带压开采条件下矿井岩溶水突水研究.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 带压开采条件下矿井岩溶水突水研究 姓名白建军 申请学位级别硕士 专业水文学及水资源 指导教师赵志怀 20100601 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 带压开采条件下矿井岩溶水突水研究 摘 要 矿井突水一直是制约我国煤炭行业发展的主要因素之一，随着我国煤炭 工业的发展，煤矿开采面临的水文地质问题也越来越严重。尤其是我国北 方东、中部煤矿区，随着上、中组煤层资源开采的衰竭，开采储量丰富的 下组煤层却面临着底板岩溶承压水的威胁，这在相当程度上制约了煤炭生 产和矿区经济的可持续发展。因此研究煤层底板岩溶含水层的水文地质条 件和突水条件，采取有效的方法进行煤层底板突水预测预报，为受岩溶水 威胁煤层的开采提供可靠的水文地质依据，具有极其重要的意义。 本文以太原西峪煤矿二水平即为先前开采水平沿煤层倾向向深部延伸 的水平 9号煤层带压开采为例对矿井岩溶水突水进行了研究，二水平开采 标高650m，开采最低标高430m，而奥陶系岩溶水的承压水头标高为 803m，最大承压水头为4.3Mpa。论文首先收集研究了该矿的勘察及抽水 试验资料，详细了解研究区的地质及水文地质条件。其次，运用水化学热 力学、水化学动力学与地质、水文地质学相结合的方法，定量研究了作为 西峪煤矿二水平底板主要的充水含水源的奥陶系岩溶含水层的水文地质条 件。然后研究了煤层底板岩溶水突水的条件，即断裂构造、陷落柱对矿井 突水的影响、9号煤层底板隔水层的抗阻水性能、采动条件下9号煤层底板 的破坏深度等。最后在以上研究的基础上，对岩溶水突水进行了预测，在 假设岩溶水突出时，预测了矿井岩溶水突水量。主要研究结论如下 1. 根据研究区岩溶水离子活度及矿物饱和指数的计算结果，将研究区 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 奥陶系岩溶水分为矿物全溶区βc≤1； 方解石饱和， 其它矿物全溶区βc＞1、 βd≤1；方解石、白云石饱和，其它矿物全溶区βc＞1、βd＞1、βg≤1。 2. 运用地下水化学动力学的方法计算了研究区 8 个剖面 92 个点岩溶 水渗透系数、导水系数、渗透流速及循环年龄，并据此将研究区按渗透系 数的大小分为渗透性极强区、渗透性强区、渗透性较强区、渗透性中等 区、渗透性较弱区及渗透性极弱区；按导水系数的大小分为导水性极强 区、导水性强区、导水性较强区、导水性中等区、导水性较弱区及导水性 极弱区；按实际流度和循环年龄分为循环交替极快区、循环交替快区、 循环交替较快区、循环交替中等区、循环交替较慢区及循环交替极慢区。 3. 分析了二水平断裂构造及陷落柱对岩溶水突水的影响；计算了 9 号 煤层隔水底板的等效隔水厚度和有效隔水厚度，等效隔水厚度 25.33m～ 45.46m,平均 35.62m，有效隔水厚度 22.76m～62.42m，平均 39.52m；计算 了采动条件下 9 号煤层底板的破坏深度，采深 300m，正常地带破坏深度 17.38m，断层密集带破碎深度 17.74m；采深 400m，正常地带破坏深度 18.29m，断层密集带破碎深度 18.65m；采深 500m，正常地带破坏深度 19.20m，断层密集带破碎深度 19.56m。 4．根据突水系数、断裂构造和富水性分区指标，对9号煤层开采岩溶水 突水进行预测，并将开采区分为安全区、相对安全区和危险区。 5．在假设发生突水的前提下，预测了矿井岩溶水突出时的涌水量，在 岩溶水水位瞬时降深50m时的突水量为9831.64m3/d。 关键词带压开采，岩溶水，矿井突水，水化学热力学，水化学动力学 太原理工大学硕士研究生学位论文 III THE RESEARCH OF MINE KARST WATER INRUSH ON CONDITIONS OF WATER PRESSURE MINING ABSTRCT Mine inrush as one of the main factors has been restricted the development of Chinese coal industry,with the development of Chinese coal industry,coal mining is faced with more and more serious hydrological problems. Particularly in the eastern and central area of north China coal mine, with the exploitation of Coal resources in the group of the failure, mining-rich coal seam under the group are facing the threat of bottom