沟头煤矿中长期防治水规划.doc

0 威信县沟头煤矿威信县沟头煤矿 矿井中长期防治水规划矿井中长期防治水规划 20132013 年年 20172017 年 年 沟头煤矿沟头煤矿 二二 一三年一三年 1 目录目录 前言前言 第一章第一章 矿井概况矿井概况 第一节 矿井自然地理概况 第二节 矿井生产概况 第二章第二章 矿井地质与水文地质矿井地质与水文地质 第一节 矿区地层 第二节 构造 第三节 主要含水层 第四节 矿区主要隔水层 第五节 地下水补给 径流与排泄条件 第六节 地下水动态特征 第三章第三章 矿井充水条件矿井充水条件 第一节 矿井水害情况的统计分析 第二节 矿井充水水源及其特征 第三节 矿井充水途径及其特征 第四节 影响和控制矿井主要充水因素分析 第四章第四章 矿井水害特征及需要查明的主要水文地质问题矿井水害特征及需要查明的主要水文地质问题 第一节 矿井已经完成和基本查清的水文地质问题 第二节 目前存在并需查明的矿井水文地质问题 第三节 矿井近期与中远期分别应查明的水文地质问题 第五章第五章 矿井防治水技术路线与原则矿井防治水技术路线与原则 第一节 矿井防治水工作的基本原则 第二节 矿井防治水工作的技术路线 第六章第六章 防治水技术与工程规划防治水技术与工程规划 第一节 主要水文地质研究工作 第二节 水文地质补充勘探 第三节 主要监测试验工作 第四节 主要水害治理工程 第五节 井下防排水系统改造工程 第七章第七章 防治水规划实施的时间与进度安排防治水规划实施的时间与进度安排 第八章第八章 结论与建议结论与建议 2 前前 言言 沟头煤矿位于威信县扎西镇境内 纸坊沟煤矿北侧 沟头煤矿 2002 年建成投产 目前设计生产能力 4 万吨 年 拟扩建生产能力 30 万吨 年 采用主平硐加副斜井多水平上下山开拓方式 沟头煤矿主采赋存于龙潭组上部的 C5 煤层 下距峨眉山组玄武岩 5m 左右 矿区水文地质条件中等 矿区无较大水体或河流 矿井充水主要来 源于地表水补给 在断层导水的情况下对矿井生产产生不利影响 矿井充 水水源主要以顶板淋水为主 矿井正常涌水量 200m3 h 最大涌水量 400m3 h 在顶板破碎带与地表水沟通时 会对矿井安全生产有一定的影 响 随着矿井采掘工程的延伸 矿井水害问题仍不容忽视 因此 需要研究和评价矿井开采水文地质条件 分析开采受水害威胁 程度 提出针对性的防治水工作内容 指导矿井防治水工作有序进行 确 保矿井生产安全 为此 特制定近五年的防治水总体规划 本规划是在收集井田已有地质和水文地质资料 分析矿井水文地质条 件和存在的水文地质问题的基础上 针对沟头煤矿的水文地质特征 结合 矿井采掘规划提出的 规划的主要内容包括 1 矿井防治水基本原则和技术路线 2 矿井日常水文地质工作内容与要求 3 井田水文地质补充勘探 4 C5 煤顶板龙潭组水带压开采技术 5 采煤工作面顶板突水预测预报 6 采煤工作面底板原位应力测试 7 防治水治理改造工程 8 矿井防排水系统改造 9 防治水工程实施进度 本规划在实施过程中收集了矿井已有地质 水文地质资料 分析了矿 井水文地质条件 确定了矿区存在的水文地质问题 并针对沟头煤矿的水 3 文地质特点 结合矿井 2013 年 2017 年的采掘计划 提出了沟头煤矿防 治水规划基本原则 确定了沟头煤矿防治水技术路线 从矿井日常水文地 质工作要求 矿井地下水观测网建设 矿井水文地质条件补充勘探 工作 面水文地质条件探查 防治水工程安排 矿井防透水保障信息系统以及防 治水技术难题研究等方面全面规划了沟头煤矿今后的防治水工作 但由于 原有的水文地质勘探程度较低 观测资料不足 井下揭露面积较小 开拓 范围有限 因此有些认识不一定准确 需要进一步证实 由此导致的工程 布置的不适当性在所难免 敬请批评指正 4 第一章第一章 矿井概况矿井概况 威信县沟头煤矿位于威信县城 270 平距约 15km 处 行政区划隶属 昭通地区威信县扎西镇墨黑村管辖 距县城较近 经济类型为私人所有 制企业 设计生产能力 15 万吨 年 平硐开拓 走向长壁采煤法采煤 井 田东与威信县河边煤矿相邻 西面无其他煤矿相邻 南与威信县纸坊沟煤 矿相邻 北与云投粤电公司观音山煤矿相邻 井田位于新庄煤矿区墨黑详查区 地处云贵高原北部 地形较复杂 沟谷发育 