梁宝寺煤矿顶板砂岩裂隙水防治技术.pdf

第 4卷第 2 期 华北科技学院学报 2 0 0 7年 4月 梁宝寺煤矿顶板砂岩裂隙水防治技术① 车鸿焕② 山东肥城矿业集团 梁宝寺煤矿， 山东 济宁2 7 4 4 0 0 摘要梁宝寺煤矿煤层顶板砂岩裂隙水对煤矿安全生产具有严重威胁， 本文主要探讨 了该矿 3煤层顶板 砂岩裂隙水的特征及其综合防治水技术方法。 关键词 煤矿； 裂隙水； 综合防治水 中图分类号 T D 7 4 5 ． 2 1 文献标识码 A 文章编号1 6 7 27 1 6 9 2 0 0 7 0 2 0 0 0 8 0 4 煤层顶板砂 岩裂隙水具有联通性差 、 富水性 不均一的特点， 极易造成工作面瞬时或滞后出水， 预防和治理难度大， 给综采或综放工作面带来很 大威胁。如山东兖矿集团济三矿 6 3 0 1 工作面顶 板砂岩突水 ， 水量达 6 2 7 m0 ／ h ； 河北 开滦局荆 各 庄矿 1 0 9 3工作面顶板砂岩突水， 水量达 4 0 m 3 ／ rai n 。梁宝寺煤矿为新建 大型现代化矿井 ， 初 次 钻孔揭露 3煤顶板砂岩水， 水量达 3 5 m3 ／ h ， 水位 3 5 ． 1 m， 水压 5 ． 3 ～8 ． 5 MP a ， 严重威胁 3煤的 安全开采。为预防3 煤高承压顶板砂岩裂隙水突 水事故的发生 ， 确保该矿首采面的安全生产 ， 在集 团公司和煤科总院西安分院有关工程技术人员的 合作下， 采取一系列针对性措施， 实现了安全 回 采， 形成了探测一疏放一预报一排水综合防治技 术， 为该矿今后防治水工作提供了宝贵经验。 1 井田构造及地层概况 1 ． 1 井 田地质构造 梁宝寺井田为巨野煤 田的东延部分， 为全隐 蔽式煤田， 新生界厚度约 4 0 0 m， 煤层埋藏深。井 田东、 西、 北均以断层为界， 南以 3煤露头为界。 地质构造主体为由东、 西边界走向相近、 倾 向相 反、 落差大于 7 0 0 m 的正 断层构 成的地堑构造 。 井 田内以褶曲为主 ， 局部断层发育， 形成以梁宝寺 向斜为骨干向北倾伏收敛的“ 裙边状” 褶曲构造， 并伴生北东及北西向断层组， 构造复杂程度中等。 地层南浅北深， 倾角 2 0 。 左右， 受大断层的影向局 部达 3 0 。 。 1 ． 2地 层 井田地层自上而下分为 第四系、 第三系、 二 叠系上石盒子组 、 下石盒子组和山西组、 石炭系太 原组、 本溪组及奥陶系。含煤地层为山西组 上组 煤 和太原组 下组煤 。现主采煤层为山西组的 3煤 ， 该煤层 由于沉积环境及河 流冲蚀强度不同， 煤厚差异较大， 煤层厚0 ～1 0 ． 2 3 m， 平均3 ． 3 6 m， 厚煤层分布于井田东北部， 西北部煤层较薄， 赋存 较稳定， 开采价值高。 2 井田水文地质概况 2 ． 1 井田水文地质特征 本井 田水文地质特征为三面进水 、 一 面隔水 的封闭水文单元。井 田东 、 西边界 为南北 向 F 1 、 F 1 3断层 ， 落差均大于 7 0 0 1 T I ， 井 田内煤系各含水 层与其下盘奥灰对接， 形成了东、 西两侧 的进水边 界； 南部为奥灰隐伏露头， 直接接受大气降水的补 给 ， 为井 田的南部进水边界 ； 北 部 以 F 2 4断层为 界 ， 落差大于 1 0 0 0 m， 井 田内地层 上升 ， 外部下 降， 煤层赋存深度大于 1 5 0 0 m， 煤系含水层接受 补给条件差。井田内主要含水层有 新生界潜水 及砂层孔隙承压含水层 、 二叠 系石盒子组砂岩裂 隙承压含水层 、 3煤顶板砂岩裂隙承压含水层 、 3 煤底板岩溶裂隙承压含水层、 十下 灰及奥灰岩溶 裂隙承压含水层 ， 其 中对 3煤 开采威胁最严重 的 为 3煤顶板砂岩裂隙承压含水层。 新生界地 层发育 多层 的含水 中、 细 砂层、 砾 层， 富水性中等， 与隔水的粘土、 砂质粘土相间分 ①收稿 日期 2 0 0 7 0 3 2 2 ②作者 简介 车鸿焕 1 9 6 4 一 ， 女， 山东肥城人 ， 大学毕业 ， 山东肥城矿业集 团梁 宝寺有 限责任公司 。 8 维普资讯 第 2期 车鸿焕 梁宝寺煤矿顶板砂岩裂隙水防治技术 布 ， 第三系底部沉积有一层含砾的粘土 、 局部块段 有粘土质砂砾层不整合于基岩上起到了隔水作 用 ， 因此新生界砂 、 砾层水不能补给基岩含水层 ， 使基岩含水层处 于相对的封闭状态 。二叠系石盒 子组砂岩裂隙水 含水层富水性弱， 一般位 于 3煤 开采形成的裂隙带之上 ， 正常情况下不会对 3煤 的开采造成影响。 