深部矿井突水条件下安全开采分析.pdf

第3 8 卷第1 0 期 2 0 1 5年 l 0月 煤 炭 与 化 工 C o a l a n d C h e mi c a l I n d u s t r y Vo 1 ． 3 8 No ． 1 0 Oc t ． 2 0 1 5 深部矿井突 水条件下安 全开采分析 陈光 煤炭工业太原设计研究院，山西太原0 3 0 0 0 1 摘 要以沁水煤田某矿为背景，针对矿井的水文地质开采条件，从煤层底板隔水层厚度、 岩性的阻水性能、开采对煤层底板的扰动、奥灰水的富水性、突水系数、地质构造对突水的 影响6 个方面综合分析，论证了矿井安全开采的可行性，为矿井的安全生产提供指导，对有 相 同开采条件的矿井借鉴意义。 关键词深部开采；带压开采；隔水层；地质构造 中图分类号 T D 3 5 3 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 5 9 7 9 2 0 1 5 1 0 0 0 1 0 0 3 An a l y s i s 0 n S a f e M i n i n g u n d e r W a t e r Bu r s t i n De e p M i n e CHEN Gu a n g C o a l I n d u s t r y T a i y nan D e s i g n R e s e a r c hI n s t i t u t e ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 1 ， C h i n a A b s t r a c t S o me m i n e o f Q i n s h u i C o a l f i e l d W as t a k e n a s b a c k g r o u n d ，b a s e d o n min i n g h y d r o g e o l o g i c a l c o n d i ti o n ，6 Co mp r e h e n s i v e a n a l y s i s o f a ffe c t i n g wa t e r b u mt wa s c o n d u c t e d f r o m c o al fl o o r wa t e r r e s i s t i n g l a y e r t h i c k n e s s a n d l i tho l o g y o f the mi n i n g o f c o al fl o o r b l o c k w a t e r p e r f o r manc e ，d i s t u r b an c e ， wa t e r a b u n d an c e o f O r d o v i c i an l i me s t o n e ，w a t e r i n r u s h c o e ffic i e n t an d g e o l o g i c al s t r u c tur e ，t h e f e as i b i l i t y o f s a f e mi n i n g Was d e mo n s t r a t e d ， wh i c h p r o v i d e d g u i d a n c e f o r s a f e mi n i n gan d r e f e r e n c efor s i mi l a r mi n ing ． K e y w o r d s d e e p min i n g ； mi n i n g w i th p r e s s u r e ； w a t e r - r e s i s t i n g l a y e r ；, g e o l o gi c s t r u c tur e 0 引 言 煤炭是我国的基础能源 ，在我国一次能源构 成 中煤炭约占7 0 ％左右[1 1 ，随着浅藏煤层的开采 殆尽 ，煤炭资源开采逐步向深部转移 ，煤炭深部 开采的科学理论及技术问题已迫切需要解决，其 中煤层底板突水是矿井深部开采所面临的问题之 一 。我国许多煤 田水文地质条件十分复杂，仅北 方主要矿区受岩溶水威胁的煤炭储量就约有 1 5 0 多亿 t ，占探明储量的 2 7 ％[2 ] ，因此对矿井深部开 采过程中的煤层底板突水问题的研究具有紧迫性 和必要性 。矿井 突水 问题 是涉及工程地质 、岩石 力学，水文地质学、渗流力学等多学科的复杂问 题[3 -6 1 。目前国内外学者对矿井突水问题进行了大 量富有成果的研究 01 ，对于影响矿井突水因素方 面主要包含对突水水源、突水通道 、开采扰动造成 隔水层裂隙演化特征等三方面进行研究，采用了包 括理论推导、物理实验，数值模拟仿真，现场实 验等方法，做了很多有意义的工作，为有突水危险 的矿井安全生产提供了理论依据和决策基础。