三灰水上开采3_下煤层论证与防治对策.pdf

麦 ．堪 破枝 1 5 7 三灰水上开采 3 下 煤层论证与防治对策 万召 田于振亚张 宗国 枣庄矿业集团蒋庄煤矿 ，山东 滕州 2 7 7 5 1 9 摘要 根据 井田地质构造和主要含水层 资料 ， 法达到预 防突水 目的。 关键词含水层水文地质威胁 中图分 类号T D7 4 5 文献标识码B 综合三灰水文地质特征，分析计算三灰突水威胁，通过完善排水系统等方 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 2 8 0 1 ． 2 0 1 6 ． 0 4 ． 0 6 4 De m o ns t r a t i o n a nd Co nt r o l Co un t e r m e a s ur e s o f 3 c o a l s e a m m i ni n g unde r t hr e e a s h wa t e r W a n Zh a o ． t i a n Yu Zhe n y a Zh a n g Zo n g g uo Z a o z h u a n g mi n i n g g r o u p ， J i a n g Z h u a n g c o a l mi n e ， S h a n d o n g T e n g z h o u 2 7 7 5 1 9 Abs t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e m i n e g e o l o g i c a l s t r u c t u r e a n d t h e ma i n a q ui f e r d a t a ，c o mb i n e d wi t h t h r e e g r a y h y d r o l o g i c a l g e o l o g y , a n a l y z e d t h r e e l i me s t o n e wa t e r i n r u s h t h r e a t ，b y me t h o d s i mp r o v i n g t h e d r a i n a g e s y s t e m r e a c h e d t o wa t e r i n r u s h p r e v e n t i o n ． Ke y wo r d s a q u i f e r h y d r o g e o l o g y t h r e a t 山东省枣庄矿业 集 团 公司蒋庄煤矿位于微 山县欢城镇和滕州市西岗镇交界处。井 田主要煤系 为下二叠统山西组和上石炭统太原组。山西组含煤 2 层 ，其中全区可采煤层为 3 下 煤层 ，大部可采煤层 为 3 煤层，可采总厚度为 6 ． 1 4 m，现主采 3 下 煤层。 根据以往勘探和生产揭露资料，井田内断层落 差大于 2 0 m的断层 3 6条，落差 1 0 ～ 2 0 m的断层 1 6 条， 小型断层 落差 5 m以下 最发育， 有 2 8 0 余条 ， 占 8 5 ． 5 ％ 1 主要含水层 井田内主要含水层有第四系砂砾层含水层 ， 二叠系石盒子组顶、底部砂岩裂隙含水层，石炭一 二叠系山西组 3 煤层顶板砂岩裂隙含水层 包括 3 、 3 下 煤层顶部砂岩简称 3 煤顶砂 ，石炭一二叠系太 原组第三层石灰岩裂隙含水层 简称三灰 ， 石炭一 二叠系太原组第十下层石灰岩裂隙含水层 简称十 下灰 。 1 第 四系砂砾层含水层厚 3 1 ． 5 5 ～ 7 3 ． 4 0 m， 平均厚 5 0 ． 