（地质工程专业论文）桃园煤矿f2断层防水煤柱留设的三维数值分析.pdf

桃园煤矿f ：断层防水煤柱留设的三维数值分析 捅要 以桃园煤矿北八采区为对象，分析了采区内主要开采煤层1 0 煤与对盘奥灰 含水层的位置关系，在此基础上根据三维拉格朗日快速有限差分法，研究了在 考虑渗流的情况下，断层防水煤往的合理选择；以及对考虑渗流和不考虑渗流 进行开采分析做了对比。具体内容包括： 对桃园煤矿的矿井及北八采区的地质条件，包括矿井地层及含水岩层特 征、f 2 断层的物理水理力学性质进行了分析，从而为防水煤柱合理选取的分析 提供参数。 根据勘探线的钻孔剖面资料对比分析，证明：i l a 采区的5 2 煤1 0 煤各可 采煤层均与对盘的奥灰地层对接。 采用三维拉格朗日快速有限差分数值方法研究考虑渗流情况下防水煤 柱分剐留没l o m 、2 0 r e 对，圈岩应力的分布规律及固岩破坏恝律。将两者 进行对比分析得出留设2 0 m 时可以安全开采。 对比考虑渗流和不考虑渗流情况在防水煤柱留设2 0 m 时，围岩的 应力分布及破坏特征规律。得出考虑渗流进行分析更为合理。 关键词：奥灰含水层：三维有限差分法；渗流；断层防水煤柱 a 3 dn u m e r i c a la n a l y s i so f bf a u l tw a t e r p r o o f p i l l a ri nt a ny u a nc o a lm i n e a b s t r a c t t a k i n gt h es e c t o rv i i i o ft a oy u a nc o a lm i n ea st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h e l o c a t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec h i e fe x c a v a t i n gc o a l s e a mm 1 0a n dt h e d o w n t h r o w nw a t e r - b e a r i n gl i m e s t o n es t r a t aw a ss t u d i e d w ea l s os t u d i e dt h ep r o p e r w i d t ho ff 2f a u l tw a t e r p r o o fp i l l a r c o m p a r e dw i t hs e e p a g ea n dn o n s e e p a g e c o n d i t i o n s t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa l ea sf o l l o w i n g ： t h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft a oy u a nc o a lm i n es u c ha st h ec h a r a c t e r i s t i c s o fs t r a t aa n dq u i f e r so ft h em i n e ，t h em e c h a n i c a l ，p h y s i c a la n dh y d r o u sp r o p e r t i e so f t h ef 2f a u l tw e r ed i s c u s s e d ，s ot h ep a r a m e t e r so fa n a l y s i so fr a t i o n a lw i d t hf o rf 2 f a u l tw a t e r p r o o f p i l l a rc a l lb eo f f e r e d b ys t u d y i n gt h ed a t ao fb o r eh o l e si t i sr e s u l t e dt h a tm 1 0a n dd o w n t h r o w n w a t e r - b e a r i n gl i m e s t o n es t r a t aa r el i n k e d b yu s i n gt h e3 - d i m e n s i o nf i n i t ed i f f e r e n c ec o d em e t h o d ，t h ed i s t r i b u t i o no f t h es t r e s sa n db r e a k a g eo ft h es u r r o u n d i n gr o c k su