华丰煤矿顶板突水机理及防治技术研究(1).pdf

山东科技大学 硕士学位论文 华丰煤矿顶板突水机理及防治技术研究 姓名苏宝成 申请学位级别硕士 专业矿产普查与勘探 指导教师施龙青 20050601 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 华丰井田第三系巨厚砾岩含水层对山西组4 煤安全开采的威胁程度随开采深度的增 加而日益严重。论文在充分了解国内外顶板水害防治理论和技术的基础上，分析了华丰 井田地质及水文地质特征，并根据钻孔及井下资料，总结了顶板砂岩、砾岩分布规律。 应用瞬变电磁物探手段，查明了大深度巨厚砾岩的分布规律及富水特征。以实用矿山压 力控制理论为指导，结合相似材料模拟实验，研究了臣厚砾岩和煤系地层双层结构条件 下煤层开采上覆岩层运动特征，揭示了导水裂隙带发育特征及斑裂纹形成、演化过程。 在分析影响砾岩突水因素的基础上，着重探讨了导水裂隙带和斑裂纹对砾岩水突出的影 响机制。结合1 4 0 9 工作面顶板涌突水实例，建立了工作面下平巷涌突水力学模型。根据 研究成果，结合现场实际，提出了砾岩水害防治措施。 关键词 顶板突水砾岩含水层覆岩运动特征导水裂隙带斑裂纹 山东科技夫学硕士学位论文 摘要 A b s t r a c t W i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed e p t ho fe x c a v a t i n g ．t h eg r e a tt h i c kg r a v e l s t o n el a y e ra q u i f e ro f T e r t i a r ys y s t e mt h r e a t e n st h ef o u r t hc o a ls e a mo fS h a n x ig r o u pm o r ea n dm o r e ．F i r s t l y , t h e t h e s i sa n a l y s e st h ec h a r a c t e r so fg e o l o g ya n dh y d r o l o g i cg e o l o g yo fh u a f e n gc o a lm i n eo nt h e b a s eo ff u l l yk n o w i n gt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fr e s i s t i n gw a t e r - i n r u s ho fa p i c a lp l a t eb o t h a th o m ea n da b r o a d ．s u m m a r i z e st h e r e g u l a r i t i e so fd i s t r i b u t i o no ft h es a n d s t o n ea n d g r a v e l s t o n el a y e rb a s e do nt h ed a t ao fd r i l l sa n dc o a lm i n ea n df i n d st h ec h a r a c t e ro f c o n t a i n i n gw a t e ra n dt h er e g u l a r i t i e so fd i s t r i b u t i o no ft h eg r e a tt h i c kg r a v e l s t o n el a y e ri nt h e g r e a td e p t ha p p l y i n gt h eg e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n go fc h a n g i n gi n s t a n t l y ．