煤矿安全地表裂.pdf

★ 煤矿安全 ★ 地表裂缝导水性分析和导水区域研究 张其胜 梁树雄 孙奋清 1 ．霍州煤 电集 团吕梁山煤 电有限公 司木瓜煤矿 ，山西省方山县 ，0 3 3 1 0 2 ； 2 ．山西省地质 灾害防治设计研 究院，山西省太原 市 ，0 3 0 0 0 0 摘要通过对地表裂缝深度和导水裂隙带高度计算，划分出了木瓜井田地表裂缝的导 水 区域 ；通过 对导 水 区域进行 示踪 实验 ，排 除 了隐伏裂缝 导 水的可能 。对 同类矿 井同类 问题 有 一定的借鉴 意义 。 关键词 地表裂缝 径流带 裂隙 导水区域 1 问题的提 出 霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜井田现 主要开采 9 煤层 ，煤层厚度 2 ． 5 m，工作面采用走 向长 壁法 布置 ，工作 面 长 1 6 0 m，走 向长 6 0 0 ～ 7 4 0 m，采煤方法为综 采，全部垮落法 管理顶板； 9 煤盖山厚度 1 1 0 ～3 5 0 m；煤层上覆岩层主要为 太原组、山西组和下石盒子组 的砂岩 、薄层灰岩 ， 泥岩和薄层灰岩 ，比例约为 0 ． 3 20 ． 4 20 ． 2 6 ， 覆 岩类型属 中硬岩 。 地表黄土主要分为第四系全新统 Q 、第四 系中、上更新统 Q 。 和第三系上新统 N z 3 层。第四系全新统主要分布在木瓜沟、大满沟等较 大沟谷的底部。岩性为浅黄色亚粘土、亚砂土夹砂 砾石层。厚度一般 1 ～5 m，结构疏松 ；第 四系中、 上更新统在矿区内大面积分布。岩性为浅红色、浅 黄色亚粘土 、亚砂土，局部含钙质结核。厚度一般 4 0 m左 右 ，最大 厚度达 1 2 0 m。表部 的 Q。 黄土具 大 孔 隙 ，垂直 节理 发育 ，透水 不 含水 ；下 部 Qz 黄 土 一 般不含水 ，构成区域隔水层。第三系上新统主要 出露在较大沟谷底部。岩性上部为棕红色粘土、亚 粘土 ，夹 2 ～3层钙质结核，一般不含水，与上部 Q 2 黄土 构 成 区域 隔 水 层 ；下 部 为 半 胶 结 砾 石层 ， 受补给条件 限制 ，富水性弱 ，仅局部含风化裂隙 水 。总厚度一般 4 0 ～7 0 m，平均 5 0 m。与下伏二叠 系地层呈不整合接触。 经过近 4年 的开采 ，井 田内地 表出现大量 裂缝 ，这 些 裂缝分 布在 0 ． 9 8 k m 的采 空 区上 ，缝 宽 0 ． 0 1 ～ 7 6 0 ． 5 4 m，错差 0 ～0 ． 6 m，延伸长度 2 0 ～3 0 0 m。木 瓜井田地表无大型水体 ，但井田内黄土厚度普遍在 8 0 m 以上 ，基 岩相对较薄 ，若雨 季地 表降水汇集 在黄土沟谷中顺地表裂缝进入井下 ，必将对矿井的 安 全造 成影 响 ，本方研 究地 表裂缝 的导水性 和导水 区域 。 2 地 表裂缝 导水性 分析 2 ． 1 导水裂隙高度计算 9 煤顶板为隔水水性较好 中硬顶板 ，根据北京煤 科总院导水裂隙带 冒落带与断裂带和称最大高 度计算 经验公 式有 H裂 1 0 0 M／ 1 ． 6 M 3 ． 6 5 ． 6 计算中误差 5 ． 6 m 式中H裂 导水裂隙带最大高度，m； M单一煤层采厚或厚煤层分层开采累计 厚度 ，取 2 ． 5 m； 代入 上式得 H裂 一3 8 ． 5 m 2 ． 