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含CAD图纸+文档 麻家梁 煤矿 8.0 Mta 设计 CAD 图纸 文档

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厚煤层富水顶板控水开采技术0引言目前，在我国一次能量消费结构中，煤炭占75%以上。煤炭不仅是我国的基本燃料，又是重要的工业原料。但在煤炭开采过程中，安全问题频出，直接危害生命财产安全。一直以来，矿井水害是煤矿五大地质灾害之一，是威胁矿井正常、有序生产的关键。在建井和生产过程中，流入矿井的水对矿井建设和生产有很大影响。工作面淋水影响工人的身体健康和劳动生产率的提高。当矿井的涌水量超过矿井排水能力时轻则造成停产和局部巷道被淹，重者使整个矿井淹没。尤其是“透水”，对安全生产危害更大。因此，必须研究矿井水的形成，制定经济、合理、有效的防治水措施，保证安全生产。本文以山西省朔州市麻家梁矿井为例，研究厚煤层富水顶板控水开采技术，为指导矿井安全、高效生产提供理论基础与实践经验。1 麻家梁矿井简介1.1地理位置麻家梁井田位于山西省朔城区的东南部，为同煤浙能有限责任公司一基建矿井，设计生产能力1200万t/a，面积约98.5 km2，计划2011年年底投产。矿井采用竖井开拓方式，初期主采4号煤层，采用综放开采方式。1.2矿井水文地质1.2.1主要含水层本区6个含水层自下而上分述如下：1）下奥陶系岩溶裂隙含水层（O1）区内无钻孔揭露，邻近区仅有三孔不完全揭露。岩性主要为白云质灰岩、石灰岩及白云岩。以溶隙、溶洞为主要岩溶形态。富水性强，为一岩溶裂隙承压含水层。2）中奥陶系岩溶裂隙含水层（O2m）揭露奥灰最大厚度为97.70 m，一般揭露70 m左右。岩性以灰色、浅灰色中厚层状细隐晶质石灰岩、白云质灰岩为主，夹薄层状泥质灰岩及角砾状石灰岩。顶板埋深281.00703.00 m左右。岩溶裂隙发育，以溶隙、溶孔为主要岩溶形态。岩溶裂隙的发育具有垂向分带性，平面上也有一定的分区性。中奥陶系上部分为三个含水段。上含水段：发育较稳定。距O2顶板22.80 m，岩溶裂隙带厚0.6016.50 m，平均厚度5.00 m左右。据区内钻孔抽水实验及简易抽水资料，单位涌水量为0.002150.0535 L/sm，31192孔简易抽水实验单位涌水量达3.365 L/sm。中含水段：发育不稳定。距O2m顶板23.7557.00 m，岩溶裂隙带厚0.8011.20 m，平均厚度4.00 m左右。29188号孔钻进奥灰31.60 m时钻具下落0.40 m，并出现严重漏水；33199号孔揭露本含水段，从其水位及岩芯情况来看，其富水性很弱。下含水段：发育较稳定。距O2顶板46.60106.85m，岩溶裂隙带厚0.6013.40m平均厚度6.00左右。据钻孔抽水试验，单位涌水量1.049L/ sm。综上所述，各含水段岩溶裂隙的发育强弱不等，富水性极不均一。据全区资料分析：下含水段富水性比上含水段要强，而上含水段又比中含水段强些。本组水位标高10591062 m。水质类型HCO3CaMg型水，矿化度0.30.6 g/l。上含水段与中含水段距煤层较近，对煤层开采的影响较大。由于其富水性一般较弱，部分区域可作为相对隔水层段。中奥陶系中下部的含水段分布稳定，富水性强。奥灰水是下部煤层开采的主要威胁。3）上石炭系裂隙含水层（C3t）厚度为61.6198.65m，平均79.32m。岩性主要为细中粒砂岩，成份以石英、长石为主。分选差，泥硅质胶结，全区普遍发育。9号煤层上部发育一层较稳定的砂岩，局部构成9号煤层的直接顶板，裂隙发育一般，富水性弱。抽水试验单位涌水量0.00162L/sm，水位标高1065.14m，水质类型为HCO3Na型水，矿化度0.50.7g/l，为一裂隙承压弱含水组。4）早二叠系下部裂隙含水层（P1s）厚度为61.22102.06 m，平均81.34 m。其中以位于4号煤层上下的K5、K4砂岩比较稳定，厚度较大，岩性主要为细粗粒砂岩及砂砾岩，成份以石英为主，长石次之，分选中等，硅泥质胶结，K5砂岩在局部构成4号煤层的直接顶板。其它砂体厚度变化大，层位多不稳定，裂隙发育一般，富水性弱。抽水试验单位涌水量0.00351L/s.m，水位标高1068.64 m，水质类型为HCO3Na型水，矿化度0.40.7 g/l，为一裂隙承压弱含水组。上述两含水组为4号煤层直接充水含水层，但由于富水性弱，补给条件较差，含水体较为封闭，对煤层开采存在一定影响。5）新生界中、下部孔隙含水层厚度20.3242.7 m，平均119.69 m，埋深36.30153.70 m。全区分布，构成基岩直接盖层，此组分为三个含水段：上含水段：厚16.80139.30 m，含水层段平均厚20.22 m。发育稳定。岩性为细粗砂及砂砾石组成，分选中差。27166号孔揭露该段，抽水试验单位涌水量0.00756 L/s.m，水位标高1079.87 m，水质类型HCO3NaCa型水，矿化度0.455 g/l。中含水段：厚0123.60 m，含水层段总厚083.85 m，平均19.33 m，发育较稳定。岩性以细、中砂为主，分选中差。33211号孔揭露上含水段和中含水段，抽水试验单位涌水量0.0333 L/s.m，水位标高1072.93 m，水质类型HCO3MgNa及HCO3ClCaNa型水，矿化度0.4100.637 g/l。