（地质工程专业论文）防水煤岩柱合理留设研究——以刘庄煤矿为例.pdf

摘要 摘要 合理留设煤( 岩) 柱高度，开采松散含水层下过多留设的防水煤柱，对解放浅 部煤炭资源储量有着重要的意义。论文以淮南矿区的刘庄煤矿为例，通过开展矿 区地质及水文地质条件分析、抽水试验以及土力学测试等工作，系统研究了新生 界下部含水层的厚度分布及其富水性特征、下部粘土层的厚度分布特征与隔水性， 及底部砾石层的厚度分向特征及其与富水性。结果表明松散层下部含水层下段 富水性为中等底部砾石层的富水性极弱，可与下部粘土层一起作为复合隔水层。 运用f l a c 3 d 技术分别模拟拟上提1 1 0 0 、1 3 0 0 工作面在不同采高下条件下 覆岩破坏高度、导水裂隙带的发育高度。利用数值模拟、经验公式以及相邻矿区 经验计算导水裂隙带高度公式，确定了可行且较为合理的煤( 岩) 柱高度，并分 别设计了拟丌采工作面上提高度和范围，与原开采设计相比，煤( 岩) 柱高度减 少4 4 o 8 0 6 m 。从而解放了工作面范围内积压的浅部煤炭资源，延长了矿井服 务年限。 图【4 2 】表 3 0 】参 6 9 】 关键词：刘庄煤矿：富水性与隔水性：导水裂隙带高度；防水煤( 岩) 柱高度 分类号：( p 6 4 1 4 ) ： 安徽理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r a t i o n a l l yd e s i g n i n gt h eh e i g h t s o fc o a l ( r o c k ) p i l l a r sa n dm i m n gt h e o v e r a b u n d a n tp i l l a r su n d e rl o o s ea q u i f e ra r es i g n i f i c a n tf o rm i n i n gs h a l l o wc o a l r e s o u r c e s t h i sp a p e rt a k e sl i u z h u a n gc o a lm i n ef o re x a m p l e ，o nt h eb a s i so f s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z i n gt h eg e o l o g i c a la n dh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，p u m p i n gt e s t s a n ds o i lm e c h a n i c a lt e s tr e s u l t s ，al o to fr e s e a r c hw o r k sh a v eb e e nd o n e ，i n c l u d i n gt h e t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dw a t e r - e n r i c h m e n to ft h el o w e ra q u i f e ro f l o o s el a y e r , t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o na n dw a t e r t i h g t n e s so ft h el o w e rc l a yl a y e ro fl o o s e l a y e r , a n dt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o na n dw a t e r - e n r i c h m e n to ft h eb o t t o mg r a v e ll a y e ro f l o o s el a y e r r e s u l t ss h o wt h a tt h el o w e ra q u i f e r sw a t e r - e n r i c h m e n ti sm o d e r a t e ，a n d t h eb o r o mg r a v e ll a y e r sw a t e r - e n r i c h m e n ti sw e a k ，w h i c hc a nb ec o n s i d e r e da s c o m p o s i t ea q u i d u d ew i t ht h el o w e rc l a yl a y e rw h o s ew a t e r t i g h t n e s si se x c e l l e n t t h eh e i g h t so fo v e r l y i n gs t r a t a sd e s t r u c t i o na n dw a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n