王家岭煤矿矿井充水特征分析 Analysis of Water-Filling Characteristics for Wangjialing Coal Mine.pdf

Journal of Water Resources Research 水资源研究水资源研究, 2013, 2, 424-428 http//dx.doi.org/10.12677/jwrr.2013.26061 Published Online December 2013 http//www.hanspub.org/journal/jwrr.html Analysis of Water-Filling Characteristics for Wangjialing Coal Mine* Kun Xu Shanxi Hydrology and Water Resources Survey Bureau, Taiyuan Email pipihu-001 Received Sep. 30th, 2013; revised Nov. 20th, 2013; accepted Nov. 26th, 2013 Abstract Xiangning mining area in the Hedong Coalfield is one of the main coking coal production areas in Shanxi. Wangjialing Coal Mine lies in the south part of Xiangning mining area with 6 million tons/year of the initial design production capacity and adit exploration. The water level of the Ordovician karst groundwater, lying in Wangjialing Coal, is above 2 coal and 10 of the main coal seam. Based on the analysis of relations among supply sources, supply ways and runoff discharge, it determines hydrology Water Filling Condition; Damages of Water Gushing; The Old Empty Water 王家岭煤矿矿井充水特征分析王家岭煤矿矿井充水特征分析* 许许 昆昆 山西省水文水资源勘测局，太原 Email pipihu-001 收稿日期2013 年 9 月 30 日；修回日期2013 年 11 月 20 日；录用日期2013 年 11 月 26 日 摘摘 要要河东煤田乡宁矿区是山西省主要的炼焦用煤产地之一，王家岭煤矿位于乡宁矿区南部，矿井 初期设计生产能力为 600 万 t/a，采用平硐开采，王家岭井田的奥陶系岩溶地下水水位标高在主采煤层 2煤和 10煤以上，属于奥灰水带压。本文通过对煤系地层含水层的补给来源，补给方式以及径流排泄 关系分析，确定矿井水文地质特征，为矿井的防治水技术路线和防治水技术措施、防治水方案提供依 据。 关键词关键词矿井充水；充水条件；涌水危险性；老空水害 1. 矿区概况矿区概况 河东煤田乡宁矿区是山西省主要的炼焦用煤产 地之一，王家岭煤矿位于河东煤田乡宁矿区南部，属 华晋焦煤有限责任公司，由王家岭精查区，走向扩大 区，深部扩大区三部分组成，矿井初期设计生产能力 为 600 万 t/a，采用平硐开采。 井田内主要含煤地层为山西组和太原组，含可采 及局部可采煤层 5 层，2煤、3煤、7煤、10煤、12 煤，其中 2煤、10煤为全区稳定可采煤层，3煤为较 稳定大部可采煤层，7煤、12煤层属不稳定局部可采 煤层。 王家岭煤矿属华北型石炭二叠系含煤建造，本井 田地层出露中等，除北部山梁外，多出露于沟谷中。 地层由老到新，自东南向西北依次出露有奥陶系中统 *基金项目国家发展和改革委员会核准“山西王家岭煤矿项目”。 作者简介许昆1968，女，山西太原，高级工程师，大学，从事 水文水资源勘测研究。 Open Access 424 许昆王家岭煤矿矿井充水特征分析 第 2 卷 第 6 期 马家沟组、石炭系中统本溪组、上统太原组、二叠系 下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰 组、新第三系上统和第四系中上更新统及全新统以不 整合覆盖于不同时代的地层之上。构造体系处于祁吕 贺山字型前弧的东翼，其外侧东南为临汾候马挽 近断陷盆地。其所处的构造体系位置决定了其构造特 点为大致向西和西北倾斜的单斜构造并伴有小型褶 曲，地层走向大致北东，倾角平缓，一般小于 10˚。 