karst water pressure,it is restricted the sustainable development of coal production and mining areas to a considerable extent. Therefore,study the hydrogeological conditions and inrush conditions of seam floor karst aquifer, take effective forecasting inrush from coal floor, provide a reliable basis of hydrogeological for mining of coal threatened by karst water,have extremely important significance. In this paper, to the second levelNamely the level of previous mining along the seam tend to extend to depth level of Xiyu Coal Mine of Taiyuan No. 9 coal mining of water pressure as an example research the inrush of mine karst water , exploitation elevation of the Second level is 650m, the lowest mining level is 430m, but the ordovician karst water pressure water elevation is 803m, maximum water pressure head is 4.3Mpa. Firstly collection of the mine survey and pumping test data, learn more about the geological and hydrogeological conditions of study area. Second, quantitative research the hydrogeological conditions of ordovician karst aquifer,which as major filling with water of the second level coal floor of the Xiyu coal mine with the of combining chemical thermodynamics of water, chemical kinetics of water with geological, hydrogeological. And then study the conditions of the seam floor karst water inrush ,that is fault structures, collapse columns on 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV the impact of mine water inrush，anti-waterproof perance of No. 9 coal seam floor impermeable layer, the damage depth of the 9th seam floor on the conditions mining etc. Finally, on the basis of these studies, prediction the inrush of the karst water, and predicted the inflow when the mine karst water prominent .The following conclusions can be drawn 1. Based on the calculated results of study areas karst water ion activity and mineral saturation index, divide the study areas ordovician karst water into all mineral dissolved district-wideβc≤1; Calcite saturation, and other minerals dissolved district-wideβc＞1、 βd≤1; Calcite, dolomite saturation, and other minerals dissolved district-wideβc＞1、βd ＞1、βg≤1. 