煤矿断层充水特征研究_图文.doc

★煤矿安全★ 煤矿断层充水特征研究 刘国林1’2潘 懋1 1.北京大学地球与空间科学学院,北京市海淀区,100871; 2.华北科技学院,河北省三河市,065201 摘 要 主要阐述了煤矿断层的充水特征,并提出断层水的防治方法。 关键词 煤矿水害 断层 突水 中图分类号 TD745.2文献标识码B The characters of water filling through faults in coalmines Liu Guolinl一.Pan Ma01 1.Department of Peking University,Haidian District,Beijing 100871,China l 2.North china Institute of Science and Technology,Sanhe,Hebei Province 065201,China Abstract In recent years,there are too many magnitude and extraordinary serious water disasters happened in chinese coalmines,and there are water inrush through faults sometimes.The paper studies the characters of water filling through faults and puts forward some water control suggestions. Key words coalmine water disaster;fault;water bursting 1概述 矿井构造类型包括褶皱构造和断裂构造两类, 尤以断裂构造为特征。断裂构造是指岩层受力后, 作用力超过岩层强度时产生的破坏,当断裂发生 后,两侧岩层沿断裂面没有发生明显位移或仅有微 量位移的断裂称为裂隙;当断裂发生后,断裂两侧 岩层沿断裂发生了明显的位移则称为断层。断层广 泛发育于矿井中,不仅影响煤矿生产,而且严重威 胁煤矿安全。 2断层的主要充水特征 断层的充水作用取决于断层的性质及规模,形 成时代,断层两盘伴生裂隙的发育程度,断层所切 割地层的岩性及富水性,断层两盘岩层的对接组合 状况等等。断层主要具备以下充水特征。 1断层切割岩层,破坏了岩层的连续完整 性,常表现为相对脆弱的断层带,断层带内岩石破 碎,裂隙发育,各种应力集中。当开采煤层时,由 于矿山压力、水头压力的共同作用,因而地下水常 常突破这种相对脆弱的断层带发生突水,水头压力 92 越高,突水的可能性越大。所以矿井遇到规模较大 的断层时,要留设断层防隔水煤岩柱,切断大的侧 向补给通道。 2断层的导水性与断层性质有关。断层本身 在天然状态下即是导水通道,而且断层带宽度越 大,其导水的可能性越大;张性、张扭性断层的导 水能力更强一些;活动断层因断层带胶结性较差, 导水性能更好。一般的,正断层上盘、逆断层下盘 常是突水易发生的部位。 3断层的充水特征与断层两盘含水层和隔水 层的组合情况有关,这种组合情况改变矿床直接充 水含水层的补给条件。若断层使直接充水含水层和 断层另一侧的隔水岩层对接,则使其补给条件变 差;若断层使直接充水含水层和断层另一侧的强含 水层对接,则将改善直接充水含水层的补给条件, 使其就有比较稳定的补给水源。 4煤矿开采实践表明,突水断层常是一些小 断层,而大断层突水比较少见。这主要是因为规模 较大的断层在前期已查清控制,并采取了留设煤岩 柱等防治水措施,即使开拓中有所揭露,也只是跨 度较小巷道穿过;而小断层不易查明,一般也不留 中国煤炭第35卷第7期2009年7月 万方数据 煤岩柱,且常出现在采区内,尤其是隔水层厚度不 大的地段,较小规模的断层也可能使含水层和煤层 的间距小于安全数值,再加上断层对隔水层力学强 度的削弱,所以小断层突水现象是比较常见的。 5从空间上看,一条较大断层,其导水性能 在走向上及倾向上的变化都是很大的。