S e c o n d l y , b a s e do nt h e u n d e r g r o u n dp r e s s u r et h e o r ya n dc o m b i n i n gt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fe q u i v a l e n tm a t e r i a l ， t h et h e s i ss t u d i e st h ec h a r a c t e ro fm o v e m e n to ft h em a n t l ef o c ku n d e rt h ec o n d i t i o no f 也e g r e a tt h i c kg r a v e l s t o n el a y e ra n dc o a lm e a s u r e ss t r a t aa n dr e v e a l st h ed e v e l o p m e n tc h a r a c t e ro f w a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n ea n dt h ef o r m i n ga n de v o l v e m e n tc o u r s eo fs t r e a kc r a c k ．F u r t h e r , o nt h eb a s eo fa n a l y s i so ff a c t o r st h a ta f f e c tt h ew a t e r - i n r u s ho fg r a v e l s t o n el a y e Lt h et h e s i s d i s c u s s e st h em e c h a n i s mt h a tw a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n ea n ds t r e a kc r a c ka f f e c tt h e w a t e r - i n r u s ho fg r a v e l s t o n el a y e ra n de s t a b l i s h e st h em e c h a n i c a lm o d e lo fw a t e r - i n r u s hf r o m l o w e rl e v e lc o m b i n i n gt h es a m p l eo f w a t e r - i n r u s ho n1 4 0 9w o r k i n gf a c e ．F i n a l l y , b a s e do nt h e r e s e a r c hf i n d i n g sa n dc o m b i n i n gt h es c e n e ，t h et h e s i sp u t sf o r w a r dm e a s u r e so f p r e v e n t i o na n d h a r n e s i n go f w a t e r - i n r u s h ． K e y w o r d w a t e r - i n r u s ho f a p i c a lp l a t eg r a v e l s t o n el a y e ra q u i f e r c h a r a c t e ro f m o v e m e n to f m a n t l ef o c kw a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n e s i r e a kc r a c k 声明 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 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名 日期 A F F I R M A T I o N 嘶占月t 。日 山东科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 课题研究的意义 本课题来源于山东科技大学和新汶矿业集团共同合作的矿井水防治项目中的子项目一 华丰煤矿一1 1 0 0 m 水平综放开采水害评价及防治水技术研究。此课题研究得到了山东省优秀 中青年科学家科研奖励基金资助 项目编号2 0 0 4 B S 0 1 0 1 0 。 