2. Use the of groundwater chemical kinetics calculate study area 8 section 92 points water permeability, hydraulic conductivity, seepage velocity and circulation age, and based on the calculated results, according to the size of permeabilit the study area divide into highly permeable zone, strong permeability zone, permeability strong area, middle zone permeability, permeability of weak areas and very low permeability zone; according to the size of the transmissivity is divided into highly water conductivity area, strong water conductivity zone, Water conductivity strong area, water conductivity middle zone, water conductivity weak areas and water conductivity very weak area; according to the degree of actual flow and cycle age is divided into cycle alternating fastest zone, cycle alternating faster zone, cycle alternating fast zone, cycle alternating middle zone, cycle alternating slow zone and cycle alternating very slow zone, 3. Analysis the second level faults and karst collapse columns on the impact of water inrush; Calculate the equivalent impervious thickness and the effective impervious thickness of No. 9 coal seam impervious base, the equivalent impervious thickness 25.33m～45.46m, average 35.62m, the effective impervious thickness 22.76m～62.42m，average 39.52m; Calculate the damage depth of No. 9 coal seam base on the conditions of mining, on mining depth 300m, the normal zone damage depth 17.38m, fault-intensive zone damage depth 17.74m, on mining 400m, the normal zone damage depth 18.29m, fault-intensive zone damage depth 18.65m, on mining 500m ， the normal zone damage depth 19.20m, fault-intensive zone damage depth 19.56m. 4. According to geographical indicators of water inrush coefficient, fractures and 太原理工大学硕士研究生学位论文 V water-rich, prediction the karst water inrush of No. 9 coal seam, and divided mining into security areas and relatively safe areas and dangerous areas. 