n d e rt h ec o n d i t i o no f10 mo r2 0 m w i d t h so ff 2f a u l tw a t e r p r o o fc o n s i d e r i n gi n f i l t r a t i o nw i t h i nt h er o c ks y s t e m c o m p a r e dw i t ht h ea b o v er e s u l t ，i ti sc o n f i r m e d t h a t2 0 mw i d t ho f f 2f a u l tw a t e r p r o o f i ss a f e t y b yc o m p a r i n g t h ed i s t r i b u t i o n so f t h es t r e s sa n db r e a k a g eo f t h es u r r o u n d i n g r o c k st a k i n g2 0 mf 2f a u l tw a t e r p r o o fw i d t hc o n s i d e r i n ge i t h e rs e e p a g e o r n o n s e e p a g e ，i ti sp r o v e dt h a tt h em o d e lc o n s i d e r i n gs e e p a g ei sm o r er e a s o n a b l e ， k e yw o r d s ：l i m e s t o n ea q u i f e r ；3 - d i m e n s i o nf i n i t ed i f f e r e n c ec o d em e t h o d ；s e e p a g e ； f a u l tw a t e r p r o o fp i l l a r 插图清单 图2 - 1 矿区地质构造示意图 图2 2 奥灰( 9 8 观1 孔与2 0 0 1 观1 孔) 水位变化曲线图 图2 3 太原组1 4 灰水位变化曲线图 图2 - 4 太原组5 1 l 灰水位变化曲线图 图2 5 】2 线f l 、f 3 断层控制示意图 图2 - 64 线f 2 、f 4 断层控制示意图 图2 - 7 补1 线钻孔剖面图 图2 81 0 煤基岩面露头线分布图 图3 1 f 2 断层及其派生断层的地震波显示 图3 2 f 2 断层顶面高度分布图 图3 3f 2 断层底面高度分布图 图3 4 断层底面和顶面等值线叠合图与断层带宽度分析 图3 5 沈丘集一大别山构造剖面图 图3 - 6 鲁西南构造剖面图， 图3 7 断层泥矿物成分x 一衍射 图3 8 压水试验水压过程图。 图5 1 研究区地质几何模型 5 - 2 开采前围岩内部孔隙水压力分布 5 - 3 ( a t 开采前垂直应力云图 5 3 ( b ) 开采前x 方向应力云图 5 3 ( c ) 开采前y 方向应力云图 5 - 3 ( d ) 开采前最大主应力云图 5 3 ( e ) 开采前最小主应力云图 5 4 ( a ) 留煤柱l o m 时的围岩内部孔隙水压力分布。 5 4 ( b 留煤柱l o m 时的围岩内部流体矢量图 5 - 5 ( a ) 留煤柱1 0 m 时的垂直应力云图 5 5 ( b ) 留煤柱1 0 m 时的x 方向应力云图 5 - 5 ( c ) 留煤柱1 0 m 时的y 方向应力云图 5 - 5 ( d ) 留煤柱1 0 i n 时的最大主应力云图 5 - 5 ( e ) 留煤柱l o m 时的最小主应力云图， 5 5 ( f ) 留煤柱1 0 m 时塑性破坏图 5 - 6 ( a ) 留煤柱2 0 m 时的围岩内部孔隙水压力分布 5 - 6 ( b ) 留煤柱2 0 m 时的围岩内部流体矢量图 “o m m b”悖拇加丝勉孙笛笛勰n铊舛“钙舒拍卯钉钾躯躺铋 5 7 ( a ) 留煤柱2 0 m 时的垂直应力云图 5 - 7 ( b ) 留煤柱2 0 m 时的x 方向应力云图 5 7 ( c ) 留煤柱2 0 m 时的y 方向应力云图 5 - 7 ( d ) 留煤桂2 0 m 时的最大主应力云图 5 7 ( e ) 留煤柱2 0 m 时的最小主应力云图 5 7 ( f ) 留煤柱2 0 m 时塑性破坏图 5 - 8 ( a ) 开采前垂直应力云图 5 8 ( b ) 开采前x 方向应力云图 5 - 8 ( c ) 开采前y 方向应力云图 5 - 8 ( d ) 开采前最大主应力云图， 5 - 8 ( e ) 开采前最小主应力云图 5 - 9 ( a ) 留煤柱2 0 m 时的垂直应力云图 5 - 9 ( b ) 留煤柱2 0 m 时的x 方向应力云图 5 - 9 ( c ) 留煤柱2 0 m 时的y 方向应力云图 5 - 9 ( d ) 留煤柱2 0 m 时的最大主应力云图 5 - 9 ( e ) 留煤柱2 0 m 时的最小主应力云图 5 - 9 ( f ) 留煤柱2 0 m 时塑性破坏图如如副副研铊钇观钉”钉舛舛舛鲋 表格清单 表2 - 1 太灰、奥灰长观孔水位标高变化情况统计表 表2 21 0 煤太灰突水系数t s 计算成果表 表2 3 断层情况一览表 表3 1 钻孔揭露的f 2 断层信息 表3 2 桃园矿f 2 断层两侧沉积物厚度与地形关系 表3 - 3 魏庙断层两侧沉积物厚度与地形关系 表3 - 4 孟集断层两侧沉积物厚度与地形关系 表3 ，5f 2 断层土体颗粒组成表 表3 - 6 断层带岩石物理、力学性质试验成果表 表3 ，7 各煤层顶底板力学试验成果表 表3 f 2 断层带土工试验成果表 表3 - 9 水电工程岩石裂隙性质评价表 表3 1 0 渗透性分类 表5 1 模型几何参数表一 表5 ，2 煤层及顶、底板和断层的物理力学参数 h mm斟m如如孔驼娩铊钙 独创性声明 本人声明所里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 盒墨王些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：笨鬯亏 签字目期：w 辑，胡m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作翥完全了解金a b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授权垒 匿蚤些盔堂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： 紫世亏 签字日期t 。嘲箨f 月f 。日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名； 签字目期：酶，二月f z 日 电话： 邮编： 致谢 在硕士学位论文接近尾声之际，我向曾经给予我帮助和支持的人表 示衷心的感谢! 首先要衷心感谢导师葛晓光教授，本次论文是在导师的精心指导下 完成的。在这两年多的求学过程中，他在不仅在学业上给予我大量的指 导，在科研方面更为为我们提供了良好的科研环境，获得了实践锻炼的 机会，而且在生活上也给了很大的关怀。葛老师渊博的知识，严谨的治 学态度，诲人不倦的教育情怀，兢兢业业、孜孜以求的工作作风让我 终身难忘。 其次感谢我的家人，他们为我的求学付出了的巨大牺牲和努力，没 有家人的支持，我也很难求学至今。 同时也感谢求学期间的所有同学和朋友，他们在生活和学习上也给 我许多的帮助。 最后，衷心感谢在百忙之中抽出时间审阅本论文的专家、教授! 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 我国是一个煤炭资源大国，资源量达到5 1 0 “t ，煤炭产量居世界首位，煤 炭占我国一次能源生产和消费总量的7 5 左右i r ”。根据有关资料显示【2 j ，在未来 5 0 年里，我国以煤炭为主的次能源生产和消耗的格局不会改变。 我国大多煤田都具有可采煤层层数多，煤层厚度大，埋藏深的特点，特别 是我国东部地区煤矿新生界覆盖层厚度大、煤层埋藏深、基底为奥陶系承压含 水层。并且新建矿井多为深井开发，大部分生产矿井深度已达5 0 0 1 0 0 0 m 1 1 。 然而深井开采引发的工程灾害也日趋严重，主要表现为矿井的突水事故的剧增。 如徐州、淮南、枣庄、峰峰老矿区随着煤矿丌采深度的增大，水害威胁将越来 越严重。 从目前各矿区突水的统计资料来看，大部分突水事故都发生在回采工作面， 且其中8 0 的突水事故是由于断层引起的，其他的突水事故也可能是由于隐伏 断裂引起的1 3 l 。自1 9 8 8 年以来，淮北杨庄矿、皖北任楼矿等相继发生特大型奥 陶系灰岩岩溶突水淹井事故，经济损失达数亿元。据报道资料不完全统计，我 国2 0 0 0 年发生重大突水事故3 起，占煤矿事故的1 0 ；2 0 0 1 年8 起，占2 5 ： 2 0 0 2 年发生6 起突水事故，占1 6 ；2 0 0 3 年发生11 起，是当年煤矿重大事故 的3 0 ：2 0 0 4 年也发生6 起突水事故，占1 3 ：2 0 0 5 年8 个月内，发生1 2 起 矿井突水，竟占煤矿事故的一半。从统计结果来看，近年来，突水事故发生频 率大。由此可见矿井突水是煤矿安全生产中亟待解决的问题。 淮北桃园煤矿f 2 断层为该矿六采区与八采区的分界断层，其落差大于 4 0 0 m ，在纵向方向上切割整个北八采区地层，是个国内外非常罕见的井田内大 型正断层。由于落差大的缘故，北八采区主采煤层1 0 煤可能与f 2 断层下盘太 ( 奥) 灰岩含水层对接。