e u n d e rd i f f e r e n tm i n i n gh e i g h t si n1 1 0 0a n d1 3 0 0w o r k i n gf a c e sa r es i m u l a t e da n d a n a l y z e db yf l a c 3 ds o f t w a r e t h eh e i g h t so fw a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n ew a s c a l c u l a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , e m p i r i c a lf o r m u l a sa n da n a l o g o u sf o r m u l a so f a d j a c e n tm i n i n ga r e a , f e a s i b l ea n dr a t i o n a lh e i g h t so fw a t e r p r o o fc o a l ( r o c k ) p i l l a r sa r e c o n f i r m e d , a n dt h eh e i g h t sa n dr a n g eo fm i n i n gw o r k i n gf a c e su n d e rt h ed e s i g n e d w a t e r p r o o fc o a l ( r o c k ) p i l l a r sa r ed e t e r m i n e d c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a ld e s i g n ，t h e r e d u c e dh e i g h to fw a t e r p r o o fc o a l ( r o c k ) p i l l a r si sf r o m4 4 0t o8 0 6m e t r e s t h i s m a k e si tp o s s i b l et om i n et h eo v e r s t o c k e ds h a l l o wc o a lr e s o u r c e sa n dp r o l o n gm i n i n g l i f e f i g u r e 【4 2 】t a b l e 【3 0 】r e f e r e n c e 【6 9 】 k e y w o r d s ：l i u z h u a n gc o a lm i n e ；w a t e r - e n r i c h m e n ta n dw a t e r t i g h t n e s s ；h e i g h to f w a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n e ；h e i g h to fw a t e r p r o o fc o a l ( r o c k ) p i l l a r c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：p 6 4 1 4 ； 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徼堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名j委盈日期：2 磐月上日 学位论文作者签名：一 虹日期：华尘月上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 窆徼堡至太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： j 村签字日期：噼月佣 签字日期： 屯j 引黜b 1 绪论 l 绪论 1 1 研究意义 煤炭工业是我国的支柱产业。据统计，从1 9 5 0 年至今，我国已经开采了1 0 0 多亿吨煤。随着我国经济的迅猛发展，煤炭资源供不应求。无论向深部开采还是 向浅部开采，影响开采的不利因素都随之增多，开采的风险也随之加大。对于近 松散层煤层开采，由于开采工作面更接近松散层，受到松散层底部含水层的威胁 加大。 在煤层开采过程中，随着工作面的推进，煤层上覆岩体失去支撑，顶板产生 裂隙、断裂等不规则冒落，使得采场周围岩层原始的平衡状态受到破坏，导致上 覆岩体发生变形和破坏。在采用全部垮落法开采的工作面，只要采深到达一定的 深度，覆岩的变形和破坏就会出现冒落带、裂隙带和弯曲下沉带【l j 。 由于在煤炭开采过程中覆岩发生了不同程度的变形与破坏以及裂隙带的存 在，我国华北、东北许多大型煤田多为隐伏式煤田，其松散层底部为富水性中等 的含水层，甚至强含水层。