下含水段：厚0114.80 m，含水层段总厚076.80 m平均28.18 m，发育不稳定，以细、中砂为主，夹少量砾石层，分选差，其底部有一层发育不稳定的粘土、亚粘土层，厚055.60 m。新生界中下部抽水试验孔3510揭露3个含水段，单位涌水量0.0117 L/s.m，水位标高1173.59 m，水质类型HCO3CaMg。6）新生界上部孔隙含层厚36.30153.70 m，平均厚84.50 m。岩性为细粗砂、砂砾石层及砂土、粘土、亚粘土组成，全区分布。富水性强中等，为一孔隙潜水含水组。有供水意义。1.2.2隔水层1）中石炭系碎屑岩隔水组（C2b）本组即本溪组地层，厚度26.7263.71 m，平均43.19 m。埋深227.36793.91 m。岩性以泥岩、砂岩为主，夹煤线和泥灰岩，底部发育不稳定铁矿层。其中泥岩、铝土质泥岩、粉砂岩等厚度占全组厚度60%以上，泥灰岩、泥质灰岩岩溶裂隙不发育。本组厚度呈现由北向南变薄趋势，全区来看，本溪组地质为一较稳定的隔水组，隔水性能较好。2）二叠系中下部碎屑岩隔水层（P2s+P1x）厚度0414.88 m，平均188.25 m。岩性以泥岩为主，砂岩次之，并夹砂质泥岩、砂砾岩和铝土岩。砂岩成份以石英为主，长石次之。全组粒度自下而上逐渐变细，粉砂岩、泥岩、砂质泥岩、铝土质泥岩占该组厚度的60%以上，裂隙不甚发育，富水性很弱，是一相对隔水组，隔水性能良好。2 矿井4号煤层开采水文地质2.1含水层分析与充水水源1）地表水4号煤层顶板煤层覆盖层厚度均在300 m以上，而根据经验计算，4号煤层回采后冒裂带高度为151.64 m，正常情况下冒裂带不会发育到地表，地表水对煤层回采无影响。2）松散层含水层（第四系冲积层含水组、第三系砂砾层含水组）。该含水层主要接受地表水和大气降水的补给，富水性较强。4号煤层回采顶板冒裂带为151.64m，煤层上覆基岩厚度一般都在300 m以上，煤层回采后一般不会沟通松散层含水层，对煤层回采不会造成影响。3）山西组砂岩裂隙含水组。该含水层组以4号煤层顶底板K5、K4砂岩为主，厚度较大且比较稳定，为4号煤层主要直接充水水源。根据矿井地质及水文地质资料分析，该含水层组富水性一般较弱，主要以静储量为主，在采取一定的防治水技术措施后，含水层对煤层开采一般不会造成威胁。但该含水层在向斜轴部和裂隙发育区段富水性相对较强，水量比较集中，对矿井生产会造成一定影响，因此，在采掘至这些区段时，应加强探查和探放水工作，避免水害事故的发生。4）太原组砂岩裂隙含水层组。该含水层组主要为K1、K2砂岩裂隙水，厚度为61.6198.65 m，平均79.32 m，裂隙发育一般，富水性较弱，对煤层开采一般不会造成威胁。5）中奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。麻家梁井田地处神头泉域奥灰水的迳流区，属强含水层。奥灰水（马家沟组）水位标高在+1059 m+1062 m之间。根据4号煤底板等高线图可以看出，底板等高线介于+620 m+720 m，4号煤层相对奥灰含水层均为带压开采，但4煤层距奥灰含水层距离较远，隔水层厚度均在100 m以上，在完整底板情况下奥灰水对煤层回采不会造成威胁。2.2煤层开采对顶板的破坏岩层采动破断贯通裂隙是煤矿突水的通道，采动裂隙演化规律是判断矿井突水发生条件、进行矿井突水预测和制定矿井开采对策的重要理论基础。煤层回采对顶板的破坏计算：4号煤层回采对顶板的破坏计算根据矿井水文地质规程（试行），4号煤层顶板岩层抗压强度为41.6 MPa82.8 MPa，因此，采用下面公式对冒裂带进行计算：其中：为冒裂带高度，m；为煤层厚度，m；分层数。在这里，煤层采用综放开采，取n为1，M取平均厚度6.32 m，经计算约为151.64m。即煤层开采形成的冒落带与裂隙带的高度约为151.64m。3矿井防排水麻家梁煤矿主采煤层与主要含隔水层结构关系示意图如图3.1所示。 图3.1 麻家梁煤矿主采煤层与主要含隔水层结构关系示意图麻家梁矿初采4号煤层，14101综采工作面顶板大部为灰白色中粗粒砂岩，厚度5.0-13.0 m，平均5.0 m。部分地段直接顶岩性为深灰色泥岩、粉砂岩，厚度0-5.93 m，平均1.1 m。其中灰白色中粗粒砂岩（即k5砂岩）为4号煤层顶板的主要含水层。115地质队在J2井检孔对该段进行了抽水试验，其水位标高为1064.81 m，涌水量2.633 L/s，单位涌水量0.0181 L/s. m，渗透系数0.218646 m/d。173地质队提交的勘探地质报告评述该段的单位涌水量小于0.1 L/s. m， 属弱含水层，但在主井施工中实测该段的最大涌水量为105.4 m3/h，三天后涌水量下降到50 m3/h，在副井的施工中，探眼探至4号煤层顶板以上3-4 m的位置，探孔涌水量最大达到20 m3/h，水压达到2.5 Mpa，在665水平大巷的施工过程中4号煤层顶板的含水层通过锚栓孔涌入巷道，实测单孔流量最大为17 m3/h。井田内奥灰水位标高1059-1062 m，单位涌水量0.1-1.0 L/s. m，富水性强。根据国家的有关规定，在掘进过程中坚持“预测预报，有掘必探，先探后掘，先治后采”的探放水原则，进行探放水工作。3.1顶板水控制技术3.1.1顶板水富水性探测由于在不同岩石所组成的地质体中，岩石的含水性对其相对电阻率有较大的影响、含水地层具有相对电阻率较低的物性特点，且含水程度的差异与地层电阻率的变化幅度相对应，所以，通常采用电磁探测技术测量地下地质体中的电性分布规律进而达到探查矿区导含水地质体的分布及其导含水条件。