（矿业工程专业论文）帷幕截流技术在大水矿井治水中的应用.pdf

山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 矿井突水是威胁煤矿安全生产和工人生命安全的主要因素之一。矿井突水主要是因 为在煤矿掘进、生产过程中揭露与含水层连通的断层所致，以往防治突水事故的方法多 采用疏干排水和断层煤柱留设法；疏干排水虽然有效，但是造成水资源浪费和污染，甚 至在排水后导致地面大面积沉降；断层煤柱留设法，目前还没有比较准确的预计公式， 煤柱的留设多依靠经验公式，此方法在大断层煤柱的留设上易出现煤柱破坏而突水事故。 本文在理论研究和生产实践的基础上，系统总结了肥城国家庄煤矿采用帷幕截流技 术治理大水矿井突水的技术和工程经验。帷幕截流技术是在查清矿井水文地质条件的基 础上，通过对进水区( 边界) 实施注浆工程，形成人为的“档水墙”，从而阻断底板水的 涌入，既解放了受水威胁的煤层又保证了矿井的安全生产，同时也保护了矿井周围水资 源。 国家庄煤矿通过在地面和井下实施帷幕截流工程后，改变了煤矿工作面接续紧张的 局面，提高了矿井的服务年限，保证了矿井的正常生产，取得了很好的社会和经济效益。 关键词：煤矿安全 矿井突水帷幕截流水泥注浆 山东科技大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t u n d e r g r o u n dw a t e ri n g r e s si sv e r yd a n g e r o u st ot h em i n es a f e t ya n dt h e w o r k e r s l i v e s t h e m a i nr e a s o n sw h yw a t e rb u r s t i n gi nc o l l i e r i e sa r et h a t d i s c l o s i n gt h ef a u l t st h a tl i n kw i t hw a t e ri nc a v i n ga n dp r o d u c i n g i no r d e rt o p r e v e n tw a t e rb u r s t i n g ，u s i n gd r a i no u tw a t e ra n dr e m a i nc o a lp i l l a r sn e a rt h e f a u l t s i ti se f f e c t i v eb u tc a u s e sw a t e rr e s o u r c e s p o l l u t i o na n dw a s t e a t p r e s e n tt h e r ei sn oa c c u r a t ef o r m u l af o rr e m a i n i n gc o a lp i l l a r st of o r e c a s t s o w es h o u l dd e p e n do no u re x p e r i e n c e st od o b u ti ti se a s yt oc a u s ea c c i d e n t sf o r c o a l p i1l a r sd e s t r o yi nt h eb i gf a u l t t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h et e c h n i q u eo fu s i n gc e m e n tp u r d a ht op r e v e n tw a t e r b u r s tf i r s t l yi nt h eb i gc o l l i e r yb a s e do np r a c t i c e g r o u t i n gi nt h ea r o u n do f i n f a l li n gb o u n d a r ya n di n f o r m i n gw a l lt op r e v e n tw a t e rb a s e do nc l e a rk n o w n i n g t h ec o n d i t i o no fg e o l o g ya n dh y d r o l o g y t h i sm e t h o dn o to n l ya s s u r et h es a f e t y o fp r o d u c t i o nb u ta l s op r o t e c tt h ew a t e rr e s o u r c e sa r o u n dt h ec o l l i e r y g u o j i a z h u a n gc o l l i e r yu s i n gt h i sm e t h o dc h a n g e dt h es t r a i nc o n d i t i o ni nt h e w o r m n gf a c