在井田的西南部为一桡曲带，地层倾角为 20˚左右， 区内的构造较简单，落差大于 20 m 的断层共五条。 2. 矿井充水因素分析矿井充水因素分析 煤矿开采充水条件包括三个方面，一是充水水 源，二是充水通道，三是充水强度，即充水水量[1]。 在天然条件下，煤层是不含水的，但其邻近的围 岩通常是充满一定数量的不同性质的水体源。在开 采条件下，各有关水源在重力或矿压力作用下，通过 各种渗透通道进入矿坑，这个过程称矿井充水过程。 其涌水量大小称充涌水强度。由此可见，充水水源 和渗透通道是构成矿井充水不可缺少的两个方面。没 有水源，就不存在矿井充水，有了水源而没有渗透通 道，矿井也不会强烈充水，其他因素只能影响充水强 度因素。矿井充水水源和涌水通道以及充水强度综合 作用，称为矿井充水条件。 矿床充水的基本条件可分为天然充水条件和人 为充水条件两大类见图 1。 通过对矿局地质及构造条件分析，王家岭矿在 2、 10主采煤层开采过程中，砂岩裂隙水、太原组岩溶裂 隙水及奥灰岩溶水均可能成为矿井充水水源，老空水、 2煤层采空积水和地表水也是不可忽视的充水水源。 王家岭矿矿井充水途径主要为 断裂构造， 在井田 的带压范围内存在有 F30、F21、F34、F19断层，这四条 断层的断距最小为 5 m，都有可能成为矿井的充水通 道； 人为导水通道， 主要包括冒落裂隙带、 矿压破坏带、 上世纪七、 八十年代及前期施工封闭不良钻孔及井田南 部、南西部及南东部边界大量地方煤矿的小窑井巷。 3. 煤层顶板涌水危险性分析煤层顶板涌水危险性分析 3.1. 顶板充水含水层富水性分析顶板充水含水层富水性分析 根据钻孔的简易水文观测和煤系抽水试验资料 Figure 1. Classification map for water-filling conditions of coal bed 图图 1. 矿床充水条件分类图矿床充水条件分类图 等综合分析评价，井田内煤层顶板砂岩含水层大部分 地段富水性弱，但在断层附近、砂岩较厚地段、沟谷 切割较深处以及太原组灰岩埋深小于300 m的局部区 域，富水性相对较好。 3.2. 顶板冒落安全性分析顶板冒落安全性分析 根据顶板冒落安全性分区原则及主采煤层顶板 至主要含水层间距离，开采 2煤层导水裂隙带发育高 度将沟通 K8、K9及 K10砂岩；开采 10煤导水裂隙带 发育高度不仅将沟通 K2、K3、K4及 K8砂岩，更主要 的是将沟通 2煤采空区。2、10煤冒落安全性进行分 区评价结果2煤冒落危险性较大区，分部于勘查区 西部边界附近；冒落危险性中等区，分布于勘查区中 南部、东部；冒落危险性较小区，分布于勘查区东北 部边界附近。 10煤冒落危险性较大区， 分部于勘查区 中部及东北部边界附近；冒落危险性中等区，分布于 勘查区南部及中北部地区。 3.3. 顶板涌水危险性评价顶板涌水危险性评价 2煤顶板危险性分区划分了危险性较大区、危险 性中等区和危险性较小区三个级别。富水性相对较好 区与冒落危险性较大区叠加部位、底板带压范围内断 层带附近，评价为顶板涌水危险性较大区；弱富水区 与冒落危险性较大区叠加部位、富水性相对较好区与 冒落危险性中等区叠加部位，评价为顶板涌水危险性 中等区；弱富水区与冒落危险性中等区、较小区叠加 部位为顶板涌水危险性较小区。 10煤顶板危险性分区划分了危险性较大区、 危险 Open Access 425 许昆王家岭煤矿矿井充水特征分析 第 2 卷 第 6 期 性中等区和危险性较小区三个级别。冒落危险性较大 区、底板带压范围内断层带附近，评价为顶板涌水危 险性较大区；富水性相对较好区与冒落危险性中等区 叠加部位，评价为顶板涌水危险性中等区；弱富水区 与冒落危险性中等区、叠加部位为顶板涌水危险性较 小区。 3.4. 顶板水涌水量预测顶板水涌水量预测 1 解析法预测矿井涌水量 根据矿区水文地质条件，涌水量计算适用于平面 上分布为无限的多层含水层， 各层透水性差别小于 10 倍的承压水大井公式[2]，即  12 4π 2ln KmmS Q R r     平 式中 Q矿井涌水量m3/d； K平渗透系数平均值m/d； m1、m2各分层含水层厚度m； Sω疏干降深最大值m； rω大井引用半径m； R大井引用影响半径m按10RSKr 平  求得； P采区周长m。 经计算，地下水水位降至2煤层底板，201首采 区矿井涌水量平均值为110.91 m3/h，20,105工作面矿 井涌水量平均值为70.84 m3/h；地下水水位降至10 煤层底板，201首采区矿井涌水量平均值为188.35 m3/h，20,105工作面矿井涌水量平均值为118.43 m3/h。 2 奥灰、太灰疏水量预测 由于井田西部带压范围内存在奥灰突水危险性 较大区、中等区和太灰突水危险性较大区，威胁煤层 开采，对其应该考虑疏水降压，在此对奥灰和太灰的 疏水量进行了初步计算。