这种对地层电性参数的获取是三维地震等弹性探测方法所不能及的。在采煤工作面形成后，直流电法在下巷中进行，而音频电穿透则需同时在上巷和下巷中进行。直流电法对地质异常体在垂向上分辨比较清晰，而音频电穿透法对地质异常体的位置分辨比较清晰，因此两者结合可以取得满意的效果。3.1.2超前物探巷道掘进应将超前探测作为日常防治水的重要内容，超前探的主要方法有两种：井下直流电法、瞬变电磁技术。由于在麻家梁煤矿4号煤层为带压开采，又井田断层比较发育，因此，在矿井采掘过程中，超前探测尤为重要。电法探测掘进头前方的含水构造及赋水异常体等，这一方法在煤巷中使用效果较好，因为煤为高阻介质，在有含水构造时介质的电阻差异很大，易于发现异常；而在砂、泥岩中使用效果不好，原因是砂、泥岩为低阻层，其内的含水构造电性差异小。由煤科院西安研究院生产的井下直流电法仪超前探测距离能达到80-120 m，为巷道带压安全掘进提供有力保障。本规划要求在巷道掘进过程中，每60-80 m先进行井下直流电法超前探查，并根据探查结果对异常区段进行钻探验证，经查明后再进行掘进，确保巷道掘进安全。3.1.3采煤工作面音频电穿透法探测1）音频电透视法探测原理由于地下各种岩（矿）石之间存在导电差异，如表3.1所示。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的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的目的。表3.1 一般煤系地层常见岩石电阻率值岩名煤泥岩砂岩石灰岩矿井水电阻率 （Wm ）101041501105604105110从大的范畴来说，矿井音频电透视法属矿井直流电法。因其施工方法技术、资料处理技术的差异及主要针对性（探测采煤工作面顶底板含富水异常）等原因而形成矿井音频电透视法分支。含水构造可以模拟为局部地质体，如图3.2所示。对于井下局部地质体的附加场，可用导电球来说明问题。即电流场中导体的异常可以近似地看作电偶极子的异常。其表达式为：由于r11，r21，故r1-r2lcosq，r1r2r2，上式变为：式中在直角坐标系中偶极场的电位分布关系式为：图3.2 含水构造的模拟及电位异常反映特征示意图当q90时： 则低阻良导体产生一个负电位。对于井下近似三层地电模型来说，其点源场电位表达式为：式中：Uo为无局部地质体时的电位分布；Un为局部地质体的异常场。根据以上公式可以看出异常曲线（U/U0）是以点源A与地质体连线的延线为对称轴的轴对称曲线，如图3.2.b所示。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、发面距离越小，异常幅度就越大；反之则越小。图3.2.c为地板下存在含水体与不含局部水体等两种条件下电位测量曲线的比较示意图。2）音频电透视工作量设计物探测点时，14101工作面胶带顺槽、辅运顺槽均以665回风大巷（南）与顺槽的交叉口为起点，向切眼方向以10 m的点距编号标点，两条顺槽各标了264个坐标点，共计528个坐标点。测网密度：接收点距10 m、发射点距50 m，针对每个发射点，在另一巷道与之对称点附近一定区段进行扇形扫描接收，每个发射点一般对应1526个接收点.如图3.3所示本次物探工作，两顺槽共布置104个发射点（两条顺槽各52各），为了探测工作面顶板上040 m高度附近的水文地质状况，拟采用F=120hz频点进行观测。a.轴向单极偶极法 b.井下电透视测量方式图3.3 矿井音频电透视施工布置图3）14101工作面顶板音频电透视剖面部分音频电透视采集的参数有发射点位置、接收点位置、电位差、发射电流和接收间距等。考虑到资料处理的方便与直观，处理过程中把视电阻率值转化为视电导率值。由于视电导率与视电阻率呈反比例关系，电透视成果图上视电导率数值越大表示异常越强。资料处理与解释方法有人工交汇法与CT成像法两种。现在一般都采用CT成像方法处理、解释。交汇法就是根据集流效应使得点源场中低阻良导电地质体方向上的电位下降梯度增大（高阻地质体情况，则刚好相反），由异常曲线的拐点来划分异常区间，并交汇出异常范围的方法。这种方法人为因素影响较大，因人而异，误差较大。层析成像法：1972年首台X射线CT机问世，此后CT技术迅速渗透到其它领域，穿透波也由X射线扩展到地震波、超声波、无线电波等。其探测应用范围也从人体扩展到整个地球物理勘探。八十年代中后期，S.Lee根据电磁波与地震波的相似性，实现了拟地震法电磁数据成像；我国在这方面的研究应用发展很快。现在地震波层析成像，无线电波层析成像等已取得了比较理想的地质效果。而矿井音频电透视法层析成像处理，则是一种新的尝试。矿井音频电透视层析成像原理：矿井音频电透视层析成像是利用穿过采煤工作面内的沿许多电力线（由供电点到测量点）的电位差数据来重建采面电性变化图像的。设X为供电点与测量点之间的连线，DU为电位差，可以证明：式中：为电性参数（是x，y的位置函数）；C为调节系数。我们把整个研究范围剖分为J=MN个单元来考虑，把所研究的问题离散化，如图3.4所示。假定第j条射线穿过I个单元，则第j条射线上的电位差表达式：式中：分别为第j条射线位于第I单元内的长度（各单元序号是x，y的位置函数）；为第I个单元内的电性参数。图3.4单元剖分图将所有各射线建立方程，则有：则所有问题转化为:根据数据来计算的值。由于这是一个超定方程组，很难求其精确解，故采用多次迭代的近似值法来求其近似解。