如果两者对接，再加1 0 煤下部6 0 m 左右是太灰含水 层项面，使断层与含水层的水力联系变得非常复杂。在1 0 煤开采过程中，断层 带内及其附近可能出现较大的拉张应力，导水张性裂隙或破碎，降低断层的阻 水能力；同时，对盘奥灰水和煤层底板太灰水的渗流作用，可能进一步促使裂 隙扩展，在应力场和地下水渗流场共同作用下，造成断层突水事故的发生。因 此，在防水煤柱合理留设的设计分析过程中，必须考虑地下水的渗流作用。同 时研究在考虑渗流情况时，在不同留煤柱的情况下开采过程中，断层带内部、 煤柱内及围岩的应力分布规律，对今后北八采区开采f 2 断层突水的防治提供了 很大的参考价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 断层突水研究现状 大量实例显示出，断层带突水与否主要与下列因素有关“副： ( 1 ) 矿山压力：采掘工作形成矿压，对断层软弱面影响非常强烈。在采场 顶底部岩层内，应力重新分布可能引起断层活化；开采工作两盘岩层的天然平 衡受到破坏，也可能引起断层的活化。 ( 2 ) 水压力：与正常地质条件一样，承压水沿断层带裂隙可上升至一定高 度，即导高。如果导高超过矿压，水压破坏隔水层发生突水。 ( 3 ) 断层本身的特点：断层导水性能与力学性质有关。张性断层易导水， 压扭性断层一般不易导水。与上下盘的岩性有关。当上下盘多为刚性岩层时， 断层带组成物质易松散，透水性好，易导水，这主要取决于断层带的受挤压程 度。断层作为岩体内最大的软弱面，在其影响带内，岩石破碎、松散，岩层 强度大大降低。在这些部位，挤压程度低，张开性好，易形成上下联通的裂隙 通道，是煤层和下伏承压含水层发生水力联系的主要途径。与断层规模有关。 大断层破碎带挤压严重，充填致密，透水性差；小断层张开性好、充填差、导 水性好。与其展布方向有关。一个特定井用范围内，断层的展布方向决定本 身的力学性质、受挤压程度和裂隙导水性能的差异。断层带附近，含水层本 身岩性破碎，裂隙发育，常常不同程度地富水，为突水提供了有力的前提条件。 断层带隔水层厚度和抗水强度。随着隔水层厚度增大，其抗水能力亦随之增 大。断层落差。断层倾角。隔水层的岩性组合关系。 ( 4 ) 在华北地区，下盘往往是含水性极好的奥陶系灰岩或是煤系地层内厚 度较大、富水性好的灰岩含水层。如果在大断层上盘开采，断层使开采煤层与 含水层的间距缩小或煤层与含水层对接，且上盘附生小断层较多，容易发生突 水。 断层突水可分两种情况：富水导水断层突水，当采掘直接揭露导水断层时， 形成突水通道，便会发生突水；另一种情况是充填胶结好，闭合的不导水断层， 在矿山压力、采动破坏、水压作用下，使得断层的导水性增加，从而形成突水 通道。 大量工程实践证明，矿井突水都直接或间接地受断裂构造的影响。国内学 者在这方面做了不少研究。 黎良杰、钱鸣高等i l4 j 根据断层性质，把断层分为张开型与闭合型：从关键 层产生强度破坏、断层张开量、断层带被渗透冲刷三个方面分析断层突水机理 进行分析，得出取上述三个方面较小的作为突水准则，张开型突水机理是断层 两盘在水压作用下产生了过大的张开位移，承压水沿张开裂隙突出，同时对断 层带进行渗透冲刷；闭合型断层的突水机理主要是断层两盘按板的规律破坏或 断层两盘关键层或关键层的接触部产生强度失稳；张开型断层比闭合型断层更 容易突水，闭合型断层在采动影响下可能转化为张开型断层等结论。 李晓昭等l ”】利用数值模拟方法对原始地质条件下的不导水断层在采动影响 下透水机理进行分析，发现断层破碎带会成为开挖后围岩变形和应力传播的屏 障，造成断层带与开挖空间之间变形和应力集中加剧，断裂带内产生较大的指 向丌挖空问的位移梯度，在一定条件下，使断裂破碎带内河断裂与开挖空问之 间的围岩阻水能力丧失。 管恩太”6 强过对演弓庄煤矿历次断层突水的分析，论证了断裂构造对矿井 底板突水的影响，并分析了断层对导水、贮水、缩短煤层与含水层间距等突水 因素所起的影响。并在此基础上提出了突水的短期预测方法。 杨善安1 1 7 j 通过压水试验分析底板矿压对底板产生的破坏规模和形变特征， 证明在采空一方的底板岩层因卸压而膨胀：对断层在采空区的位置及要素与突 水的关系进行研究，得出采空边缘平行于煤岩壁底板断层和断层的产状是突水 的两个重要因素；断层面倾向采空区方向的采空区边界底板断层最容易发生突 水事故，尤其是当断层倾角同最大膨胀线相吻合时，突水最容易发生。 施龙青、曲有望等s 】以“岩层运动为中心”的矿压理论，分析了采场断层突 水的力学机理，从矿压的角度给出了采场底板断层是否突水的判别方法，认为 位于底板高峰应力线前方的岩石具有隔水能力，承压水只能通过断层从位于底 板高峰线后方，即采空区方向的底扳突永，采场断层发生突水的条l 牛为煤层开 采造成的底板破坏深度不小于底板高峰应力线与断层交点的深度。 