en e e db yc a r r yt h ep r o j e c ti ng r o u n da n du n d e r g r o u n d s ojtp r o o n g e s t h ec o l l i e r y ss e r v i c et i m ea n da s s u r e st h en o r m a lp r o d u c t i o n w i t hi tt h e c o l l i e r yg o ts o c i a la n de c o n o m i cp r o f i t s k e yw o r d s ：c o a lm i n es a f e t yu n d e r g r o u n dw a t e rb u r s t i n g c e m e n tp u r d a h c e m e n ti n j e c t i o n 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的意义 矿井突水问题一直是困扰煤矿生产的突出问题。1 9 5 0 年以来我国煤矿曾发生过数百 次突水事故，其中开滦范各庄矿于1 9 8 4 年6 月2 日发生突水量为2 0 5 3 m 3 m i f f l 的特大 突水淹井事故，造成经济损失5 亿元以上，煤矿突水已成为影响煤矿安全生产的重大关键 问题之一。 我国华北煤田煤系地层多为石炭二叠纪地层，普遍缺失上奥陶统、志留系、泥盆系、 及下石炭系，石炭二叠纪地层直接沉积于中奥陶系之上，中奥陶系为巨厚的石灰岩，简 称奥灰。煤系地层中也沉积有厚度不等的薄层灰岩。这些灰岩往往岩溶发育，含有丰富 的承压水，即喀斯特承压水。灰岩含水层至煤层的间距一般从十几至几十米不等，期间 是由砂岩等岩层组成的隔水层水在底板灰岩承压水水压过高，而隔水层较薄其隔水能力 不足，或隔水层局部遭受破坏形成突水通道时，采掘工作面一旦揭露这些区域，则很容 易发生底板突水事故。底板突水量小的可以是每分钟几个立方米，大的则可达上千立方 米( 1 9 8 4 年6 月2 日开滦范各庄煤矿2 1 7 1 工作面陷落柱奥灰突水达2 0 5 3 m 3 m i n ) 。 我国约有6 0 的煤矿与这些喀斯特承压水有关，不同程度地受到水害威胁。据统计， 全国统配煤矿受承压水威胁的煤炭储量多达1 0 9 亿吨，占总保有量的2 1 1 。我国华北 煤炭受水威胁的矿区有河北的井陉、邢台、邯郸、峰峰、开滦，河南的安阳、鹤壁、焦 作、平项山、新密、豫西，山东的淄博、肥城、新汶、莱芜、枣庄、兖州，江苏的徐州、 大屯，安徽的淮南、淮北，山西的霍州、轩岗，陕西渭北，辽宁的本溪、南票，吉林的 通化等煤田。 随着煤炭生产的发展，矿井底板突水危害也越来越严重，这主要表现在：随着矿 井开采水平的不断延深，开采深度越来越大，灰岩承压水不断增加，突水的潜在危险性 也随之加大，有些老矿井正是由于底板水害等因素的制约，使得继续向深部开采越来越 困难( 如开滦赵各庄煤矿) 。有些矿区上组煤开采结束后，要开采下组煤，而下组煤与 底板灰岩的间隔较小，隔水层较薄，底板突水危险性加大( 如肥城矿区等) 。有些矿井 首先开采了水文地质条件简单的采区，而后被迫开采水文地质条件复杂区，这些区域灰 岩喀斯特发育，地质构造密集，突水危险性较大。随着市场经济的发展，煤矿企业受 经济条件制约，很难进行疏水降压，帷幕注浆等大型防治水工程带压开采成为受底板灰 1 当查型垫查堂婴主堂垡笙苎堕堕 岩承压水威胁煤层开采的主要方法。“1 长期以来，疏干排水作为矿区水害的防治措施之一，对改善矿井作业环境、保证生 产安全起着十分重要的作用。但地下水也是一种数量有限、与其它环境要素关系密切的 资源，单从保证安全生产角度出发，对矿井水长期无节制地疏干排放，会破坏地下水环 境地原始状态，其结果可能导致一系列环境问题的严重产生。如导致水资源枯竭、诱发 岩溶地面塌陷、地面沉降、加剧矿区污染、影响经济效益等，对此必须采区科学合理的 环境对策，以保证矿区持续而健康地发展。 在一个特定地区域环境下，地下水并不是“取之不尽，用之不竭”的，而是一种数 量有限及其宝贵的资源。由于矿井水的长期抽排，往往会造成区域地下水位的持续下降， 含水层逐渐被疏干，水资源日趋枯竭，并由此而引起矿区供水取水工程水量减少、泉水 二i 二枯、水源井吊泵报废等不良问题，造成矿区排水与供水间的矛盾。如山东淄博矿区由 于长期矿井排水，使部分地区( 博山、龙泉一带) 奥灰水位从6 0 年代可溢出地表降至埋 深6 0 9 0 m ，一旦矿井突水，疏排强度大，常易造成周围城区水源井枯井；在河北峰峰 矿区，由于矿井水的长期疏排，已将鼓山两侧潜水层大面积疏干；开滦赵各庄矿是一个 老矿，现开采水平最深已超过- 1 0 0 0 m ，而矿井供水系统建在- 2 8 0 m 水平，由于疏干排水， 旱季奥灰水位已降至一2 5 0 一2 6 0 m 之间，使原有供水系统的供水量难以满足要求。上述 这种排水与供水之间的矛盾，在矿井疏降对象与供水水源为同一含水层或水力联系密切 时，表现的尤为突出。 