纵横交错 属中山深切割地形地貌 矿区内无湖泊 水库等地 表水体 地表水以季节性冲沟水及泉水汇聚于沟谷形成的溪流为主 冲沟 水一般流距不长 区内河流较少 矿区北边大井河流量为 0 02 8 6m3 s 南边的河边小河流量为 0 05 6 8m3 s 东边纸坊沟小河 流量为 0 08 7 4m3 s 各河流具有暴雨骤涨 雨后骤降的特点 井田地层总体构造形态为单斜构造 地层走向近东西 倾向北 矿区范围内断层破碎带的涌水一般具有在短期内由初期的淋 滴水等 较强的补给逐渐减弱 且雨后涌水量比正常涌水量均有不同程度的增加的 特点 这一现象说明断层破碎带的初次来水量大部分为断层裂隙带赋存的 水量 而后期的涌水量则是断裂影响裂隙带沟通的含水层的储存水量 除 此之外无其它补给源 由于本区含煤地层含水层的富水性弱 而断裂构造 本身的应力性质大都为压扭性 故而断层破碎带及其影响带富水性及导水 性均差 对矿床充水影响较小 矿区煤炭开采历史久远 老窑 废窑分布多 老窑主要开采浅部煤层 露头附近煤层 大部分小窑洞口均已被炸塌或自然垮塌 无法进内具体了 解积水情况 开采过程中 要特别防范老窑突水 尽量做到超前探水 避 5 免巷道透通老窑水 或因采空冒落带导通浅部老窑水溃入矿井而发生水害 事故 此外 矿区内施工有多个钻孔 若封孔质量差 可能会导通各地下 水含水层 发生水力联系通道 成为矿坑的充水因素 煤矿在开采过程中 应引起重视 留设足够隔水保安煤柱 防止各含水层地下水通过钻孔溃入 矿井 造成矿井突水事故 另外 原何家湾煤矿采空区已并入纸坊沟煤矿 但由于其采空区在沟头煤矿煤浅部 对煤层的开采还有一定的影响 矿区范围内无大的地表水体 大气降水通过含水层露头渗透补给后转 为地下径流 降雨不断补给含水层 含水层可视为无限平面 矿区水文地 质边界条件按无限补给边界考虑 勘探报告分别采用比拟法 单位面积 单位降深法对 925m 标高的涌水量预测了 设计利用勘探报告提供的基础 数据预测 800m 水平矿井涌水量 沟头煤矿采空区面积为 15 33 万 m3 平均初见水位为 1293 2m 旱季 最大涌水量为 110m3 d 雨季最大涌水量为 230m3 d 河边煤矿采空区面积 为 12 44 万 m3 平均初见水位为 1327 5m 旱季最大涌水量为 65m3 d 雨 季最大涌水量为 135m3 d 纸坊沟煤矿采空区面积为 45 52 万 m3 平均初 见水位为 1290 8m 旱季最大涌水量为 225m3 d 雨季最大涌水量为 480m3 d 预算的 F0取三矿井总开采面积为 73 29 万 m2 三个矿井平均开 采标高为 1150m 第二节第二节 矿井生产概况矿井生产概况 一一 矿井开发历史与生产现状矿井开发历史与生产现状 沟头煤矿 2002 年建成投产 主采 C5 煤层 目前矿井第一水平以开 采结束 正在开拓第二水平和第三水平 我矿经资源整合扩界后 保有地 质储量 577 6 万吨 原设计生产能力 4 万 t a 改扩建成 30 万 t a 技 术改造后采用 主平硐加斜井多水平上 下山采区开拓 方式 开采水平 6 标高 800m 至 1171m 二 二 矿井开拓 开采现状矿井开拓 开采现状 矿井采用主平硐加斜井多水平上 下山开拓 矿井共有四个井筒 主 平硐 副平硐 东西回风斜井井筒断面均为半圆拱形 净宽 4 2m 中心 净高 3 2m 净断面积 13 6 采煤方法为走向长壁后退式回采 一次采 全高放顶煤 工作面运煤巷 运料巷 回风巷均沿煤层底板布置 矿井目 前布置了一个生产采区 布置了 2151 一个回采工作面 2152 一个备用工 作面 二采区运输上山 二采区回风上山及 2153 2154 顶板预抽巷和 2251 回风巷五个掘进工作面 三 矿井排水系统及防排水能力三 矿井排水系统及防排水能力 沟头煤矿 925m 水平以上排水系统为 水沟自流排水 即矿井二水 平以上采区涌水由主 平硐水沟排出井外 925 水平以下 即矿井三水 平采区所有涌水由 各工作面水沟导入井底水仓 采用水泵 排至主平硐 水沟 经主平硐水沟自流出井外 井底车场设置井底水泵房和水仓 等硐室 泵房设计安装主排水泵 2 台 排水泵向上排水至 主平硐 形成矿井一级排水系统 三水平预计正常涌水量 50 100m3 h 最大涌水量 