田后组煤的安全开采评价.pdf
第 2 6卷 第 5期 2 0 0 7年 1 2月 VO I . 2 6 NO. 5 De c 2 0 0 7 J o u r n a l o f Sh a n d o n g U niv e r s i t y o f Sc ien c e a n d Te c h n o l o g y 良庄井田后组煤的安全开采评价 于小鸽 。 刘 同彬 l - 。 魏久传 。 施龙青 。 李 术才。 1 . 山 东科技 大 学 地球信 息科 学与工程 学院,山东 青 岛 2 6 6 5 1 0 ; 2 . 新汶矿业集 团,山 东 新泰 2 7 1 2 3 3 ; 3 . 山东省岩 土与 结构 工程技 术研究 中心 ,山东 济南 2 5 0 0 6 I 摘 要 在对 区域和 良庄 井田水文地质 特征 分析的基础上 , 探 讨 了开采煤 层底板徐 家庄灰岩 和奥陶 系灰 岩水文地 质特征 , 得 出了徐 家庄灰岩和奥 陶 系灰岩 岩溶裂隙的发育及其富水性 受断 裂构 造控 制 的结论。通过对煤 层底板岩 层的组合特 征、 厚度 变化及含水层水位 分布规律的研究 , 利 用突水 系数 法评价 了井 田 内后 组煤 开采的安全性 , 得 出 了徐灰 水、 奥灰水对 l 1煤的开采影响不 大, 对 1 3煤的开采有一 定的影响, 对 l 5煤 的开采威 胁大的结论。 关键词 底板 突水 ; 安全评 价 ; 突水系数 ; 良庄 井田 中图分类号 T D7 4 1 文献标 志码 A 文章编号 1 6 7 2 3 7 6 7 2 0 0 7 0 5 0 0 2 1 一 O 5 Th e Ev a l u a t i o n o f S a f e M i n i ng f o r Lo we r Gr o u p Co a l i n Li a n g z hu a n g M i n e YU Xi a o g e , L I U To n g b i n , W EI J i u c h u a n , SHI L o n g q i n g , LI S h u c a i 。 1 . Co l l e g e o f Ge o i n f o S c i e n c e& |En g . , S US T,Qi n g d a o,S h a n d o n g 2 6 6 5 1 0,Ch i n a ;2 . Xi n we n Mi n i n g I n d u s t r y Gr o u p , X i n t a i , S h a n d o n g 2 7 1 2 3 3, C h i n a ;3 . G e o t e c h n i c a l& s t r u c t u r a l e n g i n e e r i n g t e c h n i q u e c e n t e r ,J i n a n,S h a n d o n g 2 5 0 0 6 1 , C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t he a n al y s i s of e xt r a c t i on ar e a a n d mi ne hy dr o - ge ol o gi c a l f e a t u r e s of Li a n gz hu a ng Mi n e,t he p a p e r d i s c u s s e s t h e h y d r o g e o l o g i c a l f e a t u r e s o f Xu j i a z h u a n g l i me s t o n e a n d Or d o v i c i a n l i me s t o n e i n c o a l f l o o r .Th e c o n c l u s i o n i s t h a t t h e d e v e l o p me n t o f k a r s t c r a c k a n d t h e wa t e r - b e a r i n g p r o p e r t i e s i n Xu j i a z h u a n g l i me s