矿井疏千排水引起水质恶化，污染环境的情形有多种，种是由于疏干排水，地下 水位大幅下降，改变了地下水水动力、水化学环境条件，地下水与环境要素间作用强度 加大等，使水质随水位降深值增大而逐渐下降。如淄博矿区淄河流域的岩溶地下水已由 早先的低矿化重碳酸型水演化为中矿化的重碳酸型水，水质明显变坏：二是原先水质较 好的地下水，在涌入矿井过程中及其后，携带更多的自然环境成分或人工废弃物的污染， 而使水质恶化，从而影响矿井水的使用价值，造成水资源浪费：三是经过污染后的矿井 水，未经处理就直接排放，造成对地表水、土壤等的环境污染。如湖北黄石矿区和松宜 矿区，酸性矿井水未经处理直接外排至洛溪河，造成严重污染，致使鱼死虾亡，沿岸数 十公里长的生产、生活用水只得另辟水源。同时，矿井水流经之地，改变了土壤的湿化 性质，p h 值降低，从而抑制了农作物的生长，致使农业生态环境也受到不良影响。 在岩溶地区，因疏排地下水，造成水动力条件改变而发生岩溶地面塌陷的环境灾害 已十分突出，尤其在南方矿区，如湖南涟邵矿区的恩口煤矿，在不到l o k m 2 的井f 日内己 2 生垄型垫查兰堡主堂垡丝苎 堕丝 有大小塌陷坑上万个。北方的一些矿区，如淮南、淮北、徐州、河北柳江矿区等也较突 出，在一些金属矿山也存在类似问题。岩溶地面塌陷的发生将会给地表环境及生态带来 极大的破坏，如破坏地表水源，导致水库干涸，河泉断流：破坏房屋建筑及工程设施， 影响道路交通安全；引起突水、地表水回灌，恶化矿山安全作业环境；破坏耕地，加大 水土流失，改变生态平衡等。此外，岩溶塌陷还可能成为地下水污染途径，使地下水更 容易遭受污染。 尽管矿区因疏排地下水而引起的地面沉降不像城市那样突出，但在一些隐伏矿区， 因矿井排水或矿区供水而直接疏排或直接抽排第四系松散层中孔隙水的矿区，地面沉降 也多有不同的表现，如淮南的潘集矿区、淮北的临海童矿区等，这类矿区的工业广场和 职工生活区的地面沉降己对部分工业和民用建筑产生了不同程度的变形破坏，尤其是今 年来在两淮矿区和徐州大屯矿区，因疏排厚冲积覆盖层中孔隙水引起的矿井井壁破坏， 已越来越受到煤矿科技工作者的重视。“1 矿井随着时间和煤炭的采出，产生老化，工作面上覆岩层受到破坏，产生的导水裂 隙带与水体导通，把水引入矿井，给煤矿生产造成重大损失，工人人身安全受到威胁。 因此大水矿井的水害是制约矿井稳定发展的首要因素，为解决受水威胁煤量必须采用有 效可靠的防治水手段，既要做到保护水资源又要行之有效。 帷幕截流技术是最早应用于喀斯特地区大坝坝址中，随着注浆堵水的广泛应用，逐 渐成为一种防治水的方法。f 睢幕截流是通过注浆在含水层中建造地下挡水墙，人为地改 变水文地质条件，改变含水层的补给水源，使被疏干含水层的动、静储量相对减少，使 其得不到或得到较少的补给，减少矿井正常涌水量，是处理进水边界或导水断层的一种 有效技术措施。 1 2 国内外研究的现状及存在的问题 今年来底板突水防治取得了许多进展，目前我国在防治水方面主要采用以下方法： 断层留设煤柱、底板注浆改造和帷幕截流法。 ( 一) 断层煤柱留设“1 据不完全统计，煤矿底板突水5 0 以上与断层有关。由于断层留设的放水煤柱不足， 甚至不留设放水煤柱而造成大型突水。例如肥城矿区从1 9 6 5 年开采太原组煤层以来，共 发生底板突水2 0 0 余次，其中水量大于1 0 0 0 m 3 h 的7 次，淹6 各矿( 井) 。这7 次大型 3 些查型丝查兰堡主兰些堡兰 堕丝 突水中，有5 次是由于断层位置不清留设煤柱不足造成的。 留设煤柱的放水煤柱必须留足，留设不足的放水煤柱，易造成矿山压力的集中，煤 柱会破坏，抗水压能力降低，在水压矿压联合作用下很容易片帮、冲垮而造成突水。开 采放水煤柱，特别是大断层的放水煤柱是一个及其危险的做法。 断层煤柱的留设方法有下列三种： 1 传统方法 ( 1 ) 承压水由断层或断层彼侧的强含水层直接突破煤层而进入采区，如图l _ l 所示。 其防止的方法是紧靠断层带沿煤层这一侧留设防水煤柱( a ) ，其计算公式如下： 斤f 口= o 。5 砌、案 ( 1 1 ) 式中a 煤柱宽度； m 煤层厚度或巷道的高度； k 在断层带附近的煤层抗张强度： p 作用于煤柱的静水压力： a 安全系数，一般取2 5 倍，其大小的选择应考虑以下几个因素：一是根据 对断层位置的控制程度和对断层充填情况和两侧有无导水的羽状裂隙带及其宽度的了解 程度：二是k 值的可靠程度；三是适当考虑煤层开采时，可能对煤层柱的破坏情况。 图1 1 断层倾角a 三+ 孥时防水煤柱计算图 4 7 f i g 1 1 i q 山t yo f t h er a u - t b 三+ 警， t h ew a t e rp i l l a re a e u l a t em e t h o d 1 ，含水层；2 导水断层带：3 开采煤层；4 弱导水或不导水断层带 p 一水柱压力；8 - 防水煤柱 4 上一 丁吖盆1 一 = 1 4 j 一一k 7 ， 一 = r ：磊 山东科技大学硕士学位论文 绪论 ( 2 ) 当断层倾角较小，由于煤层采出后矿山压力向底板传递和地下水静压的作用，承 压水有可能从导水断层带或断层彼侧的强含水层沿最短的距离突入采区，如图1 2 所示。 