演马庄煤矿断层突水特征及其预测预报方法.doc

收稿日期2005-04-10 作者简介管恩太1964-,男,河南封丘人,高级工程师,中国矿业大学北京地质工程博士生,主要研究方向为 高承压水上采煤水害综合控制技术。 演马庄煤矿断层突水特征及其预测预报方法 管恩太1,2 11中国矿业大学北京,北京 100083;21焦作煤业集团公司,河南焦作 454002 摘 要论文用充分的突出实例分析和论证了断裂构造对矿井底板突水的影响,详细分析 了断层对导水、贮水、缩短煤层与含水层间距及降低底板隔水层强度等突水因素所起的作用。在此基础上,提出了进行底板突水中、短期预测预报的方法。 关键词断裂构造;底板突水;预测预报 中图分类号TD745 文献标识码A 文章编号1671-095920050720043203 Characteristics of Floor W ater Irruption of F ault and Forcast s in Yanmazhu ang Coal Mine GUAN En -tai 1,2 11China Univercity of Mining and Technology Beijing ,Beijing 100083; 21Jiaozuo Coal Mine Group Limited ,Jiaozuo 454002 Abstract This paper analyses and proves the effect of fracturing structure to floor water irruption in coal mines with completely and typical examples.It analyses the effect of fault to transmissibility ,storage ,shortening the coal to aquifer and other elements.Based on this point ,the middle 2short 2term forcast s in floor water irruption are put forward.K eyw ords fracturing structure ;floor water irruption ;predict and forcast 0 引 言 矿井突水对煤矿生产的影响和危害是众所周知的。演马庄矿奥陶系O 2和石炭系灰岩L 2、L 3和L 8岩溶十分发 育,富水性强,加之断裂构造十分复杂,曾发生多次突水事故,其中小型突水Q max 30m 3/min 5次,最 大突水量达320m 3/min ,多次造成全井被淹见表1。 表1 演马庄矿特大型突水简况 突水时间突水点位置标高/m 最大突水量/m 3・min -1 水源 断层落差/m 19641913012121工作面-5489L 801966112118西大巷正前-69165214L 82131977181201441工作面-52120L 8、L 24019791319二一轨道下车场-196240L 2、O 28198515117 二一轨道下车场 -196 320 L 2、O 2 8 对历次突水的研究表明,本矿区的底板突水受多种因素的控制,其中最主要的影响因素是断裂构造。对大型突水,尤其是导致淹井的突水,无一例外地都与断层的影响作用有关。在不同的地质和水文地质条件下,断层对突水的影响在不同的特点。分析和研究在各种情况下的断层突水机理,对防治矿井水害有十分重要的意义。 1 演马庄井田构造特征 焦作煤田的区域构造位置处于不同的构造单元的交接处。从西南伸入本区的是近东西走向的嵩箕构造带;西北部是相对较宽缓的山西中隆起,东部为N E 和NN E 正方向发育的伸展构造区。 本井田处于北东向太行山背斜和东南翼。井田内的构造以断裂为主,且多为高角度正断层。构造展布方向有三组,即N E NN E 向、近EW 向和NW 向1区内主要断层有凤凰岭断层、九里山断层、马坊泉断层和方庄断层等。演马庄矿正处于凤凰岭断层与九里山断层的交汇处见图 1。区内次级构造十分发育,断层密度较大,区内地层被 3 4 2005年第7期 煤 炭 工 程 研究探讨 图1 演马庄矿构造位置与主要突水点分布示意图 切割为若干断块致使灰岩含水层岩溶发育,富水性较强,为矿井的多次突水提供了水源条件。 2 断裂构造对突水的影响与机理 211 断层缩短了煤层与含水层之间的距离当断层切过煤层和含水层时,断层两盘的位移会使煤层底板与对盘含水层之间的相对位置和距离发生变化。许多情况下会使两者之间的距离缩短,使隔水层的有效厚度减小,有时甚至使煤层与含水层直接接触。在这种情况下,如果采掘工作面揭露或接近断层带,就会使原来处于封闭状态的承压水突然涌出而形成突水,煤层与含水层之间的距离缩短多少则取决于断层的断距落差和断层的倾角。21111 断层落差影响 断层落差大小的不同可使断层两盘的煤层与含水层之间产生不同的接触关系。如隔水层有效厚度变小,使煤层与含水层直接接触,使煤层与含水层的距离增大等。它们都有可能引起突水,但突水时的来水方向显然不一样,在本井田内,前两种多在中、小型断裂,比较常见,突水的次数较多,其它几种情况相对较少。 由于断层使隔水层有效厚度变小而引起的突水事故很多。如在掘进1441回风巷时,掘至80m处见一断层落差为315m,走向为N E48,继续掘进10m又见断层,落差13m,于是停止掘进,改从1441西配风巷往上横贯,掘进50m后又见断层,向下退移24m向东作1441工作面回风巷时,于1977年8月19日掘至223m时发生底鼓突水。