解释原则：层析成像图件是以颜色分级的，原则上分多级，以便更细致地划分电性的递变规律。但实际解释中，应结合有关已知地质资料来划分级别，使物探资料更切合实际地质规律。据数理统计学，一般可把数据分成、等5个级别，并可设定为异常阀值(其中为参数算术平均值，为参数的标准偏差值)。对于电导率值的区域，可解释为异常区。异常性质则根据异常形态结合地质条件与构造发育规律进行综合分析推断。4）音频电透视探测14101工作面顶板上040 m高度层段岩层视电导率等值线图成果图中的等值线参数为顶板上040 m高度层段平行于4号煤层底板的曲面附近地层的综合视电导率值。一般情况下，在地层层位分布稳定、岩性相对均一的情况下，电性分布稳定，视电导率等值线分布均匀、变化平缓。若存在含导水构造情况下的电性均匀分布规律被打破，反映在图上为视电导率值增大，视电导率等值线扭曲、变形为圈闭或呈密集条带状等。在彩色平面图上则高电导异常区更为直观，表现为绿颜色，且导电性越好，绿颜色越深。视电导率值越高，说明地层的相对综合导电性越好。图3.5为14101工作面4号煤层顶板上040 m高度附近视电阻率低阻异常平面图，主要反映了4号煤顶板上方040 m高度范围内砂岩层段电导率值横向分布情况。岩层的电导率值在0.235.63（S）间变化，平均值为1.65（S），标准偏差为0.78（S），依据划分异常的标准，即为大于2.43（S）的区域为相对低阻（高电导）异常区，其中存在5个视电导率值2.43（S）的异常条带，统一编号为“1号异常区”“5号异常区”。 异常区以蓝颜色表示，颜色越深，异常幅度越强，没有颜色的区域为高阻区和正常区域。图3.5 14101工作面顶板上方040m高度层段音频电透视成果图从图上看，1号异常区位于胶带巷的3#66#探测点、辅运巷的0#76#探测点所形成的区域，异常较为分散，其中存在两处幅值相对较强的异常条带，分别位于辅运顺槽的0#5#探测点向工作面内延伸的部分和辅运顺槽的14#30#探测点-胶带顺槽的22#26#探测点形成的条带区域。2号异常区位于胶带顺槽的80#99#探测点-辅运顺槽的90#105#探测点所形成的区域，异常较为分散，幅值也相对较弱。3号异常区位于胶带顺槽的149#191#探测点-辅运顺槽的135#190#探测点所形成的区域，异常的范围相对较大，幅值也相对较强。4号异常区位于胶带顺槽的200#231#探测点-辅运顺槽的196#232#探测点所形成的区域，异常的范围相对较大，幅值中等。5号异常区位于胶带顺槽的236#264#探测点-辅运顺槽的243#262#探测点所形成的区域，异常的范围中等，在胶带顺槽的260#264#探测点-辅运顺槽的251#256#探测点所形成的条带区域存在一处幅值相对较强的低阻条带。5）异常性质及富水性评价本次物探工作共圈定5个较大的异常区，其中3、4、5号异常区的形态比较相似，1、2号异常区比较分散。从异常的幅值来看，3号、5号异常区的幅值相对较强，1号、4号异常区的幅值中等，2号异常区的幅值相对较弱。下面就结合有关地质、水文及掘进等资料对各异常区进行综合分析解释。1号异常区靠近14101工作面设计停采线附近，异常的形态比较分散，从采掘工程平面图上来看，该部位存在一条落差2 m左右的断层横穿655回风大巷，向工作面内有一定的延伸，辅运顺槽0#5#探测点向工作面内延伸的异常条带与该断层应该存在一定的联系。另外，辅运顺槽的14#30#探测点、胶带顺槽的22#26#探测点形成的条带区域未揭露明显的构造，但异常的形态比较连续，异常的存在疑似为顶板K5砂岩裂隙相对发育所致，从幅值上来看，该部位的异常幅值为中等强度。2号异常区的范围相对较小，分析认为该异常主要表现为4#煤层顶板K5砂岩裂隙发育，异常的幅值相对较弱。异常的形态比较分散，说明该异常部位上方的K5砂岩含水性极不均一。3号异常区的范围相对较大，异常幅值也相对较强。采掘工程图上显示巷道掘进通过该区域时揭露有5条断层，异常3的存在反映该部位受断层切割的影响，顶底板岩层相对比较破碎，裂隙带具有一定的富水性，巷道掘进通过该区域时，顶板也存在明显的淋水现象。4号异常区范围相对较大，异常的幅值中等。采掘工程平面图上显示该部位并未揭露明显的构造，异常的存在疑似为煤层顶板K5砂岩裂隙发育且相对富水所致，异常的形态比较分散，说明顶板上方K5砂岩的富水性不均一。5号异常区范围相对较大，异常的幅值也相对较强，尤其在胶带顺槽的260#264#探测点-辅运顺槽的251#256#探测点所形成的条带区域更为明显，不排除该部位存在含导水构造的可能，井下巷道掘进到该异常部位时，顶板淋水现象也比较明显。另外，该异常区位于工作面切眼附近，为首次来压区。切眼位置又比较接近下石碣峪王万庄向斜轴部，向斜的存在给地下水的聚集提供了比较好的赋存条件，因此该异常区应作为14101工作面防治水工作的重点。3.1.4采煤工作面高分辨直流电流法探测1）高分辨直流电法探测原理矿井直流电法属全空间电法勘探。它以岩石的电性差异为基础，在全空间条件下建场，使用全空间电场理论，处理和解释有关矿井水文地质问题。测深法是研究深度方向地层电性变化规律，从而获得深度方向地层各种地质信息的一种物探方法。它是在同一点逐次增大供电电极距，使勘探深度由小逐渐变大，于是可以观测到测点处沿深度方向由浅到深地层的变化特征。它主要用于研究电性分层和水文地质问题。与地面电法不同的是井下电法是以全空间电场分布理论为基础，在地下巷道中进行电法测量工作，地下电流通过布置在巷道内的供电极在巷道周围岩层中建立起全空间稳定电场，该稳定场特征取决于巷道周围岩石的电性特征及其赋存状态。