其防止的办法不仅应使煤柱的宽度a 符合要求，还应该使由采掘边界至导水断层带或强 含水层的最短距离大于按公式计算的安全煤柱a 值。 图1 t2 断层倾角a 三+ 丝2 时防水煤柱计算图 1 古水层；2 导水断层带：3 煤层；4 不导水断层 p - - 水柱压力；a 一防水煤柱 h g 1 z i i q 山t yo f t h er a u 旧 号+ 警， t h ew a t e rp i l l a rp o l ec a c u l a t em e t h o d ( 3 ) 由于煤层采后向上产生冒裂，波及含水层断层带或断层彼侧的强含水层，高压地 下水有可能通过冒裂带突入采区。其防止的办法是，使a 值符合煤柱边界至导水断层彼 侧强含水层的铅垂距离大于水体下采煤的放水煤柱高度，等于预计或该区实测的导水裂 隙带高度，加防护层厚度，即h 防= h 裂+ s 保。 2 经验公式法 在许多矿区，断层煤柱的留设使根据经验公式来设计的。肥城矿业集团对断层煤柱 的留设采取了如下方法： ( 1 ) 上组煤 对落差大于或等于3 0 m 的断层，两层各留5 0 m 的煤柱；对落差2 0 小于3 0 m 的断层， 不留煤柱。 5 当查型垫查兰堡主兰堡堡壅 堕堡 ( 2 ) 下组煤 对落差大于或等于3 0 m 的断层，两侧各留5 0 m 的煤柱；对落差2 0 3 0 m 的断层，两 侧各留3 0 m 的煤柱；落差在2 0 m 以下的断层一般不留煤柱。 淄博矿业集团对落差较大的断层都保留防水煤柱，不过在防水煤柱的留设尺寸上原 来没有什么标准，只根据“适当多留，确保安全”，“由浅到深一个宽度”的原则进行。 但9 0 年代以来也选用适当的曲线方程计算确定。例如夏庄一井东顶山断层，探明落差 1 4 m ，它使l o 层煤与徐灰的间距缩小为1 1 m ，与奥灰的间距缩小为3 6 m 。采区上限标高 一1 5 0 m ，下限一3 0 0 m ，断层沿倾斜方向切过采区。按曲线方程： 2 7 0 ( t m 2 ) = 0 1 6 h 2 + 1 5 h 一3 0( 1 2 ) 计算一1 5 0 m 水平停采线距含水层应3 9 m ，一3 0 0 m 水平应有4 9 m 。根据断层实际倾角作剖面 图1 3 所示，即可具体确定不同水平防水煤柱尺寸，安全上至今没有出现问题。 图1 3 断层防水煤柱尺寸图 f i g 1 3t h es i z eo ft h ef a u l tw a t e rp i l l a r 3 内外应力场法 断层煤柱的留设使受诸多因素影响的，没有一个理论公式或经验能够保证所用断层 不突水。在断层煤柱留设方面，某种程度上经验比理论更为重要。建立在大量实践经验 基础上的矿山压力内外应力场理论对于指导断层煤柱的留设很有意义。 ( 二) 底板注浆改造 底板的注浆改造是指在工作面回采之前。预先对回采煤层的底板进行注浆加固，以 阻止地下水源向煤层底板的补给。是一种很有效的预防突水事故的方法。 6 坐查型垫奎堂堡主兰垡堡苎 堕笙 1 底板注浆改造的前提条件 通过预注浆改造底板，从而实现承压水体上的安全采煤，具有操作简单、效果显著， 比疏水降压采煤方法成本低，是一项值得推广应用的防治地下水措施。但该项技术的应 用是有前提条件的，应用该项技术之前必须搞清各含水层之间的水力联系研究现场的 底板突水机理，以确定注浆改造的可能性。肥城煤田太原组9 和1 0 煤层的开采主要受到 本溪组五灰水的威胁，而五灰水的水源便是奥陶系岩溶裂隙，由于煤田断裂构造及重力 滑动构造影响，五灰与奥灰实为统一的水力系统，因煤层到五灰之间的隔水层薄，且破 碎严重，从而开采9 和1 0 煤层时底板突水时常发生。由于五灰厚度在5 l o m 左右，且 发育的裂隙之间连通性好，同时煤层隔水底板裂隙也发育，因此实行五灰及煤层底板隔 水层的注浆改造是可行的。而奥灰巨厚，岩溶发育情况不清楚，不能盲目实行注浆改造。 2 底板注浆改造的机理 ( 1 ) 向受水含水层( 如肥城的五灰) 中注浆浆液，浆液在注浆压力的推进下沿着灰岩 的岩溶裂隙扩散、沉析、结实，最后充填灰岩的岩溶裂隙，把灰岩中的水置换出去，使 狄岩含水层变为不含水或弱含水。 ( 2 ) 浆液在注浆压力的作用下，通过灰岩沿着补给源( 如奥灰) 的通道向下流动、扩 散、沉析、结实，从而堵塞或缩小导水通道，减少水源对受水体的补给量。 ( 3 ) 浆液通过注浆层向煤层底板裂隙中运移、沉析、结实，充填隔水层的导水裂隙和 胶结岩块，加固了底板的阻隔水能力。 3 注浆钻孔设计 按浆液扩散半径2 0 3 0 m 的布设，力求注浆钻孔设计求使浆液在整个工作面或需注 浆液改造的地段的覆盖率大8 0 以上。 钻孔揭露被注层段尽量长些，所以打孔为宜。 钻孔的方向尽量要和断裂构造发育方向斜交。 在断层发育带、初压及周压显现地段、褶皱构造的轴部及裂缝发育地段要重点布孔。 4 、注浆孔结构与施工 注浆孔的终孔直径不小于7 2 r a m ，底板中存在导水裂缝或有弱含水层的地段孔内一般 下两层套管，第一层为空口管，长3 5 m ；第二层套管长度为套管下口，上距煤层底板 十余米。第二层套管上按设水门，水门的最大抵压能力不小于注浆压力的1 5 2 倍。若 底板中不存在导水裂隙或弱含水层，可不设空口管。 