谭志祥l l9 1 利用岩体极限平衡理论，采用数学和力学相结合的方法，对正常 底板和断层附近底板进行力学分析，得崮底板所受的实际水压力大于极限水压 力时，可能发生突水事故，并给出了两者是否突水的判别公式，从而解释了突 水为什么多发生在断层附近：谭志祥，周鸣，邓喀中1 2 0 】通过有限元模拟和相似 材料实验，揭示了断层对水体下采煤的影响规律，回归了一套由断层引起的导 水裂缝带高度增长率计算公式，并提出了一套水体下采煤时防治断层的措施。 朱传峰1 2 ”对童亭煤矿f l o 断层导水性进行研究，得出若断层两盘均为软岩层 接触或软岩层与硬层接触，该断层表现为隔水；若两盘均为硬岩层接触，则表 现为导水的结论。 白蜂青、姜兴阁等卿蠕极限设计思想的可靠度方法引入到断层防水煤柱留 设分析中，建立了断层防水煤柱设计的可靠度方法，此方法充分考虑了断层煤 柱系统随机变量的不确定性，提出煤柱临界值的概念和确定原则；结合实例分 析，认为断层沿侧向突水的概率小于沿工作面底板突水的概率：随着长壁工作 面倾向长度的增加、变异系数的增大、强度的降低，可靠度降低，突水的可能 性增大。 杜文堂( 2 引用可靠度分析的“j c ”法，分析水压力、煤层抗张强度及突水系数 的不确定性，建立了防水煤柱可靠度分析的极限状态方程。并计算了与防水煤 柱有关的可靠度指标、失效概率和安全系数，认为防水煤柱的失效概率在 1 x 1 0 4 1 1 0 1 比较合适。 冯本超、洪允和【2 4 j 根湖正断层的破裂特点和煤柱的渗透性变化规律，对正 断层上盘防水煤柱合理宽度的留设进行了研究，将断层面法线方向上的防水煤 柱分为断层裂隙带、弹性核和屈服带三个区域，在此基础上建立了防水煤柱公 式，并分析了防水煤柱留设宽度的影响因素，在此基石上建立了正断层上盘防 水煤柱宽度的计算公式。 营志杰口5 l 针对大断层的留煤柱问题，利用煤层渗透性变化规律，确定了断 层防水煤柱保持稳定和隔水的基本条件是：由于弹性核由于受支承压力的影响 具有较强的隔水性，因此在断层裂隙带和屈服带中间要保留一定宽度的弹性核， 防止构造裂隙和采动裂隙沟通导水。 1 2 2 岩体流固耦合研究现状【6 1 岩体工程问题中有多种作用，如水力学、力学、热学、化学等。在复杂地 质体中，这些作用并不是单独存在每互相没有影响，而是同时存在并相互影响， 这种作用就是耦合作用。t s a n g ( 1 9 9 0 ) 认为对学术和工程由意义的共有4 种典 型的祸合作用：( 1 ) 水力学和力学；( 2 ) 热学、水力学和力学 ( 3 ) 水力学、 力学和化学；( 4 ) 热学、力学、水力学和化学【5 】。在水利工程、土木工程和采 矿工程中，水力学和力学的耦合作用，也就是渗流场合应力场的流固耦合作用 不容忽视。 流固耦合理论从本世纪5 0 年代国外水库诱发地震分析而萌芽，此后耦合现 象和耦合问题就越来越受到许多领域的学者和专家的重视【6 j 。 在国外，b i o t 于1 9 4 1 年为考虑土体渗流场与应力场的耦合作用，应用唯象学 建立了三维的固结理论，并给出了一些经典的、解析型的公式和算例，奠定了 地下流固耦合理论研究的基础”。1 。 n o o r i s h a d 2 6 2 7 】以b l o t 固结理论为基础，把多孔弹性介质的本构方程，推广 到裂隙介质的非线性变形本构关系，提出裂隙渗流与应力的耦合分析模型。 o d a 2 8 2 9 1 于1 9 8 6 年以岩体节理统计为基础，运用渗透率张量法，建立了岩体 渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型。 w i l s o n 和w i t h e r s p o o n l ，o j 把裂隙岩体分别当作连续介质和不连续介质进行计 算比较后指出，最大裂隙间距与建筑物最小边界尺寸之比大于1 5 0 时，应按不 连续介质考虑。m a i n i 3 1 】指出，应把上述的最大裂隙间距改为平均裂隙问距，其 相应的比值大于1 2 0 时，应按不连续介质考虑。 在国内，河海大学王嫒【3 2 1 等提出了裂隙岩体渗流与应力耦合的“四自由度全 耦合分析方法”，她将裂隙岩体渗流场和应力场作为同一场进行，联立裂隙岩体 满足的渗流方程和应力方程，建立起同时以节点位移和节点渗流水压力为未知 量的耦合有限元方程组。 仵彦卿等 3 3 3 7 1 对国内外裂隙岩体渗流数学模型进行了系统地总结、归纳， 指出裂隙岩体渗流数学模型可以分为有等效连续介质渗流模型、裂隙网络渗流 模型和双重介质渗流模型，并提出了岩体渗流的确定一随机性数学模型。 4 郑少河l 弧3 认为承压水上采煤是固流糕合问题，根据裂隙发育规模的不同建 立了承压水上采煤的水力学模型。并结合太原东山煤矿进行留煤柱设计分析， 指出只要煤柱留设合理，先开采上盘比先开采下盘安全。 