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用/下三带0理论对西峪矿 9 号煤层带压开采问题的探讨 吴慧芳1, 段水云1; 荆庆年2 1. 山西煤田水文地质二二九队, 山西 太原 030006; 2. 太原西峪煤矿, 山西 太原 030021 摘 要 运用/ 下三带0理论计算法对矿区内 9 号煤层带压开采问题进行探讨, 目的是为煤矿带压开采提供宝 贵资料。 关键词 / 下三带0理论; 西峪煤矿; 带压开采 中图分类号 TD822 文献标识码 A 文章编号 1008- 88812002 03- 0028- 04 西峪煤矿位于太原西山岩溶水系统的晋祠岩溶水亚系统 内的非主迳流带上, 主要开采下二叠统山西组 2 号、 3 号煤层 和上石炭统太原组 6 号、 7 号、 8 号、 9 号煤层。威胁 9 号煤层 开采安全的水源, 主要来自基底奥陶系碳酸盐岩岩溶承压含 水层。随着采深增大, 煤层底板水压将越来越大, 突水问题将 愈益严重。由于奥灰水头在中北部很高, 承压水往往可突破 矿坑底板隔水层而涌入坑道, 造成矿坑涌水量突然增大, 有时 甚至出现淹井事故。因此对本矿 9号煤层带压开采安全区与 危险区的划分就显得尤为重要, 对 9 号煤层带压开采问题的 研究更为重要。 一、 水文地质条件 西峪煤矿属岩浴型矿床水文地质类型。矿区东部 X1、 X5 孔地段、 峰峰组岩溶裂隙水具有滞流状的特征。水文地质勘 探资料证实, 间接底板峰峰组岩溶裂隙水含水层的富水性在 断裂带处为中等富水, 其余地段含水层的富水性为弱等级, 其 水动力场受人为抽水的影响, 与区域岩溶水的水动力场不协 调。上马家沟岩溶裂隙水 X1孔, 抽水试验结果, 其单位涌水 量 q 大于 10L/s. m , 属强富水的含水层, 水位标高与区域岩 溶水的水动力场相符。本矿除最南端有很小一部分奥灰水位 标高低于 9 号煤层底板标高外, 其余部分煤层全位于奥灰水 位之下。 二、 9号煤层底部隔水岩柱的厚度及岩溶水的导升高度 隔水岩柱的厚度, 为开采煤层底板至峰峰组O2f含水层 顶面之间隔水的完整岩层的厚度。若隔水层为某些原生或次 生构造穿切造成一定的原始导升高度时, 应减去原始导升高 度 h2。 导升高度就是指奥灰水依靠水压沿隔水岩柱中的断层或 者裂隙向上上升的高度。在天然状态下能够上升的高度, 我 们称之为/ 原始导高0。奥灰水的上升已成为采掘过程中的一 大隐患。原始导高存在与否, 受矿区内奥灰含水层水压的大 小以及 9号煤层之下隔水岩柱的隔水性能决定。 在正常岩层地段, 从 X1孔施工过程中发现, 当钻到太原 组 C3t和本溪组 C2b 地层时, 孔内钻进水位及冲洗液消耗几 乎均无变化; 到峰峰组 O2f 石灰岩 14. 0m 以后, 稍有漏水及 水位变化现象, 区内 1/ -2, 14/ -5 孔存在类似情况。这表 明, 在正常岩层地带, 本溪组底部的厚层铝土岩的隔水性能较 好。也就是说, 只要铝土岩存在完整, 在天然状态下就谈不上 在构造断裂带地带岩溶水的导升问题。 由于断层和裂隙对铝土岩的破坏, 导致铝土岩的不完整 性, 尤其在 、 级结构面附近, 常使本溪组底部铝土岩缺失 或破碎, 有的地段使本溪组上部石灰岩与奥灰对接。在这种 情况下, 岩溶水沿断裂及其破碎带导入本溪组上部石灰岩中。 根据断裂带附近的 x2、 x3、 x6及 J14孔简易水文地质观测及隔水 岩柱底部岩层的完整性分析, x2孔在钻进到 356. 6m 时钻孔严 重漏水, 水位由 20m 降到 48m; 孔深到 439. 5m 时, 水位下降到 60m, 刚揭穿奥灰, 漏水量增加, 钻进水位 95. 68m。位于断层 破碎带的 x3孔钻进过程中, 在 286. 4m 以上水位基本保持在 112. 7m以上, 向下每打穿一层较厚的泥岩后, 水位就有变化。 到410m 终孔距峰峰组顶面约 20 25m, 水位基本保持在 118. 5 120. 8m 之间。J14孔在接近奥灰顶板时, 钻孔有漏水现象, 水位也下降。所有这些现象都与正常岩层地带所施工钻孔有 一定的不同, 尤其在 x5孔 C2b 底部铝土岩缺失, 砂岩直接覆盖 在奥灰顶面, 因此断裂带存在着岩溶水向上导升的问题。根 据邯郸、 井陉各矿的测试资料及本矿区的具体地质条件, 在计 算突水系数时, 断裂地带采用 h2 10m, 作为本矿区断裂带岩 溶水的导升高度。 收稿日期 2002- 05- 10 作者简介 吴慧芳1965- , 山西煤田水文地质二二九队工程师。 