太原东山煤矿750 下山带压开采研究.pdf

太原东山煤矿750下山带压开采研究 李振拴 山西煤田水文地质二二九队 太原 030006 摘要 在介绍东山矿区地质、 水文地质及开采条件的基础上,论述了本矿区15号煤层的带压 开采条件,通过详细分析矿区水文地质条件及15号煤层隔水层底板厚度的变化规律,对煤矿的带 压开采区划分了3个带,并提出了带压开采建议。 关键词 带压开采 突水系数 岩溶水 东山煤矿 中国图书资料分类法分类号 P64114 作者简介 李振拴 男 42岁 高级工程师 水文地质工程地质 1 引言 太原市东山煤矿经过40多年的开采, 750水平 上山大部分已采完, 750下山已于1981年开始回 采。下山部分15号煤层底板标高300～700m ,奥陶 系灰岩水位标高786～800 m ,特别是在6采区西北 角, 15号煤层底板高220 m ,而岩溶水水位标高798 m。随着煤层埋深的增加,底板承受的水压越来越 大,在矿区北边界处,水压可达516M Pa。如此大的 压力,对东山煤矿的开采构成了严重威胁。例如 1982年一采区六斜坡发生突水,日突水量达12 500 m 3, 使一采区的工作无法进行,经济损失严重。为 此,详细查明东山煤矿的水文地质条件和开采技术 条件显得尤为重要。 2 矿区概况 东山煤矿位于沁水煤田北缘西段,东山背斜西 翼,矿区走向与煤层走向一致,为南北向,煤层倾向 西,倾角一般5～15。本矿区由银山、 长沟、 柳树渠、 龙王堂、 观家峪及马庄矿井组成,东西宽约219 km , 保有地质储量219125M t。 矿区内基岩出露较少,大部分被黄土覆盖,局部 出露石炭二叠系。全矿共分7个采区,主采煤层为 15号煤。750水平呈南北向贯通整个矿区。矿区内 断层较发育,大都为走向东西的正断层,由15条断 层组成14条断裂带,其中延伸至下山的有 F2 、 F4 、 F5 、 F8 、 F9 、F10、F11、F12、F13、F14、F16共11条。 这些断层有些是划分采区的边界,又是可能导致矿 区突水的通道。 矿区内陷落柱不发育,未见有突水现 象。 自有记录以来,开采过程中共发生过突水27次, 除六斜坡以外,其它水量都很小,大部分为顶板灰岩 水,都与断层有关。 矿井采用斜井开拓,现生产水平标高为750m , 采煤方法为分层垮落法,设有3个高档普采面和两 个炮采工作面。 3 矿区水文地质特征 311 地下水流场特征 东山矿区位于太原东山岩溶系统内。全矿井奥 陶纪灰岩简称奥灰岩溶水水位标高781198～ 800127 m。由于东山六斜坡突水及铁1、 铁2等孔的 抽水,在其附近形成了大范围的降落漏斗区,漏斗形 态呈北大南小的椭圆状图 1 。漏斗北部轴近于南 北向,水位等值线疏而宽缓,反映其 “奥灰” 含水层的 透水性较好,指明矿区北部是来水方向;漏斗南部轴 向为北东南西向,等水位线形态是西南翼间距相 54 第27卷 第2期 1999年4月 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY 漏斗东部 等水位线较密集,反映奥灰水在东部的补给比较弱, 也显示了东山背斜对岩溶富水性的影响。 312 地下水循环条件分区 据矿区内奥灰水质资料,运用化学动力学与水 动力学耦合模型分别计算了矿区各地段奥灰地下水 的实际速度和年龄,综合两者,编制了矿区奥灰含水 层地下水循环条件分区图图 1 。从图中可以看出, 在矿区中心部分地下水循环条件最好,往深部及浅 部循环条件均变差,但西部深部的循环条件较东 部浅部为好。 按地下水年龄及地下水流速,将整个 矿区分为6个带表 1 。 图1 东山矿区水文地质条件图 1循环交替极快带; 2循环交替快带; 3循环交替中等带; 4循环交替较慢带; 5循环交替慢带; 6循环交替极慢带; 7矿区边界; 8断层; 9等水位线; 10陷落柱 4 矿区15号煤层隔水岩柱特征 411 隔水岩柱的厚度及岩性组成 根据矿区内35个见O2钻孔资料, 15号煤层隔 水岩柱 15 号煤层底板至奥灰顶面的间距平均厚 度79142 m ,最厚101153 m ,最薄63153 m。从图2 可以看出,随着煤层埋深的增加,隔水岩柱的厚度亦 逐渐加厚。