t o n e a n d r d o v i c i a n l i me s t on e a r e c on t r o l l e d by f a ul t s t r u c t u r e.Af t e r a na l yz i n g t h e s t r a t a c ombi n at i on a nd di v e r s i f i c a t i on r e gu l ar i t y o f c o a l f l o o r ,a n d wa t e r l e v e l d i s t r i b u t i o n o f Xu i i a z h u a n g l i me s t o n e a n d 0r d o v i c i a n l i me s t o n e .t h e e v a l u a t i o n o f s a f e mi n i n g f or l o we r g r o up c o a l i s ma d e by t h e wat e r i nr us h c oe f f i c i e nt met h od,a nd t he c on c l u s i on i s t h a t t h er e i s a l i t t l e e f f e c t o f wa t e r f r o m Xu j i a z h u a n g l i me s t o n e a n d Or d o v i c i a n l i me s t o n e o n t h e mi n i n g o f 1 1 c o a 1 .c e r t a i n e f f e c t o n 1 3 c oa l a nd gr e a t e f f e c t o n 1 5 c oa 1 . Ke y wor ds wa t e r - i nr us h f r om f l o or ;s a f e t y e va l u a t i on;c o e f f i c i e nt of wat e r i nr u s h;Li a ng z hu a ng c oa l mi n e l 概况 新汶 煤 田为华 北 型煤 田 。 良庄井 田位 于新 汶煤 田中部 , 走 向长 2 . 5 k m, 倾 斜 宽 5 . 8 k m, 面积 1 4 . 5 k m 。井 田内含 煤 地 层 为 太 原 组 和 山 西 组 , 构 造 形 态 为 一单斜 构造 , 仅 深 部 有 一 个 短 轴 向斜 。地 层 走 向 2 9 0 。 ~3 1 0 。 , 倾 向 N, 倾 角 4 。 ~3 0 。 , 井 田构造 类 型 为二类 , 以断裂构造为主 , 无岩浆侵入和岩溶陷落柱 现象 。井 田内断层 的 基 本特 点 大 中 型 断层 性 质 均 为高 角度正 断层 ; 多 数 断 层 中间 落 差 大 向两 端 延 展 一 定距离 即 消 失 ; 断 层 走 向 以 NNE~ NNW 向为 主 , 具有弧形分布特征 ; 越向深部断层越发育。良庄 井 田构造 纲要 图 如图 1所示 。 目前开 采深 部太 原组 下 部 1 1 煤 、 1 3煤 和 1 5煤 , 即 所 谓 的 后 组 煤 。 由 于 这 些煤层 距 下伏 的徐 家 庄 石 灰 岩 徐 灰 含水 层 、 奥 陶系石灰 岩 奥 灰 含 水 层 最 薄 处 距 离 只 有 1 0 ~ 2 0 r n左 右 , 深 达 1 0 0 0 m, 水 压 大 , 后 组 煤 的 开 采 一 直 受到底板突水的威胁 。到 目前为止 , 该矿开采后 组 煤 时 已经 发 生过 两次 淹没工 作 面 的徐 灰 和奥灰 突 水 事 故 。因此 , 开 展 良庄 井 田后 组 煤 的 安全 开 采 评 ■■ 一 收稿 日期 2 0 0 7 0 4 1 2 基金项 目 国家 自然科学基金重点项 目 5 0 5 3 9 0 8 0 作者简介 于小鸽 1 9 8 1 一 , 女 , 山东东 平人 , 硕士研究生 ,主要从事地质灾害防治研究 维普资讯 山东科技大学 学手 价对 指导 矿井 安全 生产 有一 定 意义 。 