华丰煤矿前组煤 山西组的3 煤、4 煤和太原组的6 煤 开采受项扳砂岩和第三系砾 岩水的严霞影响，在开采过程中已发生过大小突水事故3 0 多起，单点突水量晟大达 1 2 m 3 ／m i t t 。目前4 煤层是华丰煤矿的主采煤层，其最大采深已达一1 0 0 0 m 。随着4 煤层开采 深度增大，砾岩涌水量持续上升，不仅造成排水费用花费巨大，而且恶化了回采工作面的 作业环境，甚至造成工作面停产、擞面、重开切眼，严重威胁着矿井的正常和安全生产， 随着综合机械化放顶煤开采方法的实施，砾岩水威胁加剧。因此，研究华丰煤矿顶板突水 机理及防治技术不仅具有重要的理论意义，而且具有生产实践应用价值。 理论研究和生产实践证明，煤矿顶板突水事故与覆岩运动破坏和导水裂隙带高度有关。 如果破坏拱离沟通上部含水层和地表河流、湖泊等水源，突水事故就会发生。 本文从华丰煤矿地质构造和水文地质条件入手，分析了上覆砾岩层和煤系地层在采动 下的破坏断裂特征和运动规律，进而研究煤层项板突水的机理，提出了防治技术措施。无 论是在理论上研究在上覆岩层运动的影响下顶板发生突水的机理，还是在开展综采放顶煤 开采条件下进行顶板水害评价，寻求项板水防治的途径，以及实现矿井安全生产都具有重 大的意义。 1 ．2 国内外研究现状 在煤层开采后的覆岩运动和破坏特征研究方面，煤炭科学研究院刘天泉院士提出了覆 岩破坏学说。按照长壁开采后，覆岩变形破坏特征及其导水性能，将上覆岩层分为“三带” ⋯，即冒落带、裂隙带和整体弯曲下沉带，目前国内以此理论为研究项板寒水机理的基础。 此后，山东科技大学高延法教授突破了传统的三带观念，提出岩移“四带”模型“1 ．认为 岩层结构力学模型应划分为破裂带、离层带、弯曲带和松散冲击层带，进一步拓宽了对顶 岩层结构力学模型应划分为破裂带、离层带、弯曲带和松散冲击层带，进一步拓宽了对顶 山末科技大学硕士学能论文 板突东桃鬻的认谈。 在突水量强溅方覆，现场常霆麴方法是类比法帮大势法峙1 ，肖翁学者采精了统计掌方 法、力学平衡和能蘑平衡方法“1 ，并在研究、验诚预测突水量的数学模型研究方睡做了丈 辍王作，鲡率潜矿攮大学的武强等挺疆了解决煤层顶板涌 突 水灾害定量评价的“三 图一双预测法”B ’。郑纲等袋震模糊聚类转板法联测璎援移岩禽东鼷突水量1 6 1 , 滔乡} 磷突 人员开笈的动态预测软梓Z o n eB u d g e t 楚强裁基际上通熙专业软传系绞V i s u a lM o d f l o w 懿 一令独特功能，它对预测精度要求较高的阐采i 诈面的整体郛分羧工程溺永量溯态预测闽 题的礤究，具毒一定优势。 在璜投含求藤塞水健磷究方藤，除了传统的拳文地震分橱穷法戳努，杏瓣学密遮焉多 源姥学信惑复合叠知原琏，根据多个水文她质物理场的不同特征，相互对比验证，互相弥 钤苓足，慰充零食承麓懿富承性进行了系统综合分析。 王强等通过对开滦矿务局范鑫庭煤矿进行采区综会勘粪成果熟介缓，阐明裂慰综合物 探技术查踊煤矿老鬻采空送、陷落柱及断滋的赋水性，蹩鞍为有效的方法之一，特戮是剃 殿麟变电磁方法对凝层赋承性髂研究效暴魄较好t 7 1 , 在判断突水水源研究方嚣，塔甥嘲等根撂各客水痿典燮承样煞忧学淡料，觜判剐分移亍 方法建立璎板突水酌承源剿鬟模毅，以攒承铡试突农点水样来自麟个食农鹰彀绘爨 鞋震该 含承层静概率姆1 。 澳霉等测用最丈效累涎度俊法对熬子遗矿层工作瑟突永承澡及成闵进行了研究，剿定 了突水水源和寻水通道缛，。 马广鞲等利用并下童流电法与缎辩测湓技术预测回采工作面顶板隐伏禽水区1 1 1 I ． 在顼扳z K 害预测方蠢，支l J 小松等基手G I S 对零潍煤矿琰板突窳进行了预浏预报，飙建 立突水的概念模型到运用G I S 的手法进嚣建模篾褥燃最终缎暴t i l l 以上静轿究虽然在防治预极永方面取褥了不小魏成果翘进展，瞧还不是缀完善，并不 g g 勰决所夯豹璎板突水瓣撩。掰戬逐膏待予进一多扩充和发展。 髫煎圜努防治顶援突炊主要采鼷主动茨护法“”，静采瑟楚瑟疆整锫魏，焉潜求泵专门 疏干含水屡。为了适应预先疏千方法，国外生产了离扬程 达1 0 0 0 m 、大摊炊援 达 5 0 0 0 m 3 ／h 、大璃率 2 0 0 0 K W 酌潜承泵，其疏干Z 稷邑逐渐采用电脑自动控制。 国夕} 堵水截滤方法也商很大发展，建造地下帐幕方法愈寒愈受剿重褫。为充分剩蔫隔 承朦洋度，减少摊水蟹，国外正在对隔承层的聪水瓠I 理、突球璧与构造裂隙静关系、离求 丞作妲下懿突水规疆以及隔永层稳定性与瓶舞承力阻力瓣综合{ 乍羁等避行硬究。 