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基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告书 基于非线性理论水体下采煤方案优化基于非线性理论水体下采煤方案优化 及安全性研究报告及安全性研究报告 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告书 目录 1 1 立项的背景与意义 立项的背景与意义 1 1 1 立项的背景 1 1 2 技术目标 1 1 3 技术内容 1 1 4 技术方法和路线 2 2 地质概况 地质概况 3 2 1 地层 3 2 1 1 新老地层分述 3 2 1 2 主要含煤地层 8 2 2 构造 12 2 2 1 区域地质构造 12 2 2 2 矿区构造 13 3 矿井水文地质概况矿井水文地质概况 15 3 1 井田边界及其水力性质 15 3 2 含水层与隔水层 16 3 3 矿井充水条件 21 3 3 1 生产矿井充水特征 21 3 3 2 矿井充水因素分析 21 3 4 井田及周边地区老窑水分布状况 22 3 5 矿井充水状况 23 4 冒落带 导水裂隙带高度计算冒落带 导水裂隙带高度计算 24 4 1 计算理由 24 4 2 计算公式 24 4 3 计算结果 25 4 3 1 覆岩岩性分析 25 4 3 2 冒落带 裂隙带高度计算 26 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告书 4 4 计算结果分析 26 4 4 1 保护层厚度的选择 26 4 4 2 安全性分析 27 5 断层防隔水煤柱安全性验算断层防隔水煤柱安全性验算 28 5 1 验算依据 28 5 2 验算结果 28 6 冒落带 导水裂隙带高度数值模拟冒落带 导水裂隙带高度数值模拟 30 6 1 HPUY 移动变形预计软件简介 30 6 2 覆岩内部主要影响半径的确定 33 6 3 移动变形主矢量计算方法 35 6 3 1 六个应变分量的求取 35 6 3 2 变形主矢量的计算方法 38 6 3 3 主应变的求取 39 6 4 DRUCKER PRAGER准则的应变表达式 40 6 5 预计变形量与判断破坏与否的计算程序表达 41 6 6 回采方案裂隙带高度数值模拟 42 6 7 数值模拟结果安全性分析 47 7 固液耦合理论分析安全煤柱的稳定性固液耦合理论分析安全煤柱的稳定性 48 7 1 FLAC3D 软件简介 48 7 1 1 FLAC3D的优点 49 7 1 2 本构模型 49 7 1 3 计算模式 50 7 1 4 前后处理功能 50 7 1 5 主要应用领域 51 7 2 复杂地质条件建模的理论基础及建模 52 7 2 1 三次样条插值的基本原理 52 7 2 2 利用三次样条插值法建立三维数值的步骤 53 7 2 3 建立模型 54 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告书 7 2 4 模型边界条件 56 7 2 5 煤岩物理力学参数的选取 56 7 3 块体固液耦合理论 57 7 3 1 基本假设 57 7 3 2 数学模型 59 7 3 3 流体渗流方程的数值解法 60 7 3 4 程序设计 62 7 4 模型的求解过程 63 7 5 计算结果比较 66 7 5 1 无渗流作用下煤柱稳定分析 66 7 5 2 有渗流作用下煤柱稳定分析 67 8 蓄水池坝安全性分析蓄水池坝安全性分析 70 8 1 概率积分法预计参数确定 70 8 2 地表移动和变形预计方案 70 8 3 预计结果 71 8 4 坝体采动影响程度分析 72 8 4 1 下沉对堤坝影响的安全性分析 72 8 4 2 水平变形对堤坝的影响分析 74 9 结论结论 76 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 1 页 1 1 1 立项的背景与意义 立项的背景与意义 1 1 立项的背景立项的背景 AAAAA 公司 1970 年 8 月动工兴建 1977 年 12 月简易投产 2005 年核定生产能力为 60 万吨 年 目前 正在进行 90 万吨 年改扩建工作 矿井开拓方式为斜井开拓 多水平分区式开采 布置 14 15 两个 采区 14 采区为生产采区 布置有 14161 综放工作面 剩余储量 103960 万吨 预计 2013 年 2 月份回采结束 接替面为 14022 工作面 目前正在进行扩切眼工作 2013 年元月份开始安装支架 15 采区为改 扩建区域 布置有 1501 备采工作面 可采储量 89 99 万吨 目前正在实 施瓦斯抽采 采煤方法均为走向长壁放顶煤 全部垮落法管理顶板 根据以上的工作面接替按排 备采工作面 1501 将在瓦斯抽放达标 后回采 矿井西部 1501 工作面上山方向邻接 F19 正断层 落差 0 20m 走向 N6 E N16 E 倾向 NW 倾角 57 邻接 F19 断层 处地表位置有西柏涧村西蓄水池 蓄水量不大 通过测量及地理信息系 统计算 蓄水量为 8857m3 F19断层揭露资料较少 因此 F19正断层在该 区的延展及富水性情况及地表蓄水池对 1501 工作面正常回采影响需要 论证 因 1501 工作面煤层较厚 为安全合理留设断层防水煤柱 解放 更多的煤炭可采资源 对该断层进行固液耦合数值模拟 以验证煤柱的 稳定性具有必要性 1 2 技术目标技术目标 根据实测资料 