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第 1 期山 西 焦 煤 科 技No． 1 2011 年 1 月Shanxi Coking Coal Science ＆ Technology Jan． 2011 试验研究 收稿日期 2010 －12 －13 作者简介 魏生强 1963 ， 男， 1983 年毕业于大同煤校， 高级工程师， Tel 13753182042 东曲矿 860 水平带压开采的可行性分析 魏生强 山西焦煤 西山煤电集团公司东曲矿， 山西古交030200 摘要带压开采， 是在底板或顶板具有承压含水层条件下， 当隔水层的厚度稍大于临界隔水层 厚度或水压值稍小于临界水压值时， 利用煤层底板以下相对隔水岩柱的隔水性能， 采取综合防探、 防 治措施， 在不触及或少触及岩溶水天然流场条件下， 带着全部岩溶水水头压力进行岩溶型煤层的开 采， 不采取其它疏降措施进行开采的采煤方法。通过分析东曲矿的水文地质条件， 对该矿 860 水平 带压开采的可行性进行了分析， 并提出了防治水措施。 关键词带压开采; 奥灰水; 采煤方法 中图分类号 TD823． 83文献标识码 A文章编号 1672 －0652 2011 01 －0011 －05 西山煤电集团公司东曲矿是古交矿区一座年产 400 万 t 的特大型矿井， 井田面积约 59． 9 km2， 工业 储量 8． 6 亿 t。矿奥灰水水位最高标高为 939 m， 井 田内 8、 9煤层标高局部低于奥灰水位标高， 煤层开 采受到高水压的直接威胁， 最大水压达 2． 27 MPa。 因此， 进行奥灰水带压开采煤层是该矿首先需要分析 研究和必须解决的问题。 1水文地质条件调查分析 1．1区域水文地质条件 西山煤田为吕梁山脉的一部分， 由多种地貌构 成， 其东和东南以边山大断裂与新生界断陷盆地太 原盆地相接， 汾河在煤田北部大体自西向东， 在上兰 村进入太原盆地折向南流， 西山地区寒武奥陶系灰岩 出露面积约 1 600 km2， 主要分布在煤田北部汾河 之北， 其面积占西山地区碳酸盐裸露面积的 75， 西 部次之， 东部沿边山断裂仅有零星分布， 奥灰岩接受 北部及西北部大气降水的入渗补给， 地下水在总体上 自西北流向东南， 主体水位 马家沟组 在补给区可 达 920 m， 至排泄区降到 800 m 左右， 水力坡度也由 陡变缓， 在排泄区为千分之几到万分之几， 沿边山断 裂分布的兰泉、 晋泉是奥灰地下水的主要天然排 泄点。 1．2井田水文地质条件 1含水层。影响本井田生产的主要含水层分述 如下 a奥陶系马家沟组裂隙岩溶含水组。 本区在东北外围出露， 自此沿汾河两岸连绵不 断， 直至太原盆地的北缘。据区域资料厚 400 ～ 450 m。 露头区岩溶发育不强， 仅见有溶孔、 溶蚀裂隙 及少 量 的 大 溶 洞。水 文 孔 揭 露 厚 度 为 43 ～ 444． 64 m， 一般多为 200 ～ 300 m。岩性以石灰岩为 主， 其次为泥灰岩、 白云质灰岩、 角砾状泥灰岩、 石膏 等。马家沟组分为下段 Q2s1 及上段 O2s2 ， 其分界 线是一层厚约 10 ～20 m 的角砾状泥灰岩底界。下段 厚 300 m 左右， 上段厚 57 ～160 m。由于角砾状泥灰 岩的隔水作用， 而形成上下两个含水亚组， 简称上、 下 含水带， 各带再由若干个灰岩和泥灰岩含水层组成。 两带的水文地质条件诸如水位、 含水性水质等都有 差异。 奥灰的岩溶发育程度在横向上和纵向上差异甚 大， 也决定了含水性的不均匀性。资料表明， 本区灰 岩的含水性首先取决于其埋藏深度， 其次才是构造、 岩性、 地下水补给等条件。 勘探区北缘汾河河谷及其南侧一带， 奥灰一般浅 于200 m， 其侵蚀面标高多大于 800 m， 钻孔所见岩溶 发育， 含水性强， 单位流量 q 下带为 0． 