高分辨电测深技术使用对称四极和三极测深法，针对探测巷道底板含、导水构造裂隙而设计。测量示意图如图3.6所示。井下采集的第一手资料是反映岩石电性特征的视电阻率（单位：m），使用西安分院井下电法专用软件对井下采集的原始数据进行处理和解释，具体步骤如下：（1）数据整理。对所测视电阻值进行全空间校正，巷道空间校正，同时形成视电阻率曲线图，视电阻率等值线剖面图；（2）提取视电阻率中的含水信息。解释含水、导水构造及潜在导水、突水通道，并分析构造异常体的含水、导水规律。（3）提取视电阻率中的岩石电性分层信息。用于解释工作面顶、底板隔水层厚度、含水层厚度、含水层原始导升高度。（4）立体成图。对不同深度进行类似“CT”成像的剖面、水平切片，分离出电法含水异常区域，可得到含水（或不含水）视电阻率低阻（高阻）异常剖面图、平面图，进行立体解释。该技术有如下特点：改进数据采集方法，取值间隔由原来的对数坐标，改为算术坐标，使测量数据加密，达到高分辨探测的目的。由原来的一次解释一个测深点，改为一次可以解释一条剖面多个测深点，大大提高了解释速度。剖面多点连续解释法，剔去了因干扰使单个测点解释误差较大的缺点，能大幅度提高探测精度。ABMN巷道 低阻异常体A 对称司机测深装置 MNB 测量点击移动方向 OB 三级测深装置 图3.6井下电法四极和三极装置测量示意图2）高分辨直流电法工作量根据本次井下电法勘探任务，结合井下实际地质情况，决定采用高分辨电测深之三极测深方法进行井下探测。选用最小极距25 m，最大极距为115 m，可以探测到4#煤顶板上约80m深度范围内的低阻异常的分布情况。本次探测的两条顺槽各长2640 m，设计点距为30 m，共计测深点176个3）14101工作面顶板高分辨直流电法部分首先对探测区段内视电阻率曲线类型图和视电阻率断面图进行定性解释，定性分析断面上纵向、横向视电阻率的变化情况；然后在定性解释的基础上对数据做进一步处理，可得到各探测区段巷道顶板视电阻率低阻异常断面图和平面图等，分离出电性异常区域，最后结合已知地质资料，把电性异常转化为地质异常。为了形象地表示各条巷道底板视电阻率的变化情况，将所测各点的视电阻率值绘制成以点号为横坐标，深度为纵坐标的视率电阻率等值线剖面图，此图可直观地反映沿巷道方向4#煤顶板上岩层横向、纵向视电阻率的变化特征。在视电阻率低阻异常断面图上绿色区域为低阻区，白色区域为高阻区，其它颜色为过渡区，颜色渐变可反映煤层底板岩层视电阻率的高低变化和过度情况。经过上述处理流程得出物探成果图件。将物探成果图件和已知的地质资料相结合，进行综合分析得出地质结论。本项目提交成果图件五幅：图3.7 14101工作面胶带顺槽顶板视电阻率等值线断面图图3.8 14101工作面辅运顺槽顶板视电阻率等值线断面图图3.9 14101工作面胶带顺槽顶板视电阻率低阻异常断面图图3.10 14101工作面辅运顺槽顶板视电阻率低阻异常断面图图3.11 14101工作面顶板上方20m高度层段低阻异常趋势平面图图3.11：14101工作面顶板上方20m高度层段低阻异常趋势平面图3.1.5物探结果综上所述，我们可以得出如下结论：1）14101工作面音频电透视探测成果显示：14101工作面上方0 m40 m高度层段 内主要发现了五处视电导率异常，异常相对比较分散，说明K5砂岩的含富水性极不均一。其中1号、3号异常区的存在主要受构造控制；2号、3号异常区疑似为K5砂岩局部裂隙发育且相对富水所致，其中4号异常区范围相对较大；5号异常区靠近切眼附近，位于首次来压区，而且比较靠近下石碣峪王万庄向斜轴部，回采前应引起足够重视。2）14101工作面高分辨直流电法探测成果显示：14101胶带顺槽主要发现了4处视电阻率低阻异常，其中1号、4号异常区为K5砂岩层段的异常，4号异常区裂隙带还存在纵向发育的特征；14101辅运顺槽主要发现了8处视电阻率低阻异常，其中1号、3号、4号、6号、8号异常区为K5砂岩层段的异常，其中4号、6号异常区范围相对较小，幅值相对较弱，1号、3号、8号异常区幅值相对较强，裂隙带还存在纵向发育的特点。3）14101工作面上方K5砂岩含水层为该工作面回采中的主要充水含水层，为了探查K5砂岩层段的低阻异常平面分布趋势，我们抽取了工作面顶板上方20 m高的层段的低阻异常平面趋势图，共发现了4处大的低阻异常区（I、II、III、IV号异常区），这4处低阻异常区分别与音频电透视探测的1号、2号、3号、5号异常区相对应，说明这四处异常区是客观存在的，音频电透视探测的4号异常可能是局部异常。3.1.6顶板水的预疏放对顶板砂岩水进行预疏放为工作面回采大幅度降低水压，以防顶板冒落时大流量突水冲溃工作面，减少工作面涌水对回采的影响。一般采取两种形式：1）顶板疏放钻孔为了减少顶板砂岩水对回采的影响，应探明工作面顶板上方岩层赋水状况，结合工作面物探成果，对开采煤层顶板上覆含水层进行预疏放，对顶板砂岩水提前疏水降压，降低由于顶板冒落引起顶板水集中涌入工作面的峰值强度，消除或减弱工作面回采时砂岩水对开采的威胁。在工作面上巷施工放水钻孔，将顶板砂岩水相对集中的涌水方式改为相对分散的、循序渐进的逐段放水方式。结合物探探查异常区进行重点疏放，提高单个钻孔放水效率，扩大放水区域，减少放水孔数量。而对4号煤层顶底板砂岩裂隙水应根据物探探测结果对富水异常区段进行顶底板水预疏放，以保证巷道及工作面安全顺利进行采掘。