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邢台矿下组煤首采区带压开采可行性评价 王希良1, 赵森林2 1. 石家庄铁道学院, 河北 石家庄 050043; 2. 邢台矿业集团, 河北 邢台 054023 摘 要 以矿井突水水文地质条件评估为主线, 分析了井田和首采区边界的水文地质意义, 对采区 奥灰含水层的富水性作了进一步研究, 采用解析和工程类比的方法预测了奥灰突水量。分析了煤层底 板岩体的隔、 阻水特性, 对首采区带压开采的可行性作了初步评价, 认为在采取了一定的安全技术措施 后, 实现安全带压开采是可行的, 为采区设计和防排水提供了较为可靠的依据。 关键词 下组煤; 奥灰岩溶水; 带压开采; 评价 中图分类号TD822 文献标识码 B 文章编号 1008- 4495 2004 06- 0031- 03 收稿日期 2004- 03- 23 作者简介 王希良1966- , 男, 山东平度人, 副教授, 博 士, 2000 年毕业于中国矿业大学北京校区 , 现主要从事岩土 工程等方面的教学和科研工作。 邢台煤矿于 1968 年 10 月投产, 设计能力为 90 万tP a, 1985 年达到 180 万 tP a。到目前为止, 上组煤 可采储量所剩不多, 稳产期仅 5 a 左右。而受奥灰岩 溶水威胁的下组煤储量却相当丰富, 仅- 210 m 以上 的储量就达4 232 万t, 如果能将下组煤充分开发, 不 但可以大大延长矿井寿命, 促进煤矿可持续发展, 而 且还可以为同类矿井开采提供水文地质依据, 解决 长期困扰河北省煤矿发展问题。然而多年的实践证 明此类矿井的开采常发生突水淹井事故, 特别是 2003 年邢台矿业集团东庞矿的突水淹井对邢台矿的 下组煤开采提出了更高的水文地质要求。为安全开 采, 必须正确评估矿井突水水文地质条件, 并对开采 可行性进行评价, 为采区设计和防排水提供较为可 靠的依据。 1 邢台井田边界的水文地质意义 1. 1 井田奥灰水文地质边界 邢台井田处于百泉泉域的东部边缘、 径流区的 下游, 临近排泄区。该井田为一北东向的三角形含 煤断块, 在构造上表现为董村背斜和凤凰山向斜组 成的不对称断块向斜, 上覆 80 290 m 的第四系 地层。 井田的西北和东南均为强径流带, 井田南界为 F12 断层H 200 m , 东界为洛阳断层 H 200 400 m , 北界和西界为煤系隐伏露头和 F6 断层, 该 地带属径流相对滞缓区, 补给条件受到一定限制。 邢台井田四周均无完全的阻水边界, 东界洛阳 断层属弱导水断层; 西界 F6 H 30 100 m 为正断 层, 落差南小北大, 导水性南弱北强; 南界 F12 断层 南部抬起, 导水性较弱; 北界和西北界为煤系隐伏露 头区, 无断层阻隔, 与外围奥灰水联系密切。由此看 来, 井田的主要进水边界为处于井田浅部地区的西 北界 和北界, 而井田 的南 界、 东界 过水 能力 相 对较差。 1. 2 试采区奥灰水文地质边界分析 9500 试采区位于井田的西南隅, 其南部边界距 F12断层 600 800 m, 东部和北部为走向 SN 转 NW 的 F24 正断层, 落差 25 45 m, 西升东降。西部边界 为走向NNE 的 F6 正断层, F6 断层以西走向断层特 别发育, 大约有 8 条落差大于 30 m 以上的断层, 这 些断层落差具有南大北小的特点, 它们组成了一系 列的地堑和地垒, 对井田外围的地下水向试采区的 径流起到了一定的阻水作用, 但由于该地区奥灰埋 藏浅, 构造破坏严重, 岩溶发育, 距强径流带较近, 故 富水性较强。 纵观整个试采区, 由于处于井田的浅部地区, 在 井田地下水的径流场中处于较好的位置, 岩溶发育, 其四周均不能形成完全的阻水边界, 因此, 其水文地 质条件是比较复杂的。在天然状态下, 试采区的主 要进水方向来自北部和西部, 其次为南部, 东部由于 埋藏逐渐加深, 岩溶发育逐渐减弱, 再加上 F4 等走 向断层的阻隔, 估计来自东部的岩溶水相对不会太 大。但在发生奥灰岩溶水突水的情况下, 试采区的 四周均会得到补给, 而在长期的疏排下, 大部分容易 形成漏斗获得补给, 而西、 北、 南方向漏斗平缓, 为主 要的补给方向。 31 2004年 12 月 矿业安全与环保 第 31 卷第 6期 2 试采区奥灰水文地质条件分析 中奥陶统石灰岩按沉积环境、 构造旋回、 岩性结 构分为三组八段, 其中对煤层开采有影响的为峰峰 组 六、 七和八段 , 自上而下为 1 八段 岩性为角砾状泥质灰岩、 白云岩, 平均 厚度 14 m, 岩溶发育, 但风化物充填程度很高, 据奥 灰钻孔揭露的资料显示, 约有 66 的钻孔中奥灰顶 面有风化充填物; 2 七段 岩溶裂隙发育, 平均厚度86 m, 单位涌 水量为 0. 137 5. 57 LP sm , 该段是煤层开采的主 要充水含水层; 3 六段 角砾状灰岩, 平均厚度 53 m, 为隔水 层, 它隔绝了与下伏各段含水层的水力联系。 据已有钻孔资料统计分析, - 350 m 以上漏水钻 孔占钻孔总数为 70, - 350 m 以下的仅占 30 。 在正常的地质条件下, 岩溶发育程度随深度的增加 而减弱, 但在断层带附近, 由于应力集中, 岩石破碎, 水动力条件好, 岩溶发育深度加大。 根据试采区的 4 个水文地质钻孔可知, 区内岩 溶裂隙较发育, 如 9301、 9303、 9304 的 3 个钻孔一揭 露奥灰就发生漏水, 9302 孔揭露奥灰不足 20 m 也开 始漏水, 更值得注意的是 9303 孔揭露奥灰44 m 时发 现井田的第一个陷落柱。通过抽水试验 见表 1 , 其 最大单位涌水量为 9. 25 LP sm , 可见该试采区富 水性较强。 表 1 9500 试采区抽水试验结果 孔号 单孔抽水量 QP m3P h 水位升降 SP m 单位抽水量 qP [ LP sm ] 与构造的关系 93012. 211. 60. 67 930211. 04. 39. 25遇断层 930311. 35. 27. 81遇断层 93048. 018. 11. 58 3 试采区奥灰涌水量预计 3. 1 计算公式和参数选择 此次试采区涌水量的计算, 以稳定流的/ 集水廊 道法0和/ 大井法0为主要的计算公式, 该计算公式所 涉及的参数较少, 所求得的结果比较符合对水文地 质条件的认识。所采用的参数以本采区为主, 适当 参照邻近采区及全井田的资料, 力求所采用的参数 具有代表性, 奥灰水位采用近年来最高水位 70 m。 邢台电厂水源地位于井田东侧, 曾进行过大型 开采性群井抽水试验, 该试验影响范围波及到了井 田内部, 获得的水文地质参数是比较可靠的。另外, 该矿在 1990 年进行了大青灰岩群孔放水试验, 其成 果也为试采区涌水量的计算提供了依据。 3. 2 奥灰含水层突水量预计 1 裘布依公式 Q 2. 73 KMSP lgR0- lgrw 3 767 式中 Q 奥灰突水量, m 3P h; K 渗透系数, 取 9301、 9302、 9303 和 9304 钻孔抽水试验的平均值 9. 