3 煤底板的三灰、 十下灰及奥灰岩溶含水层 上距 3煤分别 为 8 0 ． 6 9 m、 1 5 2 ． 9 5 ～2 2 7 ． 1 3 m、 2 2 8 ． 2 3 --2 8 2 ． 4 8 m， 正常情况下不会 因 3煤 的开 采造成突水事故 。 2 ． 2 3煤高承压顶板砂岩裂隙含水层特征 3 煤顶板砂岩裂隙含水层以中、 细砂岩为主， 局部有粗砂岩 ， 裂隙发育不均一 ， 厚度变化较大， 一 般厚 7 ～3 5 ． 9 m， 平均 2 0 ． 2 8 m， 分一至二段 ， 中 间为泥岩或粉砂岩 ， 均在 3煤开采后 的冒裂带范 围内。该含水层在井 田浅部进行过抽水试验 ， 单 位涌水量为 q 0 ． 0 2 2 7 ～0 ． 0 4 8 3 L ／ s m， 富水性 弱且不均一 ， 邻区兖州 、 济宁煤田单位涌水量最大 为 0 ． 4 7 5 5 L ／ s m。 因本区岩层埋深大 ， 基岩内砂岩、 灰岩水均未 被开采 ， 奥灰水位年平均变化在 4 m左右 ， 因此 ， 虽然井 田开采范围内 3煤顶板砂岩裂隙含水层的 主要补给来源 为井 田边界断层下 盘的奥灰含水 层 ， 但是含水层 内仍以静储量为主。 。 该含水层原 始水位为 3 5 ． 1 m， 与三灰、 奥灰原始含水层水 位 3 4 ． 7 2 m、 3 3 ． 8 4 m 相 差 不大 ， 在 首 采 区 一 7 0 8 m 水平 ， 水压达到 5 ． 3 --8 ． 5 MP a 。该含水 层的富水区一般集中在褶曲的轴部 、 断层附近 ， 特 别是在落差大的断层附近， 极易使煤系含水层之 间形成沟通 ， 扩大了其富水区， 静储量大 。 3 煤层顶板高承压砂岩裂隙水的防治技术 3 ． 1 优化设计 仰采工作面 ， 为排出工作面后积水 ， 除轨道和 运输顺槽处 ， 增加一条专用泄水巷 ， 并通过联络巷 与轨道顺槽相联 ， 在泄水巷安装排水泵 ， 保证正常 供 电并安 排专人 负责 ， 确保工 作 面后 积水 排至 大巷。 3 ． 2 3 煤顶板高承压砂岩裂隙水的探查 本井田面积广 ， 煤层埋藏深， 采用地面钻探 、 物探手段对于富水性不均一的砂岩裂隙水针对性 差 ， 费用高， 井下工作面水文电法物探已有 了成熟 的经验， 可以在一定高度范围内探查含水体， 针对 该矿的特点， 探查 3煤顶板砂岩裂隙承压水采用 的是矿井音频电透视法。 矿井音频 电透视原理 由于地下各种岩 矿 石之间存在导电差异， 影响着人工电场的分布形 态， 矿井音频电透视法就是利用专门仪器在井下 观测人工场源的分布规律来 达到解决地质问题 ， 基本理论为全空间电场分布理论。煤层相对于其 顶底板为高阻层 ， 根据镜象法可求 出全空间 内任 意点的电位， 含水构造可以模拟为局部地质体， 对 于井下局部地质体的附场， 电源场中导体的异常 可以近似地看作电偶极子的异常， 对于井下近似 三层电模型来说， 其电源场电位表达式为 UU o u ， 式中 U 0 为局部地质体时的电位分布， u 为局部在质体的异常场。异常曲线 U 0 的异 常幅度、 宽度与异常体的大小、 异常体与围岩的电 性差异及距收发面的距离等有关， 异常体规模 体 积与含水强弱的综合反映 越大、 与围岩的电性差 异越大、 距收发面的距离越小， 异常体幅度越大； 反之则越小。 3 1 1 5 工作面为该矿的首采 面， 顶板砂 岩裂隙 含水层总厚度为 2 9 ． 1 m， 分为 两段 ， 分别位于 3 煤顶板以上 4 ． 6 m、 2 6 ． 1 5 m， 厚度分别为1 5 ． 6 m、 8 ． 9 m。该矿采用 1 5 H z 、 1 2 0 H z 分别探测顶板 以 上3 0 m、 5 0 m 中心界面范围内地层的综合富水 性的分布范围和形态 ， 在 3 1 1 5轨道和运输顺槽分 别布置发射点 9 个， 每个发射点对应的接收点为 1 5 --2 2 个 ， 共接收 7 2 0组数据 。 利用层析成像原理解释所得 的数据 ， 绘制了 煤层顶板以上 3 0 m和 5 0 m音频 电透视平面图， 从分析资料可以得 出 顶板砂岩裂 隙水富水性极 不均一 ， 异常带分布相对于零星 、 异常 的幅度不 大， 在富水区域有局部的上下连通性， 且 3 0 m的 富水性要好于 5 0 m的富水性 ， 说明回采时主要威 胁安全 的为煤层顶板 以上 4 ． 6 m厚度为 1 5 ． 