曹家湾防治水中长期规划

曹家湾矿20062010年防治水规划1、前言曹家湾矿是一个设计生产能力为30万吨/年的矿井。主采煤层9#煤赋存于石炭系太原组地层，该煤层距离下伏奥陶系灰岩承压含水层约40m。煤层底板下20m处尚有石炭系上统太原组本溪薄层石灰岩含水层，对矿井开采直接充水，根据矿区简易抽水试验资料，确定为富水性较弱的含水层，但是，通过首采工作面钻探资料分析，本溪灰岩对9#煤开采具有相当大的影响。随着矿井采掘工程的延伸，矿井水害问题将日益突出，特别是对奥灰突水的预防。因此，需要认真研究和审视风井开采水文地质条件，分析开采受水害威胁程度，对矿井开采有影响的主要含水层，提出有针对性的防治水工作内容，指导矿井防治水工作有序进行，确保矿井生产安全。为此，必须严格按煤矿安全规程的有关要求进行煤矿防治水总体规划。本规划是在收集井田已有地质和水文地质资料，分析已查明的矿井水文地质条件和存在的水文地质问题的基础上，针对风井的水文地质特征，结合矿井采掘规划提出的。规划的主要内容包括： （1）、矿井防治水的原则及技术路线； （2）、需要进行的矿井水文地质研究工作； （3）、矿井需要进行的补充勘探工作； （4）、矿井水情水害动态观测系统完善工作；（5）、9#煤煤层底板导水构造探查与底板突水预测预报； （6）、9#煤煤层顶板水可控疏放；（7）、9#煤层带压开采防治水技术； （8）、矿井水害治理工程； （9）、矿井防排水系统改造； （10）、防治水工程实施进度与费用概算。2、矿井概况2.1、基本概况曹家湾矿位于葛泉井田南翼，北以F121断层及9煤露头线为界，南以F13断层为界，西以F6、F121为界，东以9煤层露头线为界，走向长约2200m，倾斜宽约1900m，面积3.8km2。地理位置位于西油村、大油村中间，距葛泉矿井约2.5km。综观本区地势，南高北低，西高东低，地表标高介于+190m+92m之间。南部为冰渍垄岗地形，北部为沙河河床。区内有一条季节性河流沙河，流经本井田中北部,约占井田开采区面积的一半，河水流向为西北至东南，沙河原为长年流水，地叉分合无常，因上游朱庄水库建成蓄水，故成季节性河流。本区历年最高气温为42，历年最低气温为-21，年平均气温为18左右。本区年降雨量在300600mm之间，且集中在7、8、9三个月，年蒸发量一般为16002000mm之间。冻结期为11月至次年2月，最大冻土深度为0.44m，最大积雪厚度150mm。年最多风向为东南风，历年最大风速18m/s。本区地震烈度为6至7度。风井区内煤系地层为石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。风井所开采的9号煤赋存于太原组地层，全区可采，倾角527，平均为18。矿区9号煤层保有资源储量： (111b+122b+331+332+333+2S11+2S22) 2705.87万吨。其中：-150m以浅1275.74万吨；-150m以深1430.13万吨。2.2、矿井设计概况2003年7月，河北金牛能源股份有限公司葛泉矿委托煤炭工业部石家庄设计研究院编制了葛泉矿通风系统改造及下组煤开采初步设计说明书，并经河北省煤炭工业办公室以冀煤规2003154号文批准开采-150水平以上9号煤，设计矿井生产能力为30万t/a，服务年限18.49年。2.3、矿井生产系统概况、主提升系统：风井主提升为机斗提升，机斗载重量3-5.5t，安装2JK3-30E提升绞车一部，提升速度3.85m/s，电机配套功率为320KW，提升量为100-150吨/小时。副井为罐笼提升，绞车型号2JK3-30E型，用以提升运送物料。、井下运输系统井下辅助运输采用5-8t电瓶车，主要运送物料及拉渣。主运输采用80型皮带运输，由皮带机将煤碳运送至主井底煤仓，采用主井提煤机斗提至地面，再经过原煤生产系统初加工及装仓，通过汽车外运销售。、通风系统曹家湾矿采用中央并列式通风方式，副井进风，主井为回风井，安装2台型号为BK54-N018A型轴流式主扇，一台使用，一台备用，矿井总进风量为2450m3/min，总回风量2540m3/min，矿井有效风量为91%，现主采9号煤，煤层有自燃倾向，煤尘无爆炸性。、排水系统井底中央泵房设MD280-437污水泵7台，3台工作，3台备用，1台检修，排水管路377mm二趟，水仓容量为5104m3。直接将矿井涌水通过副井排至地面污水治理系统，由工业污水处理系统处理后排出。、供电系统供电系统采用双回路供电，由地面变电站井下中央变电所采区变电所各工作面配电点。、调度通讯系统风井内部以及与葛泉矿本部、公司、市话通信畅通。交换机采用江西联创通信有限公司生产的数字程控交换机，集行政交换与调度交换于一体，不仅具有完善的内外线调度功能、录音功能，而且具备行政交换机强大交换与组网能力以及新业务功能。总机容量为128门，其中井上96门、井下32门，总机通过光缆与本部行政交换机连接，市话通信、公司内部通信通过本部行政交换机转接。