山东科技火学硕士学位论文 绪论 1 ．3 本文的研究思路及生要研究内容 1 ．3 ．1 研究思路 华事煤矿4 煤顼板繇密承辩矿著静蜜全生产造成了严重静影响，戳鼗必须农深入礤究 4 煤顶板突水机理的基础上，提出水窖防治途径。根据矿井地璇、水文地质及煤层开采有 关耱瓣，深入分析4 煤灏板的水文地质祭件，结合物探簪段，探明顼板寓水区域和富永性 应用室内相似材料模拟实验，研究上覆姑层的破坏特征秘运动规律，磷究顶扳鼯水裂隙繁 和斑裂纹的发育特征。在此基础上，分析顶板突水通道和覆岩遴动之间的关系，建立顶板 突7 K 模型，提出张皮的璎扳水治理接施 1 ．3 ．2 本文的主要研究内容及技术路线 1 分援各转交拳遥素及蕤对矿势突袭懿澎蘸。 2 根据区域地质、水文地质资料、钻孔资料以及矿井开采资料，借助子物探手段， 磺究瑛授移、繇潦翡分务麓律 稻移、砾鬻含承瑟蜜承区域静分带特征。 3 通过理论分析，结合相似材料模拟、数值模拟和实际资料对比簿，探讨覆岩的破 坏特征黼运动规律；研究由采动产生的砾岩裂隙进而发展成斑裂纹的规律；研究煤层顶板 的导水裂隙带发商高度以及项板不同含水层檩互联系的突水通道。 4 在理论和实验研究的基础上，结合综采工作面的实际情况建立顶板突水模型，提 出顶板拳害防浚的技术接麓。 具体技术路线如下在研究采区地质和水文地质条件基础上，通过物探分析，探明煤 艨疆教富零区域；逶过辩覆岩豹破坏祷鬣静势辑，应霜稳{ { ；l 耪辩模熬实验，得出导永裂隙 带和斑裂纹的发育特征。进而得出顶板突水机理。最后掇出相应的水害防治技术措施。其 俗技术鬻线流程灏如下 图1 ．1 图I ．1 技术路线流程图 F j g1 ．1 F l o wc h a r to f t e c h n i c a lw a y 1 ．4 本文的创新点 本课题研究中的创新点在于； 1 应用瞬变电磁法探测技术解决大深度巨厚砾岩含水层水文地质条件探查，查明了砾 岩富水性变化，在国内处于领先地位。 2 应用室内材料模拟实验，研究了采动影响下巨厚砾岩层和煤系地层的断裂破坏特征 和运动规律。 3 结合现场实测和室内研究，对巨厚砾岩和煤系地层组成的“双层结构，，顶板突水机 理从理论上进行了深入研究，揭示了斑裂纹在顶板涌突水的重要作用。 4 以矿山压力控制理论为指导，得出了导水裂隙带高度计算的理论公式。 山东科技大学硕士学位论文 华丰井田地质及水文地质概况 2 华丰井田地质及水文地质概况 2 ．1华丰井田地质概况 2 ．1 ．1 新汶煤田区域构造 新汶煤田大地构造位置属华北地台东南侧的鲁西块隆 亦称鲁西台背斜 中部 亦 称鲁中隆起 的汶蒙凹陷内。总体呈一近东西向的向斜构造，其南翼保存较完整，北翼 受断层破坏保存不全。煤田北以莲花山～徂徕山复背斜与莱芜煤田为邻，南以蒙山复背 斜与曲阜煤田相邻。总体地层走向自西向东由近东西向转为北西向，向北及北东缓倾， 地层倾角一般为1 0 ～3 0 0 ，如图2 ．1 。 煤田受多期构造运动控制，构造方式以断裂为主，局部发育次级褶曲。断裂构造发 育的方向性明显，主要由基本平行于煤田走向的北西向、与煤田斜交的北东东向、基本 与煤田倾向一致的北东向三组断裂组成。其中以北西向规模最大，对煤田的构造格局影 响也最大，主要包括北部边界断层一莲花山断层、蒙山断层等。此外煤田内还发育少量 近南北向 或北北西向 断层。区内断层除泉沟井田外一般均为高角度正断层，还有层 滑断层。由于各组断层均具有继承性和多期活动性，故其切割关系十分复杂，总体上是 近南北向切割北东向及北西向，北东向切割北西向。 新汶煤田被北西向的蒙山断层及北北西向的羊流断层纵切为三段，两断层中间为一 地垒，煤系遭受剥蚀而不存在。东段煤系保存最好，由西向东建有新汶矿业集团的协庄、 泉沟、翟镇、良庄、孙村、张庄、汶南各煤矿及十几对地方矿井。西段煤系保存面积较 小，现仅建有新汶矿业集团的华丰、禹村 已关井 两煤矿。 出束科控大学壤士学搜遵文 华丰并田遗旗爰承文地质概况 图2 ．1 凝汶煤田构造缨要煺 F i g2 ．I S c h e m am a po f X i n w e nc o a l f i e l d ss ／r t l c t u 她 2 ，1 。2 轳势撬壤 华串搏阳键予出表雀宁阳县华率镶臻疼，薪蒙斌煤断陷盆遗韵嚣部，家属予新浚矿娩 集鹜，是新淡煤酲鼹遥臻鞠对独立的劳疆。