韩城桑树坪煤矿n 号煤层带压开采可行性分析.pdf

第1 8卷第 4 期 1 9 97 年 总78期 西北地质 NOR T H万VEST ERN GEOLOGY V o l . 18N o . 4 1 997 S u m 78 韩城桑树坪煤矿 n 号煤层带压开采 可行性分析 代革联 王晓明 唐亦川 西安矿业学院地质 来 , 西安 , 71 0054 摘要本文在分析桑 树坪 井田水文地质条件的基础 上 , 通过对煤层带 压开采影响因 素的分析 , 提 出了充分利用煤层与含水层之间有效隔水层的厚度 , 充分考虑 隔水层的 岩性组合 、 水压及地质构造等因素 , 提出了对受高压奥灰水威胁的煤层应分采区 、 分 水平带压开采 。 关键词带压开采 影响因素可行性桑树坪 桑树坪煤矿是渭 北煤田大型机械 化矿井之一 , 年设 计生产 能力3 0 0 万 t 。 开采石 炭纪 、 二 叠纪煤层 , 主采煤层为2号 、 3号及 n号煤 。 随着矿井 生产的不断进行 , 浅部煤层已相 继开 采 , 而深部煤层 因受煤系基底奥陶系 石灰岩岩溶 裂隙含 水 层 简称奥灰 水的 影 响 , 仅 能在 局部开采或不能开采 。 奥灰含水层为一巨厚的具有多层的复合带压 含水体 , 对矿井生产威胁 收稿日期 1 9 9 7一06 一0 7 第一作者简介 代革联 , 男 , 26 岁 , 助教 , 从事水文地质教学与研究工作 . 2 两者的低渗透率岩石类型不同 最 主要的区别是n号煤层顶 板 中发育较多 的钙 质泥 岩 , 而钙质泥岩中方 解石易于在后生 阶段溶 解形 成 次生溶 孔 。 3 . 2后期构造控制 1 在各煤层边浅 部 , 由于褶皱断裂 发育 , 煤 层 围岩 裂 隙发育 , 围岩对煤 层 甲烷封 存 能力 已被破坏殆尽 。 2 切穿煤层并贯通 地表的断裂带将严重破 坏各类围岩对煤层 甲烷的封存能力 。 3在煤层发生褶曲的情况 下 , 砂岩 、 灰岩等脆性岩石在张应 力区易发生垂直层面的张 裂隙 , 降低 了对煤层甲烷的封存能力 ; 而泥质岩则易发生 同步弯曲 。 4 区内各种正 断层 、 滑 移断层 多伴 有 张裂 隙发 育 , 尤 其在 断层上 盘 , 造成 沿 断层带 顶 板破裂 , 使甲烷弥 散于顶板岩石 中 。 从以上可以看出 , 围岩的封闭性类型受多 种 因素控制 , 即 不仅受岩性及其变化的控 制 , 还受到不 同岩性在空间上的组合关系和后期构造活动的影 响 。 因此 , 煤层气评价中的围岩封 闭性类型及其分布性的研究 , 需要岩石学 、 沉积 学 、 构造地质学 和 矿井地质学等多学科密切 配合才能完成 。 参 考文 献略 西北地 质 199 7 年 很大 , 在矿井生产及建设中 , 奥灰突水事故屡屡发生 , 某至造成严重的淹井事故 。 因此 , 查清 矿井水文地质条件 , 解放受高压奥灰水威胁的煤层 , 对矿井的安全生产及矿井防治水有着十 分重要 的经济效益 及社会效益 。 1井田自然地理 一 地质条件 1 桑树 坪井田位于韩城 矿区的东北端 。 黄河 由井田东侧自北向南流过 , 并 切割 了井田的 所有 新老 地层 , 形成 井田东侧 的定水头边界 ; 井田南侧与下峪口井田相邻 , 以人为边 界为 界 ; 井田北侧及西侧有 尚未 开发的卓立井田 。 从水文地质单元的划分来看 , 该井田属 韩城水文地 质单元北 部亚区的东 部边缘 地带 。 其 水文地 质特 征表 现为 , 受北北 东 向主干 断裂 的控 制 , 地 下 水主 要 指奥灰 水径 流 方 向也是 北 北东 向;奥灰水与黄河水 有大 约3 8 0m 左 右 的相 同 水 位 , 水力 联系 极为密 切 , 两 者动 态具有 极相似 的波形 , 其相关系数 达 0 . 9 5 。 枯水期 , 奥灰 水 排 泄 流入黄 河 ; 丰水期 , 黄河 水又补给奥 灰水 。 