采用承压水大井公式计算， 将10煤层奥灰突水危险性较大区的平均水头高度降 至带压开采安全值突水系数0.06 Mpa/m时，与首采 201盘区同等面积的疏水量为100.36 m3/h。对于2煤 层底板太灰突水危险较大区，将太灰水头高度降至带 压开采安全值突水系数0.10 MPa/m时，与首采201 盘区同等面积的疏水量为92.04 m3/h。 建议井下排水系统应考虑矿井顶板涌水量和奥 灰、太灰疏水量，按照防治水规定进行设计。对于采 空区积水，一旦发现，应严格按照探放老空水的规定 执行。 4. 煤层底板突水危险性分析煤层底板突水危险性分析 4.1. 底板突水影响因素分析底板突水影响因素分析 根据煤层充水条件分析[3]，对煤层底板最大威胁 的充水含水层为奥灰含水层。影响底板突水的主要因 素有，隔水层厚度、隔水底板岩性组合特征及隔水能 力，矿压扰动带深度及关键层位置，奥灰水头压力、 岩溶发育程度及富水性，构造发育情况等。 4.2. 突水系数计算突水系数计算 突水系数计算公式为 s P T M  式中Ts突水系数MPa/m； P隔水层承受的水压MPa； M底板隔水层厚度m。 根据带压区内的煤层底板隔水层厚度及隔水层 底板所承受的奥灰水压，按突水系数计算公式计算得 2煤底板奥灰突水系数为0.0010.045 MPa/m，10煤 底板奥灰突水系数为0.0040.148 MPa/m；值得一提 的是，2煤底板突水不仅要考虑奥灰，而且还要考虑 太灰。带压区内奥灰水将通过断层沟通太灰含水层， 2煤底板将承受太灰、奥灰的双重水压。由于2煤底 板太灰水水位较高，富水性较好，突水危险性将大大 增强。根据奥灰带压区内2煤底板太灰顶界隔水层厚 度及太灰水压，2煤底板太灰突水系数为0.0820.183 MPa/m。 4.3. 底板奥灰突水危险性评分析底板奥灰突水危险性评分析[4] 按煤矿防治水规定 ，带压开采范围内底板受 构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa/m， 正常 块段不大于0.1 MPa/m的划分标准，对王家岭煤矿底 板奥灰突水危险性分区评价。 2煤底板突水危险性较大区，主要分布勘查区中 西部断层附近。该区隔水层厚度相对较薄，奥灰、太 灰水压较高，并发育有落差3050 m的F30较大断层 及落差大于5 m中小断层，突水危险性较大，面积约 Open Access 426 许昆王家岭煤矿矿井充水特征分析 第 2 卷 第 6 期 0.68 km2； 底板突水危险性中等区，主要分布于勘查区中部 奥灰突水系数0.0010.045 MPa/m的正常地段地段。 该区隔水层厚度一般，奥灰、太灰水压中等，底板突 水危险性中等，面积约64.00 km2； 底板突水危险性较小区，主要分布于勘查区中部 奥灰突水系数小于0.018 MPa/m，太灰突水系数小于 0.1 MPa/m的S5号孔附近。该区隔水层厚度相对较 厚，奥灰、太灰水压相对较低，底板突水危险性较小， 面积约1.42 km2浅蓝色区域。 矿区东部非带压区，为奥灰突水安全区，一般不 存在奥灰奥灰突水威胁，面积约81.63 km2。 5. 老空水及地表水分析老空水及地表水分析 5.1. 老空水害评价老空水害评价 根据有关资料，井田F30断层以南及井田东部地 段存在大量地方煤矿。较大煤矿自西向东主要有吉宁 联营矿、坡底沟矿、窑咀煤矿、菩萨滩联办矿、长咀 湾矿、谭韩联办矿和毛则渠煤矿等。这些地方煤矿年 产量均在10万吨/年以上，矿井涌水以顶板水为主， 涌水量15720 m3/d，主要开采2煤层，存在大量2 煤采空区，且开采无序存在越界现象，受开采布局及 开采方式所限， 采空区分布范围不清、 积水情况不明。 井田南部及东部存在大量老空区，由于分布无规律， 缺乏测绘资料，因此，老空水防治难度大，在巷道掘 进及工作面回采过程中应严格执行超前探放水制度。 2010年3月发生的“3.28”透水事故即是由于老 空区突水造成。2010年3月28日13时12分，2煤 层201盘区的20101工作面回风巷迎头距回风巷开口 处797.80 m，迎头巷道顶板标高553 m，底板表高 549.2 m处，发生透水事故。据专家鉴定报告，透水 点老空巷道距20,101工作面回风巷迎头0.8 m，高出 回风巷顶板0.8 m。老空水26分钟淹没18,387 m3的 巷道体积，峰值透水强度为42,432 m3/h。据实测最高 淹没水位标高583.168 m计算淹没巷道总体积，估算 本次透水总量为133,682 m3；根据抢险救援过程中实 测排水资料，总排水量为30万m3，水质与2煤层顶 底板砂岩水的水化学类型一致，为HCO3-Na型水。 突水事故造成37人死亡，1人失踪，直接经济损失 900.8万元。 由于10煤导水裂隙带高度较大，大部分发育至 2煤层以上。开采10煤层时，上部2煤层采空区积 水将通过导水裂隙进入矿井，威胁矿井安全[5]。 5.2. 