调度总机与井上、下关键部门（如变电所、中央泵房、主、副井车房、抽风机房、注浆站）均实现直通，调度通信迅速、准确，符合规程要求。2.4、矿井开发现状风井自2004年3月5日开始建井，井底车场、绕道、水仓、轨道石门、运输石门、西翼运输及轨道大巷等工程都已施工完毕，1192首采工作面也已圈出。3、矿井水文地质条件3.1、地表水曹家湾矿地表全为新生界地层所覆盖，与下伏地层呈角度不整合接触。冲积层厚度80-188m，平均为130m，厚度大，层位稳定，加之中部有多层粘土层、亚粘土层等，故隔水性好，地表水与其它含水层在矿井充水方式上无水力联系或联系极小，不会影响矿井开采，地表水也不会直接溃入井下。地表水进入井下的可能通道主要为主副井井口。风井主井标高为+102.82m，副井标高为+102.90m，均高于63年工业广场西北侧实测的洪5点最高洪水位线+101.69m。3.2、地下水在区域水文地质单元分区上，葛泉矿位于百泉奥灰岩溶水文地质单元南部迳流区的沙河-邢台-百泉迳流带和高店村-张宽-百泉迳流带之间的相对弱迳流地带。含水层情况如下：3.2.1第四系孔隙含水组全新统砂砾卵石层孔隙潜水强含水层该层以灰白色、肉红色等石英砂岩砾石为主，片麻岩与岩浆岩砾石为次。砾径0.20.4m不等，最大可达1m左右，充填不等粒砂。主要分布在沙河河床、河漫滩及低阶地二元结构的下部。出露厚度040m，一般20m左右，据民井抽水试验资料，单位涌水量3.924.44 l/s.m，一般4.0 l/s.m，HCO3-Ga2+型水，矿化度为0.170.562g/l。属于含水性强的含水层。中更新统砂层孔隙潜水弱含水层由上部紫红色冰积泥砾和中下部米黄色、桔红色中粗砂、细砂组成。，夹薄层亚粘土和亚砂土。砂粒成分主要为石英砂岩，含少量片麻岩岩块，充填物为不等粒砂及少量砂质粘土。厚度10m左右，主要分布在南部丘陵顶部及夷平面黄土之下。因层位较高，多在潜水以上。据钻孔简易水文资料，冲洗液消耗量为0.120.80m3/h，一般小于0.5m3/h。据葛9孔抽水试验资料，单位涌水量在0.076l/s.m，HCO3-Ga2+型水，矿化度为0.186g/l，属含水性弱的孔隙潜水含水层。下更新统砾石层孔隙潜水弱含水层砾石成分单一,为肉红色、紫红色石英岩、石英砂岩,砾径10-1000mm不等,充填物为紫红色不等粒砂或含砂粘土。厚度15.10146.82m。本层除葛24孔附近无沉积外，全区均有分布。据平乡煤矿资料，降深为40.58m时，水井的单位涌水量为0.989l/s.m，区内钻孔最大冲洗液消耗量为0.57m3/h，一般为0.30.5 m3/h。据抽水试验资料单位涌水量在0.0130.064l/s.m，渗透系数为0.075m/d，属于HCO3-Ga2+型水，矿化度为0.1670.20g/l为含水性弱的孔隙含水层。3.2.2二叠系砂岩裂隙水承压弱含水层组石盒子组砂岩裂隙承压弱含水层该层以灰白、浅灰色，局部灰绿色中粗砂岩为主，底部含砾，夹粉砂岩，砂岩。裂隙不甚发育，且被泥质充填。本层分布不普遍。最大厚度139.20m，钻孔冲洗液消耗量均小于0.5m3/h，为含水性弱的裂隙含水层。山西组砂岩裂隙承压极弱弱含水层2#煤顶板砂岩为灰白、浅灰色中细砂岩，常含铁质鲕状颗粒，裂隙不发育，常被方解石充填。本层段作简易抽水试验钻孔21个，泥浆消耗量大于0.5m3/h的4个，仅占钻孔总数的19%，单位涌水量为0.0003830.065l/s.m，渗透系数为0.00430.017m/d，属于HCO3-Na+型水，矿化度为0.04860.0742g/l，为含水性弱极弱裂隙含水层。3.2.3石炭系薄层灰岩裂隙岩溶承压含水组该含水组主要由四个薄层灰岩含水层，即野青、伏青、大青和本溪灰岩组成，全区普遍发育。野青灰岩裂隙岩溶承压极弱弱含水层该层灰岩呈灰、浅灰色，局部含泥质呈褐色，厚1.808.04m，一般厚46m，裂隙不发育，裂隙被全充填或半充填。揭露本层作简易水文地质观测62个钻孔中，有漏水孔16个，冲洗液消耗量大于0.5m3/h的钻孔4个，这二者占钻孔总数的32%。抽水试验三次，测得单位涌水量为0.0003680.0516l/s.m，渗透系数为0.003671.512 m/d。属于HCO3-Na+型水，矿化度为0.3750.508g/l。伏青灰岩裂隙岩溶承压极弱含水层该层岩性为灰色、灰褐色石灰岩，厚0.463.70m，质不纯，含泥质或炭质，隐晶质结构，块状构造，裂隙较发育，呈线脉状，多为方解石充填。有简易水文观测孔57个，其中漏水3个，冲洗液消耗量大于0.5m3/h的钻孔有14个。占总孔数的7%，属含水性极弱的含水层。大青灰岩裂隙岩溶承压中等含水层本层为灰、浅灰色灰岩，隐晶质结构，致密坚硬，蜂窝状溶孔与小溶洞发育，裂隙多被方解石或泥质充填或半充填，层厚0.759.12m，一般厚5m左右。