（1）在主井以东665胶带大巷每100m布置一个泄水钻孔，钻孔方位45，倾角40孔深50 m，穿透4号煤层顶板以及3号煤层顶板的砂岩含水段，以降低水压，尽快使这一承压含水层转变为非承压含水层，以减轻综采工作面掘进过程中的水患。总计布孔10个，总进尺:500 m。（2）巷道掘进过程中，应根据物探探查结果，对水文地质异常区段，如断裂富水带、向斜轴部富水区以及老空水等，应布置钻孔进行超前探放水工作。在探放的过程中，涌出的地下水需作水质分析、环境同位素测试，以确定来水水源。如果涌水水量达到200 m3，那么需要配合水文地质观测，观测方法可参照多孔放水试验的观测方法。进一步了解水文地质参数。做到“物探、水质与同位素分析、水文地质观测”同步进行。安排在14101辅助运输巷与14101胶带顺槽，目前每100 m掘有钻窝，预计每个钻窝布置3个顶板疏水孔，顶板疏水孔的深度为120 m，倾角为20，终孔直径为57 mm， 14101辅运顺槽共布置顶板疏水孔 28 组，共计布孔84个，总进尺8400 m；14101胶带顺槽共布置顶板疏水孔29组，共计布孔87个，进尺总8700 m。两条顺槽巷共布置顶板疏水孔171个，底板疏水孔 57个，总进尺17100 m。疏水工程布置如图3.12，钻孔见图3.13。图3.12 工作面顶板水疏放工程布置示意图（3）在主井以东665胶带大巷的端头，布置沿煤层的水平钻孔1个，孔深预计150 m，打至东部落差为85 m的大断层的保护煤柱，使我们下年度回采工作不受断层裂隙水的影响.（4）在主井、副井、风井周围各布置一个疏水孔进行提前疏水，以便利于周围巷道的掘进。总计布孔3个，总进尺150 m图3.13 现场钻孔图2）疏水巷当放水钻孔对顶板含水层疏放效果不理想时，可以在适当地段修建疏水巷道，该巷道应与顶板含水层径流方向垂直，尽可能切穿顶板岩层裂隙，以达到最佳的放水效果。通过疏水巷道对工作面顶板砂岩含水层的袭夺，形成以疏水巷道为中心的降落漏斗，达到减少工作面涌水的目的。3.1.7顶板砂岩裂隙水含水段抽放水实验1）抽、放水试验的目的（1）通过抽、放水试验进一步计算各主要含水层水文地质参数，从而对采区煤层开采水平的矿井涌水量进行计算，从而核定矿井排水能力；（2）进一步查清各含水层的富水性及其之间的水力联系；（3）通过地下水流场分析，对地下水的补、迳、排关系以及主要构造的导水性等进行分析评价；（4）作为疏干放水孔，对4号煤层顶板含水层进行预疏放；（5）为制定切实有效的防治水技术措施提供有力依据。2）抽、放水试验的意义（1）通过抽、放水试验可以进一步查清各含水层的富水性、含水层之间的水力联系以及其补排关系，为制定矿井防治水技术措施提供依据，对今后保证矿井安全生产具有重要意义；（2）4号煤层首采区生产系统即将形成，投产在即。但对该采区采掘条件的认识，还不能满足安全生产的要求。因此，实施放水试验工程，对采区和工作面的防治水工作具有重要的指导作用；（3）井下放水试验具有直观地了解井田或采区含水层具体水文地质条件的特点，它不仅能弥补以资源评价为目标的勘探阶段水文地质勘探布孔的不足，而且进一步检验历史勘探的水文地质结论；（4）大流量放水试验能够充分暴露井田水文地质条件，能够形成大范围、大降深激发流场，从而有助于建立完整的水文地质概念模型；（5）放水试验既是以井流模型为基础，也是建立井田、采区地下水流数学模型的必要手段，将会为矿井涌水量计算，防排水量确定提供可靠依据。3）抽、放水试验的主要任务（1）通过放（抽）水试验进一步查清4号煤首采区开采水文地质条件，包括各主要含水层富水性、补迳排关系等；（2）利用试验资料，预计顶板水疏放量，为顶板水疏干设计提供依据。4）抽、放水试验的技术目标（1）查明含水层富水性及其之间水力联系；（2）分析顶板水的疏降可行性；（3）提出防治水技术措施和治理方案。5）抽、放水试验的实施方案本次放水采用非稳定流方法，按照井下相对集中放水，井上下同步观测进行试验。每次放水试验总体可分为：地下水原始动态观测、试验放水、正式放水、恢复水位动态观测共4个阶段。放水试验各阶段时长安排参见表3.2。（1）地下水初始动态观测井上、下观测孔、放水孔进行3天连续观测，要求每个观测点每天测3次（每8小时测1次），试放水前3小时每个观测点每小时测1次。目的是测定含水层原始水位，了解含水层水位自然变幅。观测内容：各含水层组地下水初始水位放水前地下水水质表3.2 抽、放水试验过程安排阶段疏放水平原始水位动态观测/d试验放水/d正式放水/d恢复水位动态观测/d合计/d预计放水量/m3放水试验341532551840备注各阶段时间安排只是一个估计数，具体天数应视流场稳定情况而定注：表中单孔放水量按40m3/h考虑（2）试验放水试验放水主要目的：通过试验放水检查排放水系统运转和观测仪表使用是否正常，放水试验组织、调度是否有效，观测人员是否掌握观测要求，以便及时调整与纠正。初步查明放水水量与水压、水位变化之间的关系，确定正式放水试验水量大小，并预计放水试验效果。排除水中过多的碎石，以免损伤水表。试验放水安排试验放水时间要求持续4 d，其中放水1 d，恢复水位观测3 d。为取得最大放水量，要求同时打开所有放水孔，同步进行井上、下水位（压）、水量的观测工作。一切观测工作严格按正规放水试验要求执行，按指令进行。放水1天，不要求水位及水量观测是否达到稳定，恢复水位观测3天，试验共持续4天，要求按非稳定流放水试验作好全部记录。观测精度要求放水开始后水压（水位）、水量观测要求按非稳定流抽水试验，以表3.3要求连续观测1天（不要求达到稳定），然后所有放水孔同时停放，关掉放水阀门按表3.3要求连续观测3天。