81 ～ 11． 91 L/sm， 上带为 0． 4 ～ 5． 6 L/sm， 渗透系数 K 下 带为 4． 92 ～20． 50 m/日， 上带为 3． 23 ～49． 04 m/日。 随着埋深的增加， 含水性急剧变弱， 以至基本不含水。 现以分布于大川河河谷中 4 个孔为例， 来探讨其变化 规律。这 4 个孔基本成南北向的直线排列， 从北向南 依次为 2、 C12、 C14、 D7。奥灰侵蚀面从水 2 的821 m 递降至 D7 的 629 m。试验证实， 奥灰的含水性及岩 溶发育程度自北向南由强变弱。水 2 及 C12 孔岩层 埋深近似， 含水性较強， O2S1的 q 值为 2． 39 ～ 3． 90 L/s m， C12 孔南 910 m 处的 C14 孔由于位于 F23 断层的上盘， 侵蚀面标高降低较大， 为 713 m， 岩溶不 发育， 抽水试验证实基本不含水， Q 值为0． 000 4 L/s m， K 为0． 002 8 m/日。再向南的 D7 孔含水性 大大减弱。大量资料表明， 本区发育和含水性变化规 律 第一， 奥灰侵蚀面标高低于 700 m 时， 岩溶不发育 或基本不发育， 因而基本不含水。第二， 埋藏愈浅岩 溶愈发育， 岩溶带厚度越大。随着埋深的加大， 岩溶 带的下限标高上移， 发育程度减弱， 并逐渐趋向于 尖灭。 b太原群灰岩裂隙岩溶含水组。本群在东部 出露较广， 其中具有水文地质意义的灰岩为 L1、 K2、 L4。L1 一般厚 2 ～4 m， 最厚 6． 7 m， 质不甚纯， 常为 泥灰岩; K2 一般厚 2 ～ 4 m， 最厚 6． 0 m， 质较纯; L4 一般厚 1 ～3 m， 最厚 4． 4 m， 有个别尖灭点。灰岩段 距 20 ～30 m。本组含水性强的地段位于汾河河谷及 其附近， 灰岩埋藏很浅， 或与冲积层接触， 有良好的补 给条件， 因此， 其含水性很强。这一点在生产中被证 明。河谷以南由于埋深加大补给条件的显著变差， 含 水性也随之急剧变弱， 如水文孔中距河谷较近的 104 孔， q 值为0． 183 L/sm， K 值为1． 432 m/日， 而位于 该孔西南 1 400 m 的 108 孔和东南 3 000 m 的 119 孔， 含 水 性 发 生 突 变， q 值 分 别 为 0． 000 43 和 0． 000 48 L/sm， K 值为 0． 001 3 和 0． 002 3 m/日， 再往西南的屯区 106 孔， q 值为 0． 000 21 L/sm， K 值为 0． 001 3 m/日， 四孔中 q 值两极相差达 870 倍， 可谓悬殊。据上述资料， 可划分出 C3 灰岩的含水区 和含水性极弱区， 含水区位于北缘， 约占全区的六、 七 分之一。 本组水位标高 964． 11 ～1 017． 48 m， 据此， 水的 流向为自东南而西北 ， 这是否能代表真正的流向， 值 得怀疑。事实上， 由于含水性大都微弱， 各地段之间 的水力联系极差。水质属重碳酸硫酸盐 或氯化物 钠钙 或钙镁 型， 矿化度 376 ～ 538 mg/L， 硬度 1． 7 ～20． 36 度， 为极软硬的淡水。 c山西组砂岩裂隙含水组。本组较稳定的砂岩 有 K3， 厚 0 ～13． 6 m， 一般小于 10 m， 岩性为中粗粒 砂岩。4～3煤间的马家滩砂岩， 厚 0 ～ 23 m。本组 在浅部有一部分露头高居于当地侵蚀基准面以上， 补 给条件极差， 有小部分在大川河谷中与冲击层接触， 含水性可能较强， 其余含水微弱， q 值为 ＜0． 000 67 ～ 0． 007 5 L/sm， K 值为 ＜ 0． 001 2 ～ 0． 052 6 m/日。 其含水区与含水极弱区的界线据推断与 C3 界线同。 