注浆孔一般在工作面的轨运中巷及联络巷中施工。每个硐室打1 3 个孔，分序次施 7 当玺型堇查主堡主兰竺堡奎堕笙 工。第一个序次孔距5 0 8 0 m 。其目的一是查灰岩含水性二是注浆，第序次孔中间 打第二序次孔，第二序次孔主要是扩大注浆。第二序次孔注完浆再打第三序次孔。第三 序次孔是重点加密孔、检查，也要注浆。 注浆孔施工过程中，要做好简易水文地质观n i 作，以指导注浆。主要内容：初见 涌水量及涌水量变化，初次和加大涌水量的大小、位置、深度、水压，见被注层深度及 穿过被注层的深度、水量，见灰岩溶洞的深度及大小等。 5 注浆工艺流程 注浆材料可用水泥、粘土。粘土水泥浆制作余灌注系统由四大部分组成，即水泥上 料系统，粘土浆造浆系统，粘土水泥浆造浆系统，注浆系统。注浆方式根据情况采用全 层连续注浆和间歇注浆。当发现有跑浆现象时，采用间歇式注浆，间歇时间以2 4 小时为 ，! = io 6 注浆参数 ( 1 ) 水灰比根据钻孔揭露的灰岩岩溶裂隙的大小确定，一般为1 ：1 3 ：1 ，多用 1 2 ：1 1 5 ：1 ，岩溶裂隙发育，吸浆量大的用浓浆，否则用稀浆。 ( 2 ) 泵量根据裂隙发育程度及泵压确定，当裂隙发育或无泵压时，采用全泵量。当 裂隙发育差或泵压大于0 5 m p a 时，用中泵量，最后结束用小泵量。 ( 3 ) 单孔注浆结束标准单孔注浆当水灰比为2 ：l 3 ：1 ，泵量为4 0 t m i n ，孔口压力 达到水压的2 3 倍持续一定时间即可结束。 ( 三) 帷幕截流 帷幕截流最早是国内外广泛用于水利工程的防渗措施之一，6 0 年代开始，这种技术 被引j ；j 导采矿业。截流的主要目的是堵截矿井采场的水源。保证安全生产。帷幕截流工 程施工的地点分为地面和井下施工。地面施工方便，但费用高；井下施工难度大，但成 本低。”1 2 0 世纪6 0 年代初期在中国徐州矿务局进行了帷幕注浆截流治水的工艺试验，其后， 中国、俄罗斯、乌克兰也在一些矿山中使用了该项技术并取得了较好的效果。 而惟幕截流技术在矿井防治水中特别是井下大范围的实施，在国内外尚属首次。 1 3 研究的主要内容和技术路线( 以肥城国家庄煤矿为例) 因工程规模和投资较大， 因工程规模和投资较大， 对其要求也相当严格 对其要求也相当严格 需要做大量的基础工作 需要做大量的基础工作 坐奎型垫查堂堡主兰些丝苎 堕堡 ( 1 ) 沿旧剃亍i 糊自蝴蚴旃鸷雕崤删厦撒造及匆融f ( 支她质条限 ( 2 ) 注浆孑l 要有足够的密度。 ( 3 ) 因地制宜，采用多种注浆方法。 ( 4 ) 对截流后含水层的疏干效果和流场情况有详细的模拟分析。 国家庄井田疏干四灰水成为安全开采7 层煤甚至开采8 、9 、1 0 煤的先决条件，整个 井田生产采区内四灰水尚未疏干的主要原因是井田东南、西南面的边界导水断层f 7 、f 7 】 所致，四灰接受其对盘奥灰、五灰的补给。大范围内切断四灰水的补给通道或减少补给 量的最佳途径就是帷幕截流。 采用帷幕截流技术在四灰内形成阻水墙，切断或减少帷幕区内四灰水的补给量，利 用钻孔放水对帷幕区内四灰水进行疏干，从而达到安全回采7 、8 、9 、1 0 层煤。首先要 进行帷幕巷位置选取、施工，然后再施工帷幕孔及注浆，达到的效果应是帷幕区内四灰 水有一定的疏干范围，解放受水威胁煤量，取得防治水技术上的突破。 9 山东科技大学硕士学位论文国家庄煤矿水害调研 2 国家庄煤矿水害调研 2 1 矿井概述 国家庄井田位于肥城煤田西南部，东、东北为r 断层并与白庄矿、平阴矿为界：西、 西北为f 2 。、f 3 断层并与查庄矿、马坊矿( 原聊城矿) 为界：南为煤层露头：东南部为地 方煤矿隆庄矿( 已关闭) 。井田走向长6 o k m ，倾斜宽0 5 1 8 k m ，面积9 o k m 2 。国家庄 矿于1 9 7 0 年建井，1 9 7 5 年投产，采用立井双翼开拓，混合式通风，1 9 9 7 年核定生产能 力4 5 万t n 。自投产以来至1 9 9 0 年，由于集中开采不受水威胁的上组煤，年产量保持 在8 0 万t 以上，为肥城矿务局的发展作出了很大贡献。同时，超强度开采使优质上组煤 资源枯竭，转入受水威胁的下组煤开采后产量大副下降，年产原煤6 0 万t 左右。现有三 个生产水平；一7 0 m 水平基本结束，以回收各类煤柱为主：一8 0 m 水平属原南高余煤矿，因 受水威胁严重而长期未进行开采；- 2 1 0 m 水平为主产水平，于1 9 9 2 年底投产，受五、奥 灰水威胁严重，1 9 9 3 年1 月5 日，一2 1 0 m 北大巷在沿煤7 掘进过程中突发奥灰水，水量 达3 2 9 7 0 m 3 h ，矿井被淹。2 0 0 2 年1 2 月2 7 日，8 1 0 1 工作面推采过程中突然揭露一条落 差1 8 m 的隐伏正断层，发生底板奥灰突水1 6 5 4 0 m 3 h ，一2 l o m 水平被淹。 截止2 0 0 2 年底，井田地质储量7 1 9 6 6 万t ，工业储量5 5 1 1 3 万t ，可采储量2 2 6 0 3 万t ，其中受水威胁1 8 9 9 2 万t ，占8 4 ，村庄及建筑物压煤4 2 2 5 万t ，有效可采煤量 仅2 0 8 9 万t ，生产成本1 8 7 7 9 元t ，年亏损达1 2 8 0 万元。