该隔水岩柱的岩性以砂岩、 泥岩、 石灰岩 相间出现为特征,中间夹薄煤层。 整个岩柱岩层软硬 相间,为柔性、 硬脆性、 可溶硬脆性3类岩石的组合。 但受其沉积环境的影响,不但岩性有变化,各类岩层 厚度的比例也有所不同。 值得一提的是,石炭系中统 的本溪组下段铝土泥岩段 , 主要为灰色青灰色 图2 东山矿区带压开采图 1矿区边界; 2断层; 3突水系数等值线; 4隔水层等厚线; 5陷落柱 64煤田地质与勘探第27卷 表1 东山矿区奥灰地下水循环交替带分级表 级 别地下水年龄a地下水速度ma- 1 循还交替极快带tΦ0101vΕ1000 循还交替快带0101vΕ100 循还交替中等带011vΕ10 循还交替较慢带110vΕ110 循还交替慢带10vΕ011 循还交替极慢带100v 铝土岩G层铝土与铝土质泥岩,有时夹一薄层灰 岩,底部为断续分布的山西式铁矿,平行不整合于峰 峰组之上,有时铝土岩与峰峰组直接接触,一般厚度 10m左右。根据河南鹤壁矿务局充分利用C2b 底部 有限隔水层开采下组煤经验,认为此层铝土岩具有 很强的隔水消压性能,每米铝质泥岩可降低奥灰水 头32m。这说明在本区正常地段铝土泥岩的稳定存 在对防止底板奥灰突水具有非常重要的意义;但在 断层破碎带,铝土岩缺失或破碎,这对底板隔水是不 利的。 412 隔水岩柱的物理力学性质 根据本区钻探取样测试,隔水岩柱物理力学性 质见表2。 413 峰峰组含水性能判断 根据区内14个揭穿O2f的钻孔资料,峰峰组地 层按其岩性组合可划分为两段。 上段岩性为灰岩,厚 22～60 m左右,平均42 m。在区域上本段为富水 层,但在东山地区,根据钻探取心,岩溶不发育,只见 有岩心破碎现象。抽水试验表明,其单位涌水量为 01006～2. 3 Lsm , 表明其含水性较O2s差。峰 峰组下段由泥灰岩、 角砾状灰岩及石膏组成,厚50 ～136 m ,平均97 m ,是矿区内稳定的隔水层。 5 带压开采区域的划分 我们把在我国现有技术经济条件下,利用主采 煤层以下至威胁主采煤层采掘安全的下伏含水层顶 面之间隔水岩层的抗阻水性能,在不采取或在国 家技术经济允许的范围内,采取某些技术措施之后, 能够使采掘经济安全进行的系统工程称为带压开 采。 511 参数选择 根据煤矿的防治水工作条例试行及近年来对 矿压、 水压和底板隔水层中对导升高度的测试研究 表2 隔水岩柱物理力学性质试验结果表 岩石名称 相对 密度 密度 tm- 3 孔隙率 抗压强 度M Pa 抗拉强 度M Pa 抗剪强 度M Pa 粗砂岩2. 661 2. 5047. 6615. 192. 193. 12 中砂岩2. 722 2. 5396. 7225. 001. 24. 16 细砂岩2. 736 2. 6622. 7726. 502. 197181 粉砂岩2. 749 2. 70611683011711117113 砂质泥岩2. 715 2. 6493163301601748187 泥岩2. 676 2. 6052167141301833147 铝土2. 968 2. 7097114131601542149 石灰岩2. 789 2. 66141383510821727160 角砾状石灰岩2. 901 2. 7193103171511845160 石膏2. 956 2. 6541012261611887181 泥质灰岩2. 867 2. 40215191518011357102 成果,突水系数比较完整的表达式为 TS P M-h1-h2, 式中 P隔水层所承受的水压,采用奥灰顶面 标高与水位标高的差值,M Pa; M隔水层厚度,即煤层底板至奥灰顶面 之间的距离,m; h1矿压破坏底板有效深度,根据渭北澄 合、 韩城矿务局5号、10号煤层开采 测试资料,此值为10 m ,东山煤矿15 号煤层的开采深度、 煤层厚度及底板 岩性结构与渭北类似,故选取h1 10 m; h2隔水层中的导升高度,由于东山煤矿 15号煤层底板隔水层底部一层厚约 10 m左右的铝土泥岩,其隔水性能很 强,据此,导升高度将不考虑。 512 带压开采分区 根据上述公式及选取参数计算,编制出突水系 数等值线图图 2 。