作简易水文观测钻孔64个，其中漏水18个，冲洗液消耗量大于0.5m3/h的钻孔3个，二者占总钻孔数32.7%。抽水试验二次（补30、葛68），单位涌水量为0.00820.183 l/s.m，渗透系数为0.11163.086m/d，属HCO3-Na+型水，矿化度为0.344g/l，为富水性中等的含水层。本溪灰岩裂隙岩溶承压弱含水层根据地质报告提供资料，本层为浅灰色石灰岩，局部水蚀成黄色，微晶结构，厚0.8011.72m,一般厚7m左右，蜂窝状溶洞和裂隙发育，被泥质和钙质充填。葛42、14、15三孔发生钻具陷落现象，陷落高度分别为0.5m、1.0m和2.1m。岩溶裂隙发育程度受构造和基岩盖层厚度的控制，漏水点多发生在F5断层带上、曹章背斜和露头浅部。进行简易水文地质观测的钻孔50个，其中漏水孔17个，泥浆消耗量大于0.5m3/h的4个，二者占钻孔总数的19%，抽水试验二次（补30、葛68），测得单位涌水量为0.00630.0099 l/s.m，渗透系数为0.10080.319m/d，属于HCO3-Na+型水，矿化度为0.3030g/l，为含水性弱的含水层。3.2.4奥陶系灰岩裂隙岩溶承压强含水层本区奥陶系灰岩含水层在垂向上，可分为三组八段上部弱富水组该组主要由O82与O72上部组成，一般厚80m左右，岩性以厚层状灰岩为主，有部分白云质灰岩。据钻孔揭露资料，由于裂隙充填程度高，且多被粘土充填，故透水性转弱，钻探施工至本组层位时，大多返水而不漏水，故本区4336孔冲洗液消耗量很微弱，为0.05m3/h，葛11孔也为0.05m3/h，补12孔为0.08m3/h，葛4为0.15m3/h等。钻孔涌水量一般在426m3/h，这种不均一性不仅反映在平面上，而且在垂向上也有所变化，如随着钻进深度的增加，单孔涌水量由10m3/h增加至26m3/h。这反映上部弱富水组具有富水性不均一的特点。中部强富水组该组由O72下部、O62、O52、O42岩层组成，厚约190m。岩性由中厚层状角砾岩、结晶灰岩、角砾状灰岩组成，岩溶裂隙发育，含水较丰富。揭露本组的勘探孔44个，其中漏水孔10个，冲洗液大于0.5 m3/h的钻孔5个，占钻孔总数的34%。井田内水文孔2个（6312、补30），平均单位涌水量分别为1.122 l/s.m、 2.3991l/s.m，平均渗透系数分别为1.837 m/d 、2.6272m/d，说明含水层补给条件好，富水性较强。该含水层水位标高目前为+40-44m，属承压水类型。水质为HCO3-Ca-Mg型水，矿化度为0.228g/l。井田外揭露本层钻孔9个，其中漏水孔7个，占总孔数的78%。据区域水文地质资料，当钻孔钻至该组时，大多有漏水现象。本组单位涌水量比上部弱富水组大为增加，如中关CK2孔，上部弱富水组单位涌水量为2.78 l/s.m，而中部弱富水组单位涌水量则达到5.55 l/s.m，可见本组富水性丰富。下部弱富水组该组主要由O32、O22、O12组成，厚230m左右。岩性上段为白云质灰岩，含石膏、石盐晶体；中段为结晶灰岩与粉红色花斑灰岩（俗称“云雾灰岩”），局部夹薄层泥灰岩与薄层白云质灰岩。由于岩溶发育强度随着埋藏深度增加而逐渐减弱，另外CaO含量本组为2135%，而中部强富水组CaO含量为4450%，因此本组为弱富水组。3.3隔水层特征葛泉井田含水层之间的隔水层，从上至下划分为三个隔水层组，即、第四系底部砾石含水层与石盒子砂岩含水层之间的隔水层；、基岩各含水层之间的隔水层；、9#煤底板至奥灰含水层之间的隔水层，详细情况见表4-1。曹家湾矿区隔水层特征一览表 表3-1隔水层编号间隔两端名称隔水层厚度（m）隔水层岩性隔水性能第四系底砾石层与基岩无隔水层不整合接触隔水性差1石盒子砂岩与山西组砂岩15.45183.12粉砂岩、粉砂泥岩、铝土岩隔水性能良好2山西组砂岩与野青灰岩65.2584.11粉砂岩、泥岩、中细砂岩全区分、分布很稳定，隔水性能良好3野青灰岩与伏青灰岩28.4955.81泥岩、粉砂岩隔水性能尚可4伏青灰岩与大青灰岩32.3550.55泥岩、粉砂岩与粉细砂岩互层隔水性能较好9#煤底板至奥陶系灰岩38.2958.57粉砂岩、铝土泥岩、细砂岩与薄层灰岩隔水性能较好4、矿井地质构造4.1褶皱构造风井区位于大油村向斜F13断层以北范围。从9煤底板等高线图整体形态看，本区整体为一褶皱较宽缓、两翼不对称的向斜构造。东翼地层较陡，最大倾角达27。西翼F12、SF4断层附近地层倾角相对较缓，倾角在5左右。向斜北端褶曲轴向上抬起其轴向北西方向扭转，南部轴向东南方向扭转，呈现反“S型”，轴部保留最新地层为下石盒子地层（P1X）。9煤埋深标高在-10-310m之间变化，埋藏最浅处在葛56孔附近为-10m，埋藏最深处在补30孔与葛68孔之间为-310m。4.2断裂构造4.2.1裂隙根据井巷实际揭露资料来看，9#煤顶板和底板裂隙方向主要为N30-35方向，裂隙发育频度较高，构造破碎带有时可达7-8条/米，顶板大青灰岩该组裂隙多为含水未封闭型，底板有时也发现浸水现象。