5. The assumption that the premise of water inrush occurred, predicted the inflow when the mine karst water prominent,the water inrush when Karst water level transient drawdown 50m is 9831.64m3/d. KEY WORDS pressure mining, karst water, mine inrush, chemical thermodynamics of water, Chemical kinetics 太原理工大学硕士研究生学位论文 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或 撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名 日期 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括①学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其 它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学 术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容 （保密学位论文在解密后遵守此规定） 。 签名 日期 导师签名 日期 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究的目的及意义 地下水是矿山开采中的一大安全隐患，加之我国煤矿复杂的水文地质条件，开采过 程中会遇到各种水害事故，这些水害事故大多数是由矿井突水引起的。因井巷、工作面 与含水层、地表水体或含水裂隙带、陷落柱、顶板冒落带、构造破坏带等接近或沟通而 突然发生出水事故，称为矿井突水。它是确定矿床水文地质条件复杂程度的重要指标之 一，关系到矿山建设的生产成本与条件，对矿床的经济技术评价有一定的影响，同时也 是矿山设计部门确定开采方案、排水设施和制定防治水措施的主要依据。 我国是世界产煤最多的国家之一， 煤炭资源非常丰富， 原煤产量更是居于世界首位。 然而由于我国煤矿水文地质条件复杂，成为世界上涌水事故最为严重的国家，受水威胁 的煤炭储量占探明储量的 27，采煤中发生的水灾害严重影响了煤矿的正常安全生产。 随着经济社会的发展，人口的增长，城市工业化的迅速增长，人类对原料以及能源 的需求也成倍的增长，煤炭将继续作为一种传统的能源被人类开采及利用。但是在实际 生产建设中，受到矿区复杂水文地质条件的限制，使得矿井突水的预测值始终与实际值 之间存在误差，预测精度达不到令人满意的程度，造成了矿山排水设施与实际排水能力 存在差异造成矿井水害事故的发生。 在煤矿安全生产中矿井突水一直都是备受关注的问题，突水事故给国家财产和矿工 的生命安全造成了巨大的损失。煤矿突水被认为是煤矿安全生产的重大灾害之一，也是 世界产煤国家必须面对的一大难题。矿井突水是一个比较复杂的问题，同时又受到复杂 地质条件和矿下采煤活动的影响变的更为复杂更难被人类控制。 因此进一步加强矿井突 水研究，准确预报矿井突水对于防止矿井突水、淹井等事故，保障矿山生产安全，保障 国家财产和人民生命的安全具有极其重要意义。 西峪煤矿位于山西省太原市西南边山，是太原市的主要产煤基地之一。目前西峪煤 矿一水平和二水平上组煤层已开采完，现在全面进入二水平中下组煤层开采，下组煤层 底板下覆的峰峰组岩溶含水层为间接底板充水的主要含水层， 岩溶水水位标高要高于二 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 水平开采水平标高，故二水平开采属带压开采。 本文以太原市西峪煤矿为研究区域， 在了解国内外矿井突水预测研究现状的基础上， 针对目前在矿井底板岩溶水突水预测时，只考虑承压水压力的因素，而不考虑岩溶含水 层其它的水文地质条件这一问题， 通过运用化学动力学方法研究了岩溶含水层水文地质 特征，获取了岩溶含水层较为准确的水文地质参数，提出了以综合考虑岩溶含水层水文 地质条件为基础，结合突水条件研究进行矿井岩溶水突水预测的方法。并根据研究区实 际情况，对研究区矿井岩溶水突水进行了预测，为矿井带压开采提供可靠的地质依据。 1.2 国内外的研究现状及进展 煤层底板突水的发生是受地质、水文地质和开采条件等多种动态因素的影响，底板 突水的威胁一直在影响着煤矿生产和安全。从 40 年代起，国际上就开始注意底板突水 机理的研究了，提出了各种突水预测方法，下面将从突水预测理论和方法两个方面简述 如下 1.2.1 突水预测理论国内外国内外研究现状 研究现状 1 国外学者的研究成果 国外学者对煤矿水害研究的重点放在矿井水对地下水质的污染上 [1-5]， 而对煤层底板 突水的研究，尤其是对奥灰岩含水层的突水研究相对较少。 原苏联学者 A.A BOPNCOB 采用相似材料三维模型对煤层开采的底板岩层变形过程进 行了一定的研究。 40-50 年代，主要以静力学理论为基础，研究煤层底板带压开采条件下的破坏机制。 如前苏联学者 B斯列萨列夫将煤层底板视作两端固定承受均布荷载作用的梁。 60-70 年代，主要仍以静力学理论为基础，结合地质因素考虑隔水层岩性和强度， 研究底板突水机理。如匈牙利和南斯拉夫等学者提出的相对隔水层厚度，即以泥岩抗水 压的能力作为标准隔水层厚度，将其它不同岩性岩层的厚度换算成等效泥岩的厚度，作 为带压开采煤层底板突水与否的标准。 