利用非线性理论 分析研究不同回采方案上覆岩层 裂隙带的发育范围 进行回采方案优化 在资源回收最大化的前提下 提出能够满足生产需要的解决方案 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 2 页 2 1 3 技术内容技术内容 利用非线性理论 分析研究水体下采煤的安全性 为水体下采煤 提供理论上的支承 提供上覆岩层裂隙发育范围的图纸 在划定的范围内 设计各回采方案并进行优化 并提各方案的施 工图纸 提供 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究 报告 1 4 技术方法和路线技术方法和路线 利用非线性理论 根据实测资料 研究上覆岩层主要影响半径的 分布形态 利用上覆岩层内主要影响半径的分布形态 研究覆岩内裂隙带的 发范围 利用数字标高投影法 临界变形值法划定煤层回采时的保护范围 在划定的范围内 设计各回采方案并进行优化 最终达到安全回 采的目的 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 3 页 3 2 地质概况地质概况 2 12 1 地层地层 2 1 1 新老地层分述 因基岩在区内没有出露 仅据矿井和钻孔揭露资料情况 本区发育地 层有 古生界奥陶系中统马家沟组 O2m 石炭系上统本溪组 C2b 太原 组 C2t 二叠系下统山西组 P1sh 下石盒子组 P1x 上统上石盒子组 P2s 石千峰组 P2sh 新生界新近系 第四系 N Q 现由老到新分述如下 一 一 奥陶系中统马家沟组 O2m 在区外北部奥陶系中统马家沟组 O2m 有大面积出露 区内无出露 有 12 个孔揭露 揭露最大厚度 110 76m 10 2 孔 其岩性以浅灰色厚层 状灰岩为主 细晶质结构 块状构造 局部为白云质灰岩 上部夹少许角 砾状灰岩 呈浅灰 深灰色 角砾间充填有浅灰色铝土质泥岩及深灰色泥 岩透镜体 具黄铁矿晶体及结核 发育有溶洞和裂隙 裂隙多被次生方解 石脉充填 本组产主要动物化石 Actinoceras 珠角石 Armtnoceras 门角石 二 二 石炭系 石炭系 C C 1 上统本溪组 C2b 由奥陶系石灰岩顶到一 煤底 地层厚度为 1 55 19 49m 平均厚度 1 1 为 12 05m 区内有 15 个孔见及 岩性以浅灰色铝土质泥岩为主 具鲕粒 结构 含黄铁矿结核及晶体 局部为深灰色泥岩 产植物化石碎片 中部 偶尔发育一层薄灰岩 L0 或薄煤层一 0 煤 中下部为灰白色细 中粗粒 砂岩和铝土质泥岩 与下伏奥陶系中统马家沟组呈平行不整合接触 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 4 页 4 2 上统太原组 C2t 从一 煤层底到 L9灰岩顶 如 L9灰岩不发育 则以二1煤层下的一层 1 1 厚砂岩为界 该组地层厚 95 28 125 00m 平均厚度为 110 18m 岩性主 要由灰 深灰色 灰黑色泥岩 砂质泥岩 砂岩 石灰岩和煤层交互组成 为一典型的海陆交互相沉积 一般含 7 9 层灰岩 即 L1 L9 其中 L8 L2灰岩全区发育 层位稳定 为井田内主要标志层 与下伏本溪组呈整 合接触 本组产植物化石 Taeniopteris sp 带羊齿属 Pecopteris sp 栉羊齿属 Callipteris sp 美羊齿属 Annularia sp 轮叶属 Calamites sp 芦木属 产动物化石 Sinocrinus sp 中国海百合属 Dictyoclostus taiyuanfuensis 太原府网格长身贝属 Dictyoclostus sp 网格长身贝属 Pentamerus sp 五房贝属 Pseudoschwagerina sp 假希瓦格筳属 Triticites sp 麦粒筳属 Sphenophyllum sp 楔叶属 Brachythyrina sp 准腕孔贝属 Linopteris neuropteroides 麦网羊齿 三 三 二叠系 二叠系 P P 1 二叠系下统山西组 P1sh 由 L9灰岩顶或二1煤层下的一层厚砂岩底至砂锅窑砂岩 Ss 底 厚 89 43 115 47m 平均厚97 63m 由砂岩 泥岩 砂质泥岩和煤层组成 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 5 页 5 含煤6 层 二0 二1 二2 二3 二4 二6 二1煤层为全区主要可采煤 层 与下伏太原组呈整合接触 本组产植物化石 Sphenopteris sp 楔羊齿属 Pecopteris sp 栉羊齿属 Neuropteris sp 脉羊齿属 Calamites sp 芦木属 Lepidodendron sp 鳞木属 Tingia carbonica Scheuk Halle 石炭齿叶 Tingia hamaguchii 菱齿叶 2 二叠系下统下石盒子组 P1x 由砂锅窑砂岩 Ss 底至田家沟砂岩 St 底 厚 196 62 267 40m 平均为 252 25m 主要由砂岩 砂质泥岩 泥岩组成 据其沉积特征可划分为三 四 五 六 4 个煤段 与下伏山西组呈整合接 触 三煤段 由砂锅窑砂岩 Ss 底至四煤底砂岩 S4 底 厚 90 90 118 17m 平均为 110 47m 底部砂锅窑砂岩厚 1 00 16 50m 平均为 5 47m 为灰 绿 灰白色 中 细粒砂岩 含黑色泥岩包体 具交错层理 是下石盒子 组较好的标志层 其上为一层灰白 浅灰色铝质泥岩 