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矿井水文地质类型划分及防治

2016/04/28 阅读:

【摘要】

本文依据《煤矿防治水规定》,通过分析矿井受采掘破坏影响的含水层性质及补给条件、富水性、矿井及周边老窑水分布状况,矿井涌水量、突水量,受水害影响程度,对矿井水文地质类型进行划分。以内蒙古乌海市海南区路天煤矿为例,简单分析了矿井水文地质类型划分的要点,并对煤矿防治水措施提出建议。

【关键词】

矿井;水文地质;防治水措施

一、矿井概况

路天煤矿位于内蒙古自治区乌海市东南45km,处于桌子山煤田公乌素精查区3—17号勘探线之间,行政区划隶属乌海市海南区公乌素镇管辖。矿区内地表大部为第四系风积砂覆盖,只在局部地区零星出露石炭系上统太原组、二叠系下统山西组地层。主要含煤地层为石炭系上统太原组(C2t)和二叠系下统山西组(P1s)。根据钻孔揭露及区域地层资料,区地层由老至新有:中奥陶统(O2);石炭系上统太原组(C2t);二叠系下统山西组(P1s);第四系(Q)。井田位于桌子山煤田南部,西来峰逆断层以西拉僧仲庙背斜向南倾没部分,次一级的褶曲为矿区基本构造形态,断层也比较发育,主要构造线方向为北北东向。区内无火成岩活动,根据地质勘探及矿区揭露的资料,现将本区的主要构造分述如下:(1)褶曲公乌素背斜:位于矿区中部,走向北北东向,自南向北倾没,矿区出露3公里。西翼倾角10°~15°,东翼倾角15°~18°,其轴部煤层赋存较浅,有利于露天开采。公乌素向斜:位于公乌素背斜之东与其相邻,向斜轴北北东向,全长6.5公里,东翼被公乌素逆断层所破坏,西翼倾角15°~18°,开阔平缓适于露天开采。S3向斜:位于矿区南部,全长2.2公里,西翼倾角4°~9°,东翼倾角5°~10°。(2)断层井田断层发育,按其走向分为两类,一类是北北东向,多为逆断层,落差较大,另一类为北东向或东西向,多为正断层,倾角比较大,但落差不大本区构造以舒缓的背向斜为主体,伴有近南北向的逆断层和东西向的正断层,断层数量虽多但不密集,故本区构造复杂程度为中等类型。目前主采16#煤层,厚度为平均7.96m,煤层倾角为7~16°,采用综采放顶煤开采,采2.63m,其余为放顶煤。在矿井内16#煤层埋深基本在200m以内,开采形成的塌陷区采用填埋。

二、矿井水文地质类型划分

(一)区域水文地质概况桌子山煤田北起千里山之北部,南至雀儿沟以南。南北长近100公里,东西宽约5—25km,总面积约300km2。煤田东西两侧之桌子山、岗德尔山呈南北向延伸,构成中高山地。煤田内地形以宽谷洼地为主,其间山丘起伏,阶地发育。其总体地形呈东高西低之势,沟谷发育。受地形影响,水流由东向西注入黄河。各沟谷均为季节性迳流,平时干涸无水,雨季山洪暴发,可形成洪流,历时短,雨后数小时即近于干涸。黄河距本区约12km,为煤田附近的唯一地表水体,水位标高平均1065m,比煤田标高低100m左右。煤田与黄河之间赋存着巨厚的隔水岩层,因此,黄河与煤田无直接水力联系。

(二)含水层依据1989年《内蒙古自治区伊克昭盟桌子山煤田公乌素矿区精查地质报告》水文地质资料,本区的含水层条件如下:(1)松散岩层孔隙潜水含水岩组第四系(Q):岩性为风积砂、黄土状亚沙土,残坡积和人工堆积物,一般呈零星分布。冲积洪积层以粒度不匀之砂砾石为主,分布与间歇河谷内,厚度1.00~10.00m,q=0.438~1.44L/s•m,中等富水~强富水。(2)坚硬岩类孔隙裂隙承压水含水岩组据原报告资料,该含水岩组可分为三个含水带。第Ⅰ含水带(P1s2和P1s1上部):含水层岩性为灰白色砂岩,厚度约60m,含水层厚度38.74m,q=0.00865L/s•m,弱富水。第Ⅱ含水带(C2t2~C2t1上部):厚度70m。含水的砂岩和石灰岩厚31.04m。q=0.0369L/s•m,K=0.138m/d,弱富水。第Ⅲ含水带(C2t1下部和C2b上部):岩性为砂岩、泥岩和17、18号煤组成,厚度30米。q=0.0110~0.0304L/s•m,K=0.0753~1.67m/d,弱富水。煤系地层下部有巨厚的C2本溪组地层,岩性为黑色泥岩,厚度180m,是良好的隔水层,其下为陶系含水层。奥陶系的苏勒泰组地层(O13)和桌子山组(O12)的岩溶裂隙水为矿区的主要供水水源。根据宁夏回族自治区水文地质队1966年提交的《桌子山煤田公乌素精查区反封区供水水源勘察报告》中的结论奥陶系灰岩富水性强。

