（矿业工程专业论文）里彦矿灰岩水对下组煤安全开采影响的研究.pdf

山东科技人学烦l ：学位论文摘要 摘要 罩彦矿煤层可分为上、中、下三组，下组煤层下方赋存巨厚奥陶系狄岩，随着矿井 向深部开采，底板灰岩突水将是危及该矿井安全生产的一大隐患。为此，本文对里彦矿 灰岩水对下组煤安全开采影响进行技术研究和安全评价。 承压水上采煤的关键问题是煤层底板能否有效地阻止底板高压水突出。底板突水与 否取决于多方面的因素，其中最重要的是煤层底板条件。本文以“下三带理论”为指导， 对里彦矿煤层特征及水文地质条件进行全面、详细、系统的调研和分析，搞清了矿井的 主要含水层和隔水层情况，重点摸清了十r 灰岩和奥陶系灰岩的赋存状况及含水层之间的 水力联系以及断层构造情况及其导水性能，同时，调研了与里彦矿相毗邻的生产矿井的 水文地质条件。采用世界先进水平的m t s 8 1 5 0 3 电液伺服岩石试验系统对1 7 煤底板至奥 陶系狄岩之间的各岩层进行岩石力学性质试验，得出了各岩层准确的抗压强度、抗拉强 度、弹性模量、泊松比、c 、矽值等力学参数。采用山东科技大学开发的d d f e m 有 限元计算软件对里彦矿下组煤开采后底板应力分布情况进行计算，得出了煤层底板导水 破坏带深度。论文采用防水安全煤岩柱厚度评价方法、突水系数评价方法以及经验类比 法评价方法对里彦矿下组煤安全开采进行了评定。研究表明，奥灰承压水上采煤是安全 的。即在正常底板情况下，底板岩层的隔水性能完全可以满足带压开采的要求。同时， 论文也提出下组煤开采的安全技术措施及开采建议。 本文的研究成果将对里彦矿业有限公司矿井安全开采受灰岩水威胁的下组煤起到科 学、合理的指导作用。 关键词：下三带；安全评价；承压水；下组煤；底板破坏深度 山东科技火学坝士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h ec o a li nl i y a nm i n ec a nb ed i v i d e dt ot h r e ec l u s t e r sa sf e l l o w ：u p p e r ， m i d d l ea n dl o w e r t h ec o a l si nl o w e rc l u s t e rc o n t a i n sl i m e s t o n e b e l o n gt o o r d o v i c i a ns y s t e m t h ew a t e ri n r u s hf r o mli m e s t o n ef l o o rw ii ib el a t e n td a n g e r s w h e nt h em i n ed e v e l o p st oad e e p e rd e p t h f o rt h i s ，t h ep a p e ri sf o c u s e do nt h e r e s e a r c h a n da s s e s s m e n ta b o u tt h es a f e p r o d u c t i o nf r o mt h ew a t e r t h ek e yp r o b l e mo fm i n i n ga b o v et h ea r t e s i a nw a t e ri sw h e t h e rt h ef l o o rc a n c o n t r o lt h ew a t e ri n r u s hf r o mt h ea r t e s i a nw a t e r w h e t h e ri n r u s hh a p p e n si s d e c i d e db yt h ev a r i o u sf a c t o r sa n df l o o rc o n d i t i o ni st h em o s ti m p o r t a n t t h i s p a p e ra n a l y z e dt h ep r o p e r t yo ft h ec o a ls e a ma n dt h eh y d r o l o g i c a lg e o l o g y c o m p l e t e l ya n di nd e t a i l ，i n v e s t i g a t e dt h em a i na q u i f e ra n dw a t e r r e s i s t i n gl a y e r o ft h em i n ec l e a r l y ，s p e c i a l l yt h e1 i m e s t o n ec o n d i t i o ni n1 0 。