理工大学硕士学位论文 6 1.2.3 矿区水文地质研究现状 鱼田堡煤矿开采 50 年来，曾多次对矿区地质和水文地质做过调查研究。早 在 1954～1955 年，由西南煤田地质勘探局 135 队先后对南桐煤田、鱼田堡井田 和桃子荡井田作了勘探，提交了南桐煤田、鱼田堡井田和桃子荡井田精查地质 报告 。同年由西南煤田地质勘探局批准了该报告，批准储量 ABC 级 4357.5 万吨。 到 1989 年由四川省煤田地质公司 136 队先后对鱼田堡煤矿 （- 350～- 600m） 进行了延深精查勘探，同年 12 月提交了四川省南桐矿区鱼田堡、东林煤矿勘 探（延深）地质报告 ，1990 年经重庆煤炭工业公司以重煤发[1990]782 号文批 准了鱼田堡煤矿延深精查报告，批准 BC 级储量 1716 万吨，暂不能利用储量 6 万吨。勘探边界限- 350～- 600m，批准东林煤矿延深精查报告，批准 BC 级储量 917.94 万吨，暂不能利用储量 427.78 万吨，勘探边界- 100～- 600m。 1.3 选题依据、研究意义及难点选题依据、研究意义及难点 1.3.1 选题依据及研究意义 鱼田堡煤矿是我国南方瓦斯灾害最严重的矿井之一， 瓦斯长期制约着矿井的 生产和发展。经过几十年的生产实践和探索，在瓦斯治理方面取得了初步成效。 但随着矿井开采向深部延深，矿井涌水量出现“跳跃式”的大幅增长，水害问题 日显突出，使鱼田堡煤矿成为我国南方水害最为严重的矿井之一。鱼田堡煤矿矿 井年均涌水量从早期的年均280m/h左右， 到2001年增至648m/h、 2003年770m /h、2004 年更是达到了创记录的 814.3m/h，其间，2001 年 3 月矿井最大涌水 量曾达到 1648m/h，已逼近矿井 1700m/h 的总排水能力。自八十年代鱼田堡煤 矿开采- 100m 水平煤层以来，4（K3）煤层顶板充水，给矿井安全生产带来严重 的危害。据矿井水文观测资料统计，4（K3）煤层年涌水量 412 万 m3，- 350m 水平最大涌水量达 720m/h。其中井田东翼和 4煤层充水最为严重，井田东翼长 度仅为全井田 1/3，涌水量却占全矿涌水量的 83；4层顶板目前涌水量占水平 涌水总量 87。 并且涌水量表现出随着开采时间、 采深和开采面积的增大而增大 的现象，涌水水源主要来自于煤层顶板的岩溶含水层。该矿顶板大量充水的问题 不仅直接危及矿井安全，影响职工作业环境，制约矿井生产，而且大大增加了深 部水平的排水负担和经济压力。 由于目前矿井涌水的绝大部分是从- 350m 水平经 - 100m 水平中转排出（据统计，从- 350m 水平持续排水一年，每 1m/h 耗费排水 电费、维修费、人工费等 1.5 万元） ，年平均 700m/h 的矿井涌水给矿井造成了 年均 1050 万元（每吨煤成本 30 元以上）的经济负担。持续大流量的矿井涌水已 成为制约矿井安全生产和影响企业经济效益的最主要因素之一。 第 1 章 前 言 7 鱼田堡煤矿是以顶板岩溶充水为主的矿床，矿区主要充水岩层为 （1）三叠 系下统嘉陵江组（T1j） ，总厚 691.78m，岩性为灰色、深灰色薄至中厚层状灰岩 及白云质灰岩，目前推测该含水层对煤层开采有一定的影响。 （2）三叠系下统玉 龙山组（T1y）的二、四段，二段厚 17.4～30.8m，四段厚 42～60m，主要岩性都 是灰色灰岩，岩溶现象比较发育，含水丰富。由于玉龙山组的一、三、五段都为 相对隔水层，所以二、四段中的地下水表现出一定承压性。 （3）二叠系上统长兴 组（P2c） 该层覆盖于龙潭煤组之上，厚 61.39m，岩性为深灰、灰色厚层状灰岩， 含燧石结核。由于裸露地表，其岩溶裂隙发育，因此岩层含水性及导水性较强， 为强含水层。出露标高310～620m，含水丰富，岩溶发育，溶洞、溶斗沿露头 分布， 顺层面发育有地下暗河， 沿暗河排泄区有泉水出露。 