放水装置如图8.14。图8.14 放水孔流量测定装置示意图1、钻孔 2、阀门 3、测压管 4、压力表 5、挡矸筛（网眼小于5 mm5 mm）6、挡矸筒 7、放矸阀（一般选择蝶阀） 8、支撑架 9、流量表 10、排水管（3）正式放水经过试放水，发现了放水中存在问题之后，通过12天（也就是试放水后水位恢复期）的调整与安排，便可安排正式放水。各次放水试验均按表3.3时间间隔要求进行水位、水量观测。表3.3 地面观测孔、井下观测孔、放水孔观测要求放水（关水恢复）时间观测频率水位（水压）水 量030min1次/5min1次/5min30min1.5h1次/10min1次/10min1.5h3h1次/15min1次/15min3h24h1次/30min1次/60min24h48h1次/60min1次/120min48h72h1次/120min1次/240min72h稳定1次/240min1次/240min（4）恢复水位动态观测正式放水第三阶段所有放水孔同时关闭后，各放水孔、观测孔水位（水压）的观测间隔按表3.3恢复水位要求进行。恢复水位观测时间34天，具体时间以水位恢复稳定为准。本次放（抽）水试验首先在井下布置的疏水钻孔进行放水试验，根据试验效果，在进行井下多孔放水和地面大流量抽水试验。3.2掘进巷道水控制由于麻家梁煤矿4号煤层埋藏较深，煤层相对较厚，煤层回采后将揭露顶底板山西组砂岩裂隙含水层等，同时，4号煤层相对奥灰为带压开采，再加上麻家梁井田断层相对比较发育，因此，在巷道掘进过程中必须加强防治水工作，应严格按照矿井防治水工作条例的要求执行，本着“有疑必探、先探后掘”的原则，采取物探现行、钻探验证的技术措施，做好超前探查工作。3.3矿井涌水量预测首采面主要涌水水源为顶板含水层：山西组砂岩裂隙含水层、上下石盒子组含水层，其它顶板含水层及底板含水层对首采面影响有限。在掘进期间14101辅运巷的正常涌水量为40 m3/h，最大涌量为60 m3/h，胶带巷正常涌水量为25 m3/h，最大涌水量为30 m3/h。目前辅运巷的涌水量为25 m3/h，胶带巷的涌水量为30 m3/h，胶带巷的涌水主要来自切巷附近的钻孔疏水。矿井涌水量历时曲线见图3.14。图3.14 矿井涌水量历时曲线图自上图中可看出，随矿井采掘工程的开拓，矿井涌水量逐步增加，目前稳定在160 m3/h，其中14101首采面辅运、胶运涌水量55 m3/h，占矿井涌水量34.4%。3.3.1首采面涌水量预计根据首采面水文地质条件评价结果，根据不同水源的出水特点，选择选择解析法及比拟法对首采面涌水量进行预计。对首采面顶板涌水量采用“大井法”进行预计，4号煤采动后，顶板基岩含水层水位下降至含水层底板，疏降部分承压含水层成为潜水含水层，采用如下公式进行计算涌水量：大井法承压转无压公式：； 其中：K渗透系数，m/d；M含水层厚度，m；H疏降水头高度，m；R0引用半径，m；预测区折算半径，m；R影响半径，m；h潜水含水层水位，h=0m。根据计算区的形状来选择引用半径，如果计算区形状为四边形，在选择引用半径r的计算方法时，采用如下公式计算引用半径r：其中：a，b分别为矩形边长。各参数取值见表3.4。表3.4涌水量解析法计算参数一览表含水层k/md-1H/mM/mR/mr0/mR0/mQ/m3h山西组0.02242371.7851.20556.68147.50704.1866.63上下石盒子组0.219421.1818.001971.01147.502118.51159.83把上表水文地质参数代入计算公式，得出首采面正常涌水量为226.46 m3/h。最大涌水量的计算采用经验比值1.3进行计算，首采面最大涌水量为294.40 m3/h。需指出的是，预计的矿井涌水量与矿井突水量是两个完全不同的概念，两者在质和量的差异很大。矿井突水量是含水层水压瞬间疏降至某一高程的水量，而前者是经过长时间疏降至某一高程的涌水量。突水量无法预计其大小，而涌水量是可以预计。3.3.2首采面排水系统方案设计根据分析，首采面回采为仰采，回采后采面涌水不能自流出工作面，必须靠水泵排出工作面，这给工作面防排水工作造成较大困难，处理不当有可能会引发矿井水害事故，威胁矿井安全，因此，应根据首采面涌水量预计结果，建立与之相适应的工作面排水系统，确保首采面安全顺利回采。14101首采面自深部向浅部仰采，采后采空区将具备一定的容纳能力，对工作面排水具有一定的积极意义。但工作面为仰采，采面出水无法通过巷道自流排出，仅依靠工作面胶顺、轨顺排水无法形成可靠有效的排水系统。1）由于14101工作面属于首采面，井下首次大面积揭露地层，矿井充水强度及水文地质条件尚待暴露，为安全稳妥考虑，前期首采面排水系统可以考虑以下几种方案：（1）方案一：利用五采区大巷，施工与首采面切眼距离约30 m相平行的泄水巷（如图3.15），通过切眼施工联巷或钻孔孔组（=146 mm钻孔至少3个），泄水巷铺设两趟=200 mm的排水管路，按照煤矿安全规程规定安设排水能力不小于300 m3/h的排水系统，确保工作面安全回采。利用泄水巷下部约50 m巷道作为临时水仓。工作面涌水由临时水仓通过泄水巷、五采区大巷管路直接排至中央水仓，再由中央水仓排出地面。图3.15 首采面排水系统示意图（方案一）（2）方案二：利用14102工作面回风巷在切眼与首采面施工泄水联巷或泄水钻孔钻组（146 mm钻孔至少3个）（如图3.16），14102工作面回风巷铺设两趟200 mm的排水管路，按照煤矿安全规程规定安设排水能力不小于300 m3/h的排水系统，确保工作面安全回采。