具紫斑 富含菱铁 质鲕粒 层位不稳定 多相变为砂质泥岩或泥岩 中上部由紫斑泥岩 灰 色砂质泥岩及浅灰色 灰色砂岩组成 砂岩 砂质泥岩中含丰富的植物化 石碎片 四煤段 由四煤底砂岩 S4 底至五煤底砂岩 S5 底 厚 37 20 76 29m 平 均为 55 00m 下部为四煤底砂岩 厚 0 61 18 00m 平均为 6 72m 为浅 灰色 灰绿色粗 中粒砂岩 硅质胶结 含深灰色泥岩包体 具交错层理 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 6 页 6 中上部为深灰 灰色砂质泥岩 泥岩 含铝质具紫斑及菱铁质鲕粒 局部 夹砂岩 粉砂岩透镜体 五煤段 由五煤底砂岩 S5 底至六煤底砂岩 S6 底 厚 18 66 60 84m 平 均为 42 48m 主要由砂岩 砂质泥岩 泥岩组成 下部为五煤底板砂岩 厚 0 35 15 31m 平均为 7 76m 为灰白色 浅灰色细 粗中粒砂岩 含 泥质条带及团块 具平行层理及交错层理 局部夹泥岩 砂质泥岩 上部 为紫斑泥岩 砂质泥岩 六煤段 从六煤底砂岩 S6 底至田家沟砂岩 St 底 厚 31 10 65 53m 平均为 44 30m 底部为六煤底砂岩 厚 2 06 19 59m 平均为 9 53m 为 灰白色 浅灰色的中粒砂岩 交错层理 含泥质包体 局部夹紫斑泥岩 其上为灰色泥岩 砂质泥岩 具紫斑 含铝质及鲕粒 产植物化石 局部 夹铝质泥岩及砂岩 粉砂岩透镜体 本组产植物化石 Lobatannularia heianeisis 平安瓣轮叶 Lobatannularia sinensis 中国瓣轮叶 Gigantopteris sp 大羽羊齿属 Pecopteris sp 栉羊齿属 Taeniopteris multinervis 多脉带羊齿 3 二叠系上统上石盒子组 P2s 由田家沟砂岩 St 底至平顶山砂岩 Sp 底 厚 274 32 322 35m 平均为 320 63m 主要有砂岩 砂质泥岩 泥岩组成 按其岩性特征可分为七 八 九三个煤段 与下伏地层呈整合接触 七煤段 由田家沟砂岩 St 底至八煤底砂岩 S8 底 厚 108 77 123 35m 平均为 114 47m 主要由泥岩 砂质泥岩及砂岩组成 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 7 页 7 底部为田家沟砂岩 厚0 97 13 03m 平均为6 52 m 为浅灰色 灰白色 细粒 粗粒砂岩 成分主要为石英 含少量长石及岩屑 硅质胶结 为该 区较好的标志层之一 下部为灰色 深灰色泥岩 砂质泥岩 夹砂岩透镜 体 产植物化石及碎片 含 2 5 层灰色 深灰色硅质泥岩 富含海绵骨 针 上部为灰色 紫灰色泥岩 砂质泥岩 具紫斑 八煤段 由八煤底砂岩 S8 底至九煤底砂岩 S9 底 厚 85 95 99 91m 平均为 93 12m m 底部八煤底砂岩厚 1 08 9 92m 平均为 3 57m 为灰紫色 灰绿色中 细粒砂岩 局部夹薄层灰紫色砂质 泥岩及灰绿色粉砂岩 主要矿物成分为石英 次为肉红色长石 硅质胶结 下部为灰紫色 灰黑色泥岩 砂质泥岩 砂岩及局部为细砾岩组成 中上 部主要由灰绿色 暗紫红色紫斑泥岩 砂质泥岩 砂岩组成 九煤段 由九煤底砂岩 S9 底至平顶山砂岩 Sp 底 厚 113 05m 仅一孔见全 底部九煤底砂岩厚 1 25 2 36m 平均为 1 80m 为中粒 细粒砂岩 间夹薄层泥岩 分选较差 泥硅质胶结 中 下部为灰绿色 浅灰色细 中粒砂岩 灰绿 紫灰色砂质泥岩 泥岩 粉 砂岩组成 砂质泥岩 泥岩具紫斑 含铝质 砂岩局部夹暗紫色泥岩薄层 上部为暗紫色 紫红色泥岩及砂质泥岩 具绿斑 紫斑 含铝质 夹薄 层浅灰色中 细粒砂岩 该组产植物化石 Taeniopteris sp 带羊齿属 Gigantopteris sp 大羽羊齿属 Annularia sp 轮叶属 Pecopteris sp 栉羊齿属 4 4 二叠系上统石千峰组 P2sh 由平顶山砂岩 Sp 底至金斗山砂岩 Sj 底 井田内仅 9 7 孔 见及 且仅发育 砂 泥岩段和平顶山砂岩段 揭露最大厚度为61 50m 与 下伏地层呈整合接触 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 8 页 8 平顶山砂岩段 井田内仅 9 7 孔见及 其揭露厚度为 7 65m 岩性为灰白 浅灰色中 粗粒长石石英砂岩 主要矿物成分为石英 次 为长石及暗色矿物 长石呈肉红色或灰白色 硅质胶结 具大型交错层 理 分选性差 含绿色矿物 泥岩包体及石英细砾石 硅质胶结 据钻 孔及基岩出露资料 岩石多已被风化 风化后颜色呈褐黄色 浅红色 局部 中间夹 1 层紫红色 灰绿色泥岩薄层 砂 泥岩段 本区钻孔揭露最大厚度为 53 85m 岩性以紫红色 灰绿色砂质泥岩 泥岩为主 夹灰绿色 紫红色砂岩 四 四 新近系 第四系 新近系 第四系 N Q N Q 本井田内新生界地层厚度为 24 61 213 24m 平均为 121 56m 主要 为浅灰红色 灰黄色及灰绿色砾石 粘土质砾石 砂质粘土 粘土组成 砾石大小不一 局部为细砂 顶部为黄色坡积物及表土组成 与下伏地层 呈不整合接触 2 1 2 主要含煤地层 井田内含煤地层主要为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组 石炭系上统太原组 C2t 1 地层特征 从一 煤层底到 L9灰岩顶 如 L9灰岩或二1煤层下的一层厚砂岩为界 