48 mP d; M 奥灰七段厚度, 取平均值85 m; S 水位降深, 取 190 m; rw 假设突水半径, 取 0. 14 m; R0 引用影响半径, R0 10SK 1 P 2 5884m。 2 非完整井井底进水公式 Q 4KrwS 3 219 式中 Q 奥灰突水量, m 3P h; K 采用 9302 孔 T 值 3. 99 10 4m2P d 换算 而得, 取值 726 mP d; rw 假设突水半径, 取 0. 14 m; S 水位降深, 取 190 m。 3 工程类比法 SPS1 QP Q1 Q SQ1P S1 3 131 式中 Q 奥灰突水量, m 3P h; Q1 临城旧北井、 旧南头、 岗头一井等平均 突水量2 060 m 3P h; S1 上述3 个矿井平均水位降深 125 m。 4 试采区带压开采可行性分析 4. 1 煤层底板岩体隔、 阻水特性 试采区 9 煤底板至奥灰顶面间距 25 40 m, 平 均厚度 33 m, 岩性主要为泥岩、 砂岩和灰岩组合而 成, 其中, 泥岩和砂质泥岩厚度为 23 m, 占总厚度的 77, 细砂岩厚度 3m, 占总厚度的10 , 本溪灰岩厚 度 4 m, 占总厚度的 13 。 上述 3 组岩层总厚 30 m 以上, 下为含铝土的岩 石和致密的粉砂岩, 这些岩石遇水变软、 膨胀, 可将 一些裂缝堵塞, 中间为厚约 4 m 的本溪灰岩, 抗压强 度大, 可起关键层作用, 三者组成了一个较好的阻水 层段。 隔水层中本溪灰岩厚约 4 m, 分布稳定, 距奥灰 含水层平均 13 m, 该灰岩为隐晶和细晶灰岩, 致密坚 硬, 裂隙不发育, 属弱含水层, 在正常的地质条件下 可作为相对隔水层, 但在断层带附近, 必须对其给予 充分的重视和注意, 防止其和奥灰水发生水力联系 32 2004年 12 月 矿业安全与环保 第 31 卷第 6期 而产生奥灰突水事故。 4. 2 带压开采可行性评价 1 参照井陉、 邯郸矿区实践经验数据, 利用隔水 层阻水能力计算有效保护带所能承受的安全水压。 有效保护带厚度 M- Cp- H 式中 M 隔水层厚度, m; Cp 底板破坏深度, 依据邢台矿工作面底 板破坏深度测试结果, Cp 3. 2 0. 085 L, 试 采区工作面长度暂定为 70 m, 则 Cp 9. 2 m; H 承压水导升高度, 一般在奥灰顶面富 水的条件下为 3 8 m, 邢台矿暂取5 m。 这样, 按试采区隔水层最小和最大厚度计算, 有 效保护层厚度分别为 10. 8 m 和 25. 8 m。 岩石阻水能力按邻近矿井最小平均值 2. 2 kgP cm 2m 计, 则有效保护带所能承受的最小和最大安 全水压分别为 23. 8 kgP cm 2 和 56. 8 kgPcm 2。 2 按突水系数计算 P Ts M- Cp 公式中规定, 突水系数在底板受构造破坏块段 取值一般不大于 0. 6, 岩层完整块段为 1. 5。 试采区地质构造比较简单, 地层结构相对完整, 为安全起见, 突水系数阈值取 1. 2, 实际上试采区范 围内的突水系数为 0. 8 1. 2, 在正常的地质块段, 下 组煤开采突水的可能性较小。 5 结论 综合以上分析, 可见煤层底板所能承受的安全 水压为 23. 8 56. 8 kgP cm 2, 而实际上试采区的底板 的水压为 18. 7 30. 0 kgP cm 2。并且以上计算是按历 史最高水位 70 m 计算的, 而现在实际水位为 40 m, 由此不难看出, 在采取一定的安全技术措施之后, 实现安全带压开采是可能的。 参考文献 [1] 邢台矿务局邢台煤矿, 河北煤田地质局第二地质队. 9500 试采区地质及水文地质报告[ R]. 1994 [2] 王希良1 不同开采条件下底板破坏深度测试研究[J] . 煤, 20003 责任编辑 吕晋英 上接第 24页 总而言之, 分形理论就是研究具有自相似性、 分 数维 无标度性 特征的事物。而在地质雷达的探测 目标中, 有些探测对象恰恰具有这样的自相似、 分数 维特征。所以, 近年来, 分形理论已开始在地质雷达 资料解释方面获得一些应用。这可说是物探资料处 理方法上的最新进展。 除此之外, 还有一些新理论和新方法也开始应 用于物探资料的处理中, 如数量化方法、 灰色系统理 论、 模糊集合理论、 多元分析方法等等, 都在不同程 度上进入了物探资料处理领域, 并取得了一些进展。 3 结语 以上就地质雷达资料解释方法的现状所作的评 述, 总体上看, 由于地下探测目标的复杂多变性, 每 种解释方法都有其局限性, 都有一定的适用条件和 范围。因此, 笔者认为, 就目前情况而言, 克服多解 性、 提高物探资料解释可靠性的稳妥措施仍然是 结 合钻探, 采用综合物探手段和综合解释方法, 以探测 手段和解释方法的综合性去降低甚至消除物探资料 固有的不确定性。 参考文献 [1] 程乾生. 信号数字处理的数学原理[M] . 北京 石油工业 出版社, 1979 [2] 吴大正. 信号与线性网络分析[M]. 北京 高等教育出版 社, 1980 [ 3]Luenc Chen. A characterization of subsurface radar targets [J]. IEEE, 1979, 677 [4] 李大洪, 高克德. 地下雷达目标的表征和识别[J] . 煤炭学 报, 2002 责任编辑 吕晋英 33 2004年 12 月 矿业安全与环保 第 31 卷第 6期 English Abstracts of This Issue Applying Single- hole Steady Flow Pumping Test to uate HydraulicPropertiesofBasementRockAquifersaround Liuzhuang western Weathering Shafts 1 -Based on statistical analysis of data measured from the single- hole steady flow pumping tests pered in the geological exploring boreholes at Liuzhuang weathering shafts, functional relationships between drawdown and flow rate as well as between average pumping induced hydraulic gradient and flow rate were established for the basement rock aquifers,in which the weathering shafts should be sunk.The recharging condition of aquifers and the change tendency of aquifer conductivity with depth were estimated by comparing the s of established regressive