4.2.2断层本区断层构造相对较简单，走向基本呈北东方向展布，规律性强。大断层相对较少，主要分布在井田西部，对井下开拓非常有利。本区揭露大小断层共计17条，西部边界F12、F12-1、F6；南部边界F13；北部边界F11；通过三维地震勘探在区内共解释断层15条，全部是正断层。其中落差不明的断层2条，落差大于等于10m，小于30m的断层3条，落差大于等于5m，小于10m的断层4条，落差小于5m的断层6条。（见表4-1）风井井巷工程揭露的断层有Nf101断层、SF1、SF2断层，其中Nf101断层在多条巷道揭露时发生过轻微出水现象，水量0.5-1.0m3/h。另外，在西翼运输大巷39#点前揭露的落差0.6m的小断层也出现了断层带浸水现象，水量1.5m3/h。通过上述情况分析，无论断层落差大小，巷道揭露时均可能出现断层带浸水现象，因此、当巷道掘进时，应该加强超前探测。对已查明的导水断层应该留设足够的防水煤柱或进行注浆加固，防治断层水害事故发生。曹家湾矿断层一览表 表4-1断层编号断层性质产状落差（米）延展长度（米）依据可靠程度走向倾向倾角F12正断层NENW2080120区内1252m葛14断P1X至P1S顶50m葛47断2号煤至大青可靠F12-1正断层NENW7380区内827m葛14伏青灰岩上下地层缺失可靠F6正断层NESE70100600葛6断7号煤至O2可靠F13正断层NW转EWNE302000葛30断2下煤及3上煤较可靠F11正断层NWSW701525260葛3与葛4孔C2b断失可靠SF1正断层NESE72010550三维地震解释成果可靠SF2正断层NENW605200三维地震解释成果未评价SF3正断层NENW751542600三维地震解释成果较可靠SF5正断层NESE74018550三维地震解释成果可靠SF6正断层NENW7206500三维地震解释成果较可靠SF7正断层NESE72570三维地震解释成果未评价SF8正断层NNESEE65590三维地震解释成果未评价SF9正断层NESE676150三维地震解释成果可靠SF10正断层NEESSE745130三维地震解释成果未评价SF11正断层近EWN695150三维地震解释成果未评价SF12正断层近NSW50560三维地震解释成果未评价SF13正断层NESE716200三维地震解释成果可靠4.3陷落柱风井区通过三维地震综合勘探在测区内解释陷落柱1个，该陷落柱位于测区中部葛37孔西侧。其平面形态近圆形，轴长50m左右，目前还未发现富水的可能性，但地应力平衡状态一旦破坏后，不排除该陷落柱导水的可能性。另外在测区边界9号煤露头附近还解释4个地质异常体。四个地质异常体从平面展布形态看，类似于陷落柱。SX2区内最大直径220m，SX3区内最大直径190m；SX2、SX3地质异常体含水性较差，但两个地质异常体处于大青强富水条带内。SX4地质异常体位于测区北部，平面形态为一椭圆形，长轴长约90m，短轴长50m。该地质异常体含水性较差。SX5地质异常体位于测区北部葛4孔附近。平面形态为一椭圆形，地震勘探控制了SX5的一部分；该地质异常体富水的可能性不大。葛泉矿在开采2号煤时已经揭露60余个陷落柱，均干燥无水，且没有导通深部的奥灰含水层，没有对矿井的安全造成影响。但在开采下组煤时不排除深部或隐伏的陷落柱对矿井的安全生产造成威胁，因此矿方应加强对矿井陷落柱导含水性的基础研究或防治水专项治理的技术方案的研究。5、矿井充水现状及充水途径5.1矿井充水现状及其特征目前矿井正常涌水量为220m3/h，涌水量构成为野青灰岩含水层20m3/h，大青灰岩含水层140m3/h，本溪灰岩含水层60m3/h。各含水层出水形式如下：野青灰岩含水层该含水层井筒及井底车场揭露，揭露时初期涌水量稍大，后期逐渐稳定。大青灰岩含水层主要以井巷揭露涌水为主，涌水段主要集中在轨道石门、西翼轨道大巷，涌水巷道总长约330m，主要以裂隙出水方式为主。通过井下放水孔资料分析，该含水层富水性中等。同时在疏放过程中，不同位置、结构相同的放水孔涌水量差异很大，因此可以判断本区大青灰岩含水层富水性很不均匀。本溪灰岩含水层该含水层出水形式主要通过9#煤底板裂隙或小断层导出，施工钻孔穿过10#煤时水量有明显增加，个别钻孔钻进至本溪灰岩含水层顶部即发生掉钻水量猛增现象，单孔涌水量最大可达200m3/h（孔径75mm），一般钻孔涌水量在40m3/h以上。本溪灰岩在该范围存在局部风化现象，溶蚀裂隙相当发育，钻孔出大水后，往往冲出较多铁质氧化物、风化状灰岩、泥岩碎块等。通过钻探资料分析，本溪灰岩至9#煤底板间距14-22m，平均18m左右，岩性结构以粉砂岩、砂岩为主，裂隙发育，阻水性能一般，底板裂隙多为30-35方向，本溪灰岩承压水在局部地段存在原始导升高度，底板裂隙密集发育段可直接到9#煤底板。