基于GMS软件的矿井水文地质的研究_温小伟.pdf

煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 0引言 在我国现有煤田中， 尤其在华北煤田中， 石炭系、 二叠系的煤储量丰富。但在此类煤矿开采的过程中， 随着开采深度的加深， 奥灰水含水层对煤层底板的压 力越来越大， 从而引发了突水事故， 严重威胁着煤矿 的正常开采[1]。辛安煤矿于上世纪 70 年代投产， 年产 量达百万吨，不受突水影响的主要开采层 2 煤层已 近枯竭。因此， 为了其余受青灰岩和奥陶系灰岩岩溶 水的威胁的煤层的安全生产， 以煤层的水文地质为研 究对象， 分析煤层的突水具有重要的意义。 1辛安煤矿水文地质状况 1.1辛安煤矿自然地理环境 辛安煤矿位于河北省太行山东麓峰峰矿的南部， 最高海拔 234.7m， 东西宽 2.8km， 南北长约 8km， 距 离邯郸市 50 km，且周边有煤运专线和直达公路， 交 通便利。矿区气候是半干旱暖温带大陆性季风型， 四 季分明， 夏炎雨冬冷燥， 据气象部分的统计资料， 近年 来的降雨量如图 1 所示。 矿区内地形为剥蚀型低丘陵 地区， 冲沟较多且多起伏， 被一条 EW 走向的分水岭 分成南、 北两种水系， 北边为滏阳湖水系， 平时水流量 小于 120m3/h， 暴雨期水流量 3050m3/s， 南边为漳河 水系。 图 1辛安煤矿近年降雨量 1.2辛安煤矿地质概况 1 ） 地层， 辛安煤矿为半掩盖区， 地层平均倾角 20， 矿区大体走向为 NE， 但倾向于 SEE， 属于单斜 构造。根据勘探资料显示， 已揭露的地层从上到下有 新生界和古生界，新生界主要为第四系 Q 和第三系 R， 古生界主要为二叠系 P、 石炭系 C、 奥陶系 O。 2 ） 构造， 辛安煤矿位于鼓山地堑构造块段， 内部 断裂情况复杂， 潜伏性的断层较多， 主要大体走向为 NNE， 次要走向为 NE， 倾向不一致， 存在北黄沙向斜、 南黄沙背斜、 马家荒小向斜等主要皱褶。 3 ） 断层， 根据井下巷道和工作面勘探资料显示， 矿区断层发育落差大于 10m的数量为 50 条，如表 1 所示， 落差小于 10m 的多达 200 条， 其中大多数断层 是 6580高角度正断层。 4 ） 含水层， 矿区内， 根据含水层水质情况， 自上而 基于 GMS 软件的矿井水文地质的研究 温 小 伟 （大同煤矿集团 挖金湾煤业公司地测科 ，山西 大同 037003 ） 摘要 以辛安煤矿为研究对象， 通过分析矿区地质、 水文等条件， 发现其涌水量大、 地质条件复杂， 且奥灰水严重威胁着矿区的安全生产， 针对矿区特殊的地质环境， 依据 58 处钻水孔的勘探资料， 使用 GMS 软件绘制突水系数等值线图， 再生成三维地质模型， 形象直观的了解到了矿区地层的空间分布 和相互关系， 为矿区的勘探提供了有效的技术方法， 提高了勘探效率， 降低了勘探成本。 关键词 矿区地质 ； 涌水量 ； GMS 软件 ； 突水系数 中图分类号 TD327.2文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0117-04 Research of Mine Hydrogeology based on Groundwater Modeling System WEN Xiaowei （Datong Coal Mine Group Wa-jinwan Coal Company， Datong 037003 ， China ） Abstract Taking XinAn coal mine as the research object, through the analysis of mining geological conditions, such as geology, hydrolo- gy, found the location of large, complex geological conditions, and the grey water seriously threatens the safety of mine production, ac- cording to the geological environment of mining area special, on the basis of 58 drill hole exploration data, the use of GMS software draw water inrush coefficient contour map, generating 3D geological model, image, intuitive awareness of mining strata spatial distribution and mutual relationship, for mining exploration provides effective technical , improve the efficiency of exploration, reduce the explo- ration cost. Key words mining geological ； water inflow ； GMS software ； water bursting coefficient 117 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 下， 将含水层一次分为第四系 - 砂砾石孔隙含水层、 第三系 - 孔隙裂隙含水层、二叠系 - 砂岩裂隙含水 层、 石炭系 - 薄层灰岩岩溶裂隙含水层、 奥陶系 - 灰 岩岩溶含水层等。 