1 3 本次研究的主要内容 本课题来源是淮北矿业集团公司2 0 0 5 年科研计划项目“桃园煤矿f 2 断层含 ( 导) 水性评价及断层水害防治技术研究”。 本课题研究的主要内容有以下三个方面： 研究1 0 煤与对盘奥灰含水岩层的关系。 研究考虑渗流时防水煤柱留设不同长度时的应力分布规律，及围岩 破坏特征。采用三维有限差分数值方法模拟并分析在不同留煤柱情况下， 随工作面的推进，断层带内应力的变化规律，及围岩破坏规律。从而确定 合理的防水煤柱的留宽。 对比考虑渗流和不考虑渗流在一定留煤柱条件下，围岩的应力分布 及破坏特征。在考虑渗流的情况下，分析得出合理的防水煤柱留设。在此 留煤柱长度基础上，分析不考虑渗流时开采，对比得出两者之闭图岩的应 力分布及破坏特征的差别。 第二章矿井及北八采区工程地质条件概况9 2 1 井田自然地理概况 2 1 1 矿井位置、范围及交通条件 桃园煤矿位于安徽省宿州市墉桥区北杨寨乡、桃园镇、祁县镇境内，北距 宿州市约1 l k m ，南距蚌埠市约7 5 k m 。其北界为f l 断层，南部与祁南煤矿毗邻， 西界为1 0 煤层露头线，东界至3 2 煤层8 0 0 m 底板等高线的水平投影线。矿井走 向长约1 5 k r n ，倾向宽1 5 3 5 k m ，面积2 9 4 5 k 1 2 。 本矿井交通极为方 便，京沪铁路从本矿东北 通过，北距宿州站约 1 1 k m ，东距西寺坡站约 7 k m ，煤矿铁路运输专线 在宋庄站与青芦铁路接 轨；2 0 6 国道宿蚌段与合 一徐高速公路从矿井西部 穿过。淮河支流浍河从矿 井南通过，见图2 1 。 2 1 2 矿井生产概况 桃园煤矿于1 9 9 5 年 1 1 月1 5 日正式投产，生 产能力为1 2 0 万吨年。矿 井采用立井分水平阶段石 门开拓方式，分两个水平 开采。第一水平标高为 一5 2 0 m ，第二水平标高为 7 4 0 m 。采煤方式为走向长 壁顶板冒落式。设计矿井 厂弋1 r 磊面i 必x 冈区 霄幸i ；i 越坦峨gt 断是 不董台蛀 图2 - 1 矿区地质构造示意图 服务年限为9 0 年，第一水平服务年限为4 4 4 年。一水平设计布置l o 个采区， 其中北翼为4 个采区，南翼为6 个采区。 2 2 研究区域地层特征 2 2 1 研究区域地层概况 本区地层出露很少，多为第四系冲、洪积平原所覆盖。区内发育的地层由 老到新为青自口系( z q ) 、震旦系( z z ) 、寒武系( ) 、奥陶系( o i 十2 ) 、石炭 系( c ) 、二叠系( p ) 、侏罗系( j ) 、白垩系( k ) 、第三系( e + n ) 、第四系( q ) 。 + 桃园煤矿f 2 断层含( 导) 水性评价及断层水害防治技术研究 6 2 2 2 井田地层特征 井田内无基岩出露，均为巨厚松散层所覆盖，经钻孔揭露，地层由老到新 有奥陶系、石炭系、二迭系、第三系和第四系。从老到新简述如下： 奥陶系( o ) 本系地层揭露不全。9 8 观l 孔揭露1 1 6 2 0 m ，大致为本系的中部地层。石 灰岩：浅灰深灰色，局部显肉红色调。隐晶细晶质，局部含泥质或白云质， 下部见有燧石结核，方解石脉较发育。 石炭系( c ) 中统本溪组( c 2 ) 9 8 观3 孔揭露地层厚度2 6 7 5 m ，下部为灰黑黑色的泥岩，上部为灰色的 粉砂岩夹薄层泥岩以及青灰灰白色，隐晶质结构的石灰岩。与下伏地层呈不 整合接触。 上统太原组( c 3 。) 矿井内本组地层没能连续揭露。9 8 观3 钻孔连续揭露本组地层厚度1 7 2 7 6 m ( 大致为二灰以下地层) 。岩性由砂岩、粉砂岩、泥岩、薄煤层组成，与下伏地 层呈整合接触。 二迭系( p ) 下统山西组( p l 。) 下部以太原组顶部一灰之顶为界，上部以铝质泥岩之底为界，地层厚度一 般在1 1 5 m 左右，与下伏地层呈整合接触。岩性以砂岩、粉砂岩为主其次为泥 质岩或煤层。上部色较浅，多为灰浅灰浅灰白色，局部略呈灰绿色：下部 色较深，一般为灰深灰色。砂岩成份以石英为主，鲕状，条带状及椭球状菱 铁结核。为本矿主要含煤地层之一，古1 0 、11 两个煤层( 组) ，1 0 煤层为本矿 主要可采煤层。 下统下石盒子组( p 1 。) 底界为铝质泥岩之底，上界为k 3 砂岩之底，地层厚度一般2 2 5 m 左右。由 中细粒砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层组成，与下伏地层呈整合接触。底部普遍发 育一层铝质泥岩，浅灰铝灰色，具紫、油黄等杂色斑块，含菱铁鲕粒，块状 构造；上部粉砂岩和泥岩中含较多瘤状及姜状菱铁质结核。 上统上石盒子组( p 2 。) 本矿井范围内未见顶界，揭露地层厚度3 5 0 m ，由砂岩、粉砂岩、泥岩和煤 层组成，与下伏地层呈整合接触。