因此，很多煤矿在开采过程中，为安全起见，根据建 筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程圆( 以下简称“三下” 规程) 规定，在松散含水层下留设了6 0 8 0 m 垂高的防水煤( 岩) 柱，积压了大 量的煤炭资源。据初步计算，仅苏鲁豫皖煤矿留设的松散层防水煤柱就有5 0 亿吨 之多，造成了大量煤炭呆滞储量，长期得不到开发利用。 近年来，为了缓解煤矿生产接替紧张状况，提高煤炭资源回收率，许多煤矿 与科研单位已把煤矿开采上限及煤( 岩) 柱合理高度留设作为重要课题进行研究。 原煤炭部对倾斜、缓倾斜煤层在开采过程中的“防水、防砂、防塌 安全煤( 岩) 柱的留设高度，给出相关规定，即“三下 规程，该规定是从宏观上进行了控制。 但是按照规程留设，仍会造成矿井突水，如皖北的祁东煤矿，却发生了新生界“底 含”的突水事件，造成了严重的淹井事故【3 j 。相反，在其临近的淮北芦岭煤矿“8 1 0 采区 采用无煤柱留设开采而获得成功 4 1 。安全煤( 岩) 柱的留设不仅与矿区的 构造、裂隙发育特征、力学性质及“三带 波及范围与高度有关，还与覆岩之上 的松散含水层富水性程度、隔水层性质、覆岩裂隙发育规律及岩性结构特征等多 种因素有关【5 1 。 如何在确保生产安全的前提下，尽量缩小防水煤柱尺寸，提高煤炭资源的回 收率是解放浅部煤炭资源所面临的一个重大课题。 安徽理j r 大学硕士学位论文 本研究的刘庄煤矿位于淮南潘谢矿区的西部，为隐伏式煤田，上覆新生界地层 厚度为7 0 5 5 0 m ，从上至下大致可分为：上部含水组( 简称“上含”) 、上部隔 水组( 简称“上隔 ) 、中部含水组( 简称“中含 ) 、中部隔水组( 简称“中隔”) 、 下部含水组( 简称“下含 ，其中“下含 又分为下部含水组上段、下部含水组下 段，分别简称为“下含上 、简称“下含下 ) 、下部隔水层( 简称“下隔 ) 和底部 砾石层。其中，底部砾石层直接覆盖在煤系地层上。原合肥煤矿设计院在矿井设 计时，留设了8 0 m 垂高的防水煤( 岩) 柱，积压了大量浅部煤炭储量。 本论文以“刘庄煤矿l l a 、1 3 1 煤层合理煤柱留设可行性研究项目为背景， 对影响刘庄煤矿煤( 岩) 柱的因素进行系统分析，设计合理的煤( 岩) 柱留设高 度，为煤矿的安全生产提供了依据，最大限度地解放浅部的煤炭资源，延长矿井 服务年限。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 国内研究现状 我国自从2 0 世纪5 0 年代以来，一直进行水体下采煤的研究和实践。据不完 全统计【6 】，我国有上百个煤矿的近两千个工作面进行水体下采煤，特别是安徽、 江苏、山东、河北、吉林等地矿区在松散含水层及其上覆地表水体下的开采方面， 进行了大量开采试验研究，取得了丰富的开采实际经验。 6 0 年代以前，我国煤炭开采的重点多集中在开采技术条件较好的地区，但已 有了水体下采煤的尝试。对导水裂隙带高度的研究基本上处于认识性阶段，主要 利用经验法或类比法对导水裂隙带高度进行初步预测，进行定性描述和分析。 6 0 年代至8 0 年代，为适应水体下采煤技术的迫切需要，开展了大量的用专 门的观测孔来研究导水裂隙带高度。同时进行试验性研究工作，相似材料模拟技 术也得到了较快发展。我国许多矿区在裂高现场观测资料和试验研究的基础上， 结合煤层的采出厚度、岩体的强度类型等，总结出不同覆岩类型条件下，煤层采 出厚度与冒高、裂高的相关关系式川【引，并以此来指导实际生产。总体上，该阶 段仍处在经验积累阶段，但是岩体力学环境已开始日益受到重视，并且研究方法 也从定性的描述和分析转向定量化研究。 8 0 年代以来，随着国民经济对能源需求的不断增长，许多水体下积压的煤炭 资源( 如淮河下、微山湖下等) ，相继进入开采。我国开展了对水体下( 包括含水 层下) 采煤覆岩导水裂隙带发育规律和防水煤( 岩) 柱留设的研究，取得了一定 2 1 绪论 进展，其特点为：引用新理论和技术。引入现代统计数学、损伤力学、断裂力 学、弹塑性力学、流变力学等理论和现代测试技术及计算机技术；研究内容广 泛化。除重点研究地质构造、地层岩性、水文地质特征、岩体结构等地质条件外 【9 l 【1 0 1 ，还广泛研究了与覆岩移动变形有关的原岩应力场。在深入研究岩体力学特 性、时间效应的基础上，对裂隙带的演变过程进行动态分析i l l - ”】；研究方法多 样化。广泛应用物理模拟【1 每1 引、数值模拟【1 9 - 2 6 、实测口7 。3 l 】等方法。使研究的深度 不仅仅局限于覆岩移动变形、破坏现象等方面，也从覆岩变形破坏过程，影响因 素等方面去探讨导水裂隙带的形成机理，并在此基础上进行预测【3 2 】【3 3 1 。 对于导水裂隙带高度的计算：“三下 规程中给出了一组统计经验公式，该公 式是基于当时炮采与普通机采、推进速度在4 0 r e 月左右的开采条件下取得的， 并且每一公式都有其应用条件。随着生产力水平的提高和发展，出现了分层综采、 厚煤层一次采全高、厚煤层综放开采及快速推进高产高效的新采煤技术。“三下 规程中的导水裂隙带高度的预测公式不再完全适用，故有必要对新型采煤方法条 件下导水裂隙带的发育规律及导水裂隙带高度的预测公式进行探讨和研究。 