表 1中、 大型断层分类表 5 ） 涌水量， 地下含水层水、 老空水、 奥灰水以及薄 层灰岩水等为矿井主要涌水量， 同时， 因辛安煤矿断 层较多， 诱发裂隙发育， 且断层导水能力较差， 使得断 层成为涌水量的一个重要部分， 近年来煤矿最大涌水 量为 2346m3/h， 平均涌水量 1980m3/h， 详细情况如图 2 所示。 图 2矿井近年涌水量变化图 6 ） 充水， 因辛安煤矿独特的地理位置及环境， 其 水文地质单元相对封闭， 主要充水源有地表水、 老空 水、 含水层水和奥灰水等。在辛安煤矿深层煤矿的开 采过程中， 主要需要防止奥灰水的突水， 其充水通道 主要有断层、 导水陷落柱、 封闭不良钻孔、 裂隙、 隐伏 井筒等。 2辛安煤矿突水系数的分析 2.1突水影响因素 1 ）水压， 承压含水层位于煤层底板的下部， 其大 小决定着底板是否会发生突水， 故煤层离含水层越近， 则受到的压力越大， 据地质勘探资料可知， 奥陶灰岩含 水层的水位在 120m- 155m左右， 如图 3 所示。 2 ）隔水底板岩层厚度，隔水底板通过重力作用 和阻抗水压能力来阻压承压水。底板若要发生突水， 则必须突破隔水层或克服压盖阻力，故隔水层越厚， 阻力越大， 发生底板突水的可能性就越小。 3 ）采动与矿压， 随着煤矿工作面的开采， 会引起 工作面塑性变形和矿山压力的变化， 使得原有断层裂 隙不断扩展， 形成增渗效应， 进而引发承压水的渗流 或突喷。随着煤矿开采深度的加深， 工作面的矿压不 断增大， 对突水系数的影响就越大。 图 3大青、 奥陶系灰岩的位置 2.2奥灰水对 2 煤层的突水性分析 1 ）临界突水系数 TS，其定义为单位底板隔水层 厚度上所承受的突水压力， 定量衡量了煤层底板突水 的危险程度[2-3]， 计算公式如下 TS P M （MPa/m ） 式中 P 为突水压力， MPa； M为隔水层的厚度， m； 查阅 煤矿防治水规定 可知， 底板临界突水系数 TS一般小于 0.06MPa/m， 当实际突水系数 T 大于临界 突水系数 TS时， 矿井就容易发生突水事故， 本文取突 水系数最大值 0.06MPa/m。 2 ）隔水层厚度， 依据 58 钻孔的勘探资料， 经过 统计差值计算，得出奥灰含水层到 2 煤底板隔水层 厚度为 79.7 165.64m， 如表 2 所示。 表 2煤层底板隔水层厚度 3 ）实际突水系数， 根据矿区 58 处不同钻水孔的 勘探资料，计算出 58 处钻水孔的突水系数，使用 GMS 软件生成如图 4 所示的突水系数等值线图[4-6]。 由图知， 仅有 3 处红线区域实际突水系数达到临界突 水系数 0.06MPa/m， 其余为安全区域， 且矿井南边突 水系数整体偏大， 高于北边。 图 4奥灰水突水系数等值线 3辛安煤矿的三维地质建模分析 3.1辛安煤矿的地层建模 类型落差 /m条数比例备注 大型断层≥100103.60勘探和揭露 中大型断层50- 10020.71勘探和揭露 中型断层20- 50196.84勘探和揭露 中小型断层10- 20196.84勘探和揭露 煤层 煤层隔水板厚度 /m 最大钻孔最小钻孔平均 279.7165.64136.51 118 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 为了更直观的分析井田的地层特征，本文使用 GMS 软件， 依据实际矿区地质特点， 将模型分为山西 组 P1s、 煤层、 太原组 C3t、 本溪组 C2b、 峰峰组 O2f 等 5 层，导入 58 处钻水孔的实际勘探数据进行模拟定 位， 使用 GMS 软件中的 Create Arc tool 命令绘制矿区 边界，然后生成 TINs，再应用 Borehole 模块中的 Horizons- Solid 命令， 选用对应的插值法， 生成三维 地质模型， 如图 5 所示。 图 5辛安煤矿 GMS 三维地质模型 3.2三维地质模型的分析 1 ）东西方向剖面，为了了解东西向地层在垂直 方向的分布情况， 将模型沿着东西向纬度 21500 的位 置做剖面， 如图 6 所示。由图可知， 在矿区东西向， 各 地层空间分布比较均匀， 大体呈东低西高的趋势。2 煤层主要在山西组 P1s 地层中， 7 煤层主要在太原 组 C3t 地层中， 煤层平均均厚度约为 90m。 图 6东西向地质剖视图 2 ）南北方向剖面，为了了解南北向地层在垂直 方向的分布情况， 将模型沿着东西向经度 12500 的位 置做剖面， 如图 7 所示。由图可知， 在矿区南北方向 上， 各地层分布均匀， 大体呈北低南高的趋， 因此北边 埋深较大， 但未发现地层缺失的现象。 3 ）组合剖面，为了了解矿区地层整体在垂直方 向的分布情况， 将不同纬度东西向、 不同经度南北向 的地质剖视图进行模拟组合， 得到了矿区立体组合剖 视图， 如图 8 所示。 由图可知， 在东西方向埋层逐渐变 深， 在南北方向埋层逐渐变浅， 矿区中部的地层起伏 较大。 图 7南北向地质剖视图 图 8组合地质剖视图 4结论 本文通过对辛安煤矿水文地质的分析和研究， 建 立了 GMS三维地质模型，针对奥灰水的底板突水问 题， 提出以下几点防护措施 1 ）辛安煤矿 2 煤层受断层的影响， 奥灰水直接 煤矿的安全开采， 且地层皱褶破碎， 地层内残余地应 力和矿山压力都较大， 应通过钻孔对煤层底板注浆加 固后再进行开采。 2 ）依据现有 58 处钻孔勘探资料， 应用定向钻孔 技术， 对地层进行全面勘探， 绘制突水系数等值线线 图， 预防突水事故的发生。 3 ）针对临界突水系数区域预设定向分支钻孔， 封堵和加固导水断层和主要破碎带。 参考文献 [1] 崔村丽.我国煤炭资源及其分布特征[J].