(三)隔水层矿区内隔水层可以分为两类:煤系内部的泥质隔水岩层;煤系下部的本溪组隔水层。(1)煤系内部的泥质隔水岩层第Ⅰ隔水层(P1s1底部):为9号煤和其泥质夹石组成,一般厚3.83m,隔水性能较好。第Ⅱ隔水层(C2t1中部),为16号煤及其泥质夹矸组成。全区发育稳定,隔水。(2)本溪组隔水层煤系地层下部有巨厚的C2本溪组地层,岩性为黑色泥岩,厚度180m,是良好的隔水层,其下为陶系含水层。

(四)矿井充水因素分析1.突水水源目前,矿井涌水水源主要由两个来源:一是顶板坚硬岩类孔隙裂隙承压水含水岩组、二是小窑和老空积水。顶板涌水通道为采矿形成的顶板导水裂隙带,矿井揭露的断层等也可形成导水通道。区内无地表水体,矿井可能的突水水源为松散岩层孔隙潜水、煤系地层顶部的孔隙裂隙承压水、煤层底部的奥灰水老空水。这些突水按照含水层的位置和开采煤层的关系,分为顶板突水、底板突水。(1)顶板水目前国内对于一次采全高的裂隙带计算公式形成统一认识,但是对于综采综放还没有一个统一的认识。根据我国其他地区的实测资料综合考虑采用裂采比值12计算露天矿16#煤顶板冒裂带发育高度。矿井主采16#煤层,煤层顶板岩层的抗压中等强度,选择裂采比12来计算16#煤开采后顶板冒裂带发育高度。(2)底板水煤系地层底部唯一的含水层,也是矿井范围内部唯一的强含水层—奥灰含水层,由于资料不足,没有准确的数据,但是根据周围矿井资料及前期工作可知。煤系底部本溪组的泥质岩隔水层,厚度在180左右,是隔水性能良好的隔水层。奥灰水标高按照+1195m计算(假设奥陶系裂隙水和溶洞水水头高度与矿区地面持平),矿井开采最低标高为+1024m,隔水层厚度为180m,那么隔水层底板承受的水压为3.55MPa,突水系数最大为0.0197MPa/m。按照《煤矿防治水规定》,本矿的突水系数远远小于正常区域的0.1MPa/m,也小于构造发育地段的0.06MPa/m。可知底板受采动影响,导致突水可能性较小。2.突水通道顶板采动裂隙:开采形成的导水裂隙带发育高度为102m,导通了16#煤层上部的山西组和太原组砂岩裂隙含水层,也有可能导通上部煤层开采后形成的采空区。封闭不良钻孔:矿井在初勘、详勘的各个阶段,布置了不少钻孔,由于时间过久,封闭资料不全,这些钻孔也有可能封闭不良,形成导水通道。导水断层及构造:全区26个钻孔穿过不同的正、逆断层,破碎带厚度1.77~79.51m。简易水文观测未见异常,水位变化趋势均和所在孔之正常层位一致,普遍是随着孔的加深而逐渐下降。消耗量一般值是0.01~0.12m3/h,没任何涌水迹象。三个孔抽水试验得q=0.00977~0.0290L/s•m,K=0.0445~0.0205m/d。由上述资料来看,钻孔已见的断层带导水性并不强,其富水性及裂隙发育程度应属较好。目前矿井主采的1602和1603、1604由公乌素逆断层(F公逆)分开,目前公乌素逆断层的位置控制不强,矿井布置40米宽的隔水煤柱。可以由于断层位置不清,所以留设煤柱的作用不大。公乌无素逆断层最大断距有120m,断层的基本条件不清,可能形成奥灰突水。矿井潜在的突水灾害水源为老空水和奥灰水,可能的突水通道为开采裂隙、封闭不良钻孔、导水构造。