1 1 平均厚度为 110 18m 与下伏本溪组呈整合接触 据其岩性组合及沉积特 征 自下而上分为三段 下部灰岩段 自煤层底到 L4石灰岩顶 厚 34 17 57 27m 平均厚 40 42m 以 1 1 一 石灰岩为主 夹灰黑色泥岩 砂质泥岩 粉砂岩薄层 含灰岩 4 层 L1 L2 L3 L4 L2全区发育 厚 1 23 6 22m 平均 4 96m 为灰色 深灰色中厚 厚层状隐晶质石灰岩 含燧石结核及大量动物化石 为该区 主要标志层之一 除 L3石灰岩外 各层灰岩之下均有煤层赋存 分为 1 1 一 一2 一4煤层 其中煤层较稳定 大部可采 一2煤层局部可采 2 1 一 1 1 一 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 9 页 9 中部砂泥岩段 由 L4石灰岩顶到 L7石灰岩底 厚 41 57 49 26m 平均厚 38 52 m 主要由泥岩 砂质泥岩 砂岩 薄层灰岩及薄煤层组成 泥岩 砂质泥岩 为灰黑 黑色 致密性脆 含黄铁矿结核及植物化石 砂岩为灰色细粒 中粒石英长石砂岩及硅质岩屑砂岩 含灰岩两层 L5 L6 均不稳定 多 相变为砂质泥岩 砂岩 灰岩下赋存有一 一 一 一 一 五层薄 1 6 2 6 1 7 2 7 3 7 煤 但均不可采 上部灰岩段 由 L7灰岩底至 L9灰岩顶或以二1煤层下的一层厚砂岩底 厚 28 68 46 45m 平均 31 24m 由泥岩 砂质泥岩 细粒砂岩 石灰岩及 煤层组成 石灰岩发育三层 L7 L8 L9 其中 L8全区发育 厚 0 95 4 77m 平均厚 2 40m 为深灰色石灰岩 含燧石结核 富含动物化 石 本段含煤 4 层 即 一 一 但均为局部发育的不可采煤 1 8 一 2 8 一 1 9 2 9 层 2 沉积旋回特征 据太原组岩性组合 沉积特征及生物组合规律 本组应为碎屑 碳酸 盐岩滨岸沉积体系 下部及上部石灰岩沉积时为浅水 温暖 清澈 古盐 度正常的陆表海碳酸盐台地环境 中部石英砂岩 俗称胡石砂岩 成分单一 成熟度高 为沙坪 潮道 潮沟亚相沉积 顶部的硅质泥岩为潮坪 泻湖 海湾 障壁岛相沉积 二叠系下统山西组 P1sh 1 地层特征 由 L9灰岩顶或二1煤层下的一层厚砂岩底至砂锅窑砂岩 Ss 底 平 均厚 97 63m 由砂岩 泥岩 砂质泥岩和煤层组成 与下伏太原组成整合 接触 据其岩性组合及沉积特征 分为四段 二1煤段 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 10 页 10 由 L9灰岩顶或二1煤层下的一层厚砂岩至大占砂岩 Sd 底 厚 11 55 41 88m 平均厚 29 28m 由泥岩 砂质泥岩 砂岩和煤层组成 本段含煤 3 层 二0 二1 二2 二0煤局部发育 区内仅 1 孔见及 二 1煤全区可采 底板泥岩富含植物根化石 顶板泥岩富含植物化石 直接 顶底板偶见灰黑色炭质泥岩 二1煤层上部岩性较稳定 而煤层下部岩性 厚度变化较大 厚度变化原因是北岔沟砂岩不稳定 局部相变为砂质泥岩 泥岩 大占砂岩段 由大占砂岩 Sd 底至香炭砂岩 Sx 底 厚度 17 35 50 37m 平 均厚 28 92m 由砂岩 砂质泥岩 泥岩及薄煤层组成 下部大占砂岩厚 0 35 18m 平均厚 12 02m 为灰 深灰色中 细粒岩屑石英砂岩 层面 含大量白云母片及炭屑 交错层理 上部为灰黑色砂质泥岩 泥岩 含菱 铁质结核及植物化石 局部含薄煤 2 层 二3 二4 均不可采 香炭砂岩段 由香炭砂岩 Sx 底至冯家沟砂岩 Sf 底 厚 15 08 39 71m 平 均厚度为 20 58m 主要由砂岩 砂质泥岩 泥岩组成 下部为香炭砂岩 厚 0 81 38 00m 平均厚为 8 69m 一般 1 2 层 为灰 深灰色中 细 粒长石石英砂岩 含大量深色岩屑 菱铁质鲕粒及少量绿泥石 分选性差 具波状层理 上部为灰 深灰色砂质泥岩 泥岩 含植物化石 小紫泥岩段 由冯家沟砂岩 Sf 底至砂锅窑岩 Ss 底 厚10 65 38 75m 平均厚 度为19 21m 下部为灰色中 细粒长石石英砂岩 即冯家沟砂岩 局部相 变 为砂质泥岩 上部为深灰色泥岩 砂质泥岩 具水平层理 局部可见铝质 泥 岩 偶夹薄煤一层 二6煤 2 山西组岩相古地理特征 沉积旋回特征 据山西组岩性组合 沉积特征及生物组合规律 认为本组是在太原组 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 11 页 11 碎屑 碳酸盐岩滨岸沉积体系的基础上形成的以过渡相为主的一套陆源碎 屑含煤岩系 其下部的二 1 煤段主要由潮坪相 滨湖沼泽相沉积构成 向 上逐渐过渡到分流河道相 河床相和河漫滩相 由下向上可划分为四个沉 积旋回 a 第 旋回 底部在太原组泻湖相沉积的基础上 形成了河口砂坝相砂岩 潮坪相 砂质泥岩 泥岩夹砂岩 粉砂岩薄层及透镜体 具透镜状层理 波状层理 和水平纹理 块状黑色泥岩以泥坪为主 含黄铁矿结核 或与泻湖相共生 由于潮坪沼泽化 为二1煤层形成创造了条件 该旋回平均厚度 29 28m b 第 旋回 由分流河道相中粒砂岩及沼泽相泥岩和泥炭沼泽相薄煤层组成 分流 河道相的大占砂岩为该旋回的起始 其底部常见泥岩碎块或泥岩包裹体 具大型交错层理 对下伏二 1 煤层局部有冲刷现象 该旋回平均厚度 28 92m c 第 旋回 位于山西组的中上部 从分流河道相的香炭砂岩起到沼泽相 泥炭沼 泽相砂质泥岩 泥岩夹薄煤层构成 该旋回平均厚度 20 58m d 