按其主要特征，大致可分两部分： 下部自底部的k 3 砂岩到1 煤层( 组) ，以泥岩、粉砂岩及细中粒砂岩为 主：煤层附近多为灰深灰色的泥岩、粉砂岩。底部k 3 砂岩，为灰白色、厚层 状、细粗粒结构的长石石英砂岩，成份以石英为主，次为长石，硅质胶结， 具交错层理，层面上可见蜂窝状构造。 上部：包括1 煤层组及其以上地层，以中细粒砂岩、粉砂岩为主，夹少部 分杂色泥岩，偶见粗砂岩及煤线。粉砂岩中具缓波状层理，砂岩可见交错层理。 中上部砂岩粒度较下部粗，成份变杂。 下第三系( e ) 总体上属于一套陆相沉积碎羁及火山碎屑地层，最大厚度大于7 0 0 0 m 。下 第三系主要分布于宿北断裂一侧的下降盘，以及中生代断陷盆地内的部分低洼 区内。以紫红色砾岩、砂岩等粗碎屑岩为主，央粉砂岩、粉质泥岩，含石膏层。 与古生界不整合接触。 上第三系( n ) 第四系( q ) 中新统( n 。) 分为2 段： 下段：坡积、残积堆积物，不整合于下伏地层之上。全层厚度0 4 7 3 0 m ， 平均2 2 m 。主要岩性为砾石、砾岩、砂砾、粘土砾石、砂层、砂质粘土、粘土 及钙质粘土等，在砂质粘土中混杂着较多的钙质团块和砾石块。 上段：厚度6 1 5 1 2 1 1 m ，平均9 4 m ，主要由灰绿色粘土和砂质粘土组成。 分层厚度大、塑性强、分布稳定，具4 5 0 静压滑面。 上新统( n 2 ) 地层总厚6 0 1 2 0 m ，平均9 5 m 。底部为灰白色、棕黄色中细砂、细砂为主， 含有砾石及粘土质砾石。中部为棕红、棕黄色中细砂、细砂及少量砂砾层，其 间央有粘土、砂质粘土、泥灰岩和钙质粘土。上部为棕红、棕黄和褐黄色细砂、 粘土质砂、砂质粘土及粘土层。顶部有砂礓和铁锰质结核富集。与下伏中新统 呈整合接触。 更新统( q 卜3 ) 厚度3 5 8 0 m ，平均5 2 m ，由黄、灰黄和褐黄色中、细砂、粉砂、粘土质 砂夹砂质粘土或粘土组成，北部砂层较多，南部粘士类层增厚。底部有层中 粗或中粒砂夹小砾石。砂层中见有水平层理和河流相特征。层中夹有较多砂礓、 钙质团块和铁锰结核，含有螺蚌化石。 全新统( q 4 ) 厚度2 5 5 7 8 0 m ，平均3 2 m ，由粉砂、粘土质砂及砂质粘土、粘土相问组 成。砂层分选性好，见有水平和微波状层理，含有砂礓、铁锰结核及小螺蚌化 石。在上部有一层稳定的黑色含腐植质的砂质粘土或粘质砂，其中含有丰富 的螺蚌化石。与下伏更新统呈整合接触。 2 3 基岩含水层与新生界松散含水层 矿区的含水层一般可分为下伏的坚硬基岩裂隙一岩溶含水层和上覆的新生 界松散沉积物孔隙含水层两大类型。自下而上分别为： 2 3 ，1 基岩地层主要含水层 下古生界碳酸盐岩岩溶裂隙含水层( 段) 习惯上用“奥荻”简称此含水层( 组) ，包括从下寒武统侯家山组到中奥陶统 老虎山组各段。总厚度超过1 2 0 0 m ，灰岩、白云岩类碳酸盐岩占7 0 以上，在 研究区内多为埋藏型。台水层段以下奥陶统的马家沟组、肖县组灰岩为主，含 水空间包括溶蚀裂隙、溶孔、溶洞等，为区域强含水层。本层与二迭系山西组 煤层的间距达2 0 0 m 以上，对煤层开采无直接影响，但因各种导水断裂发育， 致使该含7 k 层与太原群灰岩水乃至二迭系煤系地层有一定的水力联系，是各矿 底部煤层开采的间接充水含水层。 在井田内揭露最大厚度2 0 0 3 m ，掘9 8 观l 孔抽水试验资料，q = 1 5 9 ，s - m ， k = 1 9 2 m d ，水质类型s 0 4 一c a n a 型，矿化度为1 2 8 2 f 。 本矿9 8 观1 孔位于南一采区，1 9 9 8 年1 0 月移交时水位标高+ 1 4 0 0 m ，至 2 0 0 3 年1 1 月，水位为+ 4 4 4 m ，5 年多下降了9 5 6 m ，年降幅1 8 8 m ，其水位变 化情况见表2 1 和图2 2 。 图2 - 2 奥灰( 9 8 观1 孔与2 0 0 1 观1 孔) 水位变化曲线图 2 0 0 1 观1 孔位于4 采区。2 0 0 1 年6 月水位为+ 7 6 8 m ，至2 0 0 6 年2 月，水 位为十3 9 7 m ，4 年半下降4 7 1 m ，年降幅1 0 2 8 m 。2 0 0 4 年1 0 月到2 0 0 5 年7 月 该孔水位出现一次突然的下降，水一直保持在+ 2 m 左右，到2 0 0 5 年8 月以后方 回弹，水位则维持在3 9 7 m 左右，见表2 - 1 和图2 2 。 奥灰水位的不断下降说明了由于煤矿的采掘，奥灰水己部分地补给太灰， 并【剐接补给矿坑。但是，从目前的水位对比来看，奥灰水位与相邻的太灰水位 要高约1 5 0 m ，这表明本矿井奥灰含水层与太狄含水层的水力联系很差，奥灰水 对太灰和煤系地层内矿井的补给量十分微弱。 