2 地表裂缝深度计算 当地下煤层被开采后 ，回采工作面上方地表逐 渐形成近似圆锥形的下沉盆地。在下沉盆地的边缘 区，地表受拉伸变形 ，当拉伸变形值大于产生裂缝 的 临界变形 值后 ，地表 即出现裂缝 。 在地 表拉伸 位 置 ，沿 竖直 方 向变 形 ￡ 是 压缩 变形 ，且随着深度增大而有所增大。因此 ，一定存 在一个面 ，在该面上 ￡ ￡ 一0 ，且 ￡ ￡ J ，即地 表 裂缝发 育至该 面终止 。 根据 弹性力 学理论得 中国煤炭第 3 3卷第 1 2期 2 0 0 7年 1 2月 维普资讯 ￡ 一 1～ 一 ／ 1 一 ／ E ￡ 一 1～ 一 ／ 1一 ／ E 式中￡ z方向的移动变形； e z方向的移动变形 ； 方 向 的应 力 ； z方 向的应 力 ； 黄土 的泊松 比，取 0 ． 2 5 ； E 黄土的变性模量，取 1 3 MP a 能使裂缝进一步发展的临界 点应满 足如下条 件 ￡ ￡ ≥ 0， 且 ￡ ≥ ￡ J 令 一7 h ，￡ 一￡ J ，￡ ￡ 0代入上式并简化 得 h一 1 ／ r E s， ／ 1 1 其 中 y为重 度 ，取 1 9 k N／ m。 ；h为裂 缝深 。 在地表 面 ，令 一0 ，可得 一 E s J ／ 1一 令 一 ， 一 0代入下式 1 一 t a g 。 4 5 。 0 ． 5 p 2 Ct a g 4 5 。 0 ． 5 得 B J ／ 1 ～ 。 一 2 C t a g 4 5 。 0 ． 5 e 2 式 中 C 粘 聚力 ； 内摩擦角 根据 吕梁 区 黄 土 层 物 理 力 学 性 质E一 1 3 M Pa， 一 0． 2 5， C 一 0 ． 0 5M Pa， 一 2 2 。 ， 7 1 9 0 0 0 N／ m。 ，由式 2可得 ￡ J 一8 ． 7 2 mm，将 上式参 数代入式 1 ，可得裂缝深度约为 4 ． 7 7 m。在地表 裂缝 实际调查 中 ，实测裂缝 深度 也 未见 超 过 5 m 的 情形 ，这里取 理论值 2倍 的安全 系数 ，地 表裂 缝最 大深 度取 9 ． 5 4 m。 2 ． 3导 水性 分析 木瓜井 田9 煤倾角 3 ～9 。 ，为缓倾斜煤层，煤 层开 采以后 ，冒落带 的边缘 位 于采空 区边 界 范围 以 内，导水裂隙带的边界位于采空区范围之外 ，越出 采空 区边界 约 5 ～8 m。矿 现有 采空 区 0 ． 9 8 k m。 ，盖 山厚 度 1 1 0 ～ 3 5 0 m，以 9 1 0 0 、9 1 0 2工 作 面为 薄 1 1 0～ 1 3 0 m ，该 区 第 三 、四 系 黄 土 均 厚 9 3 ． 6 m，9 煤导水裂隙带高度进人 了黄土层，极有 可能破坏矿区第三系上新统 、第四系更新统的隔水 层 ，故该 区为地 表 防 水 的重 点 区域 ；9 1 0 6 、9 1 0 8 、9 1 0 1 、9 1 0 3 、9 1 0 5 、9 1 0 7工 作 面盖 山厚 度 均 在 2 0 0 m 以 上 。第 四 系 黄 土 层 厚 度 9 3 ． 6 m，地 表 裂 缝 深 9 ． 5 4 m， 完 整 黄 土 层 厚 地表裂缝导水性分析和导水区域研 究 8 4 ． 0 6 m，完 整 岩 层 和 黄 土 层 厚 度 合 计 可 达 1 5 2 ． 