第 旋回 位于山西组顶部 由河流相砂岩到河漫滩相砂质泥岩 泥岩构成 区 内局部发育 2 3 个次级旋回 该旋回平均厚度 19 21m 二1煤层与古地理关系 山西组早期处于泻湖海湾古地理环境中 二1煤是在以泻湖相 潮坪 相构成的旋回内形成的 聚煤作用发育在海湾障壁岛陆的风坪和涨潮三角 洲前缘低洼处 随着海水的后退 泻湖逐渐淤浅 沉积作用逐渐向深水方向推进 形 成了泻湖和潮坪沉积旋回 并在泻湖 潮坪的浅水地带出现了泥炭堆积 当泥炭堆积速度与控制海平面的基底沉降速度协调时 就形成了较厚的泥 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 12 页 12 炭堆积层 两者速度不协调时 局部泥炭堆积则为沼泽 泻湖的粘土和砂 质沉积替代覆盖 形成泥炭堆积变薄和复杂结构 在该泻湖 潮坪旋回沉 积后期 沉积区又很快为海水覆盖 形成了巨厚的海滨砂坝的砂岩沉积 由于泻湖 潮坪与滨海砂坝环境的稳定持续 所以形成了全区发育的二1 煤段旋回和上覆巨厚的滨海相砂岩层 2 22 2 构造构造 2 2 1 区域地质构造 安鹤煤田位于华北板块 内 南部 根据河南省构造分区属于太行构 造亚区之太行断隆 夹持于汤东断裂与林县正断层之间 受汤东断裂直接 控制 构造比较复杂 区域地层走向近南北 倾向北东 倾角 8 35 总体为具有一定起伏的单斜构造 构造以断裂为主 伴有小型褶曲 按构 造展布方向可分为东西向构造 南北向构造 北东向构造 北北东向构造 和北西向构造五种 现分述如下 一 一 东西向构造 东西向构造分布在安鹤煤田中北部 构造线方向为 90 110 是 本区处在南北挤压力作用下形成的中小型纬向构造 主要以褶曲为主 局 部伴有少量断裂 东西向构造与其它构造呈反接 截接和归并的复合关系 可见 东西 向构造在安鹤煤田发育较早 对区内煤矿床的形成起着控制作用 二 二 南北向构造 南北向构造主要分布在安鹤煤田中部 构造线方向 N5 E N10 W 是该区域在东西挤压力作用下形成的经向构造 煤田内构造形迹以断裂为 主 其延伸长度 2 10km 多西倾 倾角 50 85 南北向断层切割东西向断层 与其它构造呈反接 截接和斜接的复合 关系 可见 南北向构造的形成晚于东西向构造 早于其它构造 由于安鹤煤田位于太行山大背斜东翼 而太行山复背斜亦呈南北方向 延 伸 所以 南北方向的构造中 褶曲的升降变化对煤矿床的分布起控制 作用 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 13 页 13 褶曲升起煤层剥蚀 褶曲沉降煤 层埋藏较深 只有在过渡地带才保存着有工 业价值的煤矿床 三 三 北东向构造 北东向构造在本区发育较多 分布广 构造线方向为 N45 E N65 E 且成组出现而形成多字形斜裂 在安鹤煤田中部 有较多相向倾斜的 断裂构成狭长的地垒和地堑 如 F159和 F160构成黑峪地堑 F160与 F165构成 天喜镇地垒等 力学性质多为压性 也有受后期运动叠加呈现扭性 北东向构造中的断裂构造切割深 落差大 对煤层的连续性有破坏作 用 因此 多作为各井田边界 四 四 北北东向构造 北北东向构造集中安鹤煤田北部白莲坡井田和岗子窑井田中 是由近 百条大小不等的断层组成 断层延伸方向 N5 30 E 断裂在西部较稠 密 东部较稀疏 北北东向构造力学性质和北东向构造近似 难以区分 而多数构造延 伸相对较短 落差不大 五 五 北西向构造 北西向构造在区域上不太发育 构造形迹以褶曲为主 局部伴有小断 层 多数迭加在南北向构造之上 本区位于安煤田的北部见图 3 1 2 2 2 矿区构造 本区位于安鹤煤田北部 总体构造形态为走向近南北 倾向东的单斜 构 造 地层倾角一般为12 28 区内地层略有波状起伏 区内构造受太 行山隆起与汤阴断陷直接控制 断层较为发育 均为正断层 断层展部方 向 仅 F1一条为NE 向 其余均为NNE 向 倾角55 70 此外 矿区西南部 还受到岩浆岩的影响 该矿区地质构造复杂程度中等 一 一 断层 矿区内共发育断层 30 条 其中落差大于 100m 的有 2 条 F1 FB58 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 14 页 14 落差 20 50m 的有 5 条 F32 F33 F211 F12 F407 其余 23 条落差均小 于 20m 且多为大断层派生的 根据查明程度分为查明 基本查明 未查 明 现将矿区内的主要断层描述如下 1 F1断层 位于矿区东南部 为 AAAAA 与大众煤矿的边界断层 走向 N55 E 倾向 SE 倾角为 70 南东盘下降 北西盘上升 落差 150 200m 区内断层延伸长度约 3 61km 为一高角度正断层 区内 13 2 孔和井下巷道内均见及 区外由 14 1 孔控制 该断层在区内西部达到查 明程度 东部未查明 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 15 页 15 3 矿井水文地质概况矿井水文地质概况 3 13 1 井田边界及其水力性质井田边界及其水力性质 AAAAA 区为一典型丘陵地形 冲沟发育 相对高差达 150m 左右 迳流 条件好 极利于大气降水的排泄 所以冲沟有明显的季节性特征 雨季排 洪 平时干枯 个别沟底有第三 四系泉水出露 如李家村和西保障 沟 底泉流量仅 0 07 0 17L s 对矿井充水无影响 矿区北东 3km 为截堵漳 河的岳城水库 库容量为 10 亿 m3 其标高 152m 