c o a la n do r d o v i c i a n s y s t e m ，t h ec o n n e c t i o nb e t w e e na q u i f e r s ，c o n d i t i o no ft h ef a u l ts t r u c t u r ea n d i t st r a n s m i s s i v i t ya b i l i t i e s a tt h es a m et i m e ，i n v e s t i g a t i o no nt h e h y d r o g e o l o g yc o n d i t i o ni nt h em i n e sa d j a c e n tt ol i y a nm i n e t h em e c h a n i c s p r o p e r t yo fe a c hs t r a t ar o c kf r o m1 7c o a lt oo r d o v i c i a ns y s t e m1 i m e s t o n ei st e s t e d b yt h em t s 8 1 5 0 3r o c kt e s ts y s t e mt h a ti sa d v a n c e dt e c h n o l o g i c a ll ya l lo v e rt h e w o r l d ，a n dt h ep a r a m e t e r sa sc o m p r e s s i o ns t r e n g t h ，t e n s i l es t r e n g t h y o u n g s m o d u l u s ，p o i s s o r sr a t i o ，咖 a r eo b t a i n e d f l o o rs t r e s sd i s t r i b u t i o ni n l o w e rc o a ld u s t e ra f t e rm i n i n gi ss i m u l a t e db ys o f t w a r ed d f e md e v e l o p e db ys d u s t a n dt h es t r i p ef a i l u r ed e p t ho nt h ec o a ls e a mi so b t a i n e d t h er e s e a r c hi n d i c a t e s t h a tt h em i n i n ga b o v et h eo r d o v i c i a n1 i m e s t o n ei ss a f e u n d e rt h ec o n d i t i o no f n o r m a lf l o o r ，t h ew a t e rr e s i s t i n gp r o p e r t yo ft h ef l o o rs t r a t ac a ns a t i s f yt h e r e q u e s to ft h em i n i n gu n d e rw a t e rp r e s s u r ec o m p l e t e l y a tt h es a m et i m e 。t h ep a p e r a l s op u t sf o r w a r dt h es a f et e c h n i q u em e a s u r ea n dm i n i n gs u g g e s t i o no nt h em i n i n g o ft h el o w e rs e a mc l u s t e r k e y w o r d ：s a f e t ya s s e s s m e n t ：a r t e s i a nw a t e r ：l o w e rs e a mc l u s t e r ：f a il u r ed e p t h o ff 】o o r 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。 a f f i r m a t i o n id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fd o c t o ro fp h i l o s o p h yi ns h a n d o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e t h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o ro u a l i f i e a t i o na t a n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e s i g n a t u r e ： 山东科技人学删i ：学位论文绪论 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 矿井水害一直是制约煤矿生产的重大矿井灾害之一。我国华北型石炭二叠纪煤田煤 系地层多为奥陶纪石灰岩，岩溶发育，且又往往与断层、裂隙等相连通，富含承压水1 5 们。 而在华南晚二叠系煤田煤系的顶底板都富含灰岩岩溶水。