近年来，对导水裂隙带的研究有以下特点：地质原型调研在研究工作中的 基础地位继续被人们所重视】。基础理论和岩( 土) 体介质基本性质的研究不断 加强和深化。岩( 土) 体本构关系、变形破坏机制等方面的研究有了进一步发展， 现代数学力学、计算机科学和非线性科学，逐步应用于覆岩移动变形破坏和导水 裂隙带高度研究方面，使导水裂隙带研究更加深入。学科综合优势，在覆岩移 动变形、破坏和导水裂隙带高度预测研究中愈来愈明显。定性模型分析与数值、 物理模拟、现代测试方法的结合，得到进一步加强，这样能使得分析模型和预测 结果更符合客观实际。 从7 0 年代初期就已经开始了在近松散层下进行缩小防水、防砂煤( 岩) 柱留 设的试采实践和理论技术研究探讨【3 5 1 。8 0 年代后期，煤炭资源日渐减少，为尽可 能多地解放煤柱储量，在近松散层水体下提高开采上限就成为我国煤炭开采技术 研究的一个重要课题，如能源部“七五 煤炭工业重点科研项目( 8 7 7 号) 开展 的“关于中等含水层下留设防砂煤柱开采的一系列试验研究报告 3 6 o9 0 年代以 后，开始应用新科学技术对防水、防砂煤( 岩) 柱留设进行试采和研究，如桂和 荣教授的防水煤( 岩) 柱合理留设的应力分析计算法【3 刀。近几年，我国华北 型矿井，如淮南、淮北、枣庄、焦作、峰峰、邢台、邯郸等矿区，在留设煤( 岩) 柱类型与高度上，做了大量的现场试验研究工作，进行探索与尝试，并取得了一些 成功经验和科研成果【3 ”1 1 。这些矿区进行的缩小防水的研究与实践，使得在近松 3 安徽理工人学硕+ 学位论文 散层下进行缩小防水、防砂煤( 岩) 柱留设的理论与技术有了突破，甚至变缩小 防水、防砂煤( 岩) 柱留设为无煤柱留设试采研列5 2 1 。 对于隐伏式煤田，开采上限的研究已涉及到沉积学、水文地质工程地质及采 矿学等多门学科和多种技术交叉与综合f 5 3 - 5 5 1 。在近松散层下缩小防水煤( 岩) 柱 留设高度是一项多学科、多手段、多方法交叉，且综合性强的研究课题，还有待 于进一步深入探讨。 1 2 2 国外研究现状 在近松散层下进行防水煤( 岩) 柱留设的开采技术研究在国外的相关文献己 有报道，许多国家通常都是留设足够大的防水煤柱。前苏联、波兰、英国和美国 等都进行了大量的试验和研究工作，但安全采深仍是采用经验值，如前苏联规定 在有隔水层( 第四系粘土层大于2 倍采厚) 存在的情况下，防水煤( 岩) 柱高度取 2 0 - 4 0 倍采高，否则，根据覆岩中不同性质的岩层所占比例大小可取2 0 6 0 倍 采厚【5 6 枷】；波兰规定，在含水体下的煤层露头处应留设安全煤柱，其高度是开采 煤层厚度的8 倍，这种煤柱的最小垂直厚度定为2 0 m 。英国在含水体下采煤留设 煤( 岩) 柱高度需要大于6 0 m ；美国规定在地表大型水体下的安全采深为6 0 倍 采厚，此外，美国对煤柱回收提出适合于特定水文地质条件的设计方案【6 1 。6 5 1 。西 澳大利亚科利煤田采用深降强排的措施进行了松散层下采煤试验等【鲫，南斯拉夫 维伦杰褐煤矿在地表水体下采用垮落或分段垮落的长壁方法采掘上覆5 0 0 m 的第 四系多含水层系统的褐煤层6 刀，并取得成功。 上述这些国家都是在留有相当大的安全保护煤柱的基础上进行试采和研究 的，在松散层下进行缩小防水、防砂煤( 岩) 柱留设的研究在国外的文献还少有 相关的报道。 1 3 研究内容 本课题的研究内容主要包括以下四个方面： 1 新生界松散层下部含( 隔) 水层特征研究 ( 1 ) 分析矿区松散层厚度分布特征及其与基岩面、构造的关系；利用抽水试 验资料与钻孔资料，分析研究拟上提工作面范围内新生界松散层“下含下厚度分 布特征及富水性； ( 2 ) 研究“下隔 的厚度分布规律、粘土矿物成分、渗透性、力学物理性质 ( 天然含水量、容重、比重、孔隙比、液限、塑限、液性指数、塑性指数等) ，评 4 l 绪论 价“下隔 的隔水性能； ( 3 ) 分析松散层底部砾石层厚度分布特征、砾石层成分特征( 分选性、磨圆 度、渗透性、固结程度等) ，结合抽水试验，评价其富水性。 2 覆岩水文地质、工程地质特征研究 分析覆岩风化带的岩性结构特征以及覆岩力学特征，评价风化带、1 1 一：与1 3 一。 煤层的上覆岩层的隔水性：利用抽水试验成果及相邻工作面探放水试验评价覆岩 的裂隙结构特征与富水性特征。 3 覆岩变形破坏规律研究 通过测试开采煤层上覆岩石的力学参数，运用f l a c 3 d 软件模拟分析采后覆 岩变形规律及导水裂隙带的发育高度，并结合相邻矿区的开采实践经验及相邻工 作面的实测值，对其规律进行分析和探讨。 4 煤( 岩) 柱高度留设与设计 在综合分析松散层“下隔”的隔水性、底部砾石层的富水性、覆岩的岩性结 构与富水性程度的基础上，综合分析f l a c 3 d 数值模拟法、“三下一规程的经验 公式法、相邻矿区的类比法等计算的裂隙带高度，并结合相邻工作面的实测值， 研究设计防水煤( 岩) 柱留设的类型与高度，确定拟上提1 1 0 0 、1 3 0 0 工作面的开 采上限。 