functions and the values of its constant items for different aquifers.Furthermore,the analysis of theoretical influence radius corresponding to different steady drawdown showed there is only weak hydraulic concern between the two shafts. Theoretical Study of Dust Control Technique by Air Curtain 4 -Research on the dust control principle by air curtain and the similar theory of dust control by air curtain was made on the basis of both air - jet theory and air - solid two - phase flow theory. Investigation and study on the specific for the similar model of dust control by air curtain were also conducted. Air curtain is a better dust control device and it seams to an invisible and transparent screen between the continuous miners driver and heading face, which can prevent dust from dispersing outward during coal cutting,thusachieving airpurification in thereturn airway. Research results have the guiding sense for the laboratory test and site application of dust control by air curtain. uation of Chongqing. s Sustainable Development Based on Theory of Genuine Saving 6 -As a brand- new development concept, sustainable development has a profound significance. The sustainable development in Chongqing was uated in this paper on the basis of the theory of genuine saving. According to the results, both genuine saving and genuine investment were positive, but the er was on up- trend and the later was downtrend. It indicated that Chongqing would develop rapidly in short period, however, would be incline to unsustainable development in long term. So some measures need to be taken to turn this trend in Chongqing. Optimizing Study on Parameters ofTop -bottom -soft Working Face by Blasting with Orthogonal Regression 10 -Production capacity of the top- bottom- soft working face by blasting is synthetically influenced by many factors such as face length, circulating- shift number, velocity of blast and falling coal, prop- supporting velocity, prop-withdrawing velocity and coal- loading velocity. Some sub- system simulation models have been set upon the basis of system analysis of parameters in No. 746 top- bottom- soft working face in Dongting Coal Mine. Systematic study on parameteroptimization wasconducted inaccordance with orthogonal optimizing design and computer simulation regression technology. Effecting pattern of production capacity regarding to the parameters of the top- bottom- soft working face by blasting was obtained in order that circulating - shift number, velocity of blast and falling coal,coal - loading velocity and prop-supporting velocity. Development of Ionic Smoke Transducer 15 -This paper, taking Model KG8005 smoke transducer as an example, analyzedthe integral structure, working principle, circuit principle and typical circuit of the ionic smoke transducer. Application showed that the ionic smoke transducer can sensitively react with the volatile aerogel particles whicharegeneratedduringtheacuteoxidation - decomposition of coal at 300e , has the prediction function of early fire, stronger