在断层两侧 均为含水层的地段,断层通常表现为导水;当断层 两侧岩层均为隔水层时,断层则常表现为阻水;在 脆性较强的岩层中,断层常具有较好的导水性,而 在富水性较差的围岩中,断层的富水性和导水能力 则较弱;切割强含水层,或导通地表水体的断层则 可能成为矿井充水的重要因素;在岩溶含水层中, 断层带常常是岩溶集中发育的地段,富水性强,常 形成岩溶地下水的强径流带。特别需要注意的是, 同一条断层沿走向和倾向的不同部位,其导水性能 也有明显差异。 6从时间上看,断层具有明显的滞后突水特 征。即在井巷工程揭露断层的当时并没有发生突 水,而在井巷穿过该断层一段时间后才发生突水, 这种滞后的时间可以是几天、几月、几年甚至十余 年。其主要原因是某些断层在天然状态下不导水, 因井巷工程导致水压、矿压和地应力等因素的共同 作用,原来不导水的断层具备了导水的条件,从而 出现滞后突水。 7有些断层在自然状态下其导水性可能很 弱;在开采条件下,当井巷揭露断层的部位远离强 含水层时,断层可能表现为不导水;但当揭露断层 接近含水层时,则会发生突水。 一般地,一条断层往往表现为由数条小断层组 成的断层带,而一条小断层在断层突水中的作用并 不大,但这些小断层共同作用的结果会在断层突水 中发挥更大的作用,尤其是部分小断层虽然没有揭 露,但其在断层突水中的作用已经发挥。 8断层是导致煤矿底板突水的基本因素之 一。大量实际资料表明,底板突水绝大多数都发生 在断层及其附近,断层对底板突水的作用,除了断 层带及其两侧岩层中产生许多脆弱面从而降低了隔 水底板的强度外,还有断层的位移能导致隔水底板 的厚度减薄或缺失,使其降低或失去抵抗水压及矿 压的能力,所以底板断层突水发生在正断层的上盘 或逆断层的下盘这一特征表现更为明显。 虽然底板突水大都发生在断层或裂隙带上,但 一般都是在水压标高超过巷道或采区遇到断层或裂 煤矿断层充水特征研究 隙带的标高数十米至数百米时才发生突水;水压较 小时,除了巷道直接接露断层另一侧的含水层外, 一般都不突水。但也有一些两盘均为坚硬岩层的断 层以及现在仍在活动的断层,其断层带中具有导水 空隙,能使下伏含水层中的水沿断层带上升到某一 高度,就等于缩短了工作面或巷道至含水层的距 离,使底板更容易发生突水。对这样的断层必须加 大超前探水距离,进行注浆处理,留设足够的防水 煤岩柱,才能确保安全。 断层和裂隙对于煤矿底板突水的作用,还在于 这些断层和裂隙在水的作用下,充填物逐渐被冲 刷、溶解、扩大和掏空,以致大量突水。故当巷道 或采煤工作面刚揭露某些小断层或裂隙时往往只有 小股黄泥水渗出,然后水量逐渐增大,水质变清, 最后大量突水,并冲出大小石块。在构造复杂、断 层发育的矿区,煤层底板岩层裂隙异常发育,形成 裂隙含水层,若直接覆于下伏岩溶含水层之上,则 与岩溶含水层形成密切水力联系,开采煤层时,此 裂隙含水层不仅能以固有的渗透性能直接向矿井充 水,而且由于其岩体强度极低,在水压和矿压的共 同作用下,极易进一步破坏,使透水能力急剧增 大,而导致岩溶水大量突入矿井,这种情况在华北 型煤田应予以高度重视。 3断层水害防治建议 在勘探资料及生产揭露资料的基础上,摸清煤 矿地质构造发育分布规律,特别是利用水文地质探 查技术包括水文地质试验技术、地球物理勘探技 术、地球化学勘探技术、钻探技术及监测测试技术 等,尽量确定断层的位置、产状要素、断层带宽 度、断层带充水情况、含水层接触关系和水力联通 情况等,特别是在水文地质条件复杂的采区,采用 多种探测技术手段探明落差较大断层的发育、富水 性导水性对断层水害防治是极为重要的。 断层水害防治的关键是探查断层水。遇到下列 情况时必须探水采掘工作面前方或附近有含 导水断层存在,但具体位置不清或控制不够严 密时;采掘工作面前方或附近预测有断层存在,但 其位置和含导水性不清,可能突水;采掘工作 面底板隔水层厚度与实际承受的水压都处于临界状 态,在掘进工作面前方和采面影响范围内,是否有 断层情况不清,旦遭遇很可能发生突水时;断层 已为巷道揭露或穿过,暂时没有 下转第96页 93 万方数据 浓度。 3.6工作面减风降压,减少采空区气体涌入量 最初12612综采工作面进风巷风量为1625 m3/min,回风巷风量为1641m3/min。在满足供 风要求的前提下,将工作面进风巷风量调整至 1400m3/min,回风巷风量调整至1435m3/rain。 