这些区域内的矿井在开采过程 中都不同程度地受到岩溶承压水的威胁。而且，随着开采水平的延深和开采范围的扩大， 这种对煤矿安全生产的威胁也会越来越严重。 统计资料显示，我国上世纪8 0 年代与5 0 年代相比，突水频率增长了2 5 7 倍1 3 5 】。上 世纪5 0 6 0 年代，一般突水涌水量为5 - 2 0 m 3 m i n ，个别达5 0 m 3 m i n ，上世纪6 0 年代， 突水涌水量一般上升为2 0 4 0 m 3 m i n ，个别达i o o m 3 m i n ；上世纪7 0 年代以后，一般突 水量都在5 0 m 3 m i n 以上，甚至高达2 0 5 3 m 3 m i n 。1 9 5 6 1 9 8 6 年3 0 年间，我国共发生淹 井事故2 2 2 起，突水事故1 6 0 0 次，使1 3 1 8 人丧生，直接经济损失高达3 0 亿元。特别严 重的是1 9 8 4 年到1 9 8 5 年问，全国共发生因底板突水而淹井的事故2 2 起，仅开滦、焦作、 肥城等三个矿务局就有6 对矿井相继被淹，影响产量达1 4 7 5 万吨，直接经济损失7 亿多 元，问接经济损失高达4 0 多亿元。目前受水威胁的矿井有2 8 5 处，占统配煤矿总数的 4 8 ，受水威胁的煤炭储量近7 0 亿吨，占统配煤矿总储量的2 0 。由此可见，矿井突 水是煤矿安全生产中急待解决的重大实际问题。 长期以来，对受奥灰承压水威胁的煤层，主要采用两种采煤方法【37 1 ，一是深降强排， 二是带压丌采。深降强排能根除水患，确保安全，但也存在相应的问题：( 1 ) 疏水工程 投资大，耗电量大，造成_ 丌采成本增高；( 2 ) 强排会引起地下水位大幅度下降，对地面 和环境造成极大破坏：( 3 ) 当奥坎水水量丰富补给来源充足时，强排难以奏效：所以 较少采用。而带压开采方法不仅成本低。对环境的危害也小，是开采受水威胁煤层的主 要方法。但带压开采不能确保不发生突水事故，尤其是在水文地质条件复杂，水压较高 的矿井，底板奥狄岩溶承压水是一个严重威胁。因此，正确分析和评价底板狄岩水对煤 层安全开采的影响，将对矿井的安全生产、经济效益的提高等方面具有非常重要的意义。 罩彦矿业有限公司为山东省生建煤矿，1 9 9 5 年破土兴建，1 9 9 9 年投产，矿井生产能 力为6 0 万吨年，服务年限5 1 年。矿井主要可采煤层为3 、6 、1 5 上、1 6 。、1 7 、1 8 煤层， 1 山东科技凡学坝l 学位论文i 绪论 主要开采3 、1 6h1 7 三层煤，按可采和局部可采煤层垂直向上的分却位置，可划分为 上、中、下三个煤组，其中：上组包括山西组3 煤层、太原组6 煤层，中组包括太原组 1 5t 煤层下组为太原组1 6n1 7 、1 8 煤层。该矿井共设两个丌采水平，第一水平设在 2 3 5 水平，第二水平设在- 3 7 5 水平，第一水平有三条暗斜井延深至第二开采水平，目前 生产水平为第一水平。1 7 煤层下方赋存巨厚奥陶系灰岩，随着将来矿井向第二水平开采 发展，底板驮岩突水将是危及本矿井安全生产的一大隐患，因此。科学台理地对狄岩水 对下组煤开采影响的安全技术进行研究和评价对于里彦矿业有限公司的安全生产及长远 发展具有重要的现实意义。同时，对于兖州矿区毗邻类似条件下的生产矿井底板伙岩水 的安全评价和防治也具有重要的参考意义。 1 2 国内外研究现状 矿井突水灾害是一种矿井动力现象，是在采矿插动影响下，高压水突破底板隔水层 的阻隔，沿天然或采动形成的导水通道，突然涌入矿井的大规模涌水现象。几十年来， 国内外许多学者对矿井底板岩层阻水性能进行了一些有益的探索，取得了大量的研究成 果。“突水系数”、“相对隔水层厚度概念”、“强渗通道”、“水岩应力”、“零位破坏与原 位张裂”、“关键层”及“下三带”等理论学说，都从各个方面揭示了突水发生的机理和 预测方法，对于矿井安全生产起到了积极的指导作用。 1 2 1 国外概况 世界上许多国家如匈牙利、南斯拉夫、西班牙等，在煤矿开发中都不同程度地受到 底板岩溶水的影响。在国外，对煤矿底板岩溶水的研究已有1 0 0 多年的历史，在底板岩 体结构的研究、探测技术及防治水措施等方面，积累了丰富的经验。早在2 0 世纪初，国 外就有人注意到底板隔水层的作用，1 9 4 4 年，匈牙利韦格弗伦斯第一次提出底板相对隔 水层的概念，建立了水压、隔水层厚度与底板突水的关系，后被许多岩溶水上采煤的国 家引用。上世纪5 0 年代后，国外用现场和实验室相结合的方法研究了隔水层的作用研 究的主要问题有两个田i ，是岩体结构( 即阻水能力) ，二是岩体强度( 即抗破坏能力) 。 有人根据现场观测，提出运用阻水系数表示隔水层的突水条件、隔水层的水力阻抗程度， 并从能量平衡观点解释底板隔水层的破坏条件。1 9 7 4 年，匈牙利国家矿业技术鉴定委员 会将相对隔水层厚度概念列入矿业安全规程，上世纪7 0 年代后，苏联等i 雪家也开始 研究相对隔水层的作用包括采空区引起的应力变化对相对隔水层厚度的影响，以及水 研究相对隔水层的作用，包括采空区引起的应力变化对相对隔水层厚度的影响，以及水 2 山东科技人学硕卜学位论文 l 绪论 流和岩石结构的关系。 