洪水位线是本井田北部边 界 由于库底远距煤层 正常情况下对开采无影响 本区处于新华夏系第三隆起带 太行山复背斜的东翼 所以 NNE 向构 造对地下水活动有明显的控制作用 如与煤系地层走向近似一致的 NNE 向 的正断层 沿倾向由东向西逐级抬起 形成一些交替出现的近南北向的狭 长地垒 地堑 破坏了基岩含水层的连续性 因而来自西部山区 O2 灰岩 地下水的正常运移被多次中断 改变了地下水的正常排泄条件 形成一块 块独立的 补给条件不同的次一级水文地质单元 矿区西部的 FB58 南部 F1 东部 FB57 F32 等断层 将矿井抬起 50 300m 使其总体处于一个地垒构造位置 中断了主要含水层的连续 性和补给来源 认为 NNE 向高角度正断层属压性断裂 导水性差 据 F15 FB58 的抽水资料 q 0 001 L s m 及红岭斜 风 井穿过 FB58 水量不大的实际资料证实了这一点 因高角度正断层导水性差 故使本区 水文地质条件比较简单 但应指出 断裂构造对地下水活动的控制作用 往往表现为双重性的 它既可使同一含水层中断 又可使不同含水层碰合 发生水力联系 改变了含水层 隔水层和煤层三者间的固有组合联系 所 以对断层导水和影响程度 应视其性质和具体部位而定 如本区二 1 煤 当遇落差在 40m 左右断层时 将使二 1 煤与 L8 灰岩直接接触 遇落差 120m 左右断层时 二 1 煤与 L2 和 O2 灰岩含水层接触 对于这些地段 灰 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 16 页 16 岩岩溶水将直接威胁着二 1 煤的开采 此外 断裂可以使岩溶进一步强化 尤其是次一级小断层 走向与区 域地下水流向近似一致 所以往往在一些局部地段形成富水带 造成井下 程度不同的突水 这个问题是勘探阶段无法查明的 建议生产过程中应引 起注意 3 23 2 含水层与隔水层含水层与隔水层 矿区内根据沉积条件 岩性 水力特征 含水层 隔水层的组合关系 结合对主要可采煤层的影响 按沉积顺序 自下而上可归并为五个含水层 和四个隔水层 它们是向矿井直接或间接充水的水源 是确定煤层顶 底 板水文地质类型的依据 分述如下 1 奥陶系灰岩岩溶承压含水层 区内无出露 据区域资料 厚 400m 左右 奥陶系假整合面以下 200m 范围内为深灰色和浅灰色厚层状和巨厚层状微晶质灰岩或花斑状灰岩 下 部为白云岩和白云质灰岩 致密坚硬 岩溶发育 但不均匀 富含岩溶承 压水 在 400m 水平水压可达 5 4MPa 据 红岭井田地质勘探最终报告 资料 本区岩溶发育在假整合面下 40 100m 范围内 本矿区缺乏完整的 揭露资料 虽然有 12 孔揭露该层 但除 10 2 孔揭露 110 76m 其它钻孔 揭露厚度都小于 16m 10 2 孔 40 110m 范围内发现有三处漏水外 在假 整合面下 110 05m 处岩溶高度达 0 30m 但北部相邻的观台井田 1202 孔 在假整合面下 20m 附近抽水 单位涌水量达 2 88L s m 上述资料表明 该区富水不均和岩溶发育具有多水平的特征 假整合面下 50m 范围内岩溶 发育程度 对矿井充水影响较大 从 10 2 孔水位资料 结合邻区和区域 资料分析 奥陶系灰岩含水层既厚又有比较统一的地下水位 见表 3 1 所以它是一个富水性很强的含水层 是开采一煤组 从底板向矿坑进水的 直接含水层 同时为二1煤底板进水的间接含水层 在构造断裂的影响下 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 17 页 17 可以与其它含水层发生水力联系 所以该含水层为矿井开采过程中对矿井 形成富水威胁的主要含水层 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 18 页 18 表表 3 1 AAAAA 与邻区奥陶系灰岩含水层水位资料对比表与邻区奥陶系灰岩含水层水位资料对比表 井田孔号水位标高 m q L s m K m d 李珍铁矿水源孔134 51 137 182 5 13 351 91 10 825 观台井田 1202 12080 134 52 138 010 059 3 730 301 16 68 红岭井田10 2134 36抽水资料为废品 2 石炭系本溪组铝土质泥岩隔水层 由铝土岩 铝土质泥岩 泥岩 砂质泥岩偶夹薄层煤和薄层灰岩组成 其中以下部铝土质泥岩最稳定 强度最好 全区有 15 孔揭穿本层 厚度 为 1 55 19 49m 由于本层假整合于奥陶系灰岩面之上 对奥陶系顶假整 合面之下岩溶有一定的灌注 填平作用 客观上控制了 O2 假整合面附近 岩溶的进一步发育 相应增大了它的有效隔水层厚度 如本区 9 个揭露 O2 灰岩 10m 以下钻孔 均未发现岩溶就是例证 因本层厚度稳定 强度较好 所以 正常情况下对阻隔 O2 灰岩水从底板进入矿坑有重要作用 3 石炭系太原组含水 隔水层 石炭系太原组地层为一套海陆交互相沉积 由泥岩 砂质泥岩 细砂 岩 砂岩 中厚层灰岩及薄煤层组成 厚度 95 28 125 00m 平均 110 18m 九层灰岩总厚 11 73 19 88m 平均厚度 15 69m 据 12 1 12 2 井检孔混合抽水资料 单位涌水量 0 012 0 585 L s m 渗透系数为 0 085 1 220m d 水位标高 135 28 135 43m 根据各层灰岩间的组合关 系和对重要可采煤层的影响 本组又分为三段 现分述如下 太原组下段灰岩裂隙一岩溶承压含水层 