水位标高 1 031． 57 ～1 063． 15 m， 东高西低。 水质为重碳酸硫盐 或氯化物 钠钙型 ， 矿化度 397 ～473 mg/L， 硬度 0． 73 ～ 6． 97 度， 为极软硬的 淡水。 d上下石盒子组砂岩裂隙含水组。区内本组出 露广泛， 大川河河谷中基岩即属此组。因此， 其含水 性强的地段也仅限于河谷区的风化带。其余则含水 性微弱。据本区和邻区资料， 山区风化带含水性稍 强， q 为 0． 086 5 L/s m， K 为 0． 354 m/日。深部含 水性微弱， q 为 0． 001 02 ～ 0． 007 5 L/sm， K 为 0． 002 4 ～ 0． 052 6 m/日。水 位 标 高 1 004． 21 ～ 1 050． 71 m， 为含水层中最高者。水质属重碳酸硫酸 盐钙钠型; 矿化度 295 mg/L， 硬度 8． 86 度， 为微硬的 淡水。 e全新统冲积砾石孔隙含水层。该层分布于汾 河河谷及大川河河谷中， 据西曲长峪沟水源初勘报 告， 汾河河谷砾石层厚 20 ～ 30 m， q 值 4． 22 ～ 8． 76 L/sm， K 为 27． 77 ～ 56． 48 m/日， 水位标高自西而 东为 973 ～957 m， 水力坡度 0． 4。水质属高碳酸硫 酸盐钙镁型， 矿化度 292 ～ 591 mg/L， 硬度 12． 19 ～ 25． 04度， 为微硬硬的淡水。 大川河河谷砾石层厚 10 ～ 15 m， 据推断含水性 与汾河河谷类似。 2隔水层。 a9煤底板至奥灰顶界面隔水层 主要地层为 太原组底部和本溪组， 岩性以砂质泥岩为主， 夹砂岩、 21山 西 焦 煤 科 技2011 年第 1 期 泥灰岩， 平均厚度 70 m。特别是本溪组底部的一层 厚约8 m 左右的铝土泥岩具有良好的隔水消压性能。 b峰峰组下段隔水层 岩性主要为角砾状灰岩、 泥灰岩和石膏层， 厚度约 40 ～50 m， 具有良好的隔水 作用。 c马家沟组上段与下段隔水层 为白云质角砾 状泥灰岩， 间夹灰石灰岩和石膏层， 厚 20 m 左右。 3具有水文地质意义的构造。 在井田内较大断层发育， 据目前揭露资料来看， 断层多为压扭性结构面， 断层带不宽， 断层角砾互相 挤压很紧， 尤其穿过石盒子组断层带， 以泥岩为主， 常 形成不透水的隔水墙。所以， 井田内 973 水平煤层 开采， 断层导水的可能性较小。 860 水平开采时， 因揭露资料少， 断层导水情况仍为不稳定因素， 需进 一步勘测。井田内还发育较多的陷落柱， 从建井至今 共发现 65 个， 长轴直径最大者大于 100 m， 由于陷落 柱的形成直接与岩溶水的动力条件有关， 其内部充填 物一般胶结不好， 往往容易成为地下水突水通道。虽 然， 现揭露陷落柱都不导水， 但随着采空面积的增大， 地层的平衡的破坏， 其导水的可能性也随之增加。 2008 年， 在古交矿区马兰矿井 8煤揭露的陷落 柱发生奥灰导水现象， 承压 9 m， 涌水量 10 m3/h， 因 此， 对陷落柱的导水性必须给予高度重视。 根据前述矿井水文地质条件分析， 主要可采煤层 在井田西及西南部处于奥灰岩溶水头之下， 局部承受 的奥灰水头压力达2 MPa 以上， 总体趋势是自东向西 水头压力逐渐增大。井田能否实现带压开采， 决定于 本区的水文地质条件、 构造条件、 隔水岩柱厚度及其 隔水、 抗水性能。在底板隔水岩柱薄弱地带或断裂、 陷落柱等构造破碎带， 存在着岩溶水突破相对隔水层 溃入矿井的可能性。 2回采安全性分析 1安全隔水层厚度分析。根据矿井水文地质规 程公式 T L r2L28 槡 KPH － rL 4KP 1 式中 T安全隔水层厚度， m; L采掘工作面底板最大宽度或最大控顶距 离， m; r隔水层岩石容重， t/m3; KP隔水层岩石抗张强度， t/m2; H隔水层底板承受的水头压力， kgf/m2。 