5 4 m，呈东北薄西南厚趋势。砂砾层含粘 量低 1 0 ～ 3 0 ％，富水性强 ，局部承压，经混合抽 水试验，单位涌水量 0 ． 4 4 9 L ／ s ． m，水质类型为重碳 收稿 日期 2 0 1 6 0 1 1 1 作者 简介万召田 1 9 7 2 一，男，山 东枣庄人 ，工程 师 ，现在 枣庄矿业 集团 有限责任公司蒋庄煤矿担任安全副总。 酸盐 ． 钙钠型，矿化度为 0 - 3 1 2 g ／ L，水质 良好。根 据水观 2 0 1 2 ． 3 号钻孔 的水位观测资料，2 0 1 4年底 该层位的水位标高为 一 1 2 ． 8 2 m。 2 二叠纪石盒子组顶部砂岩含水层下距 3 煤层 1 8 4 m，厚度 6 ．4 2 m，岩性为 中粒砂岩 ，风化严 重 ，裂隙发育。该含水层原地质报告及井筒检查孔 均未做抽水试验。该含水层与侏罗系三台组砾岩呈 不整合接触 ，直接接受砾岩水的补给。 3 二叠纪石盒子组底部砂岩含水层属孔隙、 裂隙承压含水层，裂隙宽度一般在 3 ～ 1 0 mm，裂隙 方位以近东西向为主，角度一般在 7 0 。 左右，该含 水层揭露最大涌水量为 4 5 ． 7 8 m ／ h 。 4山西组 3 煤层顶部砂岩含水层以灰 白色 厚层状中粒砂岩为主，泥质胶结 ，厚 7 ． 0 ～ 8 0 ． 0 0 m， 平 均 厚 3 7 ． 0 0 m。本 层 经 抽 水 试 验，控 制 含 水 层 顶 板 标 高 一 2 5 0 m水 平 以上 ，单 位 涌 水 量 为 0 ． 2 6 3 3 3 3 ～ 0 ． 4 4 5 8 L ／ s ． m ；一 2 5 0 m水平以下 ，单位涌 水量为 0 ． 0 6 8 7 8 L ／ s ． m ， 说明在浅部和断层带附近， 裂隙发育，利于地下水活动，富水性强。3煤层顶 砂是 3 煤层的顶板，是矿坑水主要水源，但由于该 层补给条件不良，地下水循环不畅，以静水量为主， 动水量有限，故易于疏干。 5 三灰一般厚度为 8 m左右 ，为深灰色，顶 部色较浅 ，致密坚硬 ，含纺缍虫 、珊瑚 、海百合茎 l 5 8 山 七 蔓 茬 舛枝 2 0 1 6 年 第 4 期 化 石 ，层 位 与厚 度均 稳定 ，距 3 煤层 一般 为 4 0 m 左右，是本区主要的标志层之一。 灰属溶洞 裂隙承压 含水层 ，其 上部 、下部 发 育多层含水层 ，但由于各含水层之间普遍发育一定 厚度的隔水层，阻断了 灰与各含水层之间的水力 联系。但是部分区域受断裂构造影响，造成含水层 之间 、含水层 与煤层 之问对 口接 触时 ，有可 能发生 突水情况，要严格按照要求留足防隔水煤 岩 柱。 三灰为厚层状质纯石灰岩 ，上距 3 下煤层平均 4 0 m。井田范围内间距较为稳定。 蒋庄煤矿建井期 间井下施工 9 个钻孔揭露 三灰 ， 有 8 个孔见水，水量大小不一 ，最大为 1 9 0 mS ／ h ， 最小为 8 m3 ／ h ，相差近 2 4 倍。平均 2 5 m3 ／ h ，所有钻 孑 L 目前 均无水 。 三灰 实见 裂 隙宽度一 般 为 3 ram，大者 可达 5 0 mm，裂隙大都被方解石充填或半充填 ，裂隙密 度一般 2 ～ 3 条 ／ m，线裂隙率小于 1 ％，有效含水裂 隙小于 0 ． 5 ％。该含水层含水不均一性是由于裂隙溶 洞发育不均所致 ，裂隙、溶洞的发育程度受埋深和 构造因素控制。在断层带附近，岩石破碎，裂隙发 育是地下水聚集赋存的地方；一般来说 ，浅部比深 部裂隙发育 ，富水性也较强。据本井 田抽水试验结 果统计，钻孔单位涌水量为 0 ． 0 0 3 8 9 2 ～ 0 ． 0 5 6 9 9 9 L ／ s _ m ，平 均为 0 ． 