1 4 研究方法与技术路线 1 4 1 研究方法 采用理论分析、类比、室内测试与模拟计算等相结合的方法，具体如下： ( 1 ) 通过地质和水文地质资料的整理与分析，结合岩土参数的测试、抽水试 验数据，评价“下含下 与底部砾石层的富水性、“下隔”的隔水性，以及对拟上 提工作面开采的影响； ( 2 ) 采用多学科交叉方法，分析松散层沉积特征、富水性特征、覆岩岩性结 构与力学性质，运用f l a c 3 d 模拟分析覆岩变形破坏特征； ( 3 ) 运用数值模拟、“三下 规程经验公式、相邻矿区相似条件下的经验公 式以及相邻工作面的实际探测，分别计算导水裂隙带的发育高度，综合分析研究 区松散层、基岩风化带的特征等，合理设计煤( 岩) 柱留设的高度。 5 安徽理j r 人学硕士学位论文 1 4 2 技术路线 通过对矿区基础地质、水文地质资料的收集与整理分析，评价新生界松散层 下部含( 隔) 水层厚度及其富水性。并利用基岩风化带性质、覆岩结构与富水性、 覆岩力学参数测试结果，分析计算不同煤层采厚下的裂隙带发育高度，确定合理 的煤( 岩) 柱留设高度。研究技术路线如图l 所示。 基础资料的收集及相关调研 上 j r土 土 矿区基松散层特征及覆岩上程岩土力 础水文各含水层的富水文地质学参数 地质分 水性评价与粘特征分析测试 析- 十层的隔水性 上 综合评价 f l a c 3 d 模拟分析覆 岩变形破坏特征 上 、 il r + 数值模拟计经验公式计相邻矿区的类比相邻工作面裂 算的裂高值算的裂高值法所得的裂高值高的实测值 上 防水煤( 岩) 柱的合理高度设计 图1 研究技术路线 f i g 1r e s e a r c hr o u t e 6 2 刘庄矿区概况及水文地质条件 2 刘庄矿区概况及水文地质条件 2 1 研究区概况 2 1 1 交通位置与自然地理概况 刘庄煤矿位于淮南煤田西部，地理坐标东径1 1 6 0 0 7 3 0 ”1 1 6 0 2 0 4 0 ”，北纬 3 2 0 4 5 0 0 - - - 3 2 0 5 1 1 5 ”。东起f 5 断层，与谢桥煤矿毗邻，西迄f 1 2 断层，与口孜集 勘探区接壤，南以f l 断层及上部可采煤层1 7 1 煤1 0 0 0 m 至地面投影线为界，北 至1 煤层露头，东西走向长1 6 k m ，南北宽3 5 - , 8 k m ，面积约7 3 k m 2 。行政区划 属安徽省颖上县，南距颖上县城约2 0 k i n 。东界有颖上至利辛公路通过，新建的 潘谢公路与其相接，区内有简易公路可至阜阳，南界有颖河，该河系淮河支流， 常年通航，淮南至阜阳铁路是矿区内主要运输干线，可达全国各地。交通位置图 见图2 。 图2 刘庄矿区交通位置图 f i g 2t r a f f i cp o s i t i o no fl i u z h u a n gc o a lm i n i n ga r e a 本区为淮河冲积平原，地形平坦，村庄较密，沟塘较少，标高+ 2 4 + 2 6 m 左 右。济河流经本区东北部，河道较窄，宽约2 0 m ，水深l m 左右，流向东南，最 高洪水位+ 2 5 9 0 m ( 1 9 6 0 年6 月2 7 日) ，河堤标高+ 2 7 4 0 m ，区内无内涝现象。农 作物以旱粮为主。 本区属过渡带气候，季节性明显。年平均温度+ 1 5 1 ，最高温度+ 4 1 4 1 2 ， 7 - 安徽理工大学硕十学位论文 最低温度一2 1 7 。年平均降雨量为9 2 6 3 3 m m ，最大1 7 2 3 5 m m ，日最大降雨量 3 2 0 4 m m 。最大相对湿度为8 8 ，最小为5 0 ，平均7 4 。年最大蒸发量为 2 l1 2 3 m m ，最小为1 2 4 2 9 r a m ，平均1 6 4 2 2 m m 。春季多东南风及东风，秋季多东 南东北风，冬季多东北西北风。 依据历史资料，淮南、颖上地区地震活动强度不大，以轻度破坏和有感地震 为主，据颖上县志记载有感地震1 6 次。 2 1 2 地层概况 1 区域地层概况 淮南煤田在地层区划上属华北地层区淮河地层分区淮南地层小区，地层特征 属典型的华北地台型。淮南煤阳除边缘山丘有变质岩系、震旦、寒武、奥陶等地 层出露外，其余均被第四系所覆盖，其地层层序见表1 。 2 矿区地层概况 井田为隐伏式，为第四系所覆盖。据钻探揭露，地层层序与淮南各井田相同， 自老而新简述如下： 一、太古界 前震旦系变质岩系( a n z ) ：区域出露不全，厚度不详。主要岩性为角闪片岩、 花岗片麻岩等，厚度 5 0 0 m 。 二、古生界 ( 一) 、寒武系( ) 区域厚度约1 0 6 0 m ，本区主要分布在f 1 断层上盘。 ( 二) 、中、下奥陶统( 0 2 + 3 ) 区域厚度约2 5 0 m ，以厚层白云质灰岩为主，局部夹泥质条带，最大揭露厚 度3 2 4 2 m 。 ( 三) 、石炭系上统太原组( c 3 ) 厚约1 2 0 m ，由1 1 1 3 层灰岩与细砂岩、泥岩相间组成，底部常有含铝泥岩。 ( 四) 、二叠系( p ) 厚约8 4 4 m ，分上、下统四个组，即下统山西组、下石盒子组、上统上石盒 子组、石千峰组。