利用泄水联巷和14102工作面回风巷下部约30 m巷道作为临时水仓。工作面涌水由泄水联巷通过14102回风巷管路直接排至中央水仓，再由中央水仓排出地面。图3.16 首采面排水系统示意图（方案二）（3）方案三：利用14201工作面巷道在与切眼平行约30 m施工泄水巷，泄水巷施工至14101切眼平行位置，通过首采面切眼施工泄水联巷或泄水钻孔钻组（146 mm钻孔至少3个）与泄水巷连通（如图3.17），泄水巷铺设两趟200 mm的排水管路，按照煤矿安全规程规定安设排水能力不小于300 m3/h的排水系统，确保工作面安全回采。利用泄水巷下部约50 m巷道作为临时水仓。工作面涌水由临时水仓通过泄水巷、14201巷道管路直接排至中央水仓，再由中央水仓排出地面。图3.17 首采面排水系统示意图（方案三）根据分析，以上三种方案均可以满足首采面排水要求，但从矿井排水系统整体考虑来说，方案一更比较合理，且可以永久保留供其它工作面回采时使用。而其它两个方案只是首采面的临时排水系统，其它工作面回采后该排水系统就会被破坏而不能使用。但从矿井实际生产情况考虑，施工五采区大巷及14102工作面巷道可能时间较滞后，影响工作面回采进度，而方案二既能满足首采面防排水需要，又不影响生产进度，且施工的泄水巷也可以与后期施工的五采区大巷贯通而永久保留，相对比较合理。在泄水联巷和泄水钻孔孔组施工后，在首采面切眼附近应利用单体支柱（可以用木桩代替）和枕木以及钢网对工作面涌水通道进行保护，防止工作面初次放顶后冒落体堵塞泄水联巷和钻孔孔组孔口，从而影响工作面排水效果，甚至造成无法排水，引发水害事故。14101工作面泄水巷水泵及排水管路的选择前期在14201辅运巷铺设2趟直径为150 mm的水管，用于14101工作面的泄水，所需管路总长3700 m2，铺设1趟直径75 mm的水管，管路总长3000 m，用于14201辅运巷的排水。后期五采区胶带巷到位以后，在胶带巷铺设2趟直径200 mm的水管，所需管路2900 m2，用于一、二采区所有工作面的泄水。泄水巷水仓的水泵扬程不低于180 m，流量不低于300 m3/h，数量为3台，2台工作泵，1台备用泵。泄水巷及水仓的布置14201辅运巷到位以后，以90度方位掘75 m至五采区胶带巷，再以75的方位掘435 m至14101切眼外50 m，泄水巷工程量总计510 m。水仓的布置前期水仓的布置，在五采区胶带巷设置临时水仓，水仓容积不低于100 m3。后期水仓的布置，设置五采区胶带巷与辅运联巷之中，水仓的容积不低于300 m3。水仓的位置，如图3.18 14101工作面泄水巷及水仓布置图。图3.18 14101工作面泄水巷及水仓布置图3.4矿井排水设备3.4.1工作面排水设备1）泄水巷的布置利用14201辅运巷在14101切巷南布置泄水巷，要求巷道尽量靠近14101工作面的东部，距切巷垂直距离为50 m，巷道的布置及水仓的位置由生产技术部进行设计，要求水仓不低于2个，每个容积不低于50 m3。2）泄水孔的布置在泄水巷的端头布置三个泄水钻孔，孔径146 mm，要求安设封孔管，封孔长度不低于10 m，采用水泥浆固结，孔口安设相应的闭水阀门，敷设150 mm排水管路将水引至泄水巷水仓。3）排水管路的铺设由泄水巷水仓经14201辅运巷至副井主副水仓沿线敷设200mm排水管路两趟，要求管路严密牢固（如图3.19）。4）排水泵的选择在泄水巷水仓安装临时主排系统MD280-808水泵2台进行排水，一台使用，一台备用。图3.19 首采面排水系统设计示意图（5）顺槽内排水设备在两顺槽各敷设两趟150 mm管路，一趟用于接力排水，一趟用于直排，在工作面头尾及顺槽水窝各配置流量100 m/h，扬程50 m潜水泵两台，用于接力排水，（一台使用，一台备用），目前14101胶带巷的440 m、1290 m、1600 m处，辅运巷的80 m、420 m、680 m、1020 m、1640 m处设水窝，目前容积大部分在10 m3以下，需要对水窝进行加大加固，水窝容积不低于18 m3，要求水窝宽2.5 m，长5 m，深1.5 m。目前在工作面头尾各配置MD155-67型煤矿用耐磨多级离心泵两台，用于应急直排，流量155 m3/h，扬程210 m3.4.2中央水泵房排水设备中央水泵房装备了3台MD-650-808多级离心泵，流量650 m3/h，功率2000 KW，扬程640 m，转速1480 r/min。最多可装备5台该型号水泵。矿井主副水仓容量3200 m3，在中央水泵房安设3台MD650858耐磨多级离心排水泵，水泵排水能力650 m3/h，扬程660 m，沿副立井敷设两趟=325 mm排水管路；每台水泵均可随时启动。目前矿井的涌水量为150 m3/h，最大涌水量180 m3/h，据西安煤科院首采面水文地质条件评价及防治水的设计，预测首采面的最大涌水量为300 m3/h，首采面投产后矿井最大涌水量600 m3/h。3.4.2矿井排水系统核定综合以上分析，结合麻家梁矿井自身地质及水文地质特点，并根据现有资料，麻家梁矿井涌水量估算为：正常涌水量350 m3/h，最大涌水量600 m3/h。矿井可暂时按600 m3/h设置矿井排水能力。目前矿井主副水仓容积为3500m3，水泵型号为MD650-808，扬程640 m，配备3台，1台工作、1台备用、1台检修，预留2个泵窝，安装排水管