图 1 良庄井田构造纲要 图 Fi g .1 Ske t c h of I . i a n gz h ua ng mi n e s t r u c t ur e 2 井 田水文地质特征 新 汶煤 田位于 莲花 山及 蒙 山山脉 两大 分水 岭之 间的山间凹地 内, 地形系较平缓的丘陵地 , 含煤地层 大 部分被 黄 土层 所掩 盖 。其 南 面有岩 溶裂 隙 发育 的 奥 陶 系 、 寒 武 系石灰 岩 出露 , 北 面有太 古 界之 花岗 片 麻岩出露 , 均为丘 陵山坡地带。小汶河及其支流构 成 全 区主要地 表 水系 。区内主 要含水 层 有第 四系 含 水 砂砾 层 、 第 三 系砾 岩 、 山西 组 砂 岩 、 太 原 组 第 一 和 第 四层 石灰 岩 、 本溪 组 徐 家 庄 和草 埠 沟石 灰 岩 及 奥 陶系 石灰岩 , 它 们构 成煤 田多层 结构 地下 水类 型 , 属 北 方 型多含 水层 岩溶 裂 隙充水 矿 床 。 良庄 井 田 位于 新 汶煤 田南 翼 , 浅 部 含煤 地 层 露 头多 位于小 汶河 古 河 床 范 围 内 , 被 第 四 系含 水 砂 砾 层 所 覆盖 , 强烈 接受 第 四系潜 水补 给 , 各 直接 充水 含 水层 的动水 补 给条 件 良好 , 富水性 中等 。徐 、 草灰 及 奥灰 为问接 充水 含水 层 , 在南 部大 面积 暴露 于地 表 , 接受大气降水补给条件较好 , 浅部 富水性较强。但 随 着埋藏 深度 的加 大 , 水 头压 力相 对增 高 。 因此 , 对 F l 0断层组 以北 的后 组 煤 层 开 采 时 , 在 隔水 层 厚 度 偏 小区段 及构 造破 碎 带 附 近 , 存 在 着 徐 灰 和 奥灰 突 水 的威 胁 。 2 . 1 徐 灰水 文地 质特 征 徐 灰为 泥 晶生 物 碎 屑 灰 岩 , 呈 深 灰一 灰 色 , 厚 度 变 化较 大 , 一 般 为 3 . 6 5 ~ 3 5 . 1 2 m, 平均 为 1 1 . 4 m, 整体 呈北西 向南 东 变 厚 的 趋 势 , 如 图 2所 示 。根 据 地 面 露头 资料 、 钻孑 L 资料 以及采 掘 资料 , 徐灰 的岩 溶 裂隙 不仅 发育 , 而 且 彼此 连通 性 较 好 。岩溶 裂 隙 的 展 布 方 向 受 到 断 裂 构 造 的 控 制 , 为 NNE和 NNW 向 , 以 NNE向为 主 。岩溶 裂 隙 在浅 部 比深部 发 育 。 在地 面露 头 以 溶 洞 为 主 , 溶 洞 直 径 最 大 达 2 m 左 右 。深 一2 0 0 m 左 右 , 以岩溶 裂 隙为 主 , 井下 揭 露 的 徐灰岩溶裂隙最大宽度 0 . 1 m左右 ; 深部 一1 0 0 0 m 第 2 6卷 第 5期 2 0 0 7年 1 2月 VO I 2 6 No 5 De c 2 0 0 7 左右 , 以 裂隙 为主 且 大 部 分 被方 解 石 石 脉 充 填 。水 文孔观测资料表明, 尽管深部徐灰本身的裂隙在横 向上 贯通 性差 , 但 是 由于构 造 的影 响 , 徐灰 同奥 灰 岩 溶裂 隙在 纵 向上联 系 比较 密切 。 图 2徐 灰 厚 度等 值 线 图 Fi g . 2 I s o p a c h ma p o f Xu J i a z h u a n g l i me s t o n e 徐灰富水性受到其岩溶裂隙发育规律控制 , 而 岩溶 裂 隙发育 与埋 深有 关 。徐灰 出露 于 井 田南 部 古 河 床边界 外 的地表 , 直 接受 大 气降水 补 给 , 露 头附 近 岩溶 较 发育 。地 面 以 下 一 2 0 0 m 水 平 以上 , 基 本 上 为 富水 性 相 对 较 强 的 区 域 ; ⋯ 2 0 0 1 0 0 0 m 之 问 , 岩溶 不甚 发育 , 裂 隙 发育 不 均 匀 , 裂 隙之 间 的 连 通 性较 差 , 富水 性 较 弱 , 且 不 均 一 ; 一 1 0 0 0 m 水 平 以下, 随着深度加大 , 其补给循环条件及裂隙发育更 差 , 富水 性 弱 。总 体来 说 , 深部 徐 灰 属 于 弱含 水 层 , 但 考虑 到 岩溶 、 裂隙 发育 的不 均匀性 , 徐 灰 富水性 存 在 局 部较强 的可能 性 , 尤 其 在 通 过 断 裂 带 与奥 灰 含 水 层连 通 的部位 。 