山西组、石盒子组可分7 个含煤段，为本区主要勘探对象。石 千峰组，厚约1 2 5 m ，为浅灰、紫红、灰绿等杂色泥岩、砂岩组成，不含煤层， 砂岩中常发育交错层理。 8 2 刘庄矿区概况及水文地质条件 表1 淮南煤田区域地层简表 t a b 1r e g i o n a ls 仃a t ao f h u a i n a nc o a lm i n i n ga r e a 二叠系 上统 石千峰组杂色砂泥岩互层 上石盒子组灰绿色砂、泥岩互层，含煤层 古 下统 生 下石盒子组灰色、浅灰色砂、泥岩互层，含煤层 山两组深灰及灰黑色砂、泥岩含煤层 界 上统微品至细品质白云岩及鲕状自云质灰岩 寒武系 中统 曩菩羹雾萎白云质灰岩夹页岩，粉砂岩 下垃 泥质灰岩、豹皮状灰岩、生物碎屑灰岩 r 现 及砂质灰岩等 旦青白口 休t 矸 核条带 古 ( 霍邱片麻岩及片岩 界群) 一 三、中生界 三叠系( t ) ：区域厚度约1 0 0 0 m ，据区内1 6 7 等1 3 孔揭露，最大厚度为 3 0 4 3 4 m ，为一套红色地层，以棕红、褐红、紫红色砂岩为主。 四、新生界 ( 一) 、第三系( e ) 区域厚度约5 0 0 m ，在本区南部外围，据1 6 9 孔揭露为粉红、紫红色粉、细 9 安徽理_ t 大学硕七学位论文 砂岩，间夹砾岩，揭露厚度为4 3 1 5 0 m 。与下伏地层为假整合接触。 ( 二) 、第四系( q ) 厚约6 0 - - 5 5 0 m 。分布趋势为东南薄、西北厚，南部古潜山处最薄。按岩性 组合简述如下： 下更新统( q i ) ：厚约0 - - 11 5 7 0 m ，岩性可分： 底砾层：厚0 - - 3 8 1 0 m ，由椭圆状、角砾状( 砾径2 - - 1 0 c m ) ，紫红色石英砂 岩组成，偶夹灰岩块。 粘土层：厚0 - 8 7 m ，狄红色，致密，可塑性强，含钙质，为不透水层。 中更新统( q 2 ) ：厚0 - - 4 1 9 r n 。 中细砂间央粘土层：厚0 - 3 8 5 2 5 m 。 粘土层：厚0 - 3 3 5 0 m ，灰色，间央细砂。 上更新统( q 3 ) ：厚2 4 5 8 4 5 2 5 m ，为中细砂层，夹砂质粘土，具古河床 特征，富水性强，为供水目的层。 全新统( q 4 ) ：厚约2 7 1 5 - - 4 8 2 0 m ，为砂质粘土层，黄色，夹粉细砂层。 2 1 3 构造概况 本区位于淮南复向斜中的次一级褶皱陈桥背斜之南翼，为一轴向北西西 向的不完整的略有起伏的宽缓向斜，即谢桥向斜。向斜北翼地层倾向南，在2 3 线深部逐渐转为南东向，倾角1 0 0 - - 2 0 0 ，向轴部逐渐变缓。向斜轴通过西部何海 子、余海孜一线，在蔡庄3 3 线为向斜鞍部，地层平缓，倾角3 0 , - 5 0 ，鞍部两侧 地层走向围绕向斜轴发生转折成弧形，f 1 4 断层以西地层转为向西倾斜。南部有区 域性走向逆冲断层，即阜凤断层( f l 断层组) 迭瓦式构造，把寒武系灰岩、煤系 下部地层推覆在煤系地层之上，在2 5 线余海孜以东地段，煤系全部被切，致使南 翼形态不完整。本区以f 5 、f 1 2 断层为东西部边界，按构造形态及断层分布情况， 可分为东、中、西三部，及f l 断层组推覆构造带，无火成岩侵入，构造复杂程度 属于中等，见图3 。 1 矿区主要断层 刘庄矿区查明的断层共有1 6 3 条，其中落差1 0 m 的断层1 1 0 条， 7 4 k m 。本断层具有较多的分支断层，尤其下降盘一侧，分支 断层十分发育。f 3 2 断层位于采区工作面的东侧，为正断层，倾角5 3 。，走向n e ， 落差0 - - 1 8 m ，延展长度0 4 k m 。 已开采的1 2 1 1 0 1 和1 2 1 1 0 5 工作面巷道揭露的断层统计，见表2 及图6 、图7 。 表21 2 1 1 0 1 与1 2 1 1 0 5 工作面断层一览表 t a b 2f a u l t so f1 2 1 1 0 1a n d1 2 11 0 5w a o r k i n gf a c e s o 断层编号性质倾向( 。) 倾角( 。)落差( m )备注 f 1 9 正 f 3 2 正 f 正 f 1 2 1 1 0 1 1 正 f 1 2 1 1 0 1 - 2 正 f 1 2 1 1 0 1 - 3正 n 2 1 1 0 1 - 4 正 f 1 2 1 1 0 1 - 5正 f 1 2 1 1 0 1 - 6正 f 1 2 1 1 0 1 - 7正 f 1 2 1 1 0 5 1正 3 2 5 1 1 4 2 8 0 1 3 5 3 1 5 1 6 8 1 5 0 1 5 5 1 8 5 9 5 3 8 8 91 3 0 1 4 0影响采区划分和工作面布置 7 5 8 5 5 0 7 0 4 2 4 5 5 2 4 1 - - 6 1 5 0 4 7 5 0 6 1 9 5 1 2 5 0 8 0 1 3 1 - 0 3 5 4 0 2 0 2 5 1 5 1 6 0 1 8 1 0 75 31 0 影响工作面布置 影响工作面布置 影响工作面回采 影响工作面回采 