因此，存在本溪灰岩水沿导水裂隙上升突破9#煤层底板对井巷工程充水的危险性。此外，本区本溪灰岩与奥陶系灰岩含水层之间隔水层厚度最大为16.68m，最薄处只有8.08m，区内平均厚度为13.2m。井下钻孔本溪灰岩含水层与奥陶系灰岩含水层水位一致，并且从水质化验资料来看，部分钻孔本溪灰岩水质已呈奥灰水质特征。加之本区岩溶陷落柱比较发育，因此，本溪灰岩水与奥灰水之间水力联系较好，可能存在奥灰水垂向越流补给现象或其它形式的补给方式。5.2矿井充水途径矿坑充水途迳是指连接充水水源与矿井之间的流水通道，它是矿井充水因素中最关键，也是最难以准确认识的因素，大多数矿井突水灾害正是由于对矿井充水途迳（导水通道）认识不清所致。矿坑充水的导水通导按其成因不同可分为：（1）构造类导水通道：如断层、裂隙等；（2）采矿扰动类导水通道：如顶板冒落、底板破裂、隔水性失效等；（3）人类工程类导水通道：如封闭不良钻孔等；（4）其它：如陷落柱、岩溶陷落等。不同成因、不同类型的导水通道所诱发的矿井充水形式各不相同。常见的导水通道及其相应的充水特征有：断裂构造：由构造断裂形成的断层破碎带，往往具有较好的透水性，会形成矿坑充水的良好通道。对于一些巨大的断裂，由于断层两盘的牵引裂隙广泛发育，该类断层（断层带）除了具有导水性质外，其断裂带本身就是一个含水体，因而还具有充水水源的性质。由于断层面或断层牵引的裂隙带导水而引发的矿井突水灾害在矿井突水事故中占有绝对主导的位置。但并不是所有断层都可形成导水通道，构造断裂的水文地质性质与其断裂的力学性质及其两盘岩性有着密切的关系，一般认为张性断裂的透水性较强，压性断裂的透水性较弱，扭性断裂的透水性则介与二者之间。实际上，断层的导、贮性要远比上述规律复杂的多，它不仅要受断层力学性质和岩性的影响，而且会受到断层面所受的应力状态、断层活动次数和序次、断层带胶结物性质与胶结程度等多种因素的影响。根据大量资料和断层导突水事例统计分析认为，断层的导水性受到两盘岩性的直接影响。一般来说，断层带的透水性与其两盘岩石的透水性具有一致性。当断层两盘为脆性可溶岩石时（如石灰岩、白云岩），断裂及其影响带裂隙、岩溶发育，具有良好的透水性；当断裂两盘为脆性但不可溶岩石时（如石英岩、石炭砂岩），断层两侧往往发能有张开性较好的牵引裂隙，具有较好的透水性；当断层两盘为柔性岩石（如泥岩、页岩）时，断层破碎带多被低渗透性的泥质成份充填，孔隙、裂隙率低，断层面闭合，一般不导水或导水性极弱。在分析断层的导水性时，应特别注意不要轻意将某条断层简单地划为导水断层、隔水断层或贮水断层，而应充分注意断层的水文地质性质具有方向性和局部性。即一条断层可以在某一方向导水，而在另一方向上隔水，或同一断层的某一部位导水，而在另一部位隔水。有些断层在初次揭露时隔水，但随采矿扰动可能发生滞后导水。所以，在研究和探测断层的水文地质性质时，一定要将其视为一个在不同部分具有不同岩性对接关系，不同部位具有不同应力状态，不同部位具有不同水理性质的复杂面状地质结构体，进行整体分析和分区评价，而不应以一点之见资料就对整条断层做出评价。顶板冒落：采煤工作面回采后顶板冒落所形成的垮塌裂隙属典型的采矿扰动类导水通道。矿床开发开采以后，由于在地下形成采空空间，如果没有专门顶板管理技术，则必然造成采空区上方岩层的变形、移动、破坏。形成开裂、离层或碎块状垮塌。一般情况下采动所形成的冒落带、导水裂隙带会将大青灰岩水导入采场。底板破坏：9#煤底板本溪灰岩含水层在煤层未开采前，处于一定的力学平衡状态之下，一旦矿体被开发在隔水层之上形成临空边界并产生应力释放后，在矿压和水压的作用下，隔水底板岩层必然受到不同程度的破坏，形成新的破裂面或使原有的闭合裂隙活化。一旦这种破裂面或裂隙构通底板承压含水层水时，必然导致底板之下承压含水层水涌入矿井。含水层的富水性是发生底板突水的内在因素，它决定着突水水量的大小及突水量的动态变化特征，水压力的存在是驱动含水层水流入采场的动力，而底板破坏所形成的破裂则是地下水得以流动的通路和咽喉，只有当三者同时存在并达到某种特殊组合时，才能发生底板突水。封闭不良钻孔：封闭不良钻孔是典型的由于人类活动所留下的点状垂向导水通道，该类导水通道的隐蔽性强，垂向导水畅通，不仅会使垂向上不同层位的含水层之间发生水力联系，而且当井下采矿活动揭露或接近时，会产生突发性的突水事故。由于封闭不良钻孔在垂向上串通了多个含水层，所以一旦发生该类导水通道的突水事故，不仅突水初期水量大，而且还会有比较稳定的补给量。所以在进行矿井设计和生产时，必须查清井巷揭露区或其附近地区各种钻孔的技术参数及其封孔技术资料，以确保不会因封闭不良钻孔而引起突水事故。陷落柱与岩溶塌洞：葛泉矿是陷落柱特别发育的矿井之一，由于煤系底部广泛分布的巨厚层奥陶系石灰岩含水层（本区一般厚度在690m），石灰岩中易溶性CO2的大量存在，使得其在漫长的地质历史过程中形成了巨大的地下溶蚀空洞，久而久之发展到煤系地层，从而形成陷落柱。