商为蠛屡露头，0 ￡至- 1 0 0 0 m 零平，走巍长度 7 ．7 1 0 n ，倾斜宽2 ．4 k m ，井潜面积为1 6 ．9 k i n 2 。 属于壕阕簸蟪受的低缓疰羧熬澎，出溺翟遗，南嵩1 0 彳蕊，位子往徕由耪蒙出磁丈分 水颁之间，南北两大分水蛉均系太宙界片窳岩构成，分水岭脊峰标裹 7 5 0 m 彦悫。井疆 中塞为第三系砾者构成的低缓正羧，最高处标高为 1 3 5 m 。北部商柴汶河流过，东部有 季节性救城溜渡过，第鲤纪淫滚冲积物壹接覆涟予煤系、第三系露头之上；第三系砾岩 广泛分布，并以角度不整会鼍煤系接触；劳鲤总体梅逮为～拿寇乾东镶铰的短辖尚斜， 构造变形强黧、煤系籁角较大。第豳系、第三系、煤系中的砂层爨嗣蠢获老层、煤系基 底煲灰均鸯禽水是，其富承程度不瀚。 2 。l 。3 地屡 华丰并阐地层发育由老判新为 图2 ．2 1 太富界豢函群 A r t ；蠢簧分布予井田以南，构成出区遣貌，其岩健主要为黑云 斜云片麻岩和花岗片糜装，厚度不详。 2 寒斌系 e 出嚣予爵山、簸箕山、五灵山及玉皇蹩出一黪，厚终7 0 0 m ，分下、 中、上三统，下统主要为紫红色页岩及簿瑟灰者，中上统为筲灰截蠓层扶灰岩夹竹时状 灰爨及鳜状灰岩。以角发不懿舍予太吉界泰出群之上。 3 奥陶系 O 与华j E 地区一数，仪发窘下统 0 l 帮中统 0 2 ，畿露予薅涵、 簸箕由、五灵由及蠢塞堂山等由麓地带，摩约8 0 0 m 。下统主鞭为自云质灰岩，夹燧石条 6 山东科技丈举硕士学位论文 华丰井【霸地质及水文地质概况 带；中统以厚层状灰岩及白云质灰岩为主，夹数层泥灰岩及泥糟。于下伏寒武系呈整合 接魅，灸煤系基瘫。 4 石炭一二叠系 C ．P 按照“蓬耩逡震辩攀联合会”2 0 0 2 年重薪艨定静魏层界袋，籍二叠系分为三个统。 为了便于叙述，本文将石炭一二叠系放猩一起进行叙述。 1 上石炭统本溪组 c 2 b 本澡组厚3 5 ．3 ～4 7 。7 m ，平均4 4 。1 4 m ，在弗田范围盎较为稳定，爆发变化不大。 以石灰岩和秸i 岩为主，与下伏中奥陶统石灰岩里假整裔接触。以徐灰以上的一层黑色 糕岩或龄砂岩蓐太原缀分界。 2 上石炭统一二叠系月门沟统太原组 C 2 t - - P l i t 太豢缀簿1 5 6 。3 4 ～2 3 6 。0 4 m ，警稳箨鸯1 9 7 5 2 m ，海本区蔓蘩含潆魏屡。辫往圭要 为灰黑色一灰白色泥岩、粉砂岩、中～细砂岩、次岩及煤层交互发育，为麒型的海陆交互 掇沉积。底帮戳一滢孛～缩矽者与奉溪缀分弄。 3 月门沟统山西组 P 1 2 s h 由西组为主骚含煤地层，为浅水三角洲沉积，厚1 1 2 ～1 4 0 m ，平均1 2 9 m 左右。山西 鳃被剥蚀_ 严重，仅保存予井田中～深部。下部出灰～灰黑色中～细砂岩、趱砂卷及煤层 缀成，夹甯粗砂耢、泥岩藏粘土辫。本缎共含煤3 层 编号为1 、2 、4 ，其中第1 、第4 鼷煤霹袋。燕4 鼹煤为零煤层，浮度大予5 m ，稳定霹采、结梅麓攀，势零势疆畿主要翁 可采煤层。山西缜上部由灰绿色中～细砂岩、粉砂岩、次色泥岩及杂色粘士岩组成，夹 骞薄层糖移者、滋砉及裁主砉。滋嚣缰藏郝戳一簇获蠢毡孛～镝轸岩底器面与下茯太骧 缎分界。 4 石盒子统下石窳子组 P z s h 下石盒子组为陆相沉积，井豳内揭嚣该组钻魏较少，最大残熙4 0 m ，是本缎下部层 段。其岩健主要为灰绿～黄褐色含砾粗砂岩、中粗砂岩及薄层粘土岩组成。砾岩成分主 要必石英，砾径2 ～8 m m ，发育大溅交错鼷理，必溺疼演羧。下否鑫子组饺在共蓬漯帮爨 存，分布扁限。 5 第三系 一条落差较大鸯奄鼗瑟镪往由数条龋罄缀成，小断层常疆j 现合并、分叉，断层掰 侧的地屡产状变化较大； 3 在落麓较大的断层旁侧常伴笺一些小断层； 4 小断层的分布也具有成带性，尤其在鼹条落差较大的凝层所必救区闯蠹，小叛 层往往镦集成带。 7 撼质棱逡具毒分级控睾姆点 山东科技大学硕士学位论文 华丰井且J 地质及水文地质概况 地质构造具有分级控制特点，即在成因关系上规模较大的构造控制规模较小的构造 的发育特点及分布。华丰断块的东、西边界分别为南故城断层和磁窑断层，两条断层走 向均为N E - - N N E ，落差大于5 0 0 m 。这两条断层具多期活动性，其力学性质比较复杂。 