影响工作面回采 影响工作面回采 影响工作面同采 影响工作面回采 影响工作面回采 影响t 作面同采 f 1 2 1 1 0 5 2正2 8 0 4 01 2不影响工作面同采 1 2 曲 o 笱幅伯5 o 2 刘庄矿区概况及水文地质条件 9 0 1 图6 工作面巷道断层倾角玫瑰花图图7 工作面巷道断层走向玫瑰花图 f i g 6r o s ed i a g r a mo ff a u l td i po fl a n e w a yf i g 7r o s ed i a g r a mo ff a u l ts t r i c ko fl a n e w a y 由图表可知，1 2 1 1 0 1 和1 2 1 1 0 5 工作面巷道揭露的断层倾角具有一致性，大部 分为5 0 。，走向分布范围较大，断层走向变化较大，主要是由于揭露的断层大部 分是小断层，走向无规律。 2 1 4 拟上提工作面概况 1 拟上提n 工作面概况 本工作面位于东二采区，西起f 1 9 断层，东至f 3 2 断层，回风煤层顶板标高 - 4 3 4 9 4 5 0 8 m ，机巷煤层底板标高4 7 7 1 5 0 8 2 m ，工作面可采走向长1 0 8 5 m ， 倾斜长1 7 5 - - 一2 6 2 m ，开采面积2 1 5 5 4 0 m 2 ，按煤层厚度4 0 m 计算，可增加采出量 1 0 9 7 万吨。 本面煤厚3 3 , - - - 4 3 m ，平均煤厚4 o m 。煤层走向近东西，倾向南，倾角1 0 0 1 6 0 。煤为黑色，块状粉末状，油脂光泽，见镜煤条带，亮煤为主，属半暗半亮型 煤。煤层中普遍发育有1 层夹矸，夹矸以炭质泥岩为主，厚度0 1 0 3 m 。 煤层直接顶为砂质泥岩，厚度1 6 7 5 1 5 m ，平均3 4 1 m ，暗灰深灰色，含 较多植物化石碎片，性脆，易碎易冒落：老顶为细砂岩，厚度3 8 0 - 8 1 6 m ，平 均5 9 8 m ，暗灰浅灰色，成份以石英为主，长石次之，含暗色矿物及白云母碎片， 分选、磨圆中等，上部由泥质组成的波状层理明显，下部有菱铁组成斜层理，钙质 胶结。煤层直接底为泥岩或砂质泥岩，灰浅灰色，致密，具柔性，平均厚度2 2 1 m ， 煤层底板向下1 3 m 左右发育一层平均厚度1 8 0 m 的石英砂岩。 2 拟上提1 3 0 0 工作面概况 本工作面位于东二采区，西起f 1 9 断层，东至f 3 2 断层，回风煤层项板标高 4 3 5 9 4 6 0 m ，机巷煤层底板标高4 7 0 一- - 5 1 2 m ，工作面可采走向长1 4 0 9 m ，倾 斜长为1 3 0 一 2 1 5 m ，开采面积2 2 3 5 4 5 m 2 ，按煤层厚度4 0 m 计算，可增加采出量 1 1 6 4 万吨。 1 3 安徽理工大学硕士学位论文 本面煤厚2 5 0 - - 4 2 8 m ，平均煤厚4 0 0 m 。煤层走向近东西向，倾向南，倾角 为1 0 。 - 1 6 。煤为黑色，块状粉末状，油脂光泽，见镜煤条带，亮煤为主，属半 暗半亮型煤。煤层结构简单，不含夹矸。 在工作面中部煤层伪顶为泥岩，厚度2 6 m ，直接顶为厚度1 2 2 m 的砂岩，底 板多为泥岩和粉砂岩互层。东部顶板为砂质泥岩，直接项为厚度为9 4 5 m ，底板 为厚度在3 2 1 5 7 6 m 的粉砂岩。 2 2 水文地质条件 2 2 1 区域水文地质概况 淮南煤田位于华北平原南缘，呈东西向的复式向斜盆地，区域范围：东为郯 庐断裂，西连周口凹陷，北靠蚌埠隆起，南临合肥凹陷。由构造发展历史可知， 自三叠系后，印支、燕山运动，造成本区地壳普遍上升，经褶皱断裂作用，形成 了淮南复式向斜，断层以东西和北东向为主的构造格局。在侏罗、白垩纪以及早 第三纪的漫长地质历史时期中，该地区处于风化、剥蚀、夷平状态，形成了东南 高，西北低的古地貌，直到晚第三纪早期，地壳开始下沉，沉积了一套厚度不等 的新生界沉积物。 按含水层形成特征，将分为两套含水层系统：新生界松散层含水层系统，基 岩含水系统。 一、新生界松散含水层系统 该系统自上而下主要包括： ( 1 ) 第四系含( 隔) 水层：厚度为8 0 - - 1 2 0 m 。上段为细砂与粘土及砂质粘 土互层，为潜水含水层，中下段主要由中、细砂及粘土互层，为承压含水层，为 地面生活供水水源。 ( 2 ) 上新统含( 隔) 水层：以中细砂形成的承压含水层为主，间夹砂质粘土 和粘土隔水层，平均厚度为9 0 m ，含水丰富，水质为n a - c l 型。 ( 3 ) 中新统上、中、下段 上、中段沉积了湖泊相为主的砂质粘土及粘土，局部地段富含砂层；下段沉 积了冲、洪积相为主的棕色、灰绿色砂砾层、灰岩碎块，间夹层状粘土沉积物， 厚度为0 - - 9 0 m ，该层富水程度在不同地区差别很大，如潘集地区，富水性相对 较大，q = 0 0 0 1 6 7 - - 2 0 5 l s m ，水质为n a c l 型，而张集、谢桥矿区富水性较差。 1 4 2 刘庄矿区概况及水文地质条件 二、基岩含水系统 本区受三条走向逆断层的控制，将复式向斜盆地切割成南、中、北三个含水 亚区系统( 见图8 ) 。 