28 SHANXI MEITAN GUANLI GANBU XUEYUAN XUEBAO No. 3 2002 三、 / 下三带0计算法 实测及研究表明, 煤层底板在开采条件下, 由于受到矿压 及岩溶承压水的共同作用, 自上而下分为三个带 矿压对底板 的破坏深度带; 具有阻隔水能力的有效隔水保护带和岩溶承 压水导升带。 矿压对底板破坏深度主要与岩石的坚固性系数、 工作面 宽度、 开采深度及煤层倾角等因素有关。根据目前国内对一 些煤矿工作面的实测资料, 建立了预计破坏深度的多元非线 性回归方程 h1 7. 9291ln L 24 0. 0091H 0. 0448A- 0. 3113f 1 式中 h1 底板矿压破坏深度m L 工作面的倾斜长度m H 煤层开采深度m f 底板岩层的坚固系数 A 岩层倾角rad 其他有关参数的选取说明如下 1、 工作面的斜长 本矿区目前工作面斜长为 60 110m。 在预测本矿区矿压破坏深度时, 选择 L 50 150m。 2、 采深 本矿区内 9 号煤层底板埋深为 284. 98 526. 85m, 平均为 405. 9m。计算时选择 300、 400、 500 三个深度段进行。 3、 隔水岩柱的坚固系数 f 在正常岩层地段选择 f 2. 86, 岩层倾角A P 18 rad; 断层密集带取 f 1. 72, A P 6 rad; 断层破 碎带取 f 0. 06,A P 6 rad。 采用上述数据, 利用公式1 计算结果见表 1。从计算结 果分析可得出一个结论 工作面底板导水破坏带的深度与工 作面的斜长、 煤层的开采深度、 底板隔水岩柱的岩性组合及岩 体结构类型密切相关, 工作面的斜长影响最大。根据矿区内 的地质条件及目前的开采现状, 选择 H 500m, L 110m, 利用 不同岩层区段的计算值作为各区突水系数的计算参数, 即 构造简单缓倾斜层状岩层区 h 15. 7m 构造复杂断裂密集层状碎裂岩层区 h 16. 1m 断裂破碎带 h 16. 7m 四、 突水系数的计算 Ts P M- h1- h2 2 根据表 1, 9 号煤层底部隔水岩柱的厚度M 、 岩溶水的导 升高度 h2 和矿压对底板破坏深度 h1, 计算出突水系数 Ts, 见表 2。采用/ 下三带0理论计算出的突水系数, 在构造 简单的缓倾斜岩层区一般为 0. 004 0. 084Mpa/m, 其大小主要 取决于隔水岩柱的厚度及钻孔所处部位的水压大小。4/ -3 孔Ts 最大值, 为 0. 099Mpa/ m; 24/V -01 孔处 Ts 值最小, 为 0. 002Mpa/m。具体情况及其变化规律见图 1。在断层密集区, 隔水层岩柱的厚度为 47. 61 77. 60m, 突水系数Ts 为 0. 09 0.121之间。x2孔突水系数Ts 最大为 0. 121Mpa/m, x5孔突 水系数最小为 0. 09Mpa/m。变化规律如图 1所示。 图 1 突水系数等值线图 29 山西煤炭管理干部学院学报 2002 年第 3 期 表 1 矿压破坏深度 h1计算成果表 f 2. 86 A 0. 1744445 L/H300400500 507. 6672113. 5772119. 487211 609. 11285810. 0228610. 93286 7010. 3351311. 2451312. 15513 8011. 3939212. 3039213. 21392 9012. 3278313. 2378314. 14783 10013. 1632414. 0732414. 93324 11013. 9189714. 8289715. 73897 12014. 6088915. 5188916. 42839 13015. 2435616. 1535617. 06356 14015. 8311416. 7411717. 65117 15016. 3782217. 2882218. 19822 f 1. 72 A 0. 5233334 L/H300400500 508. 0377248. 9477239. 857723 609. 4833710. 3933711. 90337 7010. 7056511. 6156512. 52565 8011. 7644312. 6744313. 58445 9012. 6983413. 6083414. 51834 10013. 5837614. 4437615. 35376 11014. 2894815. 1994816. 10948 12014. 979415. 889416. 7994 13015. 6140716. 5240717. 43407 14016. 