本文 以某矿的水文地质条件为基础，结合前人的研究成 果，对矿井的地质条件进行综合分析，矿井带压开 采安全性进行评价。 1 井 田水文地质概 况 矿井位于沁水煤田南部 ，目前开采 3 、9号煤 层，3 、9 煤层已快采完，开采水平延伸到 1 5 号煤 层 ，属于深部 开采 ， 1 5号 煤层平均厚度 4 ． 8 6 i n 。 根据矿井水文地质资料推测井田内奥灰水水位标高 为 6 1 3 6 2 9 in 。主要含水层包括华北地区典型的 奥陶系中统下马家沟组岩溶含水层、奥陶系中统上 马家沟组岩溶含水层、奥陶系 中统峰峰组岩溶含水 收稿日期2 0 1 5 0 4 0 5 ；责任编辑聂明勋 作者简介陈光 1 9 7 9 一 ，男，河北石家庄人，工程师。 引用格式 陈光． 深部矿井 突水条 件下安全 开采分 析[ J ] ． 煤炭与化工 ，2 0 1 5 ，3 8 1 01 0 1 2 ． 1 0 陈 光 深部矿井突水条件下安全开采分析 2 0 1 5 年第 l O 期 层 0 2 s 、碎屑岩类裂隙含水层、第四系松散岩类 含水层，头三组含水层为矿井突水面临的主要威 胁。根据抽水实验结果奥陶系中统下马家沟组岩 溶含水层 出水量为 6 ．5 6 L ／ s ，单位涌水量为 1 ． 8 8 L ／ s m，富水性强；奥陶系中统上马家沟组岩溶含 水层单位涌水量 0 ．5 2 ～2 ．5 6 L ／ s m，富水性 中等 一 强 ，地 下水 化学类 型 为 S O H C O 3 --C a M g或 H C O 。 S O --C a M g型；奥陶系中统峰峰组岩溶含 水层 0 2s ，单位涌水量 0 ．0 0 1 L ／ s m，渗透系数 为 0 ．0 0 6 m ／ d ，富水性 弱 ，地下 水化 学类 型 为 HC O 3 “ S O --C a Mg 型 。 1 5号 煤 底 板 至 奥 陶 系灰 岩 顶 界 ，厚度 1 0 ．9 ～ 2 2 ．9 m，平均 2 O ．4 m。含多层塑性的泥岩、铝 质泥岩或砂质泥岩，岩石致密细腻 ，裂隙不发育， 区域上阻断了上下含水层之间的水力联系，具有较 好的隔水性能。通过对矿井现有的水文地质条件分 析，1 5 号煤层地质概化模型如图 1 所示。 石 太 嚣 ／， 炭 上 原 4 ．8 6 ■ _ 15 号 煤 层 _ 系 统 组 莩 馨 雾 10 ．7 0 细砂岩 K 1 C ． 1 C 裹 囊 C 如 9 ．5 0 铝 土 质 泥 岩 C ， 缉 奥 由 ． 釜 冀 灰岩、白云 岩 耷 72．78 陶 统 蝰 Ot 质灰岩 系 组 - - 一 l l l I l l l O 2 开采条件分析与评价 结合矿井的水文地质情况，按照 目前的方法， 从煤层底本隔水层厚度、岩性的阻水性能、开采对 煤层底板的扰动、奥灰水的富水性、突水系数、地 质构造对突水的影响几个方面综合分析，判断矿井 在有承压水的情况下，对矿井生产的可行性进行安 全评价。 2 ． 1 煤层底板隔水层厚度及岩性特征 井田内 1 5 号煤层底板隔水层主要为太原组和 本溪组岩层组合。太原组岩层组合由碎屑岩夹多层 薄层石灰岩及煤层组成。本溪组岩层组合以浅灰色 铝质泥岩为主，局部夹薄层灰岩及煤线。1 5号煤 层 底 板 隔 水 层 中泥 质 岩类 岩 石 累 计厚 度 为 6 ．9 4 ～ 3 0 ．5 3 m，平 均 为 1 6 ． 1 6 m，所 占 比例 在 3 6 ．8 9 ％ ～ 1 0 0 ％，平均为 6 0 ．7 3 ％，1 5 号煤层底板岩 石物理力学性质见表 1 。 据李金凯等【“ 】 的研究 ，刚性较强的岩层 ，如 灰岩、砂岩等具有较高的强度 ，对抵抗矿压的破 坏起较大作用。柔性岩石 ，如泥岩、页岩等，强 度较低，抵抗矿压破坏的能力差 ，但其隔水阻水 能力较强。一般刚性岩石的等效隔水系数约是泥 岩的 0 ．4倍 ；而柔性岩石的等效抗压强度系数约 是刚性砂岩、灰岩的0 ． 5 ～ O ．7 。因此 ，由刚、柔相 间的岩层组成的隔水岩层更有利于抵抗矿压与水 压的综合作用 ，在厚度相同的情况下更有利于抑 图1 1 5 号煤层水文地质概化 模型 制底板突水。 表 1 1 5号煤层底板岩石物理力学性质试验结果 2 ． 2 煤层开采对底板 隔水层的破坏 当开采煤层底板下存在承压含水层时，由于 采掘工程破坏了煤层隔水底板的天然受力状态 ， 静水压力和采矿活动产生的矿山压力会对煤层底 板造成破坏，导致底板隔水层的强度降低 ，阻水 性能下降。 承压水对煤 层底板 的破坏机 理 比较复杂 ，它 是地质条件隔水层的性质与厚度 、水文地质 条件 底板含水层静水压力 及采矿活动产生的 矿山压力综合作用的结果 ，与隔水层的构造、岩 性组合、厚度、比重、强度、静水压力、工作面 长度、采高、开采深度、倾角、开采方法、顶板 管理方式及矿山压力等影响因素密切相关 。