五炭系碳酸盐岩岩溶裂隙台水层( 组) 包括本溪组与太原组，通常简称为“太灰”，平均厚约1 9 0 m ，本井田太灰由 l l 层左右灰岩与泥岩、粉砂岩及煤线相问组成。浅部露头区裂隙溶洞发育，含 9 官可啦科簪 水丰富。太灰上距山西组底部主采煤层之间有3 0 7 0 m 左右的泥岩和砂页岩层， 在正常情况下为有效隔水层，使太灰含水层对矿坑充水不会有影响，但在有构 造破坏时一四灰可对l o 煤层开采构成直接充水水源。太灰岩溶裂隙发育具 有不均一性，因此富水性也不均一。 浅部的构1 4 、补1 2 、补6 2 、8 3 及补1 0 l 以及0 6 观1 孔均在此层位漏水。据 8 1 孔对太灰抽水试验，s = 5 4 4 1 3 4 9 m ，q = 1 9 2 4 1 1 8 9 l s m ，k = 1 7 4 1 1 8 m d ，静止水位标高为2 2 7 0 m ，水质类型s 0 4 c a n a 型，矿化度2 4 5 9 ，。 本矿现有太灰水位长期观测孔四个，其中9 5 观l 和9 7 观l 观测层位为1 4 灰，9 8 观2 和9 8 观3 观测层层位为5 1 1 灰。上述四孔太灰水位标高变化情况 见表2 1 和图2 3 、图2 - 4 。 iiii蕈iii 图2 - 3太原组1 4 灰水位变化曲线图 0 *藩羞* 离葛 宝 嘎 贰“ 一 印 一一 皋 “ 一 qg吨星 啪t 兽 。 d 霉 岬竺 叩 寸 寸 q 叶 寸 i n 卜 、穹 尊 q q 寸 n 1寸 q 芝 - 穹 岬 1 蓦 奇 d 呷 形 星 量 呈gg 刊nh ， 吾辱匿辱 。、：。、。 e 篷井 嘴扛蒜熙妲皋斟俺蜷牮芒1圭鼷半拭球，懋杉忑搽 一 懈 麟 n 翟 q t 叶 荨 m 矗 q 崩 兽 号 叩 兽 、。 q 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水位下降特征与采区的开拓程度和排水量密切相关，同为1 4 灰观测 孔的9 5 观i 孔和9 7 观l 孔，目前水位差距达9 6 9 1 m 。前者位于南一采区南缘， 采区排水量只有3 0 一1 1 左右，后者位于北二采区与北四采区之间，这两个采 区的排水量多年保持在3 0 0 m 3 h 左右。 而同为5 1 1 次观测孔的9 8 观2 孔和9 8 观3 孔，水位悬殊值高达水位 1 6 3 9 8 m 。其原因是9 8 观2 孔所在的南五采区目前尚未丌拓，水位保持在+ 8 m 以上；而9 8 观3 孔位于北四采区与北六采区的交界带，两个采区矿井排水量大 ( 例如两个采区的近期排水量也有3 0 0 m 3 h 左右) 。 水位下降特征与采区在矿井的所在位置有关。明显的特征是：南部采区 涌水量小，一般在，l x l o m 3 m 级别上，水位下降量小；北部采区涌水量多年保持 5 0 0 m 3 h 以上，因此水位降幅大。 经生产验证，太灰岩裂隙水是开采1 0 煤的矿坑充水的主要隐患之一，根据 矿区水文地质工程地质勘探规范，采用公式t s = p ( m - c p ) 来计算突水系数。 煤层底板破坏厚度c p 采用l o m ，并根据1 0 煤底板隔水层厚度分布数据，列出 l o 煤的太灰突水系数五，如表2 2 。 表2 - 21 0 煤太灰突水系数五计算成果表单位m p a m 淮北矿业集团矿井水文地质规程实施细则中规定，在分阶段、分工作 面开采1 0 煤时，太灰的突水系数t s 值在正常块段不大于o 0 7 m p a m 时才是安 全的，上表结果表明大部分处在可能突水范围之内。 二迭系煤系地层砂岩裂隙含水层( 组) 从含水性来说，由裂隙发育的砂岩组成含水层，由泥岩、粉砂岩等组成隔 水层，各含水层之间均有隔水层。由于多期构造运动，使部分煤层顶底板砂岩 裂隙十分发育，从而构成了矿井开采的直接充水水源。典型砂岩裂隙水的水化 学类型为c 1 - h c 0 3 n a 型。 上侏罗统下第三系钙质砂砾岩岩溶裂隙含水层 仅分布在井田北端，以下第三系为主。本层岩溶极为发育，但不均匀，主 要发育层位于贴近古生界的底部。岩溶主要发育带位于3 5 0 m 以上，深部较弱。 断裂构造附近岩溶发育明显增强，不同区段富水性强弱也不相等。水质类型为 s 0 4 t h c 0 3 - na - c a 型。 2 3 ，2 新生界松散沉积物子l 隙含水层( 组) 本矿区从区域总体富水性角度将新生界地层分成若干个相对含水层( 组) 和相对隔水层( 组) ，从上往下分别是：一含( 第一含水层) 、隔( 第一隔水 层) 、二含、二隔、三含、三隔、四含共4 个含水层组和3 个隔水层组。 2 4 井田断裂构造特征 矿井构造简单，断层不发育，全矿井共查出落差 _ 1 0 m 的断层8 条，三维地 震物探( 2 0 0 4 ) 解释出落差 1 0 m 的断层2 条：按其力学性质分：正断层5 条，逆 断层3 条；按断层走向分，北东向4 条，北西北西西