在其控制下，形成华丰井田轴向为N E 向的向斜构造，井田内中小型张扭性断裂呈S N 向，压扭性断裂及次级褶皱呈N E E ～近E W 向，为统一局部构造应力场作用下的产物。 小型断裂构造又受井田次级构造的控制。 构造发育使井田水文地质条件复杂化。断层附近，小断层发育，构造节理发育，成 为地下水的良好通道。断层构造使地层失去连续性和稳定性；隔水层受断裂破坏后，使 其抗张性降低断层也使含水层与煤层间的距离变小；有些断层或断裂带本身的导水性， 也使含水层间发生水力联系。 自1 9 9 2 年矿井地质报告提交以来，华丰煤矿地质构造大的基本格架没有太大的变 化，经过深部地震勘探对深部构造有了新的认识，另外，经过对揭露的小型构造的统计 分析，对构造发育规律和小构造对煤矿生产的影响有了进一步认识，实际控制了一些中 型构造，如F 2 8 断层等。 2 ．1 ．5 ．2 构造对煤层、煤质及采掘生产的影响 1 构造对煤层、煤质的影响 华丰井田褶皱、断裂虽然较为发育，但对煤层的影响表现甚弱。井田总体向斜较为 宽缓，整体对煤层厚度影响不大，除1 5 煤外，其他煤层均在向斜核部略有增厚的趋势， 但这也可能是原始沉积环境影响所致。断层对煤层厚度的影响主要表现在断层两侧煤层 因牵引而变薄，但影响范围不大。 断层对煤质有一定影响，其影响范围只局限于断层两侧一定范围内，从宏观上看， 由于构造作用断层两侧煤层破碎，光泽变暗，结构疏松，煤质变差，但影响宽度一般不 超过5 m 。由于该矿煤质分析资料较少，很难定量评价构造对煤质的影响程度。 2 构造对生产的影响 华丰井田褶皱与断裂构造均较发育，对煤矿生产影响较大。主要表现下述几个方面。 1 井田内大中型断层对部分采区划分有影响，一般作为采区边界。 井田内小构造特别发育，是影响采掘生产的主要因素。由于小断层的影响，常常使 工作面重开切眼，掘进率增高，加大支护强度。 以二水平1 3 煤三采区为例采区面积0 ．2 0 3 k m 2 ，出现小断层2 7 条总长度4 0 2 0 m 以 上。采区因断层重开切眼1 5 个。2 3 ．9 万吨的地质储量只采出4 ．5 万吨，损失率8 1 ％。该 山东科技大学硕士学位论文 华丰井田地质及水文地质概况 采区的万吨掘进进尺为1 0 0 6 ．6 m 。 2 在构造复杂的地段，煤、岩层倾角变化大，煤层项、底板裂隙发育，稳定性降 低，造成开采技术条件复杂化。 3 在井田西部，断裂极为发育，造成水文地质条件复杂化。由于煤层底板隔水层 遭受严重破坏，抗张强度降低，同时断层也缩短了煤层与含水层之间的距离，再加上部 分断层具有导水性 如F 3 2 ，在井田西部开拓及掘进中多次出现突水事故，致使西区因 水文地质条件复杂而无法正常掘进、回采。 华丰煤矿构造简单，断层发育稀少且多数为落差小于3 0 m 的正断层。区内8 1 ．6 孔 揭露F 2 7 断层带，宽4 ．9 7 m ，为两侧岩层的破碎物及断层泥，据简易水文观测泥浆无明显 的消耗现象。井下生产中揭露大量中、小型断层．含导水性一般较差，断层带一般较致 密，多数情况下无水或有少量淋水。 但井下遇到的徐、奥灰突水一般均与断层有关，砾岩突水点有些也与断层有关。如 1 9 6 6 年6 月8 日的二号井- 2 7 0 西大巷通过F a 断层时突水，涌水量6 6 ．0 ～1 3 6 ．8 m 3 ／h ，原 因是因F 3 2 影响使1 6 煤与徐、奥灰间距缩短，徐奥灰水从断裂破碎带突出。一号井1 6 0 1 工作面由于F 3 断层错动，使徐灰靠近对盘l6 煤，导致突徐灰水，初期水量为6 3 0 ．0 m 3 ／h 。 此外断层交叉点也易突水，如1 9 6 4 年9 月2 9 目四号井区1 5 煤东切眼徐灰突水，最大水 量7 8 6 0 ，O m 3 m ，稳定水量3 0 ．O m ‰，出水原因为F 3 4 与F 3 6 断层交叉处导水。 据钻孔及并下抽排水资料证实，断层带一般不导水，但位于强含水层间时某些断层 也具导水性。如1 9 7 7 年四号井区放水试验证明F 3 7 不导水F 3 7 以北徐、奥灰水位均大幅 度下降，F 3 7 以南水位没有变化。但井田西部F 2 2 、F 2 3 、F 孙F 2 5 四条断层平行排列，组 成断层组，单条落差l O ～3 0 m ，井下放水试验和钻孔抽水试验均证明由于断层作用，徐、 奥灰发生水力联系，断层带具有导水性。 