70-80 年代末期，岩石力学工作者在研究矿柱的稳定性时研究了底板的破坏机理。 如桑托斯和宾尼威斯基提出的基于改进的 Hoek-Brown 岩体强度准则，并引入临界能量 释放点的概念分析了底板的承载能力 [6]，由于该理论从底板的承载能力触发，既不需要 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 考虑水压的影响，也不需要考虑隔水层、采掘条件等，因此它对底板破坏机理的研究具 有参考价值。 2 国内学者的研究成果 我国学者早在 60 年代就开始了对煤矿承压底板突水破坏规律的研究。 进入 80 年代， 随着我国煤矿开采深度的日益增加，煤矿底板突水事故的危害也日益严重，所以对采场 底板突水机理的研究也更加深入，其中有煤科总院西安勘探分院、太原理工大学、中国 矿业大学等科研机构都做了大量的研究工作，并取得了一定的成果，简述如下。 1 突水系数 在焦作水文会战中，以煤科总院西安分院为代表提出的应用突水系数作为预测煤层 底板突水与否的标准 [7、8]，突水系数就是水压力与极限隔水层厚度的比值，在数值上等 于“相对隔水层厚度”的倒数。由于先前提出的突水系数没有考虑矿压对底板破坏的影 响，70 年代，煤科总院西安分院曾对突水系数的表达式进行了修改，在考虑矿压破坏因 素时，从隔水层厚度中减去了矿压对底板的破坏深度。 2 “下三带”理论 山东矿院、 峰峰矿务局的科研人员于 80 年代提出了 “下三带” 的观点， 后由李白英、 孙振鹏等人，通过综合观测并结合相似材料模拟、有限元分析等研究工作后上升为理论 的高度，即“下三带”理论 [9-12]。该理论认为开采后煤层底板的破坏也像采动后覆岩的 破坏一样，存在着“三带”，即上部采动破坏导水带，中部完整岩层隔水带和下部承压 水导升带，其中中部完整岩层隔水带对阻隔底板突水起着重要的保护重要。“下三带” 理论认为，底板突水机理不仅是底板在水压力作用下底板强度低于水压力的失稳现象， 而且也是由于底板含水带在水压力和矿山压力共同作用下产生了升高所至， 当底板含水 带与底板导水带沟通时，就会发生突水事故。在突水判断依据上，采用完整岩层阻水带 平均每米岩层阻水能力作为预测突水与否的依据， 这实际上也就回到了突水系数的表达 式上。“下三带”理论比较符合煤层采动条件下底板破坏突水的规律，在生产实践中得 到了较为广泛的应用。 3 岩-水应力关系 通过现场矿压预测与底板岩体变形规律的研究表明，底板突水是矿山压力和底板承 压水压力共同作用的结果。在工作面超前支承压力作用下，底板岩层呈压缩状态；而在 煤壁边缘和采空区内部，底板岩体处于膨胀状态，底板岩体在由压缩向膨胀的转化过程 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 中，将不可避免地产生剪切和张拉破坏。岩-水应力关系法从物理和应力概念出发，认 为造成底板突水需具备两个条件其一为存在导水破裂带，无论是地质构造作用还是采 掘工程引起的岩体破坏，只要底板隔水层破坏至一定深度，且与下部导升高度相遇或波 及到下部含水层时，就具备了突水的必要条件，此时底板岩层由于强度下降，底板渗流 强度增加，但未必一定产生突水；其二为水压与应力关系，当承压水压力大于或等于水 平最小主应力时，才具备突水的充分条件，此时底板水在水压力的驱动下，可以突破底 板岩层裂隙带水平方向的应力约束，穿越岩体破裂带构成突水。 4原位张裂与零位破坏理论 王作宇等提出了底板移动的原位张裂和零位破坏理论 [13-15]。该理论认为在岩体自重 和下部水压的联合作用下，使其超前压力压缩段岩体整个结构呈现上半部受水平挤压， 下半部受水平引张的状态，因而在其中部附近底面上的原岩节理、裂隙等不连续面产生 岩体的原位张裂，研究者认为，底板结构岩体由超前压力压缩段的过度引起其结构的质 变，压缩岩体的应力急剧增加，围岩的贮存能大于岩体的保留能，以脆性破坏的形式释 放残余弹性应变能以达到岩体能量的重新平衡，从而引起采场底板岩体的零位破坏；并 且认为顶板自重应力场的采场支承压力是引起底板产生破坏的基本前提， 煤柱体的塑性 破坏宽度是控制底板最大破坏深度的基本条件， 底板岩体的内摩擦角是影响零位破坏的 基本因素。该理论进一步引用塑性滑移线场理论分析了采动底板的最大破坏深度，在突 水判断依据上，仍采用了突水系数的概念。 5薄板模型理论 刘天泉、 张金才等提出了底板岩层由采动导水裂隙带和底板隔水带组成的概念 [16-20]， 并采用半无限体上一定长度上受均匀竖向荷载的弹性解，结合 coulomb-Mohr 强度理论 和 Griffith 强度理论分别求得了底板受采动影响的最大破坏深度，在此基础上，将底 板隔水带看作四周固定、受均布荷载作用的弹性薄板，然后采用弹塑性理论分别求得了 以底板岩层抗剪及抗拉强度为基准的预测底板所能承受的极限水压力的计算公式。 6关键层理论 钱鸣高、黎良杰等根据底板岩体的层状结构特征，建立了采场底板突水机理的关键 层理论 [21-25]。