随电子工业的发展，国外岩溶探测技术有了很大进步，尤其是上世纪8 0 年代以后， 出现了多种类型的探测仪器，如美国g i 公司制造的p e t r o s o n d e 地电探测仪，g d 公司研 制的e s - 1 2 2 5 、e s 一2 4 0 1 型多道信息增强型地震仪，美国军工生产的地质雷达，德国的 s e a m e x - 8 5 型槽波地震仪，日本v i c 公司研制的g r 8 1 0 型全自动地下勘探仪等等， 这些仪器能较准确地探查采前煤层底板岩溶发育特点及分布规律，超前探测构造的导水 性，并且向“无损”探测技术发展。此外。偶极电阻率法，激发极化法等也在匈牙利、 南斯拉夫等国用于探测地下含水岩层，无线电波透视法用于探测孔距2 0 0 m 内的岩溶、 不连续面等。探测技术的发展对承压水上安全采煤作出了重大贡献。 1 2 2 国内概况 我国对矿井水害的研究已有3 0 多年的历史，但主要还是在上世纪7 0 年代后，由于 矿井突水事故频繁，淹井事故严重，造成了巨大的经济损失。因此，我国的科学工作者 丌展了广泛的科学研究和现场测试工作，对煤矿底板突水有了较深入的认识，取得了大 量研究成果，形成了自己的特色理论：如“突水系数理论”在综合考虑了矿压破坏底板 或促使断层活动的基础上，提出了单位厚度隔水层上所能承受的水压值：煤科总院刘天 泉院士、张会才博士运用弹塑性力学理论和相似材料模拟结合库仑莫尔强度理论和 g r i 施t h 理论求得了底板采动最大破坏深度并预测了底板所能承受的极限水压力；煤科总 院王作宇、刘鸿泉在考虑了矿压、水压联合作用，提出了“零位破坏和原位张裂”理论： 中科院地质所提出了“强渗通道”理论，认为地质构造( 断层和裂隙) 是影响突水的最 大因素；煤科院西安分院在综合考虑了岩体、水压、地应力的前提下，指出了水压对底 板岩层的削弱作用，提出了“岩水应力关系”学说：中国矿业大学的钱鸣高院士、黎良 杰博士根据底板岩层的层状结构特征，提出了“关键层”理论，认为底板中承载力最大 的一层岩体的破坏将导致突水；以山东矿业学院李白英教授为首科研工作者在现场观测 的基础上提出了“下三带”( 底板导水破坏带、完整岩层带、承压水导高带、) 理论，该 理论认为完整岩层带起着阻抗底板突水的主要作用，阻抗能力的大小决定于该层的厚度、 岩性组合及地应力等因素，而底板导水破坏带、承压水导高带未列入底板岩层阻抗能力 的定量计算，在一定程度上增大了安全系数的作用。 ( 1 ) 突水系数法【9 】 以煤炭科学研究总院西安分院为代表，提出了采用突水系数作为预测预报底板突水 1 山东科技人学坝i 。学位论文1 绪论 与否的标准。突水系数就是水压力与极限隔水层厚度的比值，即： k = p h( i 1 ) 式中l 卜突水系数； p 一含水层水压，m p a ； h 一隔水层厚度，m 。 突水系数在数值上相当于“相对隔水层厚度”的倒数。由于最先提出的突水系数法 没有考虑矿压和岩性组合对底板破坏的影响，上世纪7 0 8 0 年代，煤炭科学研究总院西 安分院水文所曾先后两次对突水系数的表达式进行了修改，在考虑矿压破坏因素时，从 隔水层厚度中减去了矿压对底板的破坏深度：在考虑岩性组合时，引用了匈牙利学者的 “等值隔水层厚度”的概念对公式进行了修e ，即： e2 丽p ( 1 2 ) 式中h ，一隔水层第i 分层厚度，m ； a i 一隔水层第i 分层等效厚度的换算系数； h 。一矿压对底板的破坏深度，m 。 ( 2 ) “下三带理论【6 1 1 1 】 山东矿业学院、峰峰矿务局、井隆矿务局的科研人员于上世纪8 0 年代初期提出了“下 三带”观点5 叭，后由山东矿院的李白英、高延法等人，深入研究了隔水层内部，并经过 几年综合观测、结合相似材料模拟、有限元分析等方面的研究工作后上升为理论的高度， 即“下三带”理论。该理论认为丌采煤层底板也像采动覆岩一样，由上至下存在着“三 带”，即上部采动破坏导水带，中部完整岩层隔水带和下部承压水导升带。其中完整岩层 隔水带对阻隔底板突水起着主要的保护作用。“下三带”理论认为，底板突水机理不仅是 底板在水压力作用下底板强度低于水压力的失稳现象，而且也是出于底板含水带在水压 力和矿山压力共同作用下产生了升高所至。当底板含水带与底板导水带沟通时，就会发 生突水事故。在突水判据上，采用完整岩层阻水带平均每米岩层阻水能力作为预测突水 与否的根据。这实际上也就回到了突水系数的表达式上。“下三带”理论比较符合煤层采 动条件下底板破坏突水的规律，在生产实践中得到了较为广泛的应用。 ( 3 ) 岩一水应力关系理论 西安分院水文所提出岩一水应力关系突水预测理论，该理论把复杂的底板突水问题 4 生查兰! 垫丛兰! ! ! ! ：! ：兰竺堡兰 ! 堕鲨 归纳为岩( 底板隔水层岩体) 水( 底板承压水) 应力( 采动应力和构造应力) ，即把煤层 底板的突水解释为如下过程：底板突水是由采动矿压和底板承压水的水压共同作用的结 果，采动矿压使底板隔水层出现一定深度的导水破裂缝，降低了岩体强度，削弱了隔水 性能造成了底板渗流场的重新分布当承压水沿导水破裂缝进一步渗入时，岩体则因 受渗水软化而导致导水破裂缝继续扩展，直至二者相互作用的结果使得底板隔水层岩体 的最小主应力小于承压水水压时，便产生压裂扩容而产生突水。 ( 4 ) 原付张裂与零位破坏理论fm 2 0 1 王作字等提出了底板移动的原位张裂和零位破坏理论。该理论认为在岩体的自重力 和下部水压力的联合作用下，使其超前压力压缩段岩体整个结构呈现上半部受水平挤压， 下半部受水平引张的状态，因而在其中部附近的底面上的原岩节理、裂隙等不连续面就 产生岩体的原位张裂，研究者认为，底板结构岩体由超前压力压缩段的过渡引起其结构 状态的质变，处于压缩的岩体应力急剧增加，围岩的贮存能大于岩体的保留能，便以脆 性破坏的形式释放残余弹性应变能以达到岩体能量的重新平衡，从而引起采场底板岩体 的零位破坏；并且认为顶板自重应力场的采场支承压力是引起底板产生破坏的基本前提， 煤柱体的塑性破坏宽度是控制底板最大破坏深度的基本条件，底板岩体的内摩擦角是影 响零位破坏的基本因素。该理论进一步引用塑性滑移线场理论分析了采动底板的最大破 坏深度。在突水判据上，仍然采用了突水系数的概念。 ( 5 ) 板模型理论【2 6 2 8 】 刘天泉、张金才等提出了底板岩层由采动导水裂隙带和底板隔水带组成的概念。并 采用半无限体上一定长度上受均匀竖向载荷的弹性解，结合c o u l o m b m o h r 强度理论和 g r i f f i t h 强度理论分别求得了底板受采动影响的最大破坏深度。在此基础上，将底板隔水 带看作四周固支、受均布载荷作用的弹性薄板，然后采用弹塑性理论分别得到了以底板 岩层抗剪及抗拉强度为基准的预测底板所能承受的极限水压力的计算公式。 ( 6 ) 关键层理论 3 0 _ 3 2 ，5 7 】 钱鸣高、黎良杰等根据底板岩体的层状结构特征，建立了采场底板突水机理的关键 层理论。该理论提出在底板岩层中找出一层强度最高的岩层作为底板关键岩层，将这一 关键层看作薄板，很好地满足了薄板理论的基本要求。这样，便可以利用薄板强度理论 对底板破坏进行研究、计算。由于底板关键层强度最高，因此，当其达到极限破断步距 时，煤层至含水层之间的其它岩层均早己达到极限破断步距。这样，对底板突水机理的 研究，就转化为：在无断层构造条件下，底板关键层破断机制的研究；当有断层切割时， 5 些查盟丝查兰堡! ! 堂些丝苎! 堕堡 对断层两盘关键层破断机制与承压水对关键层的张开或断层重新活化与承压水在断层带 中渗透冲刷的研究。 ( 7 ) 强渗通道理论【3 9 】 由中科院地质所提出，该理论认为底板是否发生突水关键在于是否具备突水通道。 这分为两种情况：其一，底板水文地质结构存在与水源勾通的固有突水通道，当其被采 掘工程揭穿时，即可产生突破性的大量涌水，造成突水事故：其二，底板中不存在这种 固有的突水通道，但在工程应力、地壳应力以及地下水共同作用下，沿袭底板岩体结构 和水文地质结构中原有的薄弱环节发生形变、蜕变与破坏，形成新的贯穿性强渗通道而 诱发突水。前者属于原生通道突水，后者属于再生或次生通道突水。该理论重视了地质 构造( 包括断层和节理) 这一薄弱面对突水的影响，但对采动矿压和水对其产生的影响 作用缺乏深入研究。 另外，施龙青4 0 。4 1 ，6 1 舶、高延法1 4 4 , 5 3 1 、张文泉【45 1 、王连国【4 3 】、魏久传 4 2 】、靳德武 6 0 】等在矿井突水理论研究方面也做了大量的研究工作。 在理论研究的同时，我国也重视了水害防治的探测技术研究。“七五”期间，煤科总 院、西安分院、重庆分院、唐山分院等单位先后引进、研制出多种物探仪器f 5 “52 1 ，如e m 一1 型磁偶源频测仪，d y s d 1 型槽波数字地震仪，矿井地质雷达，水位遥测仪，声波测深 仪，坑透仪等。近年来，我国在矿井物探仪器研制和试验开发方面取得了重大进展。 1 3 研究的主要内容 承压水上采煤的关键问题是煤层底板能否有效地阻止底板高压水突出。底板突水与 否取决于多方面的因素，其中最重要的是煤层底板条件。下三带理论为分析、评价底板 抗突水能力提供了理论指导。该理论在安全开采评价及指导水害防治中超了重要作用， 经过二十余年的深入研究和生产实践，该理论及其配套技术已日趋成熟和完善，并将收 入规程指导矿井生产，本课题将根据“下三带理论”，结合里彦矿业有限公司矿井具体条 件对狄岩水对下组煤开采影响的安全技术进行全面系统的分析研究和评价，以期科学、 合理地指导里彦矿业有限公司未来下组煤的安全开采。 本课题的主要研究内容： ( 1 ) 对里彦矿煤层特征及水文地质条件进行全面、详细、系统的调研和分析，搞清 矿井的主要含水层和隔水层情况，重点搞清十r 灰岩和奥陶系狄岩的赋存状况及含水层之 间的水力联系以及断层构造情况及其导水性能，同时，调研与里彦矿相毗邻的生产矿井 6 坐查型垫尘兰丝! ：兰堡堡兰! 堕堡 的水文地质条件，确定矿井水文地质类型。 ( 2 ) 采用世界先进水平的m t s 8 1 5 0 3 电液伺服岩石试验系统对1 7 煤底板至奥陶系 灰岩之l 刮的各岩层进行岩石力学性质试验，得出各岩层准确的抗压强度、抗拉强度、弹 性模量、泊松比、c 、值等力学参数，为进行工作面开采后的底板破坏深度计算提供 科学依据。 ( 3 ) 采用山东科技大学开发的d 附e m 有限元计算软件对里彦矿下组煤开采后底 板应力分靠情况进行计算，分析得出煤层底板导水破坏带深度。 ( 4 ) 根据下三带理论，采用多种方法对丌采下组煤的安全性进行分析和评价。 ( 5 ) 提出下组煤开采的安全技术措施及开采建议。 1 4 方法和技术路线 根据课题研究的主要内容，拟采用以下研究方法和技术路线： ( 1 ) 全面系统的调研分析里彦矿开采煤层特征、水文地质条件、断层构造情况及兖 州矿区相邻生产矿井的水文地质情况。 ( 2 ) 通过从地面打钻至奥陶系灰岩，一方面搞清煤层底板灰岩水的赋存状况，另一 方面对1 7 煤底板至奥狄之间的各岩层取芯，然后采用m t s 8 1 5 0 3 岩石伺服试验系统对 各岩层进行全面的力学参数测试。 ( 3 ) 采用有限元软件进行煤层底板导水破坏带深度的计算分析，得出可靠的煤层底 板导水破坏带深度。 ( 4 ) 依据“下三带理论”对里彦矿灰岩水对下组煤开采的安全技术进行综合分析和 评价。 7 山东科技人学硕“l ：学位论文 2 矿井概况 2 1 矿井区域基本概况 2 1 1 矿井位置与交通 里彦矿业有限公司位于兖州煤田的西南隅，邹城市境内。该矿东距京沪铁路邹城站 1 8 k m ，西北距兖新铁路孙氏店车站1 4 k m ，兖州矿区至济东矿区铁路穿过本井用中部， 距井口l k m ，岚济公路穿过矿井南边缘，距井口l k m 。白马河货运码头距井田4 k m ，铁 路、公路、水运交通十分方便。矿井交通位置示意图如图2 1 。 2 1 2 矿井范围 图2 1 矿井交通位置示意图 f i g 2 1t r a n s p o r t a t i o na n dp o s i t i o ns k e t c hm a po fc o a lm i n e 矿井东北以马家楼断层与南屯煤矿为界，东南以里6 9 号、里5 l 号孔断层深部延长 线与落陵煤矿、北宿煤矿相邻，西南至第1 8 煤层露头，西浅部以旱1 8 、里3 5 、里3 8 、 犀7 7 号孔的连线与太平矿为界，深部以皇甫断层与辛集井田毗邻。井用走向长5 4 k m ， 8 山东科技人学坝1 1 学位论文2 矿= j i ：概况 倾斜宽4 5 k m ，面积约2 2 5 k m 2 。井田位置如图2 2 所示，矿井边界控制点坐标如表2 1 所示。 图2 2 井田位置图 f i g2 2t h el o c a t i o nm a p o f t h em i n e 表2 1 矿井边界控制点坐标 t a b l e2 1t h ec o o r d i n a t eo f t h eb o u n d a r y 拐点号 坐标 拐点号 坐标 经距纬距经距纬距 12 0 4 8 1 4 7 03 9 1 7 6 7 01 12 0 4 8 3 0 0 03 9 1 1 5 9 6 22 0 4 8 2 0 0 03 9 1 7 4 1 71 22 0 4 8 2 0 0 03 9 1 1 9 1 3 32 0 4 8 2 8 1 53 9 1 7 0 0 01 32 0 4 8 1 0 0 03 9 1 2 4 2 9 4 2 0 4 8 3 3 1 2 3 9 1 6 4 6 3 1 42 0 4 8 0 0 0 0 3 9 1 2 6 3 9 52 0 4 8 3 7 8 93 9 1 5 6 9 91 52 0 4 7 9 0 0 03 9 1 3 0 “ 62 0 4 8 4 0 0 0 3 9 1 4 7 1 01 62 0 4 7 8 1 5 03 9 1 3 5 6 5 72 0 4 8 4 3 5 03 9 1 3 8 5 01 72 0 4 8 0 1 0 03 9 1 5 4 1 0 82 0 4 8 4 1 0 03 9 1 3 4 4 01 82 0 4 7 9 5 9 03 9 1 6 0 0 0 92 0 4 8 3 9 2 53 9 1 2 3 8 91 92 0 4 8 0 5 9 53 9 1 6 7 4 0 l o2 0 4 8 4 0 2 03 9 1 1 0 1 52 02 0 4 8 1 0 0 03 9 1 7 1 2 5 9 山东科技大学硕士学位论文2 矿井概况 2 1 3 矿井储量 储量计算时，按煤层最低可采厚度为0 6 m ，原煤灰分小于4 0 。截止2 0 0 2 年术， 矿井保有地质储量1 0 6 5 1 2 千吨，其中工业储量6 3 1 0 9 千吨( a + b 级储量3 8 8 6 5 千吨， c 级储量2 4 2 4 4 千吨) ，表外储量( d 级) 4 3 4 0 3 千吨。 2 1 4 矿区自然地理与气象 矿区内地势平坦，地面标高+ 3 9 9 7 一+ 4 1 7 3 m ，北高南低，井口标高+ 4 1 3 m 。泗水河 ( 季节性河流) 流经井田西侧，白马河( 常年有水的通航河) 流经井田东侧。 里彦煤矿所处地域属温带半湿润季风区海洋一大陆性气候，历年降雨量 4 1 2 1 8 5 8 5 m m ，平均7 3 9 3 m m ，历年日最大降雨量1 6 0 o m m ，雨季多在6 8 月份。年平 均气温1 2 6 1 4 0 。 