由于水害制约，矿井采掘 矛盾突出，生产接续紧张，安全生产形势严峻，矿井生产举步维艰，受水威胁成为影响 和制约矿井当前乃至长远发展的首要因素。实施四灰帷幕截流不仅十分必要，而且迫在 眉睫。 2 2 井田地质及水文条件 2 2 1 地层及煤层( 见煤系地层综合地质柱状图2 1 ) 2 2 1 1 地层 本井田地层与区域地层相同，自下而上为前震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二 叠系、第四系。含煤地层为石炭、二叠系。现将奥陶系至二叠系间的地层情况简述如下： 奥陶系：为煤系地层下伏的厚层灰岩含水层，厚约8 0 0 m ，在煤田的西南、南部广泛 1 0 些查型垫盔堂堡主堂垡丝塞 鬯窭堡堡! 坐宣塑翌 出露，面积达2 6 0k m 2 。以质唇致密的结晶灰岩为主，岩溶裂隙发育。 石炭系：平均厚1 6 3 5 3 m ，分中、上石炭统。中石炭统( 本溪群) 平均厚2 9 4 ，以 杂色粘土岩、粉沙岩为主，含石灰岩两层( 六灰、五灰) ；上石炭统( 太原组) 平均厚 1 3 4 1 3 m ，以深灰色、灰色粉沙岩为主，含煤1 0 层，可采7 层( 5 、6 、7 、8 、9 、1 0i 、 l o i i ) ，累计厚9 6 6 m ，夹石灰岩4 层( 灰、二灰、三灰、四灰) ，其中7 、8 、9 、1 0 i 、1 0 i i 层煤为受水威胁煤层。 二叠系：仅有下二叠统( 山西组、下石盒子组) 厚2 7 8 2 m 。其中山西组厚1 2 8 2 m ， 以灰色至灰自色中粒砂岩为主，含可采煤层3 层( 3i 、3 i i 、4 层煤) ，煤层总厚度5 0 7 m ， 下石盒子组厚1 5 0 m ，不含煤。 2 2 1 2 煤层 本井田含煤地层为石炭系太原群t n - 叠系山西组，含煤1 7 层，煤层总厚度1 7 0 1 m ， 古煤系数6 5 。山西组煤层为上含煤组，不受水威胁。太原组煤层为下组煤，不同程度 的受底板岩溶水威胁，分述如下： ( 1 ) 第5 层煤：位于太原组上部，厚0 2 2 1 m ，平均0 9 7 m ，自西南向东北变薄， 局部可采。直接顶为细砂质泥岩，质软、破碎，平均厚度3 5 4 m ，底板为深灰色粉砂质 泥岩，厚6 5 3 m 。 ( 2 ) 第6 层煤：上距第5 层煤8 4 9 m ，厚0 6 1 1 1 m ，平均0 8 5 m ，局部可采，下 距第7 层煤1 7 5 7 m 。顶板为二灰，厚1 6 9 m ，底板为灰白色中粒砂岩 ( 3 ) 第7 层煤；厚1 9 2 3 4 m ，平均2 1 4 m ，上部含粘土岩夹石( 0 1 0 2 3 m ) ， 是本井田的主要可采煤层，下距四灰1 3 7 5 m 。其直接顶为深灰色粉砂岩，厚9 9 2 m ，性 脆，节理发育，强度低。底板为深灰色粉砂岩，厚1 1 1 1 m 。 ( 4 ) 第8 层煤：厚1 5 2 7 m ，平均2 1 m ，上部夹0 2 8 m 厚的炭质细砂岩夹石，是 本井田的主要可采煤层，下距第9 层煤7 5 5 m 。直接顶为四灰，厚5 4 m 。质地坚硬，裂 隙发育。底板为粉砂岩，厚6 9 2 m 。 ( 5 ) 第9 层煤：厚1 2 2 1 5 m ，平均1 6 7 m ，含1 2 层厚0 0 5 o 5 r , 1 的粘土岩夹 石，属结构复杂的稳定煤层，下距第1 0 层煤，2 1 7 m 。顶板以粉砂岩为主，局部为灰色泥 灰岩，厚0 6 3 m 。底板为灰色泥灰岩，厚0 6 3 m 。底板为灰黑色泥岩，厚0 1 7 m 。 ( 6 ) 第1 0r 层煤：厚0 3 1 _ 2 m ，平均0 6 8 m ，含0 1 m 厚的夹石一层，属结构复杂 的极不稳定煤层，下距第1 0 “层煤0 9 7 m ，局部合层。井田内以开采煤1 0 。为主，煤1 0 。 因开采技术条件差而难以回采。 1 1 些查型塑堕苎望型苎塑望生垦 里塞皇堡笙查童塑婴 ( 7 ) 第1 0 层煤：厚1 2 4 8 3 m ，平均2 2 8 m ，全区稳定可采，是本井田的主要可 采煤层，含0 0 5 0 2 m 厚的夹石1 5 层，结构复杂。其顶板为深灰至黑色泥岩，厚0 3 8 5 m ，裂隙发育。底板为浅色砂质粘土岩，厚3 6 1 m ，遇水易软化膨胀。如图2 1 。 图2 1 煤系地层综合地质柱状图 f i g 2 1w h o l eg e o l o g i ch i s t o g r a mo f c o a ls t r a t u m 1 2 山东科技大学硕士学位论文国家庄煤矿水害调研 2 2 2 地质构造 国家庄井田处于三面被断层包围、区内小型断层发育的地堑向斜构造。同时，因本 井田处在煤田西南边缘的向斜翘起部位，地质条件极为复杂。 井田东南部和西北边界是f ，、f ：。断层，形成本井田的基本构造形态一地堑构造。在 地堑内，f 2 5 、f 3 断层又构成次一级地堑构造，并因多次水平压力的作用，形成了轴向 n 4 0 。e 、里弧状的“船”形向斜，其北翼完整，南翼因受f 7 断层切割而残缺。