该理论提出在底板岩层中有一层强度最高的岩层作为底板关键岩层，将这 一关键层看作薄板，这样便可以利用薄板强度理论对底板破坏进行研究、计算。由于底 板关键层强度最高，因此，当其达到极限破坏断裂步距时，煤层至含水层之间的其它岩 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 层均早已达到极限破坏断裂步距，这样底板突水机理的研究就转化为在无断层构造条 件下，底板关键层破段机制的研究；当有断层切割时，对断层两盘关键层破段机制与承 压水对关键层的张开或断层重新活化与承压水在断层带中渗透冲刷的研究。 1.2.2 突水预测方法国内外突水预测方法国内外研究现状 研究现状 上述各理论从不同角度揭示了突水发生的机理，也为矿井突水预测方法提供了理论 基础，目前常用的突水预测方法有 1 突水系数法根据隔水带厚度和水压关系确定突水系数，目前使用的都是修正后 的突水系数法。但由于临界突水系数的值是经验统计值，且反应的是断层薄弱带的突水 条件，用它进行正常块段的突水预测常常偏于保守，对预测深部开采具有限制作用。 2 阻水系数法 即岩-水应力关系法， 是通过现场底板钻孔水压致裂法来测试底板岩 层的平均阻水能力来进行突水预测的方法。预测原则是，当岩石破裂压力大于水压时， 不产生突水，当岩石破裂压力小于水压时，有效保护层总阻水能力大于煤层底板承受的 水压时，不发生突水，否则可能突水。由于岩-水应力关系法本身对采动导水裂隙带及 承压水的导升高度未能得出定量结论，使其应用受到限制。 3 突水指数法是综合考虑影响保护层阻水能力的各种因素，包括厚度、岩性及岩 石力学性质、裂隙发育程度、承压水压力等，采取单因素分析，综合确定的原则，建立 突水指数与各种相关因素的关系式。由于该方法中一些参数的结果与样本数量相关，要 求有大量的现场观测资料和突水案例，对底板突水次数少的矿井并不适用。 4 经验公式法一些矿井根据以往承压水上开采过程中突水和未突水工作面的底板 承受的极限水压与隔水层厚度的关系，统计归纳出经验公式作为底板突水预测的依据。 由于该方法是建立在开采经验统计的基础上， 所以一个矿区的统计公式并不能用于另一 个矿区的突水预测，其适用范围受到很大的限制。 上世纪 90 年代以来，随着计算机科学技术的发展，产生了大量建立在信息理论、随 机理论、模糊理论、人工神经网络、专家系统及非线性科学等理论基础之上的煤层底板 突水预测方法。 多种信息复合预测由于较单一信息更能客观地反应器影响程度，在分区域的中长期 预测中广泛应用，其中使用最多的是基于 GIS 的煤层底板突水预测模型，如管恩太 [26] 利用 GIS 多元信息拟合方法研究的底板突水预测模型。 模糊系统理论是以模糊集合为基础， 通过定义在模糊集上的模糊规则进行模糊推理， 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 理论上可以逼近任意的非线性映射， 这是模糊技术处理非线性问题和复杂问题的理论基 础，如唐孟雄 [27]利用模糊数学方法对煤层底板突水进行预测。 专家系统是对人类的不可能量化的经验进行转化的一种较好的方法。它是一种模拟 专家决策能力的计算机系统，通过对数据库里的资料进行细致的分析、汇集有经验专家 的技术知识、提取有关原则、按照一定的推理进行预测，如张敏江、王延福提出并开发 了煤层底板突水预报专家系统 [28]。由于专家系统难以找出真正意义上的专家，在知识库 建立上存在很多困难、规则相互冲突，使其应用受到了限制。 综上所述，就煤层底板突水预测而言，实用且有效的预测方法尚未完全实现，还有 许多理论和实际问题需深入地研究，因此煤层底板突水预测方法仍需不断地探索。 1.3 本文的研究内容和解决的关键问题 本文以太原西峪煤矿二水平即为先前开采水平沿煤层倾向向深部延伸的水平 9 号 煤层带压开采为例，对矿井岩溶水突水预测进行研究。西峪煤矿二水平标高650m，开 采最低标高430m， 而奥陶系峰峰组岩溶水承压水头标高 803m，最大承压水头 4.3Mpa， 高水头带压开采对煤矿安全生产构成很大威胁。矿井突水是一个复杂的问题，不可能用 一个统一的规律进行描述，也就是说，随着空间的变化，水文地质条件发生变化，各类 突水因素在突水过程中的作用亦发生变化 [29]。因此定量研究岩溶含水层的水文地质条 件，获取更加准确的岩溶含水层水文地质参数，更加准确的进行煤层底板岩溶水突水预 测，为矿井带压开采提供可靠的地质依据，对保证煤矿生产的安全具有重要的意义。本 文注重理论与实践相结合，强化理论用于实践的可操作性，结合西峪煤矿二水平 9 号煤 层带压开采的实例，拟展开以下几个方面的研究 1 运用水化学热力学、水化学动力学与地质、水文地质学相结合的方法研究 9 号 煤层煤层间接底板岩溶含水层的水文地质条件。 2 研究 9 号煤层底板岩溶承压水的突水条件。 3 在以上研究结论的基础上，结合研究区实际情况，对研究区进行了矿井岩溶水 突水危险性分区，并在假设岩溶水突出的前提下，预测了矿井岩溶水突出时的涌水量。 