2016817. 1116818. 02168 15016. 7487317. 6587318. 56873 f 0. 06 A 0. 5233334 L/H300400500 508. 5544819. 46448110. 37448 6010. 0001210. 9101311. 82013 7011. 2224112. 1324113. 0424 8012. 2811913. 1911914. 10119 9013. 215114. 125115. 0351 10014. 0505114. 9605115. 87051 11014. 8062415. 7162416. 62624 12015. 4961616. 4061617. 31616 13016. 1308317. 0408317. 95083 14016. 7184417. 6284418. 53844 15017. 2654918. 1754919. 08549 30 SHANXI MEITAN GUANLI GANBU XUEYUAN XUEBAO No. 3 2002 表 2 带压开采突水系数计算结果统计表 钻孔所处 构造部位 及地层区段 孔 号 隔水岩柱厚 Mm 原始异升 高度 h2m 矿压破坏 底板厚度 h1m 奥灰水对 底板的压 力 PMpa 突水系数 TsMpa/m 结 论 正常岩层 地区 15b x171. 92015. 73. 080. 055不突水 10/30362. 10015. 73. 340. 072不突水 6/30856. 10015. 72. 510. 062不突水 3/31264. 30015. 73. 010. 062不突水 1/31466. 20015. 73. 490. 069不突水 观 656. 96015. 73. 460. 084不突水 7/30655. 10015. 72. 420. 061不突水 5/ - 260. 10015. 72. 720. 061不突水 3/ - 163. 60015. 70. 450. 009不突水 1/ - 259. 82015. 72. 120. 048不突水 4/ - 361. 50015. 74. 550. 099临近 14/ - 561. 47015. 71. 610. 035不突水 24/ - 0187. 40015. 70. 170. 002不突水 23/ - 0158. 20015. 70. 180. 004不突水 25/ - 152. 10015. 70. 780. 021不突水 13/ - 262. 30015. 71. 300. 028不突水 断层附近 x2 47. 611016. 72. 530. 121突水 x356. 331016. 12. 500. 083不突水 x4 58. 691016. 13. 230. 099临近 x564. 201016. 13. 420. 09临近 x6 58. 821016. 13. 460. 106突水 12/V- 375. 301016. 71. 720. 035不突水 10/V- 261. 601016. 11. 080. 03不突水 11/V- 177. 601016. 10. 50. 01不突水 J14 66. 221016. 14. 730. 118突水 由实验得出, 本区正常岩层地带突水系数不大于 0. 1MP a/m 为安全区; 大于 0. 1MP a/m 为危险区。在断层附近及构 造破碎带, 安全区突水系数不大于 0. 06MP a/m, 大于 0. 06MP a/m 为危险区。 对于正常岩层区, 突水系数大于 0. 1MP a/m 和岩层破坏 区突水系数大于 0. 06MP a/m 的为危险区。依据具体的地质 和开采条件, 可采取降低矿山压力, 静水压力, 加固岩层强度, 注浆或防水等措施。 在危险区, 由于水头压力很大, 即使是不导水断层在这种 条件下也可能导水, 结果导致煤层突水。因此, 应该根据断层 上下盘煤层处的突水系数的大小, 用注浆法加固岩石的强度, 或用留煤岩 柱的方法, 增加隔水层的厚度, 使之略大于矿山 压力和水压力所破坏的厚度; 在安全区, 对有可能导水的断层 也应采取留煤岩 柱的方法, 增加隔水层的厚度。 参考文献 [ 1] 王润富. 太原西峪煤矿二水平地质勘探报告[ R] . 山西省地 矿局第一水文地质勘察院, 1991. [2]吴慧芳, 段水云. 太原西峪煤矿 9 号煤层带压开采危安区 的划分[J] . 中国煤田地质, 2002, 141 45、 51. 31 山西煤炭管理干部学院学报 2002 年第 3 期