减风降压后可有效提高回风隅角空气的绝对压力, 降低与邻近12611采空区的压差,减少邻近采空区 的气体涌人量。 3.7监测监控系统的应用 大柳塔煤矿采用KJ90NA型煤矿监测监控系 统,该系统可监测监控氧气、瓦斯、一氧化碳、风 速等参数。监测监控系统由通风队管理,专门设立 监测值班室,设置专人进行值班,对监测监控系统 实行24h监控,发现有气体异常情况立即查明原 因,进行处理;同时在工作面回风隅角安设了氧 气、一氧化碳、甲烷监测监控探头,在气体超标时 立即报警。 4效果 12612工作面回风隅角氧气浓度频繁出现低于 18的现象,2009年3月7日,最低降至12, 严重威胁矿井的安全生产。通过采取各种措施后, 现回风隅角氧气浓度有效控制在18以上,为矿 井安全生产提供了技术保障。 5结语 神东浅埋煤层综采工作面回风隅角低氧氧气 浓度低问题是在生产过程中遇到的一个新问题, 要治理低氧问题,笔者认为必须采取综合防治措 施,在通风系统优化、采区布置、均压、抽放及井 上下堵漏等方面要多措并举,健全以安全监控、专 兼职气体检查员为手段的安全防线,以保证矿井安 全高效可靠生产。对于综采工作面回风隅角低氧问 题的形成机理及采空区气体流场变化规律,尚需要 进一步建立科研课题研究分析,以便为今后矿井采 区和工作面布置、煤柱留设、通风系统优化及防治 低氧问题提供技术依据。 作者简介杨俊哲1964一,男,陕西汉中人。高级 工程师。硕士.毕业于太原理工大学采矿工程,现任神东 煤炭分公司副总工程师兼生产技术部经理。 责任编辑 张艳华 上接第93页 出水迹象,但由于隔水层厚度和 实际水压已接近临界状态,在采动影响下,有可能 引起突出,需要探明其深部是否已和强含水层连 通,或有底板水的导升高度时;井巷工程接近或计 划穿过的断层浅部不含导水,但在深部有可能 突水时;根据井巷工程和自设断层防水煤柱等的特 殊要求,必须探明断层时;采掘工作面距已知含水 断层60m时;采掘工作面接近推断含水断层100 Ill时;采区内小断层使煤层与强含水层的距离缩 短时;采区内构造不明,含水层水压又大于23 MPa时。断层水探明后,应根据水源、水压和水 量采取不同措施。若断层水是来自强含水层,则要 注浆封闭钻孔,按规定留设煤柱;已进入煤柱的巷 道要加以充填或封闭。若断层含水性不强,可考虑 放水疏干。 对断层水害防治,一定要对断层留足煤柱,对 已经留设的煤柱,应打钻验证,以保证煤柱尺寸的 准确;尽量少用巷探形式揭露断层,应采取钻探或 物探手段探测断层,如果用巷探,必须事先制订预 96 防突水的措施;对已揭露的断层,必须采取措施进 行封堵,防止迟发突水;对水压高、隔水层厚度达 不到安全开采的,要进行疏水降压待水压降到安全 值时,再进行开采。 参考文献 [13彭苏萍,孟召平著.矿井工程地质理论与实践 [M].北京地质出版社,2002,1 E23中国煤炭工业劳动保护科学技术学会组织编著.矿 井水害防治技术[M].北京煤炭工业出版社,2007,9 [33中国煤田地质总局编著.中国煤田水文地质学 EM].北京煤炭工业出版社,2001,7 作者简介刘国林1963一。男,博士,北京大学博 士后,教授。主要从事地质工程及安全工程方面的科研及 教学工作。 责任编辑孔晋华 中国煤炭第35卷第7期2009年7月 万方数据 煤矿断层充水特征研究 作者刘国林 , 潘懋 , Liu Guolin, Pan Mao 作者单位刘国林,Liu Guolin北京大学地球与空间科学学院,北京市海淀区,100871;华北科技学院,河 北省三河市,065201 , 潘懋,Pan Mao北京大学地球与空间科学学院,北京市海淀区 ,100871 刊名 中国煤炭 英文刊名CHINA COAL 年,卷期2009,357 被引用次数0次 参考文献3条 1. 彭苏萍 . 孟召平 矿井工程地质理论与实践 2002 2. 中国煤炭工业劳动保护科学技术学会 矿井水害防治技术 2007 3. 中国煤田地质总局 中国煤田水文地质学 2001 相似文献10条 1.会议论文 叶青 . 王瑞杰 高精度重力勘探方法在预测煤矿水害上的应用 1997 煤矿水的防治,一直是矿区生产中遇到的一大难题。