4 6 m 以 上 ，岩 层 中 以泥 岩 、砂 岩 为 主 ，与 黄 土中红色黏土结合 ，能起到很好 的隔水作用 ，故该 区正常情况下，木瓜井 田内地表裂缝不能将地表水 导入井 下 。 3 导 水 区域 研究 通过以上分析 ，确定 了 9 1 0 0 、9 1 0 2工作 面采空区为防水重点区域 ，应对该 区域地表裂缝进 行封填治理 。但在实际调查中发现该区裂缝全部位 于地表梁峁之上，处于降雨径流区的木瓜沟底未发 现裂缝 。梁峁之上的裂缝 由于位置偏高，单纯的降 雨渗入井下十分有限，对矿井不构成影响；而沟底 的情况相对复杂 ，沟底黄土层厚度普遍 比沟梁上底 4 0 6 0 m，无论是 裂缝 隐伏在黄土 下没有达到地 表，还是在形成过程中受降雨影响愈合 了，都需要 对它的影响程度进行研究 。 3 ． 1 示踪 试验 为 了查 明导水 区域 木瓜 沟沟底 地表径 流带 的安全程度 ，选择在 9 1 0 0采空 区上部 的木瓜沟 沟底最 可能存 在裂缝 的区域进行 示踪试 验 。试 验点 共 2处 ，试坑长 5 m，宽 l m，深 0 ． 6 m，两坑相距 约 4 0 m。试验前分别在第三系上新统红粘土 、西下 山水仓和木瓜煤矿供水井进行全分析水样的采集。 示 踪试验 从 2 0 0 6 年 1 0月 1 6日开始 ，采 用 Na C 1 为 示踪剂 ，浓度为每 1 t 水配制 Na C 1 2 5 k g ，每 日每坑 投放 5 0 k g，持续 5天 1 0月 2 0～2 4日 ，试坑内 水 深控 制在 4 0 c m，定 时 观测 并 记 录试 坑 中水 位 下 降情况 ，同时每间隔 2 4 h在西下山水仓采集水样 1 组。试验至 1 0月 2 6日结束。木瓜煤矿西下山水仓 C 1 含量变化时程 曲线见 图 1 。 时间／ d 1 1 月1 日 图 1 木瓜煤矿西下山水仓 C l 含量变化时程曲线图 从试验结果看出，地表水渗透速度缓慢，2个 试坑稳定渗透速度分别为 0 ． 3 1 m／ d ，西下山水仓 水样跟踪检测结果 C 1 一 含量变化幅度较大 ，其值在 7 7 维普资讯 1 9 ． 5 ～4 9 ． 6 mg ／ 1 之间波动 ，其最大值 4 9 ． 6 mg ／ 1 为 1 0月 1 9日检测值，此时地表渗水坑未加示踪 剂 Na C 1 1 0月 2 0 日开 始 加 ，后 期 检 测 值 均 小 于 4 9 ． 6 mg ／ 1 ，为正 常 矿坑 排 水 反 应 ，未 受 示 踪 剂 Na C 1 的干扰，表明在试验期 间示踪试验点处地表 水未 渗漏至 矿坑 。 3 ． 2 矿 井涌水量 资料验证 从 2 年 多的矿井 涌水量 观测资 料分析 ，矿井 正 常涌水量始终保持在 1 1 0 ～1 6 0 r n 。 ／ h ，与季节变化 和降雨丰沛无明显关系，表明两年多来 ，地表降水 未直接渗入井下，与上述分析论证结果一致。 4结论 虽然木 瓜井 田地 表裂缝 目前对 矿井 安全未形 成 影响， 但在地面沟谷的主要泄洪通道上 ， 若黄土中隐 伏大的断裂构造或陷落柱 ， 必将对原有隔水带产生 破坏 ， 井下仍不能排除突水可能 。今后地测工作一 方 面应加强 大 中型构 造 的定 性定 量 分析 ， 另 一方 面 应加强地面沟谷中裂缝、 塌陷坑的调查、 封堵工作。 参考文献 [ 1 ] 王铁牛等 ．宋沟水库下采煤安全性分析 ．