奥灰水静水位标高取最高值938 m; 8、 9煤层底 板取全区最低值 以 D7 号孔为参考 ， 分别为721 m、 711 m。8煤层底板与 9煤层底板平均间距为 10 m， 9煤层底板至奥灰顶面的平均距离为 70 m。 取 L 30， r 2． 2， KP 20 a8煤底板安全隔水厚度计算与分析 H8938 －721 80 297 t/m2。 代入公式 1 ， 得 T8 60． 6 m ＜ 80 m 8煤层底板平均隔水厚 度 ， 计算得知， 8煤层所需的安全隔水厚度小于实际 平均隔水厚度。 b9煤层底板安全隔水厚度计算与分析 H9938 －711 70 297 t/m2。 代入公式 1 ， 得 T9 60． 6 m ＜ 70 m 9煤层底板平均隔水厚 度 ， 计算得知， 9煤所需的安全隔水厚度小于实际平 均隔水厚度。 2突水系数分析。依据公式 Ts P M － CP － Z 2 式中 Ts突水系数， kgf/cm2m; P隔水层承受的水压， kgf/cm2; M底板隔水层厚度， m; CP采矿对底板隔水层的扰动破坏厚度， m; Z含水层原始导高， m。 a8煤层突水系数计算 P8 938 －721 80 /9． 8 30． 3 kgf/cm2 其中， M 80， CP 12， Z 5。 代入公式 1 得 Ts 0． 48 kgf/cm2m b9煤层突水系数计算 P9 938 －711 70 /9． 8 30． 3 kgf/cm2 其中， M 70， CP 12， Z 5。 代入公式 1 得 Ts 0． 57 kgf/cm2m 根据以上分析， 该矿构造比较复杂， 但隔水层相 对较完整， 其厚度符合安全要求， 另外奥灰顶部有 10 ～20 m 厚的充填带， 相对增大了隔水强度， 因此， 采 312011 年第 1 期魏生强 东曲矿 860 水平带压开采的可行性分析 取一定的、 有效的防治水措施进行带压开采是可行 的。从突水系数分析来看， 8、 9煤层全区安全可采， 煤层突水系数未超过水文地质规程 规定的 0． 6 kgf/cm2m。 38、 9煤层突水系数分区。 a8煤层 令 Ts 0． 4 kgf/cm2m， M 70， CP 12， Z 5， 煤底板标高为 h1， P 938 － h180 /9． 8。 代入公式 1 ， 得 h1771 m b9煤层 令 Ts 0． 4 kgf/cm2m， M 70， CP 12， Z 5， 煤底板标高为 h2， P 938 － h170 /9． 8。 代入公式 1 ， 得 h2800 m。 根据上述计算， 该矿 8煤层底板标高在 721 ～ 771 m 为过渡区， 大于 771 m 为安全区。9煤层底板 标高在 711 ～800 m 为过渡区， 大于800 m 为安全区。 在该矿危险区不存在， 只有过渡区。如果对该区进行 疏水降压， 就可大大提高开采的安全程度。从理论分 析， 8、9煤层开采是安全的， 但区内大中型断层及 陷落柱切割， 使煤层失去连续性， 又采动破坏使地压 发生变化， 这些不利因素的相互叠加， 大大增加了突 水的可能， 因此， 切不可麻痹大意。 3防治水措施 根据精查报告， 东曲矿奥灰含水层静止水位为 914．64 ～929． 72 m， 而据东曲矿西石门水文孔资料峰 峰组静止水位为 938 m， 马家沟组静止水位 866 m。 860 水平现开采区域二、 八采区 8、 9煤标高为 750 ～920 m， 860 全区带压开采， 带水压 18 ～188 m， 可 能发生奥灰突水， 危及 860 水平所有施工作业的人 员生命安全， 必须做好各种防治水措施。 1认真做好水文地质调查研究工作。 a要继续加强该矿奥灰水的勘探工作， 查清奥 灰各含水层厚度、 水位、 水量、 水质等情况。