2 2 矿井设计的基本情况 2 2 1 井型及服务年限 矿井生产能力为6 0 力i 娩，主要开采3 、1 6 土、1 7 三层煤，服务年限5 1 年。其中， 第一水平设在2 3 5 m 水平，现正在生产，服务年限3 t 年。 2 2 2 开拓方式 矿井采用一对立井开拓，井口标高+ 4 1 3 m ，划分两个水平，第一水平标高2 3 5 m ( 现 生产水平) ，第二水平标高3 7 5 m ，第一水平有三条暗斜井延深至第二水平。 2 2 - 3 采区划分 2 2 - 3 1 采区划分原则 ( 1 ) 1 6 。1 7 煤层赋存稳定，倾角平缓，故根据构造特点，结合煤层赋存状态，宜 采用直线切割方式划分采区，以利于工作面的布置，减少三角煤。 ( 2 ) 采区尺寸；根据兖州矿区同类煤层矿井的经验，双翼开采的采区走向长度一般 在1 2 0 0 1 4 0 0 m 为宜。 ( 3 ) 采区划分要为合理布置采区巷道创造条件。 2 2 3 r 2 采区划分 根据采区划分的原则，结合井田的具体情况，确定全矿井共划分1 4 个采区。其中第 一水平上山划分5 个采区( 其中3 煤一个采区) ，第一水平下山划分3 个采区，第二水平 下山划分6 个采区。 1 0 山东科技人学坝”1 1 学位论义2 矿i 概况 2 2 4 井筒与井底车场 井底车场采用立井刀柄式环行车场。井田内设主、副井各一个，均采用冻结法施工， 冻结深度均为1 9 5 0 8 m 。井筒深度分别为2 7 6 3 0 m 和2 9 6 3 0 m 。 2 2 5 采煤方法与通风方式 采用走向长壁式采煤法，全部陷落法管理顶板，后退式开采。矿井通风采用中央并 列抽出式通风。 山东科技n 人学碗十学位论文 3 矿 ：突水彤响娜索分 3 矿井突水影响因素分析 研究矿井突水问题，首先要明确矿井突水受哪些因素的影响，各种因素如何影响量 影响程度如何。对矿井突水影响因素的分析，前人已作了大量工作，有了比较明确的苗 识。突水的影响因素归纳起来主要有以下几个方面：( 1 ) 含水层富水性：( 2 ) 矿井地厝 构造；( 3 ) 丌采引起的矿山压力；( 4 ) 隔水层的阻抗水能力：( 5 ) 矿井水文地质条件( 6 地应力等。采掘过程中，造成矿井突水正是上述多种因素综合作用的结果。为此，本i 将对旱彦矿开采下组煤的突水影响因素进行详细的分析。 3 1 矿井地质构造 3 1 1 井田地层 本矿地层自上而下分别为：第四系( q ) 、上侏罗统蒙阴组( j 3 ) 、下二叠统山西组( p 1 1 ) 上石炭统太原组( c 3 ) 、中石炭统本溪组( c 2 ) 、奥陶系( o l 一2 ) 。 3 1 1 1 第四系( q ) 第四系厚1 1 4 3 3 1 6 3 3 0 m ，平均1 4 5 5 8 m ，主要由粘土、砂质粘土、粘土质砂、砣i 及砂砾层组成，属河湖相沉积。在矿井的东部及北部厚度较小，而西部及南部厚度较大。 按其岩性及结构可分为上、中、下三组。 下组：厚2 2 2 0 6 8 6 8 m ，以褐色粘土及灰白色中砂、粗砂为主，局部含砂砾层牲 土呈半固结，可塑性强。中组：厚3 7 1 0 7 3 5 0 m ，以黄褐色粘土及粘土质砂为主，局衙 含细砂及中砂。上组：厚4 7 7 5 6 8 o m ，由土黄色粘土、细砂、中砂等组成，偶见少量砂 砾。 3 1 1 2 上侏罗统蒙阴组( j 3 ) 该组分布于井田中北部，厚o - 1 7 0 5 0 m 。主要由砖红色粘土质细粒及中粒砂岩组成， 铁、泥质胶结，结构较松散，底部常有一层不稳定的砾岩组成，不整合于下伏地层之上。 3 1 1 3 下二叠统山西组( p 1 1 ) 因受后期剥蚀，本组仅在矿区中部有部分保存，残厚0 3 2 4 9 m ，主要由狄一狄白色 中砂岩、粉砂岩、泥岩、煤层等组成。含媒一层，即3 煤，3 煤层为本矿井的重要可采 煤层。 1 2 生查兰! 垫鲎塑! ! 兰丝兰苎 ! ! 盐窒查丝婴型鲞坌堑 3 1 1 4 上石炭统太原组( c 3 ) 本区太原组受后期剥蚀影晌，残厚4 3 4 3 一1 8 8 3 9 m ，平均1 3 1 6 5 m ，为本井田的主 要含煤地层。岩性以灰色粉砂岩和灰黑色泥岩为主，间央灰一灰绿色中砂岩、灰色泥岩、 石灰岩及煤层为典型的海陆交互相沉积，发育石灰岩1 0 层( 二、三、五、六、七、八、 九、十h 十h 十一) ，含煤1 9 层( 4 、5 、6 、7 、8 、9 、1 0i 、1 0f 、1 0 、1 0i ：、1 1 、 1 2 、1 2h1 2r 、1 4 、1 5h1 5f 、1 6i ：、1 6f 、1 7 、1 8 ) ，其中6 、1 6 【、1 7 、1 8 煤层稳 定可采，1 5 。：煤层为较稳定局部可采煤层。第三层石灰岩和第十，石狄岩厚度大，全区稳 定为本井罔的主要标志层，其它薄层石灰岩( 五、八、九、十一) 也可以作为辅助标 志层。以十二。：灰或者十二灰作为与下伏本溪组的分界。 太原组主要的沉积特点是：煤层薄、石灰岩与深灰色泥质岩交替出现，沉积旋回明 显，韵律清楚，标志层显著，分布稳定，各煤层层位较为稳定，易于对比。