2 . 2 奥灰 水 文地质 特征 新汶煤 田 奥 灰 总 厚 度 在 8 0 0 m 左 右 。在 良庄 井 田 , 奥灰 的分 布 及水 文 地 质 特 征 , 明显 受 F 1 0断 层控 制 。 F 1 0断层 以南 , 奥灰 大面 积暴 露地 表 , 直接 接 受 大气降水补给, 动水补给循环条件较好 , 溶洞及岩溶 裂 隙发 育 。根据 F 1 0以南 的外 围水 源 井 的资 料 , 单 位 涌水 量 q 一3 . 5 4 L / S m , 属 于强 富水 性 的非 均 质 裂 隙岩溶 承压 含水 层 。 F1 0断层以北 , 由于埋藏深度加大 , 其动水补给 条件 逐渐 变差 , 岩溶 裂 隙 发育 状 况 及 地 下 水循 环 条 件逐 渐减 弱 。钻孑 L 资料 表 明 , 单 位涌 水 量 q 一0 . 0 7 2 ~ 0 . 4 4 4 I / S m , 属 于 富水 性 中等 的非 均 质 岩溶 裂隙承压 含水层 。尽管 F 1 0断层 以北 奥灰基本上 维普资讯 于小鸽等 良庄井田后 组煤的安全开采评价 处 于封 闭状态 , 动水 补 给循 环不 良, 地 下水 以高 承压 岩溶裂隙储存量为 主, 但是并不等于该区域 岩溶通 道不发育。F 1 0断层 以北 5 1 1 0 1 W 面和 5 1 3 0 2 E面 的底 板 突水证 明 , 该 区域 水 文地质 条 件相 当复 杂 , 奥 灰 富水性 非 常不均 一 , 而且 在局部 地 段补 给水 量大 , 存在一条和东部孙村井 田相通的径流带。 此外 , 物探 及 生 产 实 践 资 料 证 明[ 4 ] , F 1 0断层 虽 然在横 向上 具有 阻 隔水作 用 , 但 在 纵 向上 , 该 断层 组则 是一 个强 富水 带 , 强 富水 层 段 自奥 灰顶 界 面 向 下 7 0 m 以内 。因此 F 1 0断层 带 很 可 能是 本 井 田的 一 条岩溶通道发育带。 3 底板 突水可 能性分 析 3 . 1 底 板 突水 因素分 析 底板 突水 性 能分 析 方 法 有多 种 , 本 文 采 用 突水 系数 评价 底板 突水 的 可能性 。底 板 突水受 到底 板 岩 性 、 厚度及水压等 因素 的影响。良庄井 田后组煤底 板岩 性 除 了灰 岩 之 外 , 主 要 为泥 质 岩 、 粉砂 岩 、 细砂 岩 , 这些 岩层 在没 有 断 裂构 造 影 响时 具 有 良好 的 隔 水能力, 属于隔水岩层 。这种地层结构不仅构成煤 层底 板 的隔水 层 , 而 且 也 阻 隔 了徐 灰 和 奥 灰 之 间 的 水 力联 系 。图 3 、 图 4是 根 据 钻 孔 资 料 分 别 沿井 田 走向和倾 向绘制的沉积断面图。从图 3 、 图 4看出, 煤层底板各岩层横 向分布不稳定 , 存在相变; 纵向厚 度变化也 比较大。因此, 在不同的地段 , 即使在其它 条 件相 同 的情 况 下 , 底 板岩 层 的隔水 能 力也不 同 。 图 3 东 一 西 沉 积 断 面 图 Fi g. 3 De p os i t i on c r o s s s e c t i o n f r om we s t t o e as t 从 图 5所 示 的 徐 灰 水 位 等 值 线 图 可 以 看 出 , 一 1 9 5 m水平 在 F 1 0断 层 附 近 , 徐 灰 水 位 在 F 1 0断 层两 侧发 生 了极大 的变 化 , 断 层 北 侧 的 最 高水 位 为 1 . 7 m, 而断 层 南 侧 的 最 高 水 位 仅 有 一 2 6 3 . 3 m, 也 就是 说 徐 灰 的 水 位 变 化 受 F 1 0断 层 的 影 响 很 大 。 但从 整个 图 5可 以看 到 , 徐灰 水 位 从 NE向 S W 是 降低的, 那么其内动力水的流向也是从 NE到 S W。 J o u r n al o f S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f Sc ie n c e a n d Te c h n o l o g y ⋯ n s . ≥‘ ≤ 篓 } l / 1 3 l 1 煤 6 1 8 7 I1 7 C l7 一 一 卜 一 E 主 ● 一 一 l二 灰 - ● 一 一 ~ 一● _庠 、~ . ~ ’- - 某 I ] ~ l 一 匿 篷 一一一一 ‘ 一 。 