由于开拓和不断延深， 多数泉水干枯，由井下出水点代替。该含水层受当地侵蚀基准面265m 控制，使 地表下265m 标高以下含水减弱，岩溶不发育。该含水层受采动影响破坏，故对 开采有重要影响。 为了解决鱼田堡煤矿长期矿井充水的问题，曾进行过多次研究调查，认为矿 井充水水源多来自于顶板长兴灰岩含水层。于是该矿于 1994 年提出实施150m 水平截流长兴水的工程，并于 1995 年 10 月共同立项研究，制定目标是减少深部 长兴灰岩涌水 50，减少深部水平年排水量 131.4 万 m3，节约年排水费约 200 万元。按照工程设计方案，主要是沿二叠系上统长兴组（P2c）岩层面局部裂隙 带将地下水截住，阻止地下水进一步下渗进入采煤巷道。到 1998 年，在150m 水平自主石门向东沿长兴组一、 二分层分界面的局部裂隙带施工截流巷约 200m； 布置放水钻场 3 个； 向煤系地层掘进石门 1 个， 进尺 79.5m； 完成地质探孔 6 个， 进尺 233.56m；98 年 3 月进行了直流电法勘测、地质编录等工作后，因技术、资 金等方面原因截流工程被迫停止。2001 年～2004 年又将治理重心转到启封封闭 不良钻孔及鱼田堡河和刘家河人工河床治理工作上来。到 2006～2007 年期间再 次对矿区水文地质进行调查后，提出的地面截流措施有在蒋家湾片区修建截水 沟措施、 利用废弃的矸石对地表塌坑进行充填、 炭口湾煤矿井筒改造加固等措施； 井下防探水措施有在 4煤层开采前对回采工作面进行采前疏放水工作、开采 6煤层工作面时矿井在风巷提前疏放上部老窖水、 掘进工作面时防止误穿岩溶水 及老窖水等措施。以上提出的工程措施部分实施后，鱼田堡煤矿矿井充水问题并 没有完全解决，仍然威胁着矿井的安全生产。 鱼田堡煤矿目前各水平涌水量分别为＋150m 水平以老窑水、长兴灰岩水、 玉龙山水为主，最小涌水量 10m/h，最大涌水量 266m/h，平均涌水量 75m/h， 约占总水量 30左右；－100m 水平最小涌水量 22m/h，最大涌水量 537m/h， 平均涌水量 145m/h，约占总水量 20，其补给为老窑水，长兴水；－350m 最 小涌水量 43m/h，最大涌水量 878m/h，平均涌水量 438m/h，该水平水量几乎 占总水量的 50， 其主要补给源目前推测来自嘉陵江组含水层越流补给。 从水化 成都理工大学硕士学位论文 8 学分析可知＋150m 水平因主要来自老窑水与长兴灰岩地下水，水化学特征以 SO4Ca、HCO3Ca、SO4KNa 型为主；－100m 水平东大巷水呈黄色与黑色 并含硫高、以老窑水为主，西大巷以清水为主；－350 水平以中温（28～31℃） NaCl 水为主，水量来源于主力补给层嘉陵江灰岩含水层的越流补给，其补 给水源打破了三大含水系统不存在水力联系的原始状态，其 NaCl 来源主要是渗 水对飞仙关地层的淋滤。对于－100 水平与－350 水平由于井筒周围留有煤柱使 每个水平都形成了东、西两大系统。 鉴于重庆鱼田堡煤矿复杂的水文地质条件和随着开采深度增加矿井涌水量 “跳跃式”增长的现状，笔者在导师的指导下，以“重庆鱼田堡煤矿矿井充水条 件分析及治理方案”为题，大量收集有关该地区自然地理及水文地质条件的资料 文献，通过现场地表、井下调研，从鱼田堡矿区的特殊水文地质条件入手，对矿 区矿井的充水条件进行分析，根据当地的特殊地质环境重点研究“三带” （即冒 落带、导水裂隙带、整体移动带）充水通道对矿井充水强度的影响，从而合理地 提出重庆市鱼田堡煤矿截流减排工程方案，减少矿井排水费用，增加企业的经济 效益，对该矿今后的经济发展有极其重要的意义。 1.3.2 研究难点 根据几次对现场的调查和研究，矿区的水均衡按照常规计算，矿井涌水量不 能平衡以及矿井涌水量随深度的“跳跃式”增长，鉴于这两种现象，现在要研究 的问题难点是