太原组在垂 向具有较好的三段性：十二层狄岩( 顶界面) 至十f 狄为主要含煤段，稳定可采煤层( 1 6 。1 7 、1 8 ) 分布于本段中上部；十r 灰岩至五层灰岩，为典型的海陆交互相沉积段，多 层薄煤层( 大多不可采) 、薄层灰岩和潮坪砂泥质沉积交互发育，小旋回发育清晰，易于 对比：第五层石灰岩至太原组顶界面，含稳定且厚度较大的第三层灰岩，所含煤层大多 不稳定，不可采，仅第6 煤层为可采煤层，为狄岩、碎屑岩和极薄煤层互层段。太原组 与下伏本溪组为整合接触。 3 1 1 5 中石炭统本溪组( c 2 ) 平均7 3 4 0 m ，由北向南地层逐渐变厚。本组属海陆交互相沉积，由杂色粘土岩、粉 砂岩、铝铁质泥岩及石扶岩组成，顶部偶夹薄煤一层，但无经济价值，含狄岩6 层( 十 二。十二，、十三、十四、十五。十五，) ，十二。、十二r 坎有时合并，厚度较小，不稳 定，十四灰厚度变化较大，有时与十三灰合并为一层。本组底部常为一层次紫色、杂色 铝铁质泥岩，相当于g 层铝土和山西式铁矿层，它与下伏中下奥陶统石狄岩呈假整合接 触。 3 1 1 6 奥陶系( 0 ) 本区有4 个钻孔揭露，最大揭露厚度为2 1 0 0 6 m ，属中统八陡组，主要为灰一褐狂 色厚层石灰岩、白云质坎岩、央泥狄岩及少量的钙质泥岩，岩溶较发育，为煤系地层下 伏的主要含水层。 3 1 2 矿井构造 1 3 坐垄! ! 垫盔兰堡兰竺丝兰 ! 蔓丛窒查墅! 望型鲞坌堑 3 1 2 ，1 基本构造形态 罩彦煤矿位于兖州向斜南翼，北部以马家楼断层为界与鲍店煤矿相邻，西接太平煤 矿，东邻南屯煤矿、北宿煤矿和落陵煤矿，南界为奥狄嚣头。矿井构造的总体形态受燕 山早期的影响，在区内表现为n w 向一近s n 的南陶城向斜，燕山晚期及喜山运动产生 的n w 一近e w 挤压力，在井用内形成n n e - n e 向褶曲，迭加于早期形成的构造格局 之上，从而形成“穹”、“翁”和“马鞍形”的构造格局( 图3 1 ) ，这与整个兖州煤f ；f i 的 区域构造相一致。 图3 1 井田构造示意圈 f i g 3 1s k e t c ho ft h es e a ms t r u c t u r e 区内次一级褶曲发育，主要为n n e _ n e 向，主要分布在矿区的南部煤层露头附近， 表现为延展较短，间距小，局部控制煤层的走向变化及等高线起伏，表明该部位受e w 向挤压强烈。 本矿井构造复杂程度属简单偏中等。 矿区内断层据钻孔、地震、巷道揭露资料，其赋存无论产状、分布均有一定的规律， 区内断层分布有以下特点： ( 1 ) 揭露断层大多分靠在褶曲轴部，皇甫断层并与之平行。如位于南陶城向斜轴部 的f 0 4 、f 0 5 断层，位于阜甫庄向斜轴部的皇甫支断层。 1 4 山东科投人学坝卜学位论文3 矿外突水影响因素分析 ( 2 ) 构造活动具多期性。n e 向逆断层被蒙阴组覆盖，形成于晚侏罗世之间，应为 印支运动的产物。走向n w n n w 的马家楼断层，表现为北部走向n w ，向南逐渐转为 n n w 的弧形断层，表明该断层受早期n e s w 向应力及后期e w 向应力共同作用的结 果，或是n w 向与n n w 向断层的结合。 ( 3 ) 小断层分布具有一定的规律。区内巷道揭露的落差小于1 0 m 的断层走向多为 n w 向，掘现有资料，主要分布在矿井南部，与n n w 向的次一级褶曲轴斜交或近垂直， 应为后期应力活动的产物。这些断层落差小于1 0 m ，但对煤矿安全生产影响很大。 ( 4 ) 煤层构造发育主要为层滑构造。 3 1 2 2 褶曲 本井阳基本上为一走向n w 一近s n 向的变缓向斜构造，并在其上叠加有n e 向变 缓褶曲和次一级褶曲。两组褶曲在走向上基本为正交。整体上南部以f 0 4 断层为界，北 部以皇甫断层为界，南北两翼地层产状较陡，倾角5 1 l o ，北翼地层产状较缓，倾角2 5 0 ( 图3 1 ) 。 ( 1 ) 摹甫庄向斜 位于本矿井北西部，轴部基本是沿皇甫断层延伸，轴向n e ，延伸长度约3 k m 。该 向斜的跨度约2 k m ，幅度约8 0 m 。该向斜北翼较陡为5 罐o ，南翼较缓为2 5 0 。 ( 2 ) 邱家楼背斜 位于本矿井的西部，轴自南向北由n e 向逐渐变为n n e 向，区内延伸约4 5 k m ，跨 度约2 2 5 k m ，幅度约2 0 4 0 m ，被f 0 4 断层切割。 ( 3 ) 郝庄向斜 位于矿区中部，轴向总体为n e 向，在矿区中部由于与前期褶曲迭加而呈现弯曲现 象，表现为平缓反“s ”型。区内延展长度6 5 k i n ，跨度1 5 3 0 k m ，幅度约2 0 8 0 m ，被 f 0 4 ，、f o s 断层切割。 ( 4 ) 南陶城背斜 位于矿区东部，轴自南向北渐由n n e 向转n e 向，区内延伸约3 k m ，跨度约2 - 3 k m ， 幅度2 0 4 0 m ，被f 0 4 断层切割。 ( 5 ) 南陶城向斜 位于本区中部偏北，根据区域资料，该向斜属早期褶曲，横贯全区，构成全区的主 要构造格架。该向斜轴向由n n w 转n w 至近s n ，表现该褶曲曾遭受近e w 向挤压改 造。区内延展长度5 k m ，跨度波及全区