开始时水量仅为012m3/min后逐渐增大到120m3/min,造成严重后果。 1441工作面原距底板L8含水层18m,距L3,为60m,距L2为90m,距奥灰105120m。由于断层落差影响,改变了断层两盘煤层与含水层的相对关系,使工作面距对盘L3仅30m,距对盘奥灰仅77m。再加上该处位于断层交叉处,水压也较大P1118MPa,所以导致发生特大型突水。21112 断层倾角的影响 井田内断层在平面上和垂向上多数位置变化较大。断层面倾角的变化也会改变煤层与含水层之间的关系,使两者之间的距离变短而引起突水。 如冯营矿1301工作,位于夏庄断层的上盘。原推测断 层倾角为70,留设防水煤柱37m,隔水层厚40m。实际上,该断层在深部突水剖面示意图变小,仅5560。这样就使煤柱的实际长度减少了,仅为18m,隔水层仅29m 见图2,在1178MPa水压力的作用下导致突水,突水达92178m3/min,造成了淹井 。 图2 工作面突水剖面示意图 212 断层的导水贮水作用 由于构造的作用,断层带的岩性一般比较破碎,在充填胶结松散的情况下,断层破碎带具有良好的导水性和贮水性。当断裂规模较大时,断裂带本身贮存的水就相当可观。如果断层同时切穿多个含水层或与含水层有较好的水力联系。就会对矿井形成较大的威胁。 断裂构造导水的意义主要有两个方面。一方面,断层破碎带及旁侧理解裂隙可以把含水层中的承压水向含水层以上导开致一定高度,形成原始导高,使隔水层的有效厚度减小。有时甚至直接将水导致煤层,使隔水层在局部地段完全失去阻水作用。据测试结果表明,在本矿区,断层带附近的原始导高最大可达20m左右,并呈“带状”或“束状”分布。使一些在正常条件下不突水的地方产生突水。如12031工作面,隔水层厚度为20m,水压仅为0172MPa,却因断层和原始导高的影响而发突水,突水为11189m3/min。 另一方面,当断裂规模较大,同时切穿多个含水层时,断层的作用会使各含水层之间发生水力联系,形成相互补给,突水时水将大大增加,易于发生淹井事故。例如,在-200水平东大巷二一轨道下车场掘进时,遇一落差8m的断层,在停止掘进进行加固时发生突水。由于该断层使L8、L2和奥灰三个主要含水层沟通,突水时最大水量240m3/ min,仅68min就使-200水平被淹没,4小时30分后全井被淹。突水后,全矿各含水层的水位都受波及,L8的水位下降了2m,L2下降最大35m,奥灰水的降落漏斗沿凤凰岭断层扩展竞达23km以上。 213 断裂构造的破坏降低了岩层的强度 在断裂构造形成时,断裂带影响范围内岩性破碎,形成断裂构造破坏带的断裂构造破坏影响带。它的存在破坏了隔水层岩层的完整性,降低了岩层的强度。一般断层破碎带的强度只有正常地段的30左右,尤其是在断层交叉处等断层密度较大的地方,破坏程度更高,使隔水层承受 44 研究探讨 煤 炭 工 程 2005年第7期 水压力的能力大大降低,突水事故特别容易发生。 在焦作矿区,一般正常地段的临界突水系数值为1,但在断层带只有0145。韩王、演马庄等矿位于凤凰岭断层和九里山断层的交汇处,断层发育密度,监界突水系数一般为0130145,因而突水次数也明显高于其它矿区,约占东部六矿的50左右。 3 矿井底板突水的预测预报方法 矿井突水的预报是煤矿防治水工作中的一个十分重要的环节。长期以来,针对这一课题已开展了大量的研究工作,并取得了一系列的重要成果。此研究总的来说可以归为三类一类似水压为主要突水因素,主要考虑承压含水层的水压力对隔水层的作用,如斯列萨烈夫理论,突水系数等;一类以矿压为主要因素,试图通过研究底板隔水层矿压和采动破坏作用下的隔水层变形、破坏特征来认识突水规律;另一类则考虑与突水有关的各个方面的因素,通过应用多源信息复合方法,建立多因素的突水预测模型来实现突水的预测预报。此研究工作对深化矿井突水的认识无疑是十分有意义的。但是,大量研究表明,矿井底板突水实质上是多因素综合作用的结果,其中断裂构造的作用十分重要。 由于对一个矿区的地质和水文地质条件的认识是随着勘查和生产过程而不断深入的,因而在某一特定的时期内,对矿井突水的条件和影响因素的认识从某种意义上说是具有一定程度的不确定性,尤期是断裂构造。因此,任何一种方法都难以做到对矿井突水的准确预报。 从矿井防治水工作的实践性角度出发,矿井突水预测应采用多种手段相结合的方法。笔者认为,采用多源信息复合方法建立多因素突水预测预报模型,可以对矿区或井田进行中期预报和突水危险性分区预侧,从多因素共同作用的角度提出突水危险性较大的区段。在此基础上,结合地面或井下物探手段,井下超前探水手段,对上述预报中的重点区段进行验证。这样,既可以保证面上的宏观控制,又可以充分揭露重点区段的水文地质问题,从而达到有效防治矿井突水的目的。 4 结 语 1演马庄矿的矿井底板突水受多种因素作用,其中断裂构造的影响是主要因素。 2在矿井底板突水中,断裂构造的作用是缩短断层与隔水层之间的距离,形成导水通道或贮水构造,降低隔水岩层的强度等。 3在进行矿井突水预测时,应采用多手段相结合的方法,可以用多因素突水预漓模型进行中期预报或宏观控制,对预报的重点区段再用物探或探水等手段进行验证和探查,以取得较好的预测效果。 参考文献 [1] 武强,潘国营,管恩太,等.焦作矿区突水灾害研究综述 [J].中国地质灾害与防治学报,1995,44449. 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