6 m 的砂岩裂隙水， 且处于相对的静止状态， 静储量及 补给量均相对较小， 不会出现大的突水事故， 但在 9 维普资讯 第 4卷第 2期 华北科技学院学报 2 0 0 7年 4月 回采过程 中， 通过异常区时， 要加强水情观测和采 取快速推进的方案。 3 ． 3 井下钻孔疏放 3 1 1 5 工作面为我矿的第一个综采工作面， 顶 板冒裂带的高度尚无实际观测值， 参照济宁、 兖州 煤田的经验值为4 0 --6 9 1T I ， 裂高采厚比为 1 4 ． 3 ～ 1 5 ． 3 ， 冒裂带高度定为6 0 1T I 。根据矿井音频电透 视探查的结果及后 6 0 1T I 的冒裂带 ， 在 3 1 1 5泄 水 巷布置钻孔， 钻孔重点布于异常区、 初压区及推采 距与面长同等的老顶最大垮落区， 对顶板砂岩裂 隙水提前进行疏放。共施工 6 个钻孔， 单孔水量 为 O ． 5 -2 m3 ／ h ， 水压为 4 ． 8 MP a 。疏放后 ， 在 回 采期间未出现过顶板水瞬时或滞后出水现象 。通 过钻探和回采证实 了音频电透视的探测结论 富 水性弱、 静储量为主并且量小、 补给少的特点。 巷道过落差大的断层时 ， 对断层两盘 的砂岩 水提前利用钻孔疏放 。 3 ． 4 提前预报、 及时排水 工作面通过异常区前提前提出水情预报， 要 求区队完善排水 设施 ， 及时排出积水 ， 加快推进 速度。 3 ． 5 留足断层防水煤柱 ， 减少补给量 对于通过边界断层下盘的奥灰水补给煤层顶 板砂岩裂隙水的 F 1 、 F 1 3留足防水煤柱 ， 利用砂 岩本身裂隙连通性差的特点， 减少疏放的水量； 在 疏放水量小 的区域 ， 采取井下 注浆 的方式进行封 堵， 减少补给， 保证工作面回采前顶板砂岩裂隙水 的彻底疏放。 4 结论 通过对该矿首采工作面 3 1 1 5 综采工作面 3 煤顶板砂岩裂隙承压水实施综 合防治技 术后， 该工作面实现了安全回采， 并为下一个工作面 3 1 1 1 综采工作面 及其它综放工作面提供了经 验， 同时也填补了肥矿集团在防治水特别是煤层 顶板水治理方面的一项空 白， 取得了较好 的经济 效益和社会效益； 对于类似梁宝寺煤矿地质条件 的其它矿区也有较大的推广价值。 参考文献 [ 1 ] 王永红， 沈文． 中国煤矿水害预 防及治理[ M] ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 1 9 9 6 [ 2 ] 中国煤 田地质 总局．中国煤 田水文地质 学 [ M] ．北京 煤炭工业出版社， 2 0 0 1 [ 3 ] 刘国林． 加强煤矿水害防治工作的法规依据和 对策建议[ J ] ．中国煤田地质， 2 0 0 6 ， 1 8 6 Th e p r e v e nt i o n a n d c o nt r o l o f t he s a nd s t o n e f r a t u r e wa t e r i n t h e r o o f i n Li a n g b a o s i c oa l mi n e C HE Ho n g - h u a n F e i c h e n g C o a l Mi n i n g Gr o u p C o r p o r a t i o n L t d ． ， J i n i n g S h a n d o n g 2 7 4 4 0 0 Ab s t r a c t Th e s a n d s t o n e f r a t u r e wa t e r i n t h e r o o f i n L i a n g b o s i C T ll n e t h r e n t e n s s a f e p r o d u c t i o n ． t h e p a p e r d i s c u s s e d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s a n dst o n e f mt e wa t er i n t h e r o o f i n t h i s c mi n e a n d t h e comp r e h e n s i v e wa t er p r e v e n t i o n a n d c o n t r o 1 ． Ke ywo r d s c o a l mi n e ； f r a t u r e wa t er； comp r e h e n s i v e wa t er p r e v e n t i o n and con t r o l 1 0 维普资讯