截止到目前，葛泉矿总部矿井在开采2#煤过程中已经揭露陷落柱62个。风井在开采9#煤时很有可能会存在陷落柱的问题。陷落柱突水通道具有隐蔽性和难以探知性，陷落柱的形成原因决定了其具有点状导水构造的特点，尽管有些陷落柱的直径可达数百米，但和整个地质结构体相比，其仍具有很强的局部性，特别是在陷落柱的周边区域，地层层序仍保持着正常状态，这就形成了通过地层层序和构造形态分析预测陷落柱变的十分困难，甚至不可能，陷落柱的隐蔽性和难以探知性，决定了陷落柱突水具有突发性和难以防范性。因此、必须深入研究陷落柱的成因、性质和形态，达到超预测预报，防止陷落柱成为灾难性突水灾害的最危险导水通道。曹家湾矿煤系地层赋存为相对封闭式，地面无煤系露头，矿井在西北、东南部为边界断层（风井位于断层下盘煤层相对较高），西南、东北部为9#煤露头线，不易直接接受大气降水补给。通过石门揭露大青灰岩水文情况分析，地下水流向可能为东北向，因此，不排除矿井西北、东南部边界断层为导水断层，井田西部与南部地下水沿断裂破碎带补给9#煤上下含水层组。从而能使各含水层之间发生了水力联系，尤其是靠近下部的本溪含水层受补给性强。矿井充水通道可以分为9#煤层顶板大青灰岩水导水通道、底板本溪灰岩水导水通道和9#煤采空区导水通道，现分述如下：、9#煤层顶板大青水导水通道分析风井开采的9#煤层厚5-6m，厚度比较大，9#煤距大青灰岩0.5-17m。由于采用综采放顶煤一次采全高的采煤方法，煤层开采后，矿山压力对采空区上部岩层的破坏较大。所形成的冒落带和导水裂隙带高度，波及到9#煤层上部大青含水层时，就成为含水层对矿井充水的通道。、9#煤层底板本溪水导水通道分析9#煤层底板下14-22m为本溪灰岩含水层，厚度较小，加之9#煤底板隔水层裂隙相当发育，降低了底板隔水层的隔水性，为该承压含水层向矿井充水提供了良好的通道。另外，本溪灰岩至奥灰强岩溶含水层间距仅8-16m，在构造破坏或裂隙发育段，还可能成为沟通两者之间水力联系的导水通道。老空水通道随着矿井开采，不可避免会形成局部积水老空区。巷道掘进过程中，一旦与积水的老空区遭遇，将对矿井构成很大的威胁。另外，采动形成的煤层裂隙、钻窝、老巷等都可能成为老空水对矿井充水的水力通道。因此，工作面布置时一般应选择为伪上山布置形式，避免采空区积水。6、矿井主要水害因素分析综合分析矿井水文地质条件和矿井水害特征，影响和控制曹家湾矿水害的主要因素有：含水层的埋藏条件和构造开启性条件：由于主要充水含水层受边界条件（断层、露头补给）的直接或间接补给，补给强度和补给速度主要受含水层的埋藏条件、构造裂隙发育条件和水循环开启性条件控制。断裂构造发育情况特别是导水裂隙的发育与分布规律：裂隙储水、裂隙导水和裂隙突水已成为风井水害的明显特征，裂隙的发育与否决定了矿井是否具有突水的条件，裂隙的导水性能及其空间联通网络的大小、网络之间水力联系的密切程度决定了单个出水点水量的大小。研究和探查导水裂隙的发育规律、空间展布规律和控制因素对有效预测和防范矿井水害具有重要意义。矿井采掘扰动破坏程度：从矿井采掘层位与含水层的空间结构可知，9#煤层上部大青灰岩含水层处于顶板冒裂带范围之内，矿井开采必将造成其上部灰岩含水层水对矿井涌水，流入水量的大小决定于采掘扰动裂隙带及含水层空间范围及动水储量大小。而9#煤底板本溪灰岩含水层与9#煤层之间的相对隔水层厚度一般在20m左右，一旦由于采矿扰动或揭露导水裂隙也会使该含水层水直接涌入矿井。陷落柱：陷落柱具有突水水量充沛、突水水压大、流速高，突水通道具有隐蔽性和难以探知性的特点，具有突发性和难以防范性。一旦采煤活动揭露导水陷落柱，给矿井带来灾难性后果，如开滦范各庄煤矿2171工作面陷落柱，于1984年6月发生了举世瞩目的特大突水灾害，最大突水量为34.21立方米/秒。因此，本区陷落柱的存在是主要的潜在水害因素。综合上述，影响和控制风井生产的矿井水害因素主要包括9#煤层顶板大青灰岩含水层，9#煤底板下伏本溪灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层，开采底板破坏深度和顶板冒裂导水裂隙带高度、陷落柱导水因素等。7、针对主要水害因素需要查明的水文地质问题7.1 矿井已经完成和基本查清的水文地质问题葛泉矿是一个有着将近20年开采历史的矿井，矿井勘探、建设和生产过程中进行了大量地面物探工作和部分水文地质勘探、试验工作，积累了一定的矿井地质、水文地质资料。风井建设以来，已经完成和基本查清的水文地质问题有：井田所处的水文地质单元及其补给、径流、排泄条件基本清楚；井田发育的主要含水层、隔水层层序及其组合接触关系基本清楚，矿井主要充水含水层的分布、岩性、厚度、富水性、水化学特征等水文地质性质已经查清；井田内主要地质构造及其水文地质性质基本查清；井田内主要地表水体特征及其与矿井开采之间的关系基本查清；矿井主要的充水水源、充水途径、水害特征、矿井涌水量与相关因素之间的关系基本清楚；煤层顶、底板直接充水含水层的可疏性已经通过疏放工作得以验证；井田奥陶系灰岩含水层水位动态监测工作实现了即时观测，对奥灰水的水位动态特征、补给条件及其与大气降水量之间的关系比较明确。