anti - interference ability to coal dust and better effectiveness for the in- situ detection and remote concentrated monitoring of fire. Research on Sulfur Fixing during Coal Powder Combustion 21 -Sulfur fixing test was made by using calcium oxide and magnesium oxide as the sulfur fixative in the process of sulfur combustion in coal powder. Test results showed that the ability of calcium oxide to fix sulfur is better than that of magnesium oxide. If calcium oxide is used as the sulfur fixative, the sulfur- fixed rate of bituminous coal can reach 54. 20 when n CaOPn S is equal to 2. 5, and that of anthracite can reach 64. 30 when nCaOPnS is equal to 2. 8. Coal and Gas Outburst Prevention Technique and Management for Coal Roadway Drivage 25 - The safe and efficient mining of outburst - prone coal seams is an important means to improve economic benefit of an outburst mine. Through cooperative study and practice, a complete set of outburst- prevention command system has beened inXieqiao Mine by the close combination of outburst - prevention techniques with the management work, which thus realizes the monthly advance of the outburst heading face up to 200m or more and creates marked safety and economic benefits for the mine. This paper gives a description of the outburst- prevention techniques and management system. Feasibility Assessment of the First Mining District Threatened by Karst Water in Xingtai Coal Mine 31 -Coal mining is generally threatened by karst water in Ordovician limestone in north China area, and water inrush or submerge sometimes occurs. In order to avoid water inrush, this paper, taking Xingtai Coal Mine as the example and the assessment of its hydrological conditions as the guide, analyzed the boundary permeability of the first mining field, made further study on the conditions of the Ordovician limestone and predicted the capacity of water inrush with analytic and analogy s.Thepaperalsoanalyzedthewater -resistance characteristics of rock mass between coal seam and Ordovician limestone and made preliminary assessment on the mining feasibility of the first- mining district, which provide reliable basis for the design andwater control and drainage of the mining district. InquiringintoCountermeasuresforRaisingSafetyand Economic Benefit of Coal Mines 50 -This paper made an approach to the intention and quantitative problem of both economic loss and benefit of coal mine safety, pointed out that the uation of life value of industrial injury and death is on the low side in our country, which caused that the uation of the economic loss of an accident is also on the low side. The paper also analyzed the main factorswhich affect the safety and economic benefit of coal mines. The saving of the total safety , the increase of safety output and the establishment of industrial injury assurance system to distribute the accident risk of enterprises are the main ways to raise safety and economic benefits of coal mines. Vol. 31 No. 6 2004 MINING SAFETY ENVIRONMENTAL PROTECTION Dec. 2004