(五)老空水现状四采区上部有神海公司五号及神海公司七号井,南部有神海公司六号井,北部有神海四号井,目前均已关闭,各小井原开采方式为房柱式开采,采空区有积水隐患,积水巷内水量不详,各煤矿矿界范围划分清楚,不存在边界纠纷。本矿井的二采区、1601工作面均采空,煤层底板标高均高于1604工作面,也可对1604工作面形成威胁。矿井对于老空含水体的边界清楚,但是对其的富水性不清,且在探放的过程中,多数钻孔无水。

(六)对矿井开采受水害影响程度目前在开采的过程中,主要的防治水工作有地面防排水、井下建立排水系统、建立探放水队伍、留设防水煤柱等基础性防治水工作。矿井涌水量主要来自顶板水,矿井涌水量较小。主要水害—老空水主要采用钻孔或是泄水巷和钻探相结合的方式进行疏放。矿井开采安全受老空水水害威胁,但是对于老空水而言目前采用疏放的治理方式结合及时观测,可以避免水害威胁。

(七)水文地质类型划分综上所述,16#煤层采掘影响到的顶板主要含水层有坚硬岩第Ⅰ含水带层和第Ⅱ含水带,第Ⅰ含水带(P1s2和P1s1上部):含水层岩性为灰白色砂岩,含水层厚度38.74m,q=0.00865L/s•m<0.1L/s•m,第Ⅱ含水带(C2t2~C2t1上部),含水的砂岩和石灰岩厚31.04m。q=0.0369L/s•m<0.1L/s•m。由于公乌素逆断层基本条件不清,16#煤层开采时布置的1603工作面横穿该断层,可能形成奥灰突水。奥灰含水层的水文地质赋存条件也没有准确资料,水文地质条件不清,根据六十年代资料“奥灰富水性强”,的结论,受采掘影响的含水层的补给量不清,含水层性质及补给条件属于复杂,单位涌水量分类属复杂。矿井内部及周边存在老窑,采空区有积水隐患,积水巷内水量不详。本矿井的二采区、1601工作面均采空,煤层底板标高均高于1604工作面,也可对1604工作面形成威胁。矿井对于老空含水体的边界清楚,但是对其的富水性不清。按按照矿井防治水规定的分类,本矿井水文地质类型属于复杂。

三、矿井防治水措施

(一)条件探查及措施(1)对于断层发育空间分布位置的探查。地面三维地震勘探:由于区内的公乌素逆断层发育条件不清,1603工作面开采时势必面临断层影响。(2)对于导水构造、老空区的探查。地面瞬变电磁:瞬变电磁法属于电磁感应类探测法,该方法通过观测和研究二次场的空间特性,推测地质目标的几何和物理特征。由于该方法对低阻体异常敏感,因此能较好地确定与低阻异常有关的地质问题。(3)井下防治措施。对于物探方法测出的富水区段,按照规范要求留设防水煤柱。井下巷道掘进靠近该断层时,应采取以下几个技术措施:A、直流电法超前探,探测掘进头前方80m有无低阻异常;B、对探测出的异常体进行钻探探放水(对于在井下异常区的钻探在对老空积水探放中进行说明);C、若探放水时水量、水压大,长时间难以疏干,则有导通奥灰水的可能,在查明充水水源的基础上,建议注浆封堵;D、合理留设断层防水煤柱。在计算煤柱留设宽度时,注意应从断层边界算起,而不能以断层中心为计算起点。

(二)老空水探放,封闭不良钻孔老空水的探查应遵循“有疑必探、物探先行、钻探验证”的方针。物探方法主要以直流电法为主,探测16#煤顶板太老空水的富水区分布范围。富水区探明后,利用钻探进行探放。老空水是矿井防治水工作的重要内容。本矿钻探技术、设备较弱,无法满足16#煤生产要求。因此,建议矿井增加钻探设备,招聘、培养钻探技术人员,建立专业探放水队伍。在探放的过程中,需编制探放水设计。

(三)对防水煤柱留设进行专门设计、探测防水煤柱的留设没有专门的设计,留设的尺寸过于笼统。且防水煤柱的位置,大小需进行巡查,不得开采。主要采用留设合理的、安全的防水煤柱,需进行专门的设计。

(四)管理措施完善防治水制度、机构,加强防治水专业培训,建立、完善防治水技术资料,建立水害应急预案及配备抢险救灾设备。

作者: 陈强 孟海东 单位:内蒙古科技大学矿业研究院

矿井水文地质类型划分及防治

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