根据上述资料，本区断层的含、导水性及对矿床的充水影响主要取决于断层自然形 态、两盘岩性与含水层的关系及含水层的富水情况和采矿生产的影响，其规律如下 1 断层带在自然状态下结构致密，具有一定隔水性能，揭露部位两盘均为非含水 层、远离强含水层 大于安全隔水层厚度 时，则该部位断层带多是封闭式的，断层带含、 导水性弱，只有少量淋水或断层带松软物质冒落现象。 2 揭露部位距强含水层较近 小于安全隔水厚度 时，由于采矿影响使断层带自然 状态受破坏而处于导水状态，可能会造成井下突水。突水可能性与水量大小取决于对盘 强含水层的富水性、水头压力及断层附近隔水层的力学强度。 山东科技大学硕士学位论文华丰井田地质及水文地质概况 3 揭露部位与对盘强含水层对接时，则断层带既含水又导水，易导致井下突水， 水量取决于对盘强含水层的富水性及水头压力。在这种情况下应充分注意大断层附近的 小断层，这些小断层或断层交叉处也常造成井下突水。 4 断层附近裂隙发育、岩石破碎，冒裂带高度可较正常地段高，易达到砾岩含水 层，导致砾岩水的下泄。 5 华车煤矿西部构造复杂，断层发育并密集出现，导致含水层之间、含水层与煤 层间距减小，隔水层的隔水性能也因断层的减弱，易引起矿井在这些部位发生突水。 6 F 3 2 断层在- 2 7 0 m 水平沿四灰和1 3 煤掘进西大巷被揭露时曾发生突水。从突水 情况以及水闸墙内水压测量结果分析表明，F 3 2 是一个导水断层，通过F 3 2 将奥灰水导入 引起了突水。由于F 3 2 断层已经把奥灰水导至四灰，而且还具有1 ．5 M P a 的水压，因此， 应引起高度重视。 2 ．2 华丰井田水文地质概况 2 ．2 ．1主要含水层及其对矿井充水的影响 矿井主要充水含水层为第三系砾岩、山西组4 煤顶板砂岩、太原组薄层灰岩、本溪 组徐灰及奥灰。 1 砾岩含水层直接覆盖在煤系之上，浅部直接与煤层接触，深部与上组煤间距相 对较小，对开采上组煤不利。当采区上方导水裂隙带影响到砾岩含水层时，常形成砾岩 突水。一般初始涌水量较小，为9 ．O ～6 0 ．O m 3 ／h ，最大可达3 0 ．0 ～4 5 0 ．0 m 3 ／h ，但随时间增 长逐渐减少至干涸。 2 4 煤顶板砂岩富水较差，对开采的影响主要淋水导致工作面环境恶劣，由于富 水性不均匀，局部地段较富水也可导致突水，总水量有限而瞬间水量可能较大当其与 上覆砾岩由于断层、直接接触、第三系底部红层缺失或减薄等原因而产生水利联系时， 则有可能将砾岩水通过它而导入矿井，当然，这种可能性随着开采深度的增加而逐渐降 低以至不存在。 3 徐、奥灰灰黄色，厚层状，质较纯，结构致密，厚度变化较大，一般为8 ～ 1 8 m 。井田浅部徐灰的洞穴裂隙发育，一般在钻进徐灰3 ～5 m 可见0 ．1 ～1 ．O m 的洞穴， 岩芯破碎，一般在- 9 0 m 标高以上裂隙洞穴率可达1 2 ％左右中部根掘N o ．6 孔资料，当 孔深2 3 8 ．5 m 见徐灰时，岩心破碎，并见有O ．5 6 c m 的洞穴，冲洗液消耗量为O ．O I L ／s ．m 山东科技太学硕士学位论文 华丰井田地质及水文地质概况 深部9 9 ．1 孔揭露的徐灰发育有x 节理，最宽I c m ，且被方解石脉所充填，线裂隙率为 3 ％。徐灰由浅到深洞穴裂隙发育程度逐渐减弱。 徐灰的含水性与构造发育程度、埋藏条件和水循环条件有密切关系。井田浅部东西 两翼地层转折处，构造断裂和构造裂隙较发育，并受燕山运动以来地下水强烈循环交替 作用的影响，煤系地层受到强烈剥蚀，并被砾岩覆盖；故城河下的煤系地层，由于受到 强烈的地下水循环交替作用的影响溶蚀洞穴裂隙也很发育。所以浅部的徐灰含水性较强， 至深部则逐渐变弱，一般在4 5 0 m 标高，徐灰含水性很小。井田深部徐灰水的补给循环 条件较差，主要以静储量为主。根据对浅部徐灰的群孔抽水试验资料，q O ．7 1 t 0 ．7 9 L ／s ．m ， 为含水中等的含水层。徐灰原始水位 1 1 9 ．6 3 m 据N o ．6 孔资料 ，但由于矿井开采排水， 目前水位已降至．3 0 0 ～．4 5 0 m 。 奥灰为煤系基底，总厚在8 0 0 m 以上，与本溪组假整合接触。岩性以灰岩、白云质 灰岩和泥灰岩为主。浅部大面积出露于地表，广泛接受大气降水和地表水的补给，洞穴、 裂隙普遍发育，含水丰富。 徐灰和奥灰含水层均为高压岩溶裂隙含水层，与下组煤间距仅3 0 m 左右，对开采下 组煤可构成严重威胁，尤其在浅部开采。矿井在开采下组煤的过程中曾多次发生徐灰突 水或徐、奥灰联合突水。