一 蕈 蕈 r-- 车 黛 ~篓 蒌 一 -_-7 毒 司~~ 萑 差 董釜 , 。。 匿 鏖 奥灰 ~ 霪 ~ ~ 灰 岩 嚣 煤层 ,、 、 1 7 0 7 2 0 7 1 3 6 1 8 , 0 ’ 、 / 、 、 0 o m b 钻孔平面示意图 图 4南 一 北 沉 积 断 面 图 Fi g. 4 De po s i t i on c r o s s s e c t i o n f r om s out h t o nor t h 由图 6 所 示 的奥 灰 水 位 等值 线 图可 以看 出 , 奥 灰 水 位 的变 化 规 律性 极 差 , F 1 0断层 以北 最 高水 位 为 2 m, 最低 水 位 为 一8 5 . 0 1 m, 基 本 上 呈 由 NW 向 S E 变低的趋势 ; F 1 0断层以南水位变化很大 , 最低 的仅 有 一 1 8 5 m, 最 高 的已达 到 9 0 . 7 m, 在 2 1 5 1 3奥 1 附 近水位急剧下降, 可能是 由于突水原 因造成的, 水位 在断层 两侧 的变 化截 然不 同。 图 5 徐灰水位等值线 图 Fi g . 5 W a t e r - t a b l e c o n t o u r o f Xu j i a z h u a n g l i me s t o n e 图 6奥灰水位等值线 图 Fi g. 6 W a t e r - t a b l e c ont our of Or dov i c i a n l i me s t o ne 3 . 2 1 1煤开 采安 全性分 析 1 1 煤距 徐 灰 最 薄 处 为 6 5 . 4 4 m, 最 厚 达 1 2 4 . 6 7 m, 大多在 8 1 m 左右 , 整体 呈 现从 N 向 S , 由 NW 到 维普资讯 东科技大学 学报J 壹 。 ’ I S E变厚 的趋势 , 如图 7 所示 。 计 算突水 系数的公式 为 Ts P/ M 1 其 中 突 水 系数 ;P 一 含 水层 水 压 ,MP a ; M一 隔水层厚度 , m。由图 5 、 图 6和图 7结合表达式 1 求出各点突水系数, 得到 1 1 煤到徐灰 、 奥灰 的突水 系数均 小 于 0 . 0 6 MP a / m。 表 1 底 板 突 水 危 险 程 度 与 突 水 系 数 的 规 程 表 Ta b. 1 Re gu l a t i o ns of wa t e r i nr us h r i s k a n d wat e r i n r u s h c o e f f i c i e n t o f c o a l f l o o r 根据 表 1中 的规 程 , 可 以认 为 在 没有 构 造 影 响 的前 提条 件下 , 良庄 井 田 1 1 煤 的开采 是 安全 的 。 图 7 1 1 煤一徐灰 隔水 层厚度等值线 图 Fi g.7 Aqui e l u de i s o pa c h f r o m 1 1 c o a l t O Xu j i a z h u a n g l i me s t o n e 3 . 3 1 3煤开 采安 全性分 析 1 3 煤 距徐 灰 最 薄 处 为 2 5 . 9 9 m, 最 厚 达 8 3 . 6 7 m, 大 多在 4 0 m 左 右 , 如 图 8所 示 。1 3煤 距 奥灰 最 薄处 为 4 8 . 7 4 m, 最 厚 达 1 0 1 . 4 m, 平 均 厚 度 为 7 9 m, 如图 9所示。1 3煤距徐灰和奥灰的厚度整体上 都呈 由 NW 向 S E增厚 的变 化 趋势 。根 据等 水 位线 图和 厚度 等值 线 图 , 得 出 1 3煤开 采徐 灰和 奥灰 的突 水 系数 变化较 大 。大部 分 区域 突 水 系 数 小 于 0 . 0 6 , 其它 在 0 . 0 6 ~0 . 1之 问 , 局部 区域 大 于 0 . 1 。因此 , 良庄井 田 1 3煤的开采存在一定的底板突水 的危险 性 。 3 . 4 1 5煤 开采安 全性 分析 1 5煤距 徐灰 最 薄 处 为 1 5 . 