井田内共 发育落差大于l o m 的断层3 0 条，延展长度3 9 5 8 0 m ，平均3 3 条、4 3 9 8 m k m 2 。落差3 1 0 m 的断层9 3 条，延展长度1 8 6 0 0 m ，平均l l 条、2 0 6 7m k m 2 。井田内部断裂构造、褶 曲、火成岩墙均有发育，构造十分复杂，现分述如下： 2 2 2 1 断层 f ，断层：为井田东南边界，走向n o 4 0 。e ，倾向西北，倾角6 0 7 5 。，落差1 0 0 1 9 5 m ，南升北降，本井田内的延展长度5 0 0 0 多米。 f 。断层：为井田西北边界，走向n 4 0 。e 左右，落差8 0 2 0 m ，浅小深大，延展长度 1 9 0 0 m 。 f 。一。断层组：是f ，断层的附生断层，由f ，。、g f 。、f ，。f ，一。等断层组成，走向n 2 0 4 0 。e ，倾向西北，倾角4 0 7 5 。，落差f ，一是1 3 5 1 5 m ，g f 。是 o 2 0 m ，f ，一：是2 0 6 5 m ， f 。是2 0 m ，南升北降，呈阶梯状下落。 f 。断层：为井田北翼与查庄井田边界，其走向n l o 9 0 。e ，倾向西北，倾角n 5 0 7 0 。， 落差9 0 3 0 m ，南大北小，延展长度4 1 0 0 m 。 g f ，断层：位于井田中下部，走向n 2 0 5 0 。e ，倾向西北，倾角3 5 6 0 。，落差3 0 9 0 m ，南大北小，北端与f ，断层相交。 g f 。断层：为矿井内隐伏断层，位于g f 。断层：上盘，走向近南北，倾向西，倾角1 3 2 8 。，落差2 0 m 左右。g f 。g f 。断层为矿井实见断层，落差l o 3 0 m 不等。 山东科技大学硕士学位论文 国家庄煤矿水害调研 表2 1 井田边界断层统计表 t a b l e2 1s t a f i s t i c so f f a u l ti nt h eb o r eo f t h ec o a l 序号编号走向倾向倾角( 。)落差( m )断层性质控制点 控制程度 西补6 0 、西补 6 5 3 2 8 、4 8 、西补上组煤已 lf 3n 1 0 9 0 。e 西北 5 0 7 03 0 9 0 正断层 1 5 、西补1 4 、奥3 、控制 巷道控制 6 3 1 l 、6 3 5 9 、3 5 0 0上组煤已 2f 2 5n 4 0 。e 东南 6 5 7 58 0 2 0正断层 石门控制 控制 6 3 水、6 3 水8 、3 1 5 、上组煤已 3f 7 n 0 4 0 o e 西北 6 5 7 51 0 0 1 9 5 正断层 六八采区石门控制控制 6 3 2 6 、6 3 3 1 1 、7 8 、上组煤已 4f 7 1n 2 0 - - 4 0 。e 西北 4 0 7 51 5 1 3 5 正断层 三六八十采区控制控制 5f 7 - 2 n o 4 0 。e西北不明 2 0 6 5 正断层 6 3 5 5 、3 5 3 基本查明 6f 7 - 3n o 1 0 。e 东 5 02 0 正断层2 6 0 9 、3 6 1 1 面控制初步控制 上组煤已 7f 3 1n 4 0 5 0 。e 西北 5 0 6 01 0 3 0 正断层g 8 0 2 、3 8 0 4 面控制 控制 合计7 条 2 2 2 2 褶曲 较大的向斜构造位于f 7 1 断层西侧，该向斜轴部在1 4 3 、西检2 、6 3 3 4 、3 0 9 号孔 一线，向斜北翼完整较缓，南翼因受f 7 断层切割而残缺。轴向约北东4 0 。，呈弧状。 南至隐伏露头，北至g 8 3 - 2 孔，长度约4 3 0 0 m 。 2 2 2 3 火成岩墙 矿井生产期间，- - 7 0 m 水平四六采区实见一条近东西的l # 岩墙，岩性为辉绿玢岩， 具体位置在f 3 f 7 - 1 断层、纬线4 0 1 0 0 0 0 4 0 1 0 1 0 0 间，宽度0 5 3 0 m ，东西延伸长 度近9 0 0 m ，最高侵入层位2 层煤顶板。其倾向北，倾角8 5 9 0 。，岩墙两侧0 5 0 8 m 范围内的煤层变质为天然焦。 在- - 7 0 m 水平实见的岩墙以南3 6 0 m 处，- - 2 1 0 m 水平又揭露一条近东西向的2 # 岩墙， 1 4 生变型苎查堂堕主堂垡堡奎里蔓垦塞! 查量塑竺 岩性为辉绿玢岩，西至g f 2 0 ，东部已过- - 2 1 0 m 集中巷，宽度0 2 1 o m ，实见长度近4 0 0 m 。 最高侵入层位7 层煤顶板。岩墙处无导水迹象。 总上所述，本并田的基本构造形态是：三面被断层包围，区内以断裂构造为主，小 的褶曲发育的地堑向斜构造。井田东南和西北边界是f 7 、f 2 5 断层，形成本井田的基本 构造形态地堑构造。构造展布规律是，地层走向在东北4 0 。左右，基本稳定，倾向 东南，与肥城煤田反顷，地层倾角4 1 5 。，局部达3 0 。；断层走向以东北向发育为主， 近东西向次之，断层间相互交叉；张性裂隙及火成岩墙近东西向分布。如图2 2 国家庄 井田构造纲要图。 i 冬 2 2 球j = f ! ! 