科技情报开发与 经济,2011,24181- 182- 198. 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[5] 吴振岭,沈智慧.煤层底板突水危险性评价中奥灰含水层 的阻水作用分析[J].煤矿安全,2008,7,40- 42. 119 ChaoXing [6] 邵爱军,张发旺,邵太升等.煤矿地下水[M].北京科学出版 社.2005. 作者简介 温小伟 （1991-） ， 山西大同人， 本科学历， 毕业于河北工 程大学， 助理工程师， 主要从事煤矿水文地质方面的工作。 （收稿日期 2019- 12- 9） 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 0引言 矿井提升机截割滚筒是采煤过程中关键的设备， 据相关资料查阅可知， 截割滚筒作业消耗的功耗可以 达到整个采煤作业的 90左右。因此， 截割滚筒割煤 的工作效率对煤矿企业的生产效率以及经济性有着 较大的影响。截割滚筒截齿是直接接触煤炭， 利用其 自身强度及结构进行掘进开采的关键构件[1]。在实际 生产工程中发现滚筒截齿在受到煤炭物料切割阻力 的工况下， 其结构受力不均匀， 产生了磨损、 断裂、 裂 痕等破坏形式， 各种形式的破坏常常集中于某几个截 齿[2]。上述现象说明截齿在切割煤炭作业过程中受力 不均匀， 没有充分发挥每个截齿的工作性能， 对开采 煤层的工作效率造成的影响， 提高了无用工作过程在 整个工作中所占的比例。 根据实际工况建立起仿真模 型， 以降低受力载荷波动为优化目标， 降低各个截齿 的受力载荷数值的差异率， 达到截齿受力均衡性的目 标， 使整个采煤机的工作过程更加的平稳高效[3]。 1采煤机滚筒结构分析 滚筒式采煤机以螺旋运动形式通过滚筒机构可 以实现切割煤炭和传送煤炭， 最终实现落煤的采煤机 械。通过一定运转速度的旋转， 按照一定的角度切入 矿井的侧壁，被割落下的煤炭将落入至螺旋叶片， 然 后被推入工作面的刮板运输机当中。 滚筒式的采煤机 可按各种类型进行分类，可按结构机构进行分类、 按 适用煤层厚度进行分类、按电机布置方法进行分类、 按机身设置方式进行分类、 按牵引控制方式进行分类 等[4]。 每种类型的滚筒采煤机均可分为截割部分、 牵引 部分、 电器部分及辅助装置组成， 滚筒采煤机的滚筒 提升采煤机截割滚筒截齿受力均衡性的优化研究 曹琼 （霍州煤电集团辛置煤矿 ， 山西 霍州 031412 ） 摘要 矿井采煤机截割滚筒利用截齿的作用力对煤层进行掘进， 通过现场作业观察， 每个截齿在长 时间作业过后磨损程度不同， 表明了各个截齿的受力不均匀， 影响了整个滚筒结构的使用寿命。为确 保煤层开采过程中截齿受力更加均匀， 采用 MATLAB 数值模拟软件以载荷波动系数为优化目标， 优 化截割滚筒的结构， 提高每个截齿受力的均衡性。 仿真试验结果表明优化后的截割滚筒截齿受力更加 均匀， 保障了煤炭开采的生产效率。 关键词 截割滚筒 ； 截齿 ； 均衡性 ； 优化 中图分类号 TD 412文献标识码 A 文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0120-03 Research on Optimization of Force Balance of Shearer Cutting Drum CAO Qiong （Huozhou Coal and Electric Group Xinzhi Coal , Huozhou 031412 , China ） Abstract The cutting drum of a coal mining machine uses the force of a cutting tooth to excavate the coal seam. According to the obser- vation of the field operation, the wear degree of each cutting tooth is different after a long time operation, which indicates that the force of each cutting tooth is uneven and affect This increases the service life of the entire drum structure. In order to ensure that the forces of the picks are more uni during the mining of the coal seam, MATLAB numerical simulation software is used to optimize the fluctuation coefficient of the load, optimize the structure of the cutting drum, and improve the balance of the forces of each pick. The simulation test results show that the force of the cutting teeth of the optimized cutting drum is more uni, which guarantees the production efficiency of coal mining. Keywords cutting drum ; cutting teeth ; balance ; optimization 120 ChaoXing