0 2 7 3 4 1 2 5 L ／ s _m 。本矿生产中先后 揭露三灰 l 1 次，其涌水量 0 -- - 4 0 r n ， ／ h ，见表 1 。由 此可看出，i灰富水性弱且不均一。三灰富水性不 均一这一 特点 ，也是 矿井在巷道 掘进过程 中会造成 局部突水 的原 因。 表 1 生产过程中揭露三灰涌水量情况统计表 初始 目前 初始 目前 揭露地 点 涌水量 涌水量 揭露地 点 涌水量 涌水量 m ／ h m m m ， h m m ．4 1 5泄水巷 4 0 无水 南大 巷延伸 2 0 l尢水 南三 轨道石 门 无水 无水 北大巷 无 水 无水 二水平轨 南三皮带机道 无水 无水 道 、 风 、 无水 无水 皮带巷 南十- 一 轨道 、 回风 、皮带巷 无水 无水 根据对揭露的三灰的涌水情况观测分析 ，目前矿 井 j灰水 位 已降至标 高 一 4 1 5 m 以下 。 矿井内地质条件复杂，构造发育 ，矿井掘进过 程中受断层影响，易造成三灰含水层与煤层对 口接 触或间距缩小，造成突水事故。但根据矿井各采区 实际开拓揭露落差约 3 0 ～ 5 0 m断层情况看，由于煤 系地层多 为砂岩 、泥岩 等 ，厚度大 ，岩性松软 ，受 构造作用往往形成厚度较大的断层泥和挤压带 ，具 有 良好的隔水性 ，基本不具导水性 。 十下灰含水层厚 3 ． 3 8 ～ 9 ． 4 0 m，平均厚 5 ． O m，含 裂隙承压水。该层见少量裂隙，多充填方解石，基 本无漏水现象。钻孑 L 单位涌水量 0 ． 0 0 0 9 0 8 ～ 0 ． O l 4 5 L ／ f s ． m 。该含水层为 1 6煤层直接顶板 ，是开采 l 6 煤 层的主要充水水源，但由于埋藏较深 ，补给条件不 良，含水性弱 ，在正常情况下对开采影响不大。 2 主要隔水层 2 ． 1 第四 系隔 水层 上组 顶部 0 ． 6 0 ～ 2 ． 8 5 m为覆盖 土层 ，其下 为黄 色、黄褐色粘土、砂质粘土、砂姜结核砂质粘土。 下组由粘土 、 砂 质粘土 、 含砂姜结核粘土组成 。 上下组粘土层总厚度平均 3 4 m。第四系隔水层具有 良好的隔水性能，即使受采动影响 ，地表水也无向 下渗透现象。 2 ． 2 太原 组粘 土岩 三灰至十下灰之间主要 由粘土岩与含水微弱的 粉砂岩和薄层石灰岩组成 ，隔水性 良好。其 中 l 2 下煤 层 上距 三 灰 5 0 ． O O m，下距 十 下灰 4 5 ． O O m，这 些隔水层对于下组煤层的开采十分有利。 3 分析计算 蒋庄煤矿 目前采区大都按照中型断层划分边 界 ，除南十一采 区及北十 、 北 十二采区未揭露三灰 ， 其他采区均对三灰进行了揭露，目前处于无水或疏 干状态 ，由于揭露 的范 围较广 ，可 以认定 已揭 露 区 域三灰水已进行了彻底的疏放。 3 ． 1 掘进工作面底板安全 隔水层厚度计算 根据 煤矿防治水规定之附录四，安全隔水 厚度计算公式 厂 一 L ,J y 8 K n P 一 2 一 式 中 f 一安全隔水层厚度 ，m； 三 一巷道底板宽度，m， 矿井工字钢架棚巷道最 大 4 ． 8 m； y 一 底板隔水层的平均重度 ， MN／ m， ，煤层底板 岩石的重度平均值为 0 ． 0 2 6 2 MN ／ m， ； 一 底板隔水层的平均抗拉强度 ，MP a ， 根据矿 区平均数值取 5 ． 7 6 MP a ； 下转 第 1 6 0页 1 6 2 a , j ，七 蔓 磊 舛枝 2 0 16 年 第 4 期 增加围压至 3 MP a ，并保持不变； 3 以位移控制 的方法逐步加载轴压 ，直至试件破坏； 4 按操 作规定泄压并取下试件。 