本段平均厚 40 42m 内夹二至四层灰岩 L1 L2 L3 L4 灰岩系 薄层 中厚层状 灰岩被煤或碎屑岩类分隔 灰岩总厚度 4 25 9 70 米 一般 6 00m 左右 富含裂隙 岩溶水 其中 L1 L3 L4 发育不好 薄且 不稳定 除 L4 局部可达 2 00m 外 其余均在 1 00m 以内 L2 发育较好 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 19 页 19 普遍稳定 富水性好 据 17 个孔的完整揭露资料 厚 1 23 6 22m 一般 4 96m 左右 区内 15 线以南较薄 都小于 5 00m 中部大范围内 除个别 点外 均在 5 00 米以上 区内有井检孔 1 孔漏水 占揭露该层的 6 本 区对该层没有专门抽水资料 据邻区观台井田资料 单位涌水量 0 043 1 34 L s m 渗透系数 K0 95 0 27m d 水位标高 135 28 135 38m 反映了该层含水丰富但不均匀的特征 它是开采一 2 煤顶板直接充水水源 太原组中段砂 泥岩隔水层 本段系指 L4 L7之间的碎屑岩沉积 其间偶夹中粗粒砂岩 薄层煤和 薄层灰岩 L5 厚度 38 00m 左右 本段岩性变化较大 各类岩石相对硅 质成份较高 厚度稳定 透水性差 隔水性能良好 所以对阻隔太原组上 下两段含水层间的水力联系有着重要作用 太原组上段灰岩裂隙 岩溶承压含水层 本段由 L7 L8 L9灰岩及中粗岩组成 其中以 L8灰岩为主 该层普遍 发育 但泥质成份稍高 层厚 0 95 4 77m 一般 2 40m 左右 在 15 线以 南较厚 4 6m 中部大部分地段较薄 仅 2 3m 区内有 22 个孔揭露本 层 无一孔漏水 说明该层裂隙岩溶发育不好和富水不均匀的特征 所以 其富水性较弱 据矿区抽水资料 单位涌水量为 0 071 L s m 渗透系 数为 3 787m d 水位标高 136 77m 4 二1煤层底板隔水层 本层由泥岩 砂质泥岩 砂岩和薄层灰岩组成 厚度 26 71 50 40m 除中部井检孔附近较薄外 一般为 35 00 40 00m 本段 厚度大而且稳定 其中砂岩抗压强度较强 泥岩抗压强度 56 1 57 7MPa 砂质泥岩抗压强度 15 2 52 4MPa 所以对阻隔 L8灰岩 水进入二1煤矿坑有重要的作用 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 20 页 20 5 二1煤顶部 60m 范围 中 粗粒砂岩裂隙承压含水层组 考虑到未来开采二1煤顶冒落裂隙带的影响高度 所以本层 组 限 于二1煤 60m 范围内中一粗粒砂岩 总共 1 8 层 总厚度为 40 97m 一 般 10 30m 厚度变化规律性不明显 其中以香炭砂岩为主 大占砂岩多 相变为细粒砂岩 薄层粉砂岩或砂质泥岩 区内有 40 个钻孔揭露该层 发现 12 个钻孔漏水 占揭露孔的 30 说明该段裂隙发育 含一定的裂 隙水 区内有井检 邻区有 4 4 两孔在 P1 S进行混合抽水资料 单位涌 水量 0 027 0 110 L s m 渗透系数 0 085 0 185m d 水位标高 137 70 137 97m 为 HCO3 K 型水 说明该含水层组裂隙发育范围和补 给条件有限 所以富水性较弱 它是开采二1煤从顶板向矿坑充水的直接 水源 6 上 下石盒子组隔水层 该含水层自二1煤上 60m 起至基岩剥蚀面 由泥岩 砂质泥岩 砂岩 组成 厚度为 83 41 433 84m 一般为 200m 左右 对阻隔地表水和第三 四系砂岩裂隙水进入矿坑有重要的作用 其间个别厚层中 粗粒砂岩含有 一定的水量 如部分钻孔在田家沟砂岩附近漏水 因其远离煤层 对开采 无影响 7 新近系 第四系砂砾石层孔隙潜水 承压含水层 主要为冲 洪积及冰积的砂砾石层构成 其分选性差 常被粘土 粘 土夹砾石分割 多呈透镜体 据原红岭井田精查补充总结中 67 孔资料统 计 厚度为 3 23 213 24m 一般为 120 00m 左右 其厚度自北西向南东有 逐渐加厚的趋势 它受基岩风化面的起伏和构造控制 如 F1断层两盘厚度 悬殊 水位受地形的控制 无统一的地下水位 一般埋深 5 20m 受大气 降雨补给 靠近基岩风化面附近 有层厚 0 120 98m 砾石 岩 层 呈透 镜状 透水性好 赋存一定水量 区内在该层有 32 个孔漏水 据民井抽 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 21 页 21 水资料 单位涌水量 0 02 0 076 L s m 渗透系数 0 97 6 56m d 水位 标高 200m 左右 水质为 HCO3 Ca 型水 该含水层 组 因常为粘土充填 富水性较弱 在正常情况下 对二1煤开采无直接影响 但与基岩风化带 有直接水力联系 3 33 3 矿井充水条件矿井充水条件 3 3 1 生产矿井充水特征 AAAAA 现开采二1煤层 矿井充水水源主要为二1煤层顶板砂岩水 多 以淋水 滴水为主 水量较小 全矿建井至今除顶板淋水外 遇构造破碎 带共发生顶板突水 4 次 发生在 15081 炮采工作面 均为揭露同一断层 FB57时 发生顶板突水 水量 10 20m3 h 宜于疏干 各突水点位置见矿井 充水性图 矿井正常涌水量多年来一至保持在 100 m3 h 最大时也仅为 150m3 h 随开采深度增加 矿井涌水量增加不明显 3 3 2 矿井充水因素分析 1 大气降水 本区属大陆性半干燥气候区 大气降水多集中于每年的 