随着重力勘探精度的不断提高及方法本身的特点,在解决这类地质问题上具有较好的地质效果 和应用前景,该文以重力勘探的原理出发。进行了深入的论证,并通过大量实例说明这一点。 2.期刊论文 朱由军 . 高明青 浅谈煤矿水害超前预防 -山东煤炭科技 2008,““5 水害是煤矿开采中五大自然灾害之一,矿井涌水常见的主要有地表水、地下水、老空水老塘水和断层水、陷落柱导水等. 3.期刊论文 王广才 . 段琦 . 卜昌森 . 陈遂斋 水文地球化学方法在煤矿水害研究中的某些应用以平顶山、肥城矿 区研究为例 -地质论评 2001,476 矿井防治水的理论和工程实践表明,水文地球化学方法是矿井水害预防和治理工作中较为有效的一种方法.以平顶山矿区、肥城矿区为例,阐述了水文 地球化学方法在水害研究中的某些应用.在平顶山矿区,环境同位素氢、氧和统计分析聚类分析技术的研究结果,进一步证实和校正了以往对该区水流 系统的概念模型,即局部水流系统和过渡水流系统或西南部和东北部子系统的划分仅适于寒武系灰岩含水系统;砂岩含水层在矿区中、北部低山区接受 大气降水补给,并有可能补给薄层灰岩含水层.在肥城矿区,地下水示踪试验结果表明,该区的GF9、F7-1、F7-3断层在试验段内具有较强的导水性,奥灰水 可通过上述断层并以不同特征的通道和速度继续径流并补给各井下出水点,因而是该区煤矿安全的主要威胁. 4.学位论文 赵国红 石壕煤矿矿井充水条件分析及涌水量预测 2008 煤矿水害是指煤矿在建设开发过程中,不同形式、不同水源的水通过特有的途径进入矿坑,并给矿山建设或生产带来影响或灾害的过程与结果。影 响水害的因素有充水水源、充水途径和充水量,充水水源和充水途径是构成煤矿充水的必备条件,充水量的大小决定着充水的危害程度,近20年来我国 共发生过157起重大水害事故,给国家造成了严重的经济损失。弄清楚煤矿的充水原因,从根本上控制水害事故的发生,是煤矿需要解决的一个十分重要 的问题。 石壕煤矿位于豫西的义马矿区,自从1984年建井以来,曾发生过多次涌突水事故,给煤矿的生产和安全带来一定的影响。本文从矿区的水文地质条 件出发,结合本矿的历次涌突水现象,分析了矿井的充水条件,利用水文地质比拟法、解析法和数值法分别预测深部开采时的矿坑涌水量,并进行比较 分析,确定相对准确的涌水值,为以后煤矿的开采提出合理的防治水措施。 主要研究的内容和结论如下 1结合灰岩分布特征,分析漏水孔、断裂和岩溶发育的关系,以及河流量的变化,分析该区岩溶发育程度及分布情况,再结合水文孔的涌水量。对 研究区灰岩的富水性进行分区。分析可知在矿区西南部富水性较好;在断层F41和F44之间富水性最好,可形成强径流带;在东北部地区,富水性相对 较差。 2从矿井历次突水的水源出发,分析含水层与煤层所处的位置关系,再经过充水与含水层的水质对比分析充水水源。然后结合断层的性质特征和物 探资料,利用矿井的突水情况分析断层在矿井充水中的作用,利用斯列萨列夫公式计算临界隔水层的厚度,结合研究区隔水层厚度等值线图,分析矿井 的底板突水情况。分析认为,该区的主要充水水源是石炭系灰岩水、奥陶系灰岩水和煤层顶部二叠系砂岩水,充水途径以断裂构造为主,在隔水层厚度 较薄的地区和水压较高的部位易发生底板突水。 3结合煤矿的突水情况,分析矿井的突水原因和突水类型,在水文地质和工程地质条件基础上,对隔水层底板的岩体进行阻抗突水性能进行分区。 分析可知,最易发生突水的部位是矿区西部向斜轴部断层集中区,较强的是南部地层较陡的灰岩区,不易发生突水的是北部岩体比较完整区。 4分析矿坑的涌水量现状及其影响因素,利用水文地质比拟法和解析法计算出矿坑的涌水量,然后利用数值法预测出深部开采时的矿坑涌水量。根 据水文地质比拟法,计算出矿坑的正常涌水量为398.68 m3/h,最大涌水量为518.29 m3/h。解析法计算矿坑涌水量结果在标高100m时,正常涌水量为 336.53 m3/h,最大涌水量为437.49 m3/h;数值法计算出开采水平在100m时的矿坑涌水量是445.08 m3/h。这三种方法的计算结果比较接近,可以作为 深部防排水系统的设计方案。 5通过煤矿的充水条件分析和涌水量预测,为了预防煤矿发生水害事故,提出防治水措施。