除黄河 外 , 凿开 河 为横贯该井田的另一主要 河 流 , 该河 流蜿 蜒切 穿 全 部新老地层 , 由北 西 向南 东 注入黄河 , 其流 向基 本与地层走 向垂 直 , 河 流渗漏量为 0 . 1 1 7 2m , / s 。 2 区内属 暖温 带 、 半干 旱性大陆季 风气候 。 降雨量少 , 蒸发量大 。 年平均气温 1 2 ℃ , 最 高气温 4 2 . 6℃ , 最低气温一1 4 . 8℃ 。 年平均降水量5 5 2 . 6m m , 7一9 月份为雨 季 , 降水量占年 降水量的“ . 7 。 年平均蒸发量 1 92 2 . 0一192 9 . 7m m , 是年降水量的 3 . 8 倍 。 作为矿区地 下 水的主 要补给来源之一 , 降水量的多少直接影响着含水层的补给与矿井涌水量的大小 。 区内地形切割强烈 , 属 中 、 低山区 。 3 区内出露地层主要 有 寒武 系 , 中下奥 陶统 , 中上石炭统 , 二 叠 系及第四系 。 2 并田水文地质特征 2 . 1含水层 及其特 征 区内 主要 含 水层有 第四系 砂砾层孔 隙 潜水 中等 含水 层 、 二叠系砂 岩 裂 隙 承 压弱含 水 层 、 石炭系砂岩灰岩裂隙承 压极 弱含水层以及奥陶 系石灰岩岩溶裂隙承强 压 含水层 。 2 . 1门第四系砂砾层孔隙潜水中等含水层分布于黄河 、 凿 开河 的河 谷中 。 由砂 、 卵 砾石 组 成 , 厚度 。一4 0 m , k1 . 9 3一6 . 7 3 m/ d 。 直接接受大气降水 及河 水的 侧 向补给 , 来源 充沛 , 动 态变化大 。 因其距下伏煤层 远 , 分布范 围有限 , 区内又无大的断裂导通 , 所以对矿 井开采影 响 不大 。 2 . 1 . 2二叠 来砂岩承压裂隙弱含 水层该含 水层砂岩 层次 较多 , 抽 水试 验 多为 多层混 合抽 水 。 经抽水证 明 , 单位涌水量 q0 . 00 01 70 . o osoL/s m , 渗透 系数 k0 . 0 0 035一0 . 023 m/ d 。 该含水 层水 量小 , 且 随多年开采已被疏干 , 故对矿 井生 产的 影响 不大 , 采用 疏排 即可 。 2 . 1 . 3石炭 表砂岩灰岩裂隙承压机弱含 水层含水 层 由露 头处 得到大气降水 的补给 。 钻孔 抽水试验测得单位涌水量 q0 . 0 01 7一0 . Oos L/ s m , 渗透系数 k0 . 000 2 1一0 . 0 088m /d 。 矿井涌水点出水量 1 . 。2 . 3 6 m丫h 。 因其水 量小 , 且在开采区已局部疏 干 , 对矿 井生产与安 全的 影响 不大 。 第 4 期 代革联等 韩城桑树坪煤矿n号煤层带压开采可行性分析 2 . 1 . 4奥陶来石灰宕岩 溶裂隙承压强含 水层 奥陶 系石 灰岩是 一 套区域性分 布 的地层 , 在 本井田的东部及南部大面积 出露 , 尤其是在黄河及 凿开河的河谷地带 。 该含水层可划分为 9 个 含隔水层段表 1 , 其 中对 煤层开 采 威 胁最 大 的是 峰 峰组 二 段O Z f , 及上 马家沟组 二 段 O Zm ; 。 因这 两个强 含水层段 与煤层直接 相接或 距离 较近 , 加 之二 者之 间存 在一定 的水力联 系 , 对煤层开采影响很大 。 矿井 几次 的突水 均源于这两 个强含水层段 。 据混 合抽 水资料 , 单位 涌水 量 q 3 . 8 6 6 1 . 6 L/ s m , 渗透 系数 k一9 . 4 7 m/ d , 井下 突 水点 观 测值为4 0 1 5 3 。 m 3 /h 。 说明该含 水层 富水性极强 , 水 量很 大 。 