5 4 m, 最 厚 达 6 9 . 1 6 m , 大 多 在 2 6 m左 右 , 如 图 1 0 所 示 。 1 5 煤 距 奥 灰 第 2 6卷 第 5期 2 0 0 7年 1 2月 VO l 2 6 N o 5 De c 2 0 0 7 图 8 l 3煤一 徐灰隔水层厚度等值线 图 Fi g.8 Aqu i c l u de i s o pa c h f r o m 1 3 c o a l t O Xu j i a z h u a n g l i me s t o n e 图 9 1 3煤一 奥灰隔水层厚度等值线 图 Fi g .9 Aqu i c l ud e i s op a c h f r om 1 3 c o a l t O 0r do vi e i a n l i me st one 图 1 O 1 5煤一 徐灰隔水层厚度等值 线图 Fi g.1 0 Aqu i c l ud e i s op a c h f r om 1 5 c o a l t O Xu j i a z h u a n g l i me s t o n e 维普资讯 于小鸽等 良庄 井田后组煤的安全开采评价 最 薄处 为 4 O . 9 2 m, 最 厚 达 8 5 . 8 1 m , 一 般 厚 度 为 6 0 m 左 右 , 如 图 1 1所示 。1 5煤 距 徐灰 和奥 灰 的厚 度整体上都呈由 NW 向 S E增厚的变化趋势。根据 等水位线图和厚度等值线图 , 得出 1 5 煤开采徐灰和 奥灰的突水 系数变化较大。整个 良庄井田绝大部分 1 5煤开采 , 徐灰和奥灰 的突水系数皆大于 0 . 1 , 局部 在 0 . 0 6 ~O . 1之 间 。因此 , 良庄 井 田 1 5 煤 的开采底 板突水的危险性很大。 图 1 1 1 5煤一奥灰隔水层厚度等值 线图 F i g . 1 1 Aq u i c l u d e i s o p a c h f r o m 1 5 c o a l t o Or di vi c i a n l i me s t one 4 结论 1 良庄井田内的 F I O断层是水文地 质单元重 要的控制断层 。在浅部 F I O断层 以南, 含水层直接 接受大气降水 , 徐灰含水层与奥灰含水层通过溶洞 及 岩溶裂隙发生密切 的水力联系 , 表现出承压的岩 J o u r n a l o f Sh a n d o n g Un iv e r s it y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 熬 誊 专 誊 善 壁 霉 嚣 霪 溶裂隙动态水 ; 在深部 F I O断层 以北 , 大气降水 、 地 表 水及 第 四系 潜 水 与 含 煤 地 层 的 无 直 接 的水 力 联 系 , 徐 灰和 奥灰 通过 断层 和裂 隙发 生水 力联 系 , 表 现 出高承压岩溶裂隙水 以储存量为主的特征。 2 徐 灰 、 奥灰 水 对 于 下 组煤 来 说 , 均 属 于 间接 充水含水层。徐灰厚度不大 , 在浅部易接受大气 降 水的补给, 动水补给条件好 , 岩溶裂隙教发育; 深部 动水补给循环和岩溶裂 隙发育差 , 富水性弱且不均 一 。奥灰厚度大 , 在 F 1 0断层 以南易接受大气降水 补 给 , 岩溶裂 隙发育 , 强 富水部 位 位 于断 层破 碎带 附 近; 深部主要是高承压岩溶裂隙静水 , 富水性不均一。 3 后组煤开采受徐灰、 奥灰水的影响程度与煤 层和徐 、 奥灰的相对位置 , 徐灰 、 奥灰 的水位及富水 性等 因素有关 。总的来说 , 根据突水系数值 , 徐灰 、 奥灰 水对 1 1 煤 的开采 影响 不大 ; 徐 、 奥灰 水对 1 3煤 的开 采 有一 定 的 影 响 ; 1 5煤 的 开 采 受 徐 灰 、 奥灰 水 的影 响很 大 , 易发 生底 板 突水 。 参 考文 献 [ 1 ] 胡绍祥 , 施龙 青,杨增 夫, 等. 新 汶煤 田汶南 井田滑动 构 造发 育规律E J ] . 煤 田地质与勘探 ,2 0 0 3 , 3 1 2 1 6 - 1 9 . 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