地表水分析地表水分析 井田北部边界附近碾塔至岭上鄂河沟谷，宜春沟 上游桥头至胡坪东南段沟头部位，以及区内小型沟 谷。由于沟谷切割较深，底部及两侧零星出露有上石 盒子组基岩，局部地段砂砾石层与基岩接触。上述地 段雨季地表径流可通过裂隙直接补给上部砂岩或通 过砾石层间接补给砂岩，最终涌入矿井，增加矿井涌 水量。 煤矿开采后，尽管导水裂隙带未发育至地表及上 石盒子组顶部，但多沟通了浅层风化裂隙，第四系孔 隙水和地表水充水强度大大增强，威胁矿井。矿区沟 谷底部和两侧有基岩出露或第四系砂砾石与基岩直 接接触地段，评价为地表水易渗漏区[6]。 6. 结论结论 1 煤矿开采充水条件包括三个方面， 一是充水水 源，二是充水通道，三是充水强度，即充水水量。 2 2、10煤充水水源为顶板砂岩裂隙水夹薄层灰 岩岩溶裂隙水、奥灰水、老空水和地表水。充水途径 有断裂构造、冒落裂隙带、底板扰动破坏带、封闭不 良钻孔和小窑井巷。 3 2、10煤层开采，201首采区矿井涌水量平均 值分别为110.91 m3/h、188.35 m3/h，20,105工作面矿 井涌水量平均值分别为70.84 m3/h、118.43 m3/h；与 首采区同等面积的奥灰突水危险区将奥灰水进行疏 水，降低水压值至安全水头值突水系数0.06 MPa/m 的疏水量为100.36 m3/h， 太灰水位降至安全水头值突 水系数0.10 MPa/m的疏水量为92.04 m3/h。 4 2煤带压开采范围主要分布勘查区中西部，带 压面积约66.10 km2。 奥灰突水危险性较大区位于中西 部断层附近，面积约0.68 km2；10煤带压开采范围分 布在勘查区中西部， 面积约为83.71 km2， 奥灰突水危 险性较大区和突水危险性中等区位于西部断层附近 及西北部深埋区，面积35.59 km2。 5 井田内及东南部边界附近存在大量小煤窑、 老 空区和废旧巷道，在开采前必须疏放老空积水，以彻 Open Access 427 许昆王家岭煤矿矿井充水特征分析 Open Access 第 2 卷 第 6 期 428 底根除水患。 参考文献参考文献 References [1] 曹小虎. 双柳煤矿矿井充水特征分析[J]. 地下水, 2010, 1476 56-58. CAO Xiaohu. Analysis of water-filling characteristics for Shuang- liu coal mine. Underground Water, 2010, 1476 56-58. in Chinese [2] 陈崇希. 地下水不稳定流计算方法[M]. 北京 地质出版社, 1983. CHEN Chunxi. Calculation s of unsteady discharge for underground water. Beijing Geological Press, 1983. in Chi- nese [3] 张迎秋, 魏久传, 王敏等. 杨村矿二、 四采区奥灰水放水试验 及数值模拟分析[J]. 水文地质与工程地质, 2009, 2251 65- 67. ZHANG Yinqiu, WEI Jiuzhuan and WANG Min. Water dis- charge test and numerical analysis of ordovician limestone water for Yangcun coal mine. Hydrogeology and Engineering-Geology, 2009, 2251 65-67. in Chinese [4] 史长春. 水文地质勘察[M], 下册. 北京 水利电力出版社, 1991 134-191. SHI Changchun. Hydrogeology survey. Beijing Hydraulic Press, 1991 134-191. in Chinese [5] 王大纯等. 水文地质学基础[M]. 北京 地质出版社, 1995 134-191. WANG Dachun. Hydrogeology basis. Beijing Geology Press, 1995 134-191. in Chinese [6] 姚光华, 陈正华, 向喜琼. 岩溶山区采煤条件下隔水层破坏 及地表水入渗特征研究[J]. 水文地质与工程地质, 2012, 2475 16-17. YAO Guanghua, CHEN Zhenghua and XIANG Xiqiong. Study of characteristics for water-resisting layer damage and surface water infiltration. Hydrogeology and Engineering-Geology, 2012, 2475 16-17. in Chinese