井约也荆要罔 e 马圈日田 口 口e 日团 # ，l ，i ：h 1 h h i |hi tm“k#m i “、：m 、 。 u= ”1 ”“ f i g 2 2s t r u c t u r ef i g u r eo fg u o j i a z h u a n gc o l l i e r y 2 2 3 水文地质 2 2 3 1 含水层 本井田内主要含水层有： 第四系砂及砂礓含水层，山西组砂岩层，太原组石灰岩含水层，本溪群徐家庄灰岩 ( 以下简称五灰) 及奥陶系灰岩( 以下简称奥灰) 含水层。 其中第四系砂及砂礓含水层、山西组砂岩含水层、太原群中第一、二层灰岩含水层 等对矿井充水影响较小。太原群第四层石灰岩( 以下简称四灰) ，本溪群五灰和奥陶系石 灰岩为强含水层，严重威胁下组煤的开采。7 1 0 i i 层煤分别到四灰、五灰、奥陶的层间 距情况如表2 2 所示。 1 5 山东科技大学硕士学位论文国家庄煤矿水害调研 表2 27 1 0 i i 层煤分别到四灰、五灰、奥陶的层间距表 t a b l e2 2d i s t a n c ef r o m7 l o c o a lt oq u a t e r n a r ys y s t e m 、f i f t ha n do r d o v i e i a ns y s t e ml i m e s t o n e 间距煤层 789 l o1 0 i i 含水层、 四灰 1 5 6 5o9 4 81 3 0 31 4 7 5 五灰5 2 8 73 0 3 22 1 3 91 8 4 71 5 5 奥灰7 0 5 84 8 0 33 9 13 6 ，1 83 3 2 1 ( 1 ) 四灰：厚2 5 4 7 1 3 m ，平均4 9 7 m ，为8 煤层直接顶板，上距7 层煤1 5 6 5 m ， 下距五灰含水层3 3 5 m ，q = 0 0 1 2 1 1 7 l s 1 1 1 ，渗透系数k = 0 3 2 1 5 2 9 8 m d ，四灰岩溶 裂隙发育，富水性不均一，为含水层丰富到弱的含水层，由于复杂的地质构造的影响， 局部直接顶受五灰、奥灰水的补给，因此，四灰水直接威胁7 层煤的开采。 ( 2 ) 五灰：厚6 2 2 9 4 4 m ，平均7 4 8 m ，上距l o i i 煤1 5 5 m ，局部夹无名灰岩， 厚o 一2 0j i 】，下距奥灰1 0 2 3 m 间夹六灰( 草埠沟灰岩) o 一0 2 2 m 。五灰质纯致密，q = 4 1 4 0 1 1 2 2 l s m ，k = 6 6 6 6 1 0 3 4 m d ，极易受奥灰水源补给，含水极丰富，但富水性不均 一，有明显的分区性。 ( 3 ) 奥灰：厚8 0 0 m 左右，在地面广泛出蓐，直接接受大气降水补给，含水丰富 浅不岩溶裂隙较深部发育，是四灰、五灰的水源层，是矿井充水水源。奥灰水动、静储 量大，根据“水源报告”静储量3 1 5 1 0 3 m 3 h ，动储量为2 8 1 0 4 一h ，而1 9 9 3 年国家 庄矿突水淹井时最大水量3 2 9 7 0 m 3 h ，因此奥灰含水极为丰富。如图2 3 国家庄井田综合 水文地质柱状图。 1 6 坐变型垫查兰里主堂堡堡苎 旦窒生堡! 查童塑堕 地层薰统髓屡 名称 挂孰 屡犀 标者羼 向距c a ) - f f 生 界 石 石 嶷 统 曩 溪 规 t 舶- t ，i e 7 兰衰 t 蠲吨瓜打 薯 螬 四衷1 0 - 4 1 8 l 目 ”，k l 煤 却吨0 ，t 瑚 8 d ： ； 五衷 穴袭 冉 臭灰 四复 上帮宪混既下部戚鲍膏音化石重腺 港镧置慧崔亦性一有拽蔷大踩部小 西肽中间夺辱般期 k q f f i o 0 1 2 一n 7 l ，( t ) 啪州 1 5 2 9 电a d 原始水位6 0 4 扩化 度乱拍l o 7 1 缸1 ，水胜雠带 为i 哪、c i - 口虹基和嘶赋 c 一舶心苴在埠弗龃料轴心地带 一匿伍= 抽矗c 扭生产中量太 b 赢藏为孽密结晶麓岩。岩涪强古永展 霄水性教具浅大漳小规律 1 1 2 1 8 z 2 1 ( _ ) k ：- i 7 6 9 t m d 最蚰水位6 1 o h 矿化 船2 吨, m w , z 永覆瞒畸 塑生产中曩大兜水量朝7 一 质地致密特晶获岩岩溶强音 以其古永性强弱分为8 十不同古 富水性其有区井大于匿内 q z o - o m 鼠9 7 9 1 c - ) k = o 0 1 4 5 拍6 7 9 f f i d 原始承位6 1 2 6 = 矿化 座o2 3 4 0 曲以i 蝴峨s 哼 o 一均? 藿，生产巾罩太兜水量3 曲7 0 一h 图2 3 国家庄井田综合水文地质柱状图 f i g 2 3t h ew h o l eh y d r o l o g i c a la n dg e o l o g i c a l h i s t o g r a mo fg u o j i a z h u a n gm i n ef i e l d 2 2 4 四灰水文地质块段的划分及其特征 据目前掌握的地质构造及四灰水力联系程度，四灰水文地质块段的划分，总体上可 以划分为四大块段。 i 块段：位于f 3 与f 2 5 断层间，由于这两个断层