其中运用水化学热力学、水化学动力学与地质、水文地质学相结合的方法定量化研 究岩溶含水层的水文地质条件是本文要解决的关键问题。 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 1.4 本文的研究方法和技术路线 本文以西峪煤矿二水平 9 号煤层带压开采为例，在收集勘探及抽水试验资料的基础 上，通过运用水化学热力学、水化学动力学与地质、水文地质学相结合的方法研究 9 号 煤层煤层间接底板岩溶含水层的水文地质条件，并求取了岩溶含水层的水文地质参数， 对岩溶含水层的水文地质特征有了定量化的认识；通过对岩溶含水层突水条件的研究， 对岩溶水突水机理有了深刻的了解。在以上研究结论的基础上，提出了以综合考虑岩溶 含水层水文地质条件为基础，结合突水条件研究进行矿井岩溶水突水预测的方法。最后 根据研究区实际情况，对研究区进行了矿井岩溶水突水预测。 技术路线如下 1 收集有关地质资料，统计西峪煤矿二水平断层及陷落柱的分布状况，研究其形 成原因、发育规律及分布特征。 2 收集有关的水文地质资料，运用水化学热力学、水化学动力学与地质、水文地 质学相结合的方法对煤层间接底板岩溶含水层的水文地质条件进行定量研究。 3 通过分析断裂和陷落柱的水文地质特征，9 号煤层底板隔水层的抗、阻水性能 和开采采条件下 9 号煤层底板的破坏深度，研究了煤层底板岩溶水的突水条件。 4 在以上研究结论的基础上，根据研究区实际情况，对研究区进行了矿井岩溶水 突水危险性分区，并在假设岩溶水突出的前提下，预测了矿井岩溶水突出时的涌水量。 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 第二章 研究区概况 2.1 自然地理概况 2.1.1 位置与交通 西峪井田位于太原市西南边山，行政区划属太原市晋源区。其范围西北基本以白家 庄为界，西南为浅部小窑采空边界，东北以 3 号煤层 470m 等高线为界，东南以马家沟 F1断层为界，形状呈菱形，面积约 10.5km2。交通便利，公路与铁路专运线可直达太原， 见图 21。 图 21 西峪井田交通位置 Fig.21 Ida traffic location of Xiyu 2.1.2 地形与地貌 井田地形总的看是西、西南高，向东北倾斜，形态类型跨两种地形单元。第一类为 井田北部和东部黄土组成的丘陵，为太原断陷盆地的组成部分，地面向盆地方向倾斜， 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 一般的地形坡度在 12.3。局部地段沟底裸露二叠系砂页岩。第二类为局部黄土覆盖的 砂页岩低山丘陵，剥蚀、侵蚀作用为主要的外动力地质作用，是西峪煤矿主要采煤区。 井田地形最高点在聂家山， 标高1175.17m， 最低点在水峪沟、 南寨沟一带， 标高825m， 地形高差为 350m。基岩沟谷极其发育，地形比较破碎，沟谷大致呈东西向延伸，水峪 沟内发育不对称的Ⅰ、Ⅱ级洪积阶地，表明矿区内为缓慢的间歇式上升地块。沟间的分 水岭多呈浑园状，间有一些孤丘。山顶或山坡有黄土覆盖时形成黄土长梁，梁顶地形平 坦。井田内有一些碟形的不规则的洼地，是陷落柱在地表的一种显示。 2.1.3 气象与水文 井田属黄河流域、汾河水系，水文条件比较简单，无常年性的地表水体。仅有几条 较大的沟谷，暴雨时可形成湍急的洪流，因其地形坡降较大，泄洪很快，暴雨后不足一 小时就泄完。井田北部的九院沙河，呈东西向流经其北部矿界，是一条季节性河流，雨 季暂时流水，目前有上部的矿坑等排水补充。 井田地处山西高原中部， 属干旱或半干旱的大陆性季风气候。 多年平均气温 10.1℃， 极端最高气温 39.4℃，极端最低气温-25.5℃，最大冻结深度 0.8～1.0m，多年平均降水 量 412.0mm，年最大降水量 586.6mm，年平均蒸发量 1559.7mm，大于年平均降水量的 3.78 倍。 2.2 研究区地质条件 2.2.1 区域地质条件 西峪井田地处西山煤田西山地区东部边缘。西山地区从整体上看，为一正地形的近 南北向复式向斜构造，西翼陡，东翼缓，北端翘起碳酸盐岩裸露，向南倾伏碳酸盐岩深 埋。靠近太原盆地边山地段，从冶峪至晋祠形成次一级隆起，碳酸盐岩局部地段裸露。 区域内 NEE 向的断裂构造比较发育，有的为断裂束组成的地垒，如王封地垒、大虎峪地 垒，NNE 向和 NNW 向的断裂构造次之。区域地质构造发育情况见图 22。 1 区域地质构造 1 区域褶皱构造 区域岩层主要呈缓倾的单斜构造，倾角一般 8～15左右，断层两侧及褶皱翼部岩层 倾角变陡，可达 25以上，两个较大的褶皱叙述如下 太原理工大学硕士研究生学位论文 10 官地背斜为官地井田之主体构造，轴向 N20～40W 左右，延长约 2750m，东西 两翼略不对称。西峪煤矿就处于该背斜的东翼。 冶峪向斜位于冶峪大沟南北两侧，轴向由南北逐渐转为 N45E，延长约 3875m， 为区域最大褶皱构造,向斜轴部岩层平缓，南西端两翼明显不对称，西翼倾角 30左右, 东翼倾角 5～10左右；北半部分