目前正在完善本溪灰岩含水层地下水观测系统。7.2目前存在并需要查明或进一步查明的矿井水文地质问题风井开拓、生产还在开始阶段，随着矿井的纵深开拓，一切新的水文地质情况还会出现，仅根据目前的生产现状已发现本区存在不能满足矿井安全开采的几个问题：首先，本溪灰岩富水性异常丰富的补给通道需要查明，查明是否为侧向单一补给方式或垂向裂隙补给，还是为隐伏陷落柱导水构造造成。其次，边界断层裂隙带及其伴生构造存在的导水可能性，使矿井水文地质条件复杂化，防治水工作难度增加，风井今后下组煤开采防治断层水的主要问题；最后，尚需要针对9#煤层开采开展一系列补充勘探和试验工作。并结合地震数据动态管理系统，对本矿井主要断层和陷落柱构造作进一步分析研究。综合上述，为了保证矿井持续稳定安全生产，尚需围绕上述问题开展水文地质勘探与试验工作，具体而言，曹家湾矿目前需要查明或进一步查明的矿井水文地质问题主要有以下5点：、进一步查明大青灰岩、本溪灰岩分段富水性，富水区段分布规律；、进一步加强对奥陶系灰岩水的动态观测，查明其它含水层水位动态特征。研究各含水层地下水流场及其随矿井生产排水的变化规律和趋势；查明各含水层之间水力联系情况，尤其是奥陶系灰岩含水层与上部各含水层之间的水力联系情况、补给关系、补给位置、补给范围和补给强度及相关的地下水动力学参数；探查矿井范围内的导水构造，如断层、裂隙发育带和陷落柱等，并研究其分布与展布规律、导水部位及与矿井直接充水含水层和煤层之间的对接关系。尤其是要查明9#煤底板隐伏导水构造；掌握和研究9#煤开采底板破坏规律和破坏深度。8、矿井防治水原则与技术路线8.1矿井防治水工作的基本原则根据煤矿安全规程、矿井水文地质规程和煤矿防治水工作条例等相关规程的要求，结合风井地质、水文地质条件和防治水工作现状，风井开采下组煤防治水工作应该遵循以下原则：预防为主，科学普查，有疑必探，先探后掘，探治结合，探采结合，综合治理，先治后采；建立以基础水文地质工作为平台的工作体系，井上探查手段以物探为主，钻探为辅；井下探测手段物探先行，钻探验证。井上下探测、监测与水文地质试验紧密结合；以地下水信息监测为基础，完善地下水观测系统和矿井水情水害实时监测体系；风井开采9#煤必须遵循从大范围底板注浆加固开始，条件成熟逐渐向局部注浆加固过渡；参考地面瞬变电磁勘探和三维地震勘探资料，矿井开采初始阶段选择在物探相对正常区段布设工作面，通过不断总结经验，逐步完善带压开采综合防治水技术；走与高校、科研部门合作的路子，探讨本区断层、陷落柱发育规律和探测预测办法，防治矿井灾害性水害发生；根据矿井水文条件变化情况，及时改造矿井防排水系统，提高矿井综合排水能力；建立水害安全保障体系的整体规划，设计整体目标，分解阶段目标，分区、分阶段实施规划与设计；防治水工程与矿井采掘工程相结合，防治水工程方案优化与经济效益相结合，选择经济有效、对矿井生产进度影响较小的防治水工程技术；防治水工程与水资源的合理利用相结合，在防治矿井水害、合理受控疏放地下水的同时注意对地下水资源和地表水体的保护。8.2矿井防治水工作技术路线为了使风井防治水工作更有目的性、针对性和方向性，使矿井防治水工程设计更具有建设性、可操作性和实用性。依据防治水工作的基本原则，并参考煤炭科学研究总院西安分院编制的有关防治水工程设计，制定了曹家湾矿防治水工作的技术路线：大青水对9#煤顶板大青灰岩含水层，采取以疏降为主的措施：根据巷道顶板淋水情况，掘进工作面每隔50-100m选择布置大青灰岩探放水孔一个，以查明水量、水压、水质等情况，根据水质化验跟踪分析，及时掌握大青水水质变化特征，防止大青灰岩通过断层或陷落柱构造与下部强含水层有连通造成水害事故。本溪灰岩水对9#煤底板本溪含水层采取见水即堵、整体注浆改造的原则。即巷道底板发现本溪出水时，进行打钻注浆封堵。钻孔一般设计为3-4个，终孔层位为本溪灰岩底板以下2m，并进行注浆加固，提高9#煤底板隔水层的阻水能力。注浆结束后打检查孔验证注浆效果，检查孔水量大于6m3/h或检查孔水量相当相邻注浆孔最大涌水量10%-30%时，则要求重新扫孔注浆，直至达到注浆效果。通过不断积累经验，分析掌握所有钻孔在9#煤底板下的出水深度、水量、水压、水质等特征。如出水部位较深（靠近本溪灰岩或本溪灰岩内）、水量不大时，可考虑继续掘进滞后采取底板注浆加固措施。并不断摸索单孔注浆扩散半径及结石率，尽量减少无效钻探和注浆工程量。奥灰水对奥灰强岩溶含水层以预防为主、探堵结合。采用三维地震数据进一步解释系统对本区三维地震资料进行再解释，并根据解释成果有针对性的做好防止奥灰突水技术工作。断层、陷落柱断层、陷落柱等地质构造破坏了岩层的完整性，常常成为含水层间的水力通道。