按照 “矿井水文地质规程”,底板 受构造破坏地段突水系数不大于016,结合东山煤 矿六斜坡突水点的实际情况,我们将本矿区的带压 开采区划分为如下3个区 TSΦ014 安全区 014 016 危险区 由突水系数等值线图图 2 可以看出 74第2期李振拴太原东山煤矿750下山带压开采研究 a1 东山煤矿突水系数等值线呈南北方向展 布,与地煤层走向一致; b1 自西向东即由浅而深突水系数由大变小 由011增大到017; c1 在断层分布地段,突水系数等值线高值的 尖端指向东;而正常地段突水系数等值线低值的尖 端指向西,这反映出断层分布地段的突水可能性比 正常地段的大。 6 带压开采分析与建议 根据矿区F13断层六斜坡突水条件的启示,矿区 的几条主要断层是东山煤矿引起突水的主要通道, 在开采时应引起注意。 611 对主要断层透水性的分析 61111 F2断层处于矿区的强渗透带内,而且奥灰 地下水循环交替极快,其中B2号孔一带为断层拐弯 的最大 “点”,往北可能为断层的尖灭端。 61112 F5断层绝大部分处于奥灰含水层的强渗透 带内,循环交替条件由东而西从极快过渡到中等循 环交替带。断层最大拐点大约在24 000纬线一带; 尖灭端可能在23 000纬线左右。因此二水平采掘工 作应特别注意。 61113 F6断层尖灭端在矿区中心强渗透带内,一 般在尖灭带附近小断层增多,在此易突水。 61114 F8断层东段处在极弱渗透带内,含水层循 环交替条件也差,因此断层阻隔水性也好;但在近 尖灭端及断层拐弯最大处约在750大巷附近,则处 在强极强渗透带内,采掘到此应该注意。 61115 F9断层的中段处于强渗透带内,其尖灭端 在较强渗透带内,地下水循环交替条件为极快中 等西端 , 采掘时应注意。 61116 F10断层的东段处在较强渗透带内,断层的 阻隔水性类似F9断层。中段处于强渗透带内,断 层的尖灭端位于较强渗透带内水循环交替较慢的 深部 , 在采掘工作中应注意。 61117 F13断层分布地段突水系数等值线的高值向 东凸的幅度比其它断层大,此断层的断距亦大,突水 的可能性比较大。 61118 F16断层的西段处于较强渗透带内,地下水 循环交替从东往西,由中等到极快,因此在采掘时应 注意出水。 612 对带压开采区掘进时的建议 在临界区与危险区的非构造地段,开采时突水 的可能性较小。 在临界区靠近断层带时要做到 “有疑 必探”,在危险区靠近断层时要 “有掘必探” 。 613 其它建议 东山煤矿应建立地下水动态监测网,对水位、 水 质进行监测;应对750下山地区O2f富水性和隔水 岩柱厚度及其变化进行研究;特别是下山部分突水 构造的探测迫在眉睫。 收稿日期 199808 07 M INING UNDER SAFEWATER PRESSURE OF AQUIFER IN 750 LEVEL D IP OF DONGSHAN COAL M INE L i Zhenshuan No. 229 Team of Coal Hydrogeology Bureau of Shanxi Province Abstract A fter introducing the geological, hydrogeological and m ining conditions, this paper discusses the condition of m ining under safywater pressure of aquifer in No. 15 coal seam ofDongshan m ining area and change regularity of thickness of i mpermeable floor, divides the area of m ining under safy water pressure into three divisions, and advances the proposals . Keywords m ining under safy water pressure of aquifer;water bursting coefficient; Karst water;Dongshan coalm ine 84煤田地质与勘探第27卷