煤炭技术 ， 2 00 6 7 [- 2 3 霍州煤 电集团 吕梁 山煤 电有 限公 司店坪区浅覆盖层 采煤防渗技 术 研 究 报告 ．山 西省 地 质灾 害 防 治研 究 所 ， 2 006 [- 3 3 吕梁地 区水利勘测建设 总队， 霍州煤电集团有限责 任公司方山县木瓜煤矿水源井竣工报告 ，2 0 0 4 [- 4 3 山西省第三地质工程勘察 院， 山西省方山县 郭家 沟 铝土矿区普查报告 ，2 0 0 3 责任 编辑孔晋华 上 接 第 7 5页 将 预测 突 出危 险率 提 高到 2 5 ， 这样可以兼顾安全性 以及经济性 。根据前面的对比 分析 和 临界 值 的 确 定 方 法 ，确 定 成 庄 矿 的 临 界 值 1 0。 图 6 4 2 2 0巷正前方 2 0 0 5年 l 0 b1 1月份 E m a x与 K 值对 比 电磁辐 射预测方 法是动 态连续 的预测 ，与 常规 静态 不连续 预测相 比，主要 优点有 可 实现非接 触 连续 预测 ；工作量小 ，能最 大 限度 的减少 对生 产 的 产的影响。然而 ，虽然电磁辐射信号是地应力 、瓦 斯压力以及煤的物理力学性质的综合反映，但它在 成庄 矿 的敏 感指 标 只有 E ma x 1个 指标 ，单 指 标 预 测有其局限性，如果受不可预知的影响如仪器的原 因等 ，预测误差可能较大。芙蓉矿务局 白皎煤 矿 1 9 9 3 年 3月 2 7日发 生 的重 大 恶 性 事故 就 是 1例 。 因此采用电磁辐射法结合构造煤的特征以及突出征 兆来综合预测。根据前人研究成果 以及突 出资料， 构造 煤是煤 与瓦斯 突 出必要 条件 ，在构造煤 厚度 变 7 8 化较 大时 往 往 有 突 出危 险 。如 果 有 明显 的 突 出征 兆 ，如夹钻、喷孔等现象时也要及时采取防突措 施 。 4 结论 1 实验研 究 了成 庄矿复 合煤 岩不 同加 载方式 下的复合煤岩破坏电磁辐射产生规律，实验结果表 明电磁辐射信号能够较好地反映出煤岩受载变形破 坏的情况。因而 ，电磁辐射技术能够较好地监测煤 与瓦斯 突出的危 险性 。 2 利用 KB D5电磁 辐射 监 测仪 测试 了 4 2 1 5 、 4 2 2 0掘进巷 道 电磁 辐射 信 号特 征 ，分 析 了 在 测试 过程影响电磁辐射信号的因素 ，提出了解决方法。 3 分析讨 论并确 定 了成 庄矿 电磁 辐射 法预测 突 出 的敏感 指标 E m a x ，临界值 为 1 0 。提出 了成 庄 矿预 测煤 与瓦斯突 出 的技 术 ，采 用 电磁 辐射法结合 构造煤 的特 征 以及 突 出征 兆来综 合预测 。 参考文献 [ 1 ] 何学秋等 ．中国煤矿灾害防治理论 与技术 [ M]．中 国矿业大学出版社 ，2 0 0 6 6 [- z 3 何学秋 ， 刘 明举 ．含瓦斯煤岩破坏 电磁动力学 [ M] ．徐 州 中国矿业人学 出版社 ，1 9 9 5 E 3 3 薛二龙 ， 何学秋 ， 聂百胜等 ．煤岩瓦斯电磁辐射耦合 理论研 究 [- J 3．中国矿业 ， 2 0 0 5 1 2 [ 4 ] 撒 占友， 何学秋 ， 张水亮等 ．煤岩电磁辐射效应及其 在煤与瓦斯突出预测 中的应用 E J 3．中国矿业 ， 2 0 0 6 1 责任编辑孔晋 华 中国煤炭第 3 3卷第 1 2期 2 0 0 7 年 1 2月 蛎 仰 ％ ∞ _三 0 维普资讯