断层、陷落柱的某一区段是否导水、导水性强弱、是沿破碎带上下连通还是仅仅水平接触导水，取决于成因的力学性质、构造带的成分结构、后期改造情况、岩层对接关系、含水层的水压以及采矿活动引起的围岩压力重新破坏作用。因此，在没有掌握断层、陷落柱各区段的导水性之前，应该把整个构造作为导水来对待。无论构造规模大小，均应严格按有关规程要求留设各类防水煤柱，或进行注浆综合治理，防水煤柱尺寸不得小于20m。注浆加固后须进行检查孔验证。详细的技术路线见图8-1所示。曹家湾矿掘进、回采工作面防治水工作技术路线框图 图8-19、矿井防治水技术研究风井建设过程中，下组煤开采底板含水层改造技术研究项目将会贯彻始终，除针对导水断层、底板导水裂隙和陷落柱研究外，还应对矿井基础水文地质工作进行研究。9.1 主要水文地质研究工作水文地质研究与分析工作是矿井防治水工作的重要方面。服务于矿井高产高效生产过程的水文地质安全保障体系的建立是在对以往积累的资料客观分析和研究的基础上，提出科学合理的防治水方案，并不断优化和完善防治水工程设计，从而制定出切合实际、易于实施、经济有效的矿井防治水工程措施，并付诸实施。水文地质安全保障体系的建立是不断的发现问题，分析问题，解决问题的过程。基于曹家湾矿的防治水工作现状和生产安全的需要，风井在2006年至2010年防治水工作中需要针对以下问题进行分析与研究：9.1.1 矿井基础水文地质资料分析与研究在做好矿井日常水文地质调查和资料整理的基础上，对基础水文地质资料的分析与研究应该贯穿于矿井建设与生产的整个过程。如下图（图9-1）所示：图9-1 矿井基础水文地质资料分析与研究内容框图矿井基础水文地质资料分析与研究包括对矿井水文地质条件研究；构造地质、工程地质与矿井水害的关系分析与研究；对矿山水害类型及分布规律究；对矿井水害产生的条件及主要影响因素的研究，其中两个重要的部分是对矿井充水水源和充水途径的研究。9.1.2 矿井基础水文地质手段的提高目前解决风井地质问题的主要手段为钻探、物探，其中钻探是最直接最有效的方法之一，钻探技术的提高将直接关系到防治水整体技术效果。针对风井前期钻探注浆工程中存在的一些问题，下列关键问题将是重点解决对象：止水套管安装固结技术：尤其是单一径套管的安装技术，它关系到后期注浆工程的成败，往往由于套管固结质量存在的问题，导致注浆过程中需要堵漏填加料处理，使孔内本不畅通的毛细裂隙堵塞，钻孔吃浆量很小的情况下压力很快升高无法注浆。因此，必须研究和解决止水套管的封孔技术，尤其是钻孔的快速封孔技术。钻孔注浆技术：针对注浆过程中底板漏浆、钻孔串浆等影响注浆效果的因素，今后应重点不断摸索经验逐一解决。根据底板破坏深度研究资料，选择加长孔口管长度或其他方法。10、矿井防治水工程规划10.1、矿井防治水现状风井9#煤首采工作面已经圈出，掘进过程中严格按风井区首采工作面防治水工程设计和1192首采工作面底板注浆改造工程设计进行防探水底板注浆加固工作，共计施工底板注浆加固钻孔51个，注浆效果检查孔12个，底板破坏深度观测孔5个。工作面内部钻孔已经全部注浆完毕，共注水泥9330t。目前正在组织专家评审论证。其中注浆量最大的钻孔即靠近SF2断层带施工的92Y9-1孔，到目前为止已经分次注入水泥2469吨，并且仍未结束注浆。工作面内其它注浆孔如90Y6-1、90Y7-1、90L10-1、90L8-1、90L7-1孔注浆量也超过600吨以上，说明靠近工作面上段本溪灰岩裂隙溶洞比较发育，尤其在断层附近，底板隔水层阻水能力相对较弱。通过工作面整体注浆加固，有效提高了底板隔水层的阻水能力，为9#煤工作面安全开采，避免灾害性水害事故发生奠定了基础。10.2防治水工程规划根据采掘计划，风井9#煤试采区防治水工作分几个阶段进行，即工作面掘进前、巷道掘进阶段、工作面回采前、工作面回采阶段。各个阶段的具体任务各有侧重。目前风井区大部分地区已经进行三维地震勘探，但是首采工作面处于地震勘探区以外，因此，在工作面掘进阶段和回采之前必须加强对煤层底板构造尤其是导水构造的探查与治理。一采区巷道掘进期间，对掘进头前方煤层底板导水构造的探查是防治水工作的重点。应该遵循“有疑必探，先探后掘”的原则，探测方法的选择应该以“物探先行，钻探验证”为原则。即巷道掘进前，首先采用直流电法超前探测技术，对掘进头前方进行超前探测，若存在低阻异常区，则必须采用钻探手段进行探查验证，对钻探验证查明的导水构造，采用注浆加固的方式进行治理，方可继续掘进；若掘进头前方未发现低阻异常区，则保持20m以上的超前距离正常掘进。对于已经掘成的巷道，还要对巷道底板和侧帮进行直流电法侧向探测，发现低阻异常进行钻探验证，对确认的垂向导水构造进行注浆加固，方可防止巷道底板及侧帮滞后突水。对掘进头前方及已掘巷道直流电法勘探的过程，也是对煤层底板下伏本溪灰岩含水层富水性特征的探查研究过程。其工作流程见下图