1 上升泉2 灰岩裸露区3 阻水断层4 降水补给区5 铮水区 图8 淮南煤田水文地质分区 f i g 8h y d r o g e o l o g i c a ld i v i s i o no fh u a i n a nc o a lm i n i n ga r e a ( 1 ) 南含水系统亚区 位于复向斜的南翼推覆体构造前缘，间夹阜风与舜耕山逆冲断层之间，其中 包括淮南老区矿井。在碳酸岩岩溶裂隙的裸露区，接受大气降水的补给，舜耕山 断层沿山边出露，因断层的阻水作用，导致了灰岩水沿断层面溢出，形成了许多 泉眼，有的涌出量为3 5 m 3 1 1 ，水质为低矿化度的重碳酸盐型。降水还可以通过 砂岩风化裂隙和塌陷裂隙对煤系地层的砂岩裂隙水进行补给，在矿区的浅部表现 较为明显，而在深部则不明显，砂岩裂隙水的年平均涌水量为4 4 1 9 4 m 3 h 。 由于开采a 组煤的影响，灰岩水通过底板隔水层的破碎薄弱带涌向矿井，最 大涌水量为7 7 1m 3 h 。长观孔资料表明，灰岩水位随季节变化，太原组灰岩水位 变幅在3 - - 4 7 m 之间，但井下灰岩涌水量增减不明显，地下水以垂直循环为主， 深部受阜风逆冲断层的控制。 ( 2 ) 中部含水系统亚区 该区是复向斜的主体，包括潘集至谢桥、刘庄、顾桥各井田。因南北两翼逆 冲断层的阻水作用，切断了露裸区的补给水源，加之斜切断层的分割，构成封闭 的水文地质单元，地下水以静储量为主，水质为n a a 型，除局部松散层中、下 1 5 安徽理工大学硕士学位论文 部与基岩直接覆盖，存在补给关系外，其余以静储量为特征。潘集目前的几个矿 井涌水量为5 9 - 1 9 8m ，井下出水点除因上部松散层补给保持的稳定水量外， 其它一般在短期内能够疏干。 ( 3 ) 北部含水系统亚区 包含明龙山和上窑两个丘陵地区，受尚塘集一明龙山逆冲断层影响，水文地 质条件与南含水系统亚区近似，上窑泉、井涌水量为5 , - - , 6 0m 3 h ，为低矿化度的 重碳酸盐水。 2 2 2 矿区主要含水层 矿区自上而下的主要含水层为：新生界松散含水层，煤系砂岩裂隙水和1 煤 下部灰岩含水层，分述如下： 一、新生界松散含水层 刘庄井田古地貌形态东南高，西北低，总趋势向西北倾斜。新生界松散层沿 丘陵边缘向西北增厚0 - 6 0 0 m 。新城口长丰断层以东地区，厚度小于1 0 0 m 。 区内新生界松散沉积层水文地质条件，主要受新构造运动的影响。前期运动 造成东南隆起剥蚀而西北沉降堆积。经后期运动的改造，使西北缓缓回升。 第四系下、中更新统( q l + 2 ) 的沉积边界，接近东部蚌埠隆起，松散层厚度 变薄，砂层渐次为粘土代替，形成了( q l + 2 ) 含水层的边界条件，故水质为停滞 带的n a c l 型微咸水，矿化度2 9 l 左右。 区内浅层( q 3 “) 地下水为潜水承压水，与地表水体水力联系密切，接受 大气降水及河流的补给，而与深层水无水力联系，水质为n a c a n c 0 3 型淡水。 区内第四系沉积厚度6 0 5 5 0 m ，南部薄，北部厚，古地形起伏变化较大， 呈缓坡向东西两侧倾斜，本系分为全新统弱含水组( q 4 ，即“上含”) 、上更新统 含水组( q 3 ，即“中含”) 、中更新统隔水组( q 2 2 即“中隔 ) 、中更新统含水 组( q 2 1 即“下含 ) 、下更新统隔水组( q 1 2 ，即“下隔 ) 和底部砾石层组( q 1 1 ) 。 详见表3 。 1 6 2 刘庄矿区概况及水文地质条件 表3 第四系水文地质特征表 t a b 3h y d r o g e o l o g i c a lf e a t u r e so fq u a t e r n a r y 毒璺，j 耄蓁季 鋈一 水文地质特征 。| 全， 2 7 1 5 2 7 1 5 砌o 2 4 6 2 以灰黄色砂质粘土为主，含粉细砂，受大气 上日 4 8 2 0 3 2 4 0l2 5 9 。 降水及地表水补给，富水性较弱。 由灰黄杂锈黄色中细砂和砂质粘土相间组 “中含”黜 成，受上部q 4 弱含水组越流补给，据抽水 2 4 5 8 - - - 4 5 2 5 4 4 1 - - 3 2 3 0试验：水位标高+ 2 3 8 3 5 + 2 4 8 8 2 m ， q = o 2 7 9 1 2 15 l s m ， k = 4 5 0 7 2 2 8 5 6 m d ，水质n a - h c 0 3 型，矿化度 0 3 8 1 0 4 9 鲫，水温1 7 1 8 5 ，富水性中 等强，为生活用水供水层位。 懒”瑟i 黑0 面 - - , 3 3 5 0百0 1 1 2 0 呈挚銮黼燃。局部夹薄层砂 局部有薄层粘土层。据抽水试验：水位标高 + 1 4 6 2 8 m 。q = 0 5 8 7 l s - m ，k = 7 2 5 m d ，水 吓含”燃 o 3 8 5 2 50 - 3l5 5 8 质n a - h c 0 3 c 1 。下部由灰绿色掺杂浅棕色 中细砂与吲结粘土呈且层，在古地形隆起 处，与基岩直接接触。据水2 、水3 孔抽水 试验，水位标高+ 2 4 5 0