2 试验结果及分析 2 ． 1 试验 结 果 试验结束后由电脑软件导出数据 ，分析处理后 可分别得到未浸水和饱水后的位移 ． 轴向力图如图 1 、图 2 。 图 1 未处理试件位移 一 轴 向力图 图 2 饱 水试 件 位 移 一轴 向力 图 2 ． 2 结果 分析 处理得到的数据并生成折线图．可从以下两个 方面分析 。 1 最大轴 向力。对 比图中纵坐标轴 向力， 可明显看出，未处理的试件最大轴向力大于饱水试 件 ，未处 理 试件 的最大 轴 向力 约 为 3 2 k N，而饱 水 试件约为 2 6 k N。由此可见水对型煤试件轴向力有 明显的弱化作 用 。 2 变化趋势。未处理试件在轴压逐渐增加 的过程中，发生形变 ，当轴压增大至临界值时试件 被破坏，破坏后的试件所受的轴向力有减小的趋势 ， 并未能超过临界值；饱水试件在轴压增加的过程中， 同样发生形变，当轴压增加至临界值时，试件被破 坏 ，但破坏后的试件所受轴向力依然成增大趋势。 对比两个图的变化趋势，未处理与饱水试件的 主要区别为达到临界值后的趋势，饱水试件破坏后所 受轴 向力可以继续增加 ，分析可得原因为饱水后 的 型煤试件由于受水的弱化，导致力学性质发生改变。 3 总 结 本次试验方案较为简单 ，主要研究实验室内型 煤试件在饱水前后的特性变化，由试验数据分析可 得 到以下 两方面的结论 1 型 煤试 件饱 水后 ，对 比泡 水前 最 大轴 向 力 明显变小 。 2饱水试件破坏后所受轴 向力继续增加， 而未处理试件破坏后所受 的轴 向力有减小 的趋势 。 同时参考其他研究 [3 - 5 ] ，型煤试件与原煤试件的 空隙体积、峰值强度以及变形程度等方面虽然有一 定的差异，但是他们的变化规律却较为一致，因此 ， 可以用型煤试件代替原煤试件进行渗透方面的试验 研究 ，且型煤试件具有制作方便和 良好的重复性等 优势 ，利 于后续试 验的展 开。 【 参考文献 】 [ 1 ] 蔡美峰 ． 岩石力学与X - 程 [ M】 ． 科学出版社，2 0 0 6 ． [ 2] 中华人民共和国煤炭工业部 ． 煤与岩石物理力学性 质测定方法[ M】 ． 北京中国标准出版社，1 9 8 8 3 2 33 ． [ 3] 孙培德，凌志仪 ． 三轴应力作 用下煤渗透 率变 化规律 实验 [ J ] ． 重庆大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 0 ，2 3 增 2 8 3 1 ． [ 4] 吴迪，孙可明 ． 不同温度条件下型煤吸附C H4 ／ C O， 混合 气的实验研 究 [ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 2 0 1 3 ， z 2 3 2 9 1 - 3 2 9 6 [ 5] 胡雄 ，梁为 ，侯 厶靖 等 ． 温度 与应 力对原煤 、型 煤渗透特性影响的试验研究 【 J 】 ． 岩石力学与．Y - 程 学报 ，2 0 1 3 ，3 1 f 6 1 2 2 2 1 2 2 9 上接 第 1 5 8页 4主要措施 1 对地质及水文地质条件不清和物探存在 异常的区域编制专项钻探方案 ，查明地质构造情况 及异常 区域富水 、导水等情况 。 2工作面回采前采用瞬变 电磁法探测工作 面内地质及水文地质条件。 3加强采区水仓 的及时清挖及排水管路系 统的维护 ，确保涌水及时排出。 4采掘工作面靠近或穿过落差大于 2 0 m断 层时，严格按照 煤矿防治水规定防隔水煤 岩 柱的尺寸进行留设 ，需要穿过断层时，靠近断层要 利用物探、钻探手段 ，提前做好探测工作 ，确保防 治水安全工作。