表1奥陶系石灰岩含水层 、 隔水层段 的划分 地地层单位位地层层主要岩性性 黔黔 层段编号号含水层 、 隔水层名称称 代代代代代代代代代代代代代代代代代代代代号号号号号号 界界界系系统统组组段段段段段段段 下下下奥奥中中峰峰组组二段段 0 2f2 2 2 石灰岩岩 045 5 5 H二 二岩溶裂隙强 含水层层 古古古陶陶统统 0 Zf 生生生系系 O 一段段 O fl l l 泥灰岩岩 507 3 3 3 Gl l l 相对隔水层层 界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界界 上上上上上马家沟组 组三段段 0 Zm 垂垂泥灰岩 , 白云质灰岩岩 3 374 4 4 H牙 牙岩溶裂隙 弱 含水层层 0 2m2 二二二二二二段段 0 Zr n 遥遥白云岩岩 7 71 1 7 7 7 H通通 岩溶裂隙强含水层层 一一一一一一段段 0 Zr n 玉玉泥灰岩岩 308 1 1 1 G奋 奋相对隔水层层 下下下下下马家沟组组三段段 0 Zm 节节泥灰岩岩 20 2 8 8 8G泣 泣相对隔水层层 0 Zmi 二二二二二二段段 0 Zm 子子厚层状灰岩岩 496 8 8 8 H含 含岩 溶裂隙含水层层 一一一一一一段段 0 Zm } } }泥灰岩互层层 163 0 0 0 G之 之相对隔水层层 下下下下 厂厂 冶里亮甲甲甲 0 zLO一Y Y Y 含隧石硅质灰岩岩 60 0 0 H乏 乏岩溶裂隙弱含水层层 U U U U U U U 1 1 1 山组组组组组组组组 统统统统 、、、、、、、、、 2 . 2矿井 受水害的影响程 度 矿 井主 要水 害类型为老窑空积 水 、 煤层顶板砂岩裂 隙水及 奥灰 水 。 其 中 , 老窑积水 主 要 发 生在煤层靠近老窑区的地方 , 尤 其以 3 号煤 为 最多 , 曾引起5 0 00 0m 3 、 1 4 00 0 m 3 的大 型 突水 , 造成很大的经济损失及人员伤亡 事故 。 2 号 、 3 号及n号煤层 顶板 砂岩裂 隙含 水层突 水有 4 次 , 涌水量最大为5 2 m丫h , 一般为2 03 0 m , / h 。 而奥灰含水层突水有 9 次 , 突 水量 最大 1530m 3 /h 。 随 着煤层开 采向深部的不 断延伸 , 上部含 水体即煤系及上 覆 含 水层对 生产的影 响 将 渐逐减小 , 只要严格遵守矿井探放水规程 , 对矿井生产也不 会造成大的影 响 。 未来开采条件 下 , 对矿 井威 胁最 大的是下 部含水体即煤 系基 底奥灰 含水层 。 奥灰水 具有 高水 头 、 水量 大 , 与黄河水力 联 系密切等特点 , 其静储量和动储量都很大 , 对 矿井生 产的威 胁 很大 , 矿井 防治 水工作因此而难度增大 。 煤层带压开采可行性分析 隔水层 的存在 在n号煤层底 板至奥灰岩顶面 之间存在厚约2 0 m 的砂泥岩 , 具有 一定 的隔水 性 能 。 其 西北地 质 199 7 年 岩性以铝土 泥岩 和 铝 质泥岩 为主 , 其 次为 砂 质泥岩和粉砂岩 。 在井田范 围 内凿开河以北 , 该 岩段厚度大于2 0 m 的面积 占3 / 4 , 而在 凿开 河两侧该岩柱厚一般均小于2 0 m 5一1 6m , 占 井田面积 的 1/ 5 一1/ 6 , 形 成薄的岩柱分布区 。 3 . 2 采动条件下 的底板破坏深度 桑树坪井田内 尚未作n号煤层底板注 水 试验工作 , 暂以韩城矿区马 沟 渠矿 注水试验 测 得的 底板 破坏深 度值1 3 m为代用值 。 3 . 3 突水系数 的计算与选择 3 . 3 . 1突水系数的计算突水系数是 指每米底 板隔水 层岩柱厚度上所能 承受的水压值 。 底板 隔水 层厚度应为有效隔水层厚度 。 计算公式如下 尸 M一 C p 式 中 3 . 3 . 2 T 突水 系数MPa / m 尸隔水层 承受的水压值MPa M底 板 隔水层 实际厚 度m C p 采矿 影响底板 隔水层 破坏深度m 突水 系数的选择 参考 我国大水矿区 , 如焦作 、 峰峰 、 淄博和井隆等石炭一二叠纪煤 田防治奥灰水选取的突水系数经验值表2 , 采用 。 . 