特别是峰 峰组及上马家沟组含水层厚度、 水量， 以及奥灰水与 其它含水层之间的水力联系， 及其断层、 陷落柱的导 水情况， 进一步核实该矿的水文地质条件， 进行水文 地质类型划分， 为矿井防治水工作提供依据。 b要有针对性地进行矿井水文地质调查和观测 工作， 查明矿井充水的因素， 分析研究地下水的赋存 情况。对井下出水及时进行收集化验， 建立动态观测 与监测系统， 并定期观测， 井田范围内开展针对奥灰 水的长期观测， 以定量评价奥灰岩溶水提供基础 资料。 c要加强对煤层底板隔水层的勘探、 研究工作。 加强对断层、 陷落柱充水性、 导水性的探测， 不断引进 各种先进的物探、 化探、 钻探设备及技术。 2完善矿井排水系统。 a现 860 水平排水系统即将形成， 860 水平的 中央水仓已经启用， 中央水仓容量 4 000 m3， 其中主 水仓容量 2 400 m3、 副水仓容量 1 600 m3， ， 水泵 3 台 为同一型号 DQS400/50 5 ～ 500/S， 流量 350 m3/ h。扬程为250 m， 功率410 kW， 排水管为10 英寸， 两 趟， 直接排到井口地面。现在已形成排水系统。形成 排水系统后， 能满足煤矿安全规程 第 278 条对井 下排水设备、 水仓的要求。 b在 860 水平材料暗斜井下部车场， 建有临 时水仓， 安装2 台水泵， 流量 55 m3/h， 扬程为150 m， 功率 11 kW， 水管为一趟 6 英寸管。 3安装防水闸门。 860 水平在初设时已设计 安装防水闸门， 共需安装 4 道防水闸门， 860 水平石 门防水闸门和电缆通道防水闸门已于 2009 年 12 月 安装验收并投入使用， 这两道防水闸门安装后可以保 护 860 水平中央变电所、 中央水泵房、 中央水仓。另 外两道防水闸门在 2010 年上半年西翼轨道巷施工到 位后再安装， 这两道防水闸门安装后可以把 860 水平 东、 西翼隔开， 保证有一翼发生水害时另一翼不受 影响。 4完善矿井应急救援预案。每年年初修改、 完 善矿井应急救援预案， 编制、 完善矿井避灾路线图， 并 在全矿范围内组织演习， 贯彻到每一位下井职工。 5防止突水安全措施。 a对落差较大的断层及陷落柱严格按照集团公 司审批的防水煤柱设计留设保安煤柱。在过渡区和 构造复杂区遇较大的断层或沉陷时要坚持“有掘必 探， 先探后掘” 的原则， 在煤层的掘进中利用物探或 钻探进行探测， 防止突然揭露较大断层或导水陷落柱 酿成突水事故。 b根据煤矿安全规程第 261 条规定 工作面在 回采前必须采用物探或钻探手段探测采煤工作面内 部是否有导水的隐伏的陷落柱和断裂构造， 以便采取 41山 西 焦 煤 科 技2011 年第 1 期 预防措施， 防止突水。 c在水压较大的地区正式探水钻进前， 必须先 安好孔口管和控制闸阀。孔口管的长度， 应根据水压 和围岩性质在探放水设计中明确规定。孔口管与孔 壁之间， 必须灌注水泥浆固定， 待水泥浆凝固后进行 扫孔， 扫孔后必须进行耐压试验， 达到能承受设计水 压后， 方准继续钻进。特别危险的地区， 还应预先采 取开掘安全躲避硐， 规定撤人的避灾路线等安全 措施。 d对已经查明的突水水源通道立即进行注浆充 填加固等措施， 切断水源后方能继续采掘。 e 在带压开采工作面设置专用电话和报警装 置， 并标明应急避灾路线。 4加强生产管理 1保持 8煤底板原始高度。根据 2煤开采资 料， 掌握煤层起伏和断层、 陷落柱分布情况， 避免采掘 工程削减底板厚度， 不在底板中做工程， 合理确定工 作面斜长及采煤方法。 2尽量缩短空顶距。带压开采区采煤时， 工作 面老顶初次垮落步距必须控制在规程允许的范围内 ≤20m ， 如果大于 20 m， 要采取强制措施， 以防止 工作面底板宽度增大、 矿压显现， 造成对底板和断层 破碎带的破坏。 