因此 煤层底板破坏深度的计算公式颇多 ，但都是以现 场采集的统计数据总结出的经验公式 ，距普遍应 用还较远。为简便起见 ，采用 建筑物、水体、 铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 附录 六中的经验公式 c p 0 ．3 0 3 L n s 进行计算 ，其中 L 为工作面斜长，按投产情况取 1 0 0 m，计算得 c p 1 2 ． 0 5 m。由于 1 5号煤层底板隔水层厚度较小， 2 0 1 5 年第 l 0 期 煤炭与化工 第3 8 卷 在开采 时要 注意底板 的扰动影响 ，在隔水层厚度 小的块段，要采取注浆加固底板等措施，做好生产 之前的探查工作。 2 ． 3突水 系数评价 根据 煤矿防治水规定 ，本报告采用突水系 数法进行评价 音 式中P为作用于底板隔水层的水压力，由奥灰水 位和隔水层底板标高确定，采用勘探资料引用奥灰 最高水位 6 2 9 m作为本井田奥灰水位；M为煤底 板隔水层厚度，井 田内 1 5 号煤层底板隔水层厚度 表 2 1 5号煤层底板突水系数计算 为 1 6 ． 1 6 m，根据公式，可计算出 ，本井田 1 5 号 煤层最大的突水系数分别为 0 ．0 4 2 M P a ／ m，结算结 果见表 2 。 按公式计算的突水系数 ， 在底板受构造破坏块 段一般不大于 0 ．0 6 M P a ／ m突水危险性小，正常块 段不大于 0 ． 1 0 M P a ／ m突水危险性小，属岩层突水 性安全区。 突水系数只是评价一个煤矿带压开采的一种 手段，从全国其他矿区来看，不同的矿区临界突水 系数值不同。突水系数的引入只是一种参照，它也 仅是一个经验公式、数据，不同的地质条件，不同 的隔水层岩石力学参数，应该对应不同的突水系数 值，但此公式都没有对其进行考虑。突水系数值显 示安全的区域不一定就不发生突水，反之，突水系 数值显示不安全的区域就一定要发生突水，因此， 突水系数公式和临界值只是一个参考。从全国突水 案例来看，突水系数显示不安全的区域突水的几率 非常大，突水系数是保证煤层安全回采的一个非常 重要的参考评价手段。 2 ． 4 地质构造对底板突水的影响分析 断层和陷落柱是地下水良好的导水通道 图 2 ，断层带 内岩石破碎 ，胶结松散 ，当导通煤层 和多层含水层，尤其是奥灰岩溶水时，在水压、矿 压等动力因素作用下，含水层水将沿着断层带或陷 落柱突入井巷，造成巨大灾难。同时断层会使隔水 层厚度减小、强度降低。矿井 目 前发现 3 条小的断 层，落差在 5 m以内；陷落柱的高度和宽度不大， 对矿井正常开采 的影响较小。生产过程 中要注意隐 伏断层和陷落柱的探查。 匡 [ ■一 巨 I目罾蹦 f 匪 旨 垂眭 1 2 a 断层导水 b 陷落柱导水 图 2 断层、 陷落柱 导水示意 3 结 语 通过对深部矿井开采突水因素分析得出了，矿 井突水受隔水层厚度、突水系数，开采扰动对底 板、地质构造等多方面影响，在矿井生产的过程中 要综合分析影响突水的因素，对有突水危险区域要 采取提前探查，对隔水层厚度小的区段要采取注浆 加固底板措施，保证矿井的安全生产。 参考文献 [ 1 】 谢和平． 深部高应力下的资源开采一现状、基础科学问题与 展望【 A】 ． 科学前沿与未来 六集 【 C】 ． 香山科学会议主编， 北京中国环境科学出版社，2 0 0 2 1 7 9 1 9 1 【 2 】 赵铁锤． 华北地区奥灰水综合防治技术【 M] ． 北京 煤炭工业 出版社，2 0 0 6 ，1 6 【 3 】 王作宇，刘鸿泉． 承压水上采煤[ M】 ． 北京 煤炭工业出版 社 ，1 9 9 3 ，1 4 1 7 【 4 ]施龙青． 底板突水机理研究综述[ J 】 ． 山东科技大学学报， 2 0 0 9 ， 2 8 3 1 9 【 5 】 尹尚先，武强，王尚旭． 北方岩溶陷落柱的充水特征及水 文地质模型【 J 】 ． 岩石力学与工程学报 ，2 0 0 5 ，2 4 1 7 7 8 2 【 6 】 黎良杰． 采场底板突水机理的研究【 D】 ． 北京 中国矿业大 学 ，1 9 9 5 [ 7 ] 武强． 评价煤层顶板涌 突 水条件的 ‘ 三图～双预测 法’[ J 】 ． 煤炭学报，2 0 0 0 ，2 5 1 6 0 6 5 [ 8 】 仵彦卿，张倬元． 岩体水力学导论【 M】 ． 成都西南交通大学 出版社，1 9 9 5 [ 9 】 尹尚先，武强，王尚旭． 北方岩溶陷落柱的充水特征及水 文地质模型[ 1 】 ． 岩石力学与工程学报 ，2 0 0 5 ，2 4 1 7 7 - 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