0 6MPa/m , 并依此 划分 出安全区 与带压开采区 , 而 将 0 . 1 MPa/m作 为带 压开采区与危险区的界限值 。 3 . 4煤层带压开采可行性分析 通 过 对该井田水文地 质 条件 的分析 , 结合韩城矿区在治理奥灰水的经验 , 突水系数 表2突水系数经验值表 矿区 峰峰 淄博 突水系数MP a /m 突水系数MP a /m 0 . 06 60 . 07 60 . 0600 . 10 0 0 . 0600 . 1 4 0 矿区 焦作 井 隆 0 . 0600 . 1 50 认为 奥 灰 含水层 , 尤 其是峰 峰 组二 段 O Zf, 及上马家 沟组二 段O Zm 圣含 水 段 , 其 补给来源 充沛 、 径流通道复杂 , 含水性丰 富 , 加 之二者水力联 系 密切 , 距离n号煤层较近 。 因此 , 只靠抽 、 放奥灰水的方法达到大幅度降低 奥灰 水 位 , 以便 开采受奥灰水威胁 的n号煤 层 是难以实现的 。 若用 “疏 水降压 ” 的方案 , 经 济上 不合算 , 实施 周期又长 、 难度大 , 是不可取的 。 我们建议 , 本井田防 治奥灰水的措施 应该 是 “ 以防为主 , 带压 开采 , 供排结合 , 疏降为辅 ”。 即充分利 用煤层底板到奥灰顶 面 之间有效 隔水层的厚度及岩性组合 , 考虑奥 灰水 的水压 。 奥灰含水层的富水性 、 地质 构造情况 、 采区工 作面的支承 压 力等因素 , 对 于可能突水的工 作 面应采取 多种防治水技术途径和方法 , 分区 、 分水平进行带压 开采 。 在抽 、 排奥灰水的 同时 , 应将 抽 、 排 出的奥灰水 , 经过 适 当的处理 , 作 为煤矿生产及生 活用水 , 缓解 矿区紧张 的供水 现状 , 做到 “供 排结合 , 变废为宝 ”。 3 . 4 . 1带压开采分区的依 据 奥灰突水与采煤工作面支承 压 力 、 煤层底板 隔水层岩性组合 及厚度 、 奥灰水压 、 工作面地质构造等有关 。 而 突水量 大 小却与含水层 富水性强 弱 有关 。 为 此 , 划分带压开采分区的依据为 隔水层厚度及岩性 组合 、 奥灰水 压 、 奥灰含水层富水性大 小 、 工作面地质构造条件和采煤 方法等 。 3 . 4 . 2带压 开采分区据 上述带压开 采 分区依据 , 结 合井田的地质 一水 文地质特 点 , 据 突水 系数值将井田划分为安 全区 、 带压开采区 、 危险区图 1 。 第 4 期代革联等 韩城桑树坪煤矿n号煤层带压开采可行性 分析 4结论 l 通过 对桑树 坪井田矿 井地质 、 水文地 质的分析 , 可 以看 出未来开采 条件下奥灰水是威胁 矿井 生产的主要充水 水源 , 并 且 随着煤层 开发 水 平的 不断 延深 , 其威 胁 将进 一 步增大 。 2 在 开采受高压 奥 灰 水威胁的煤层 时 , 应充分考虑 煤层底板至奥灰含水层之间的有效隔水层厚度 、 岩性组合 方式 、 奥灰水水压力 、 工作面地质构造 、 工作面支承 压力 等因素 。 3 根据该井田奥灰含水层具有水量大 、 水压高 、 与黄 河水力联 系 密切 、 其静储量和 动储量都很大 的 特点 , 建议 采用 “局 部带 压 开采 ” 的方法 , 而 不 能采 用大面 积疏排奥 灰水的这种费用高而周 期长的方法 , 这种方 法在 经济上 不 合理 , 时间上也不允许 。 拟 写本文 时 , 参 阅了 陕西 渭北韩城 矿区奥陶 系灰岩水 文 地质资料汇编 韩城矿务 局奥灰水 防治 办公室 , 1 985 以及桑树 坪煤矿矿井地质报告桑树 坪煤矿 地测科 , 1976 等资料 , 特此说明 . 暴暴暴 目目 1 6谧气云三二止匕 匕 i i i 荃 多 “ 、丫 分分 叼叼 3 气获石/ / / 图 1桑树坪井田突水系数及 带压开采分区图 1 . 1 区 安全区T 0 . 1 参考文 献 1 房佩贤等 . 专 门水文地质学 . 北京 地质出版社 , 1 9 9。