首先要做到事先探水,疏水降压,封堵涌水通道,修建 防水闸,建立完善的防捧水系统,一旦突水,立即采取排水措施,把水患危害降到最低。 本次研究将理论与实践结合,为矿井的深部开采的防排水系统设计提供了参考,可用于指导煤矿的安全生产,对预防煤矿突水具有重要的意义,同 时对于义马矿区其它矿井开发也具有借鉴意义。 5.期刊论文 冯振伟 . 王连国 . 张连福 . FENG Zhen-wei. WANG Lian-guo. ZHANG Lian-fu许疃煤矿主要水害水源类型与 防治对策 -煤炭科技 2007,““3 许疃煤矿是受水害严重威胁的矿井,自2001年以来,共发生突水事故4次,最大突水量194 m3/h.为了保证矿井的安全生产,必须加强矿井防治水工作.对 许疃煤矿主要水害水源类型新生界四含水、第三系“红层“含水层、老空水、灰岩水的富水特点及补给关系进行了系统分析,在此基础上,对老空区突水、 断层突水、陷落柱突水等的防治对策进行了探讨. 6.期刊论文 范景坤 淮北煤矿水害防治技术 -安徽科技 2006,““6 淮北矿业集团公司在防治水专项治理活动中严格执行“有疑必探,先探后掘“的防治水原则,认真开展四含水、灰岩水防治和老塘水、项底板砂岩裂隙 水、断层水探放等工作,解放了呆滞煤量,实现了安全生产,收到了良好的效果. 7.期刊论文 李贵炳 . 黄坤福 . LI Gui-bing. HUANG Kun-fu隧道超前地震预报技术在煤矿水害预报中的应用探讨 -矿 业安全与环保 2009,366 我国煤矿水文地质条件较为复杂,国有重点煤矿因水害造成的威胁和煤矿突水事故呈上升趋势.对比分析了煤矿地质条件与隧道地质条件的相似性,通 过TSP技术在隧道工程中对含水层、溶洞和断层等不良地质体的成功预报实例结果,证明了该技术在预报煤矿井下突水水源和突水通道方面也是可行的.积 极探索该技术在煤矿地质灾害预警预报中的应用,不但可为实现国家“十一五“安全生产的目标提供有力的安全科技保障,还可为工程人员制订施工方案、 采取相应措施提供可靠的地质资料. 8.会议论文 白登海 . 何兆海 . 卢建 . 智建水 . 徐通峰 地下全空间瞬变电磁法及在煤矿水害预防中的应用 2003 预防和治理水害是我国煤矿安全生产所面临的主要任务之一.影响矿井安全的主要水文地质因素有1底板富水含水层突水;2揭露导水断层出水 ;3盲目揭露导水陷落柱突水;4裂隙活化与下伏含水层沟通突水及揭露导水裂隙突水;5煤田勘探期间施工的部分钻孔封孔止水质量不良造成含水层 之间沟通,采掘工程盲目揭露造成突水;6盲目揭露老窑采空积水区.矿井实际生产过程中突水危险性大小,取决于对上述突水因素导水性的控制程度及治 理措施的可靠性.如果在未揭露之前坚持“有疑必探,先探后掘“的防探水原则,在安排生产施工过程中采取物探、钻探等多种手段进行超前探测,有效地掌 握和控制地质构造并探明其导水情况,采取超前注浆加固措施进行治理,可以有效的避免或减少突水事故的发生,保证矿井安全生产. 9.期刊论文 周韬 . 韩自豪 . 周建雄 . 万广达 . 彭南宁 瞬变电磁法在煤矿水害防治中的应用 -中国煤田地质 2004,162 煤层附近的富水区带严重威胁着煤矿的生产安全,探明地下煤层附近富水区的赋存和断层、裂隙的发育情况,可以有效地指导煤矿水害的防治工作 .对于含水地层及富水区,瞬变电磁法在多测道剖面上具有典型响应特征,据此可以查明地下水分布情况.在山东某煤田和河南某矿,应用瞬变电磁勘探,准 确地查明了煤层顶底板富水区. 10.期刊论文 陈勇平 虎中煤矿矿井水害成因分析及防治对策 -龙岩学院学报 2010,282 通过对新罗区虎中煤矿的地表河流与地层、含水岩组、隔水岩组、岩浆岩、断层导水性及地下水补给与排泄条件等六个方面水文地质特征的调查和 研究,从地表水体、断层导水性及覆岩破坏造成的导水裂隙带、老窑及采空区积水、相邻生产矿井可能积水区等四个方面分析了虎中煤矿矿井水害的成因 ,提出相应的防治对策以及加强工人识别透水前预兆和透水后逃生技能教育,指出加强矿井水文地质基础管理工作对防治煤矿水害的重要性. 本文链接http// 授权使用李建中wfhnlg,授权号42fe74b5-e21a-4380-bd24-9db600b25174 下载时间2010年7月17日