徐灰突水水量较小，一般在6 0 ．0 m 3 ／h 左右，但最大的达 7 8 6 0 ．0 m h 。徐灰突水的特点是短时间大量涌水，影响范围较大，初始水量较大，但随 着时间的增长水量逐渐减小，补给水源不充分。徐、奥灰联合突水水量大，一般在1 2 0 ～ 6 0 0 m 3 ／h ，最大可达3 4 9 8 ．0 m 3 ／h 。奥灰突水的特点是底板突然大量涌水，影响范围大，由 于动水压力大而冲出许多岩石碎块和粘物质。由于补给水源充足，涌水量稳定。徐、 奥灰突水通道一般为断裂带和断层破碎带，这种突水往往是突然性的。也可以由于底板 厚度小，徐、奥灰水压力高而突破底板导致突水的，这种类型突水常表现为滞后突水。 华丰井田浅部砾岩、煤系含水层、奥灰均有露头分布，广泛接受大气降水和地表水 的补给由于断裂活动和砾岩的不整合接触面，使各含水层之间发生不同程度的水力联 系，相互补给关系较复杂。在井田的深部，除砾岩外其他含水层均无露头分布，不接受 大气降水、地表水补给，仅在剥蚀面附近接受砾岩水或奥灰水的补给。正常情况下，由 于第三系红砂岩和煤系地层中隔水层的隔水作用，各含水层间基本无水力联系，仅接受 微弱的侧向补绘，包括从浅部生产区来的水量补给。区内地下水自然排泄条件差，除砾 岩水有一定的地表及地下径流 潜水 外，其他含水层仅在矿井排水时通过人工排泄途径 泄出，最终排入柴汶河。 山东科技大学硕士学位论文华丰井田地质及水文地质概况 2 ．2 ．2 主要隔水层及其隔水性能 井田内，第三系底部的粘土质粉砂岩 即“红砂岩” ，石盒子组杂色粘土岩，山西 组及太原组各含水层之间的粉砂岩、粘土岩、泥岩，本溪组杂色粘土岩、粉砂岩均具有 良好的隔水性能，正常情况下隔断了各含水层之间的水力联系，也隔断了大气降水及地 表水与煤系地层的水力联系。 1 第三系红砂岩 第三系官庄组底部有一层粘土岩或粘土质砂岩、粘土岩和砾岩互层，俗称红砂岩或 红层，厚度O ～1 2 4 ．O m ，一般在5 0 m 左右。据钻探资料，红层的以红褐色粘土质粉砂岩 或粘土岩为主，夹薄层砾岩或含粘土砾岩、。砂岩，斜层理发育，疏松、易碎，遇水崩解 膨胀。根据9 2 - l 、9 3 - l 、9 4 - 1 注浆孔取样进行的矿物成分分析，其构成有粘土矿物、碎 屑矿物和自生矿物，其中粘土矿物占总量的4 9 ％，以蒙脱石为主 2 8 ％ ，次为高岭石 1 2 ％ 和伊利石 9 ％ ；碎屑矿物占总量的4 1 ％，以方解石 2 1 ％ 和石英 1 5 ％ 为主，含少量长 石和白云石 5 ％ ；自生矿物有赤铁矿，占总量的1 0 ％。 物理试验和力学性质测试表明，红层的密度为2 7 1 8 ～2 7 7 2 k g ／m 3 , 含水率在0 ．1 3 ～4 ．8 8 ％，孔隙率2 ～1 7 ．6 5 ％；抗压强度1 4 ．O ～2 9 ．3 M P a ，普氏硬度系数为1 ．4 ～3 ．0 ，胶结较松 散，遇水易甭解膨胀，自由膨胀系数在1 _ 3 左右，膨胀量为1 8 ～2 5 ％。 红层由于粘土矿物含量较高且主要为蒙脱石 膨润土 ，具有遇水膨胀的特征。对导 水裂隙的闭合起重要作用，导水裂隙如进入红砂岩，粘土矿物充水膨胀导致裂隙闭合， 因此红砂岩具有良好的隔水性能。浅部开采时凡是红砂岩较厚的地段虽然冒裂带波及砾 岩下部，都未出现砾岩漏水现象；而冒裂带波及砾岩且红砂岩厚度较小或缺失的地段， 均发生多次砾岩突水。这充分说明红层是良好的隔水层，对阻隔砾岩水下泄具有重大的 意义。据生产资料证实，砾岩距煤层7 0 m 以上且红层厚度大于4 0 m 时，一般能阻止砾 岩突水。 第三系底部的红层分布于井田北部。其尖灭线在4 煤露头附近。总体由南向北增厚。 在一号井区发育较好，从4 煤露头以北，厚度一般在5 0 m 以上 图2 ．5 。在一采区，4 煤与第三系底界面间距一般在7 0 m 以下，浅部甚至靠近第三系底界面，由于此处红层厚 度在5 0 ～6 0 m ，在开采中从未出现过砾岩水下漏现象。说明砾岩底部的红层具有良好的 隔水性能。4 煤二采区东段由于红层的存在且较厚 6 0 ～8 0 m ，加之煤层距离第三系底界 面较远 7 0 ～1 0 0 m ，开采中也未出现过砾岩水下漏事故。而在二号井4 煤四采区多次发 生砾岩突水，是由于该处红层厚度较薄 ～般在2 0 m 以下 ，局部缺失 N o ．5 孔附近 ，且 2 l 山东科技犬学硕士学位论文 华丰并田