7 9 月份 补 给时间较短 虽然区内基岩出露条件较好 但因地形高低起伏变化较大 地表迳流 排泄条件好 其渗入补给作用弱 补给量有限 加之二1煤层 顶板有较厚的隔水层的阻隔 故一般情况下 大气降水对开采二1煤层影 响不大 2 第四系砂砾石孔隙水 该含水层多由洪 坡积物组成 其厚度较薄 且连续性差 又因矿区 处于低山丘陵区 地面坡度大 降水排泄条件好 含水层补给条件差 该 含水层下距二1煤层也较远 其间有石盒子组砂泥质隔水层相阻隔 所含 孔隙潜水一般对矿井生产无影响 推测仅当在煤层顶板含水层在回采落顶 后 冒落裂隙带与之沟通时 雨季可构成间接或直接充水水源 会对矿井 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 22 页 22 生产有一定影响 故在生产中应在煤层隐伏露头带留设一定的防水煤柱 以确保安全 3 二1煤层顶板砂岩裂隙水 二1煤层顶板砂岩含水层组单层厚度小 补给条件差 含富水性弱 在矿井生产中 当回采落顶后 顶板砂岩裂隙承压水将首先充入矿坑 构 成矿井顶板直接充水水源 据矿井生产资料 矿井充水多以顶板淋水方式 充入矿坑 开采过程中易于疏排 4 二1煤层底板灰岩岩溶裂隙水 二1煤层底板灰岩含水层主要为 C2上段灰岩和 O2灰岩 其岩溶裂隙发 育不均 富水性也不均一 因与二1煤层间有较稳定的隔水层 故一般情 况下 煤层底板灰岩岩溶裂隙水对矿坑充水影响不大 但在受构造破坏或 隔水层沉积薄弱地段或深部开采 矿压增大的条件下 则有可能造成突水 淹井事故 5 周邻矿井对矿床充水的影响 本区南部为大众井田 以 F1断层为界 西部为积善井田 以 FB58为界 上述两断层基本不导水 使本区不会与上述两井田发生水力联系 北部为 主焦煤矿 1980 年曾发生淹井事故 据该矿技术人员分析 可能是由于 L5灰岩岩溶水通过 NW 向小断裂涌入巷道所致 但该矿采空区距离本区较 远 对本区影响不大 经调查 本区周围无老窑分布 不会发生老窑突水 事故 6 断裂构造对矿床充水的影响 本区虽有多条北东向断裂通往岳城水库 但由于北东向断层多属压扭 性断层 导水性较差 且水库离本区二1煤层距离较远 对本区影响不大 但本区落差较大断层 可使深部的石炭系和奥陶系的灰岩水与煤层直接接 触 会对本区水文条件造成一定影响 开采中应引起注意 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 23 页 23 3 43 4 井田及周边地区老窑水分布状况井田及周边地区老窑水分布状况 与本井田相邻的生产矿井有主焦煤矿 积善煤矿 白莲坡煤矿 大众 煤矿 均为开采二1煤层的生产矿井 从以上四个生产矿井的生产实践看 水文地质条件均相对简单 矿井受到突水的威胁较小 简述如下 白莲坡煤矿 位于井田南部 与本井田相邻的浅部生产矿井 于 1995 年投产 已开采面积 1km2 开采最低标高 135m 矿井涌水量 2 4m3 h 水源主要为主 副井筒新生界松散层渗水 建矿至今尚未发生 顶 底板突水 水文地质条件简单 主焦煤矿 位于井田北部与本井田紧邻 于 1972 年投产 已开采 面积 1 92km2 开采最低标高 350m 全矿正常涌水量 50m3 h 最大时约 80m3 h 以顶板砂岩淋水为主 均集中在断层及向斜轴部两侧 建井至今 未发生过大的突水事故 积善煤矿 位于井田西部 1963 年投产 开采最低标高 350m 矿 井正常涌水量 80m3 h 主要为顶板砂岩水 矿井涌水量较稳定 对矿井开 采影响不大 1996 年 9 月曾因岗子窑与积善矿边界煤柱内的个体小煤矿采 空水淹井 与我公司之间有 FB58断层这一天然边界相隔 大众煤矿 位于井田西南部 于 1978 年投产 已开采面积 1 9km2 开采最低标高 270m 全矿正常涌水量 100m3 h 主要为顶板水 部分为底板 L8灰岩水 与我公司有 F1断层这一天然边界 且与我公司相 邻处煤田尚未进行开采 3 53 5 矿井充水状况矿井充水状况 AAAAA 现开采二1煤层 矿井充水水源主要为二1煤层顶板砂岩水 多 以淋水 滴水为主 水量较小 全矿建井至今除顶板淋水外 遇构造破碎 带共发生顶板突水 4 次 发生在 15081 炮采工作面 均为揭露同一断层 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 24 页 24 FB57时 发生顶板突水 水量 10 20m3 h 宜于疏干 各突水点位置见矿 井充水性图 矿井正常涌水量多年来一至保持在 100 m3 h 最大时也仅 为 150m3 h 随开采深度增加 矿井涌水量增加不明显 基于非线性理论水体下采煤方案优化及安全性研究报告 第 25 页 25 4 冒落带 导水裂隙带高度计算冒落带 导水裂隙带高度计算 4 1 计算理由计算理由 在回采过程中 上覆岩层会形成 三带 即冒落带 裂隙带和弯曲 下沉带 其中 冒落带和裂隙带导水 若裂隙带高加上保护层厚度达到水 体之下 会给工作安全回采带来隐患 因此 要计算裂隙带发育高度 4 2 计算公式计算公式 在 建筑物 水体 铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 以 下简称 三下 开采规程 中规定冒落带高度的计算公式如表 4 1 裂 隙带高度的计算公式如表 4 1 表表 4 1 厚煤层分层开采的垮落带高度计算公式厚煤层分层开采的垮落带高度计算公式 岩性 单向抗压强度及主要岩石名称 MPa 计算公式 m 坚硬 40 80 石英砂岩 石灰