3安装、 建立水文监测智能预警系统。该系统 能够在无人职守的条件下， 对井下水文钻孔水位 压 、 流量、 水温进行实时监测， 且分站与东曲矿安 全监测系统完全兼容， 实现了成果数据的自动生成、 汇总、 传输和电子版数字台账的建立， 对及时处理水 情， 保障煤矿安全生产具有重要意义。 5结论 在奥灰水压较大、 水位变化复杂的条件下进行带 压开采， 目前的理论水平、 实践经验都比较缺乏， 掌握 的水文地质资料也不够， 需要不断收集资料， 进行研 究， 得出合理的水文地质参数， 制定针对性的防治水 安全措施， 组建强有力的防治水队伍， 加大防治水费 用的投入， 坚持“预测预报， 有掘必探， 先探后掘， 先 治后采” 的原则， 采取 “防、 堵、 疏、 排、 截” 的综合治理 措施， 不断总结经验， 以达到安全生产之目的。 Feasibility Analysis on Mining under Pressure of Aquifer 860 Level in Dongqu Coal Mine Wei Sheng － qiang AbstractThe mining under the presses， is under the condition which the roof or the floor have the confined aq- uifer， when the thickness of aquiclude is larger slightly than the thickness of critical aquiclude or the hydraulic pres- sure value are less slightly than the critical hydraulic pressure values， uses the water － barrier property of relative im- permeable rock pillar below the coal seam floor， adopts comprehensive prevention and exploration， the control meas- ure， under condition no touching or less touching under the karst water natural flow field， with all the head pressure of karst water carry on mining of the karst coal bed， does not adopt the coal mining s of other dredging and drop- ping measure to carry on mining． Through analyzing the field hydrogeological conditions of Dongqu coal mine， analyses the feasibility of 860 level mining under pressure of aquifer， and puts forward the water control measures． Key wordsMining under presses of aquifer; Ordovician limestone groundwater; Coal mining 512011 年第 1 期魏生强 东曲矿 860 水平带压开采的可行性分析
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