100 200m3 h 按 煤矿安全规程 规定 主要水仓容量应不小于 100 8 800m3 因 此设计主仓容量 500m3 副仓容量 350m3 主要水仓有效总容量为 850m3 符合 煤矿安全规程 的规定 水泵房拟选用 200D 43 9 型离心泵 2 台 参数 扬程 167 2m 单 台流量 288m3 h 效率 80 配 YB45M1 4 型防爆电动 机 功率 45KW 电压 660V 转速 1480r min 排水管路选用 219 6mm 无缝 钢管 2 趟 排水管沿副斜井井筒敷设至地面 沟头煤矿排水系统能力符合规程要求 能够满足安全生产需要 水仓 容量按预计正常涌水量符合规程要求 7 第二章第二章 矿井地质与水文地质矿井地质与水文地质 一一 矿区地层 构造矿区地层 构造 本矿区位于新庄矿区墨黑详查区纸坊沟井田北部 根据 云南省 新庄矿区墨黑详查区 地质报告 资料 区域内由新至老出露的地层有 第四系 侏罗系上统遂宁组 中统沙溪庙组 下统自流井组 三叠系上统 须家河组 中统关岭组 下统永宁镇组 飞仙关组 卡以头组 二叠系上 统长兴组 龙潭组 峨嵋山玄武岩组 下统茅口组 栖霞组 其中侏罗系 中统沙溪庙组 下统自流井组 三叠系上统须家河组 中统关岭组的各组 地层依次展布在向斜两翼 侏罗系地层分布于向斜轴部 二叠系及三叠系 展布于背向斜两翼 第四系地层零星分布于河流两岸及山间凹地与山麓地 带 1 地层 矿区内出露的地层有 二叠系下统茅口组 P1m 二叠系上统峨眉山玄 武岩组 P2 龙潭组 P2l 长兴组 P2c 和三叠系下统卡以头组 T1k 飞仙 关组 T1f 永宁镇组 T1y 及第四系 Q 残坡积松散层 现按接触关系由老到 新简述如下 1 二叠系下统茅口组 P1m 上部为深灰色中厚层状夹燧石及泥质条带灰岩 下部为厚层状灰岩 全组富含 瓣鳃及珊瑚化石 厚度大于 100m 2 二叠系上统峨眉山玄武岩组 P2 上部为浅紫色凝灰岩或凝灰质泥岩 一般厚约 8m 下部为灰绿色或 深灰色玄武岩 厚层状 局部具气孔或杏仁状结构 块状结构 发育柱状 节理 与下伏地层假整合接触 全层平均厚度 37 92m 3 二叠系上统龙潭组 P2l 岩性主要为浅灰及灰绿色泥岩 粉砂质泥岩夹砂岩 煤层及炭质泥岩 8 所夹煤及炭质泥岩一般为 4 至 16 层 总厚平均为 3 01m 其中 仅 C5煤 层可采 平均厚 1 47m 全组含植物碎片化石 其数量由下至上增加 中 上部泥岩中还富含菱铁矿结核 与下覆地层假整合接触 平均厚 105 33m 4 二叠系上统长兴组 P2c 岩性主要为深灰色泥质粉砂岩 粉砂质泥岩 灰岩 白云质灰岩夹砂 岩和 3 层煤层 煤线 但所夹煤层均未达到可采厚度 全组含植物碎片化 石及动物化石 并含大量黄铁矿晶粒 与下伏地层整合接触 平均厚 37 62m 5 三叠系下统卡以头组 T1k 上部以绿色粉砂岩 细砂岩为主 钙质胶结 具均匀层理构造 顶界 往下约 15m 处含一层鲕粒状灰岩 下部以粉砂质泥岩或泥质粉砂岩为主 多显水平层理构造 底部夹 1 层厚 1 06m 的白色灰岩 与下伏地层假整合 接触 全组含少量完整的腕足 瓣鳃类化石种属有 Unionites tassaensis Claraia sp Lingula sp 平均厚度 97 63m 6 三叠系下统飞仙关组 T1f 飞仙关组第一段 T1f1 平均厚约 220 06m 其上部为紫灰色及浅紫 色粉砂岩 细砂岩及泥质粉砂岩 中厚至厚层状 以水平纹理 水平层理 及小型交错层理为主 下部以泥质粉砂岩为主 夹粉砂 细砂岩及中厚层 状灰岩 底部夹灰绿色粉砂质泥岩 以水平层理为主 本段含砂岩 13 16 层 灰岩 6 8 层 与下伏地层整合接触 飞仙关组二段 T1f2 平均厚 153 77m 岩性主要以浅紫色泥质粉砂 岩 粉砂质泥岩为主 夹粉 细砂岩 局部夹灰岩或泥灰岩 薄至厚层状 具水平层理 小型交错层理 波状层理 其顶部往下约 10m 处夹一层细粒 9 砂岩 厚约 2 6m 发育大型交错层理 为与上覆地层分界的标志 飞仙 关组平均厚度 373 83m 7 永宁镇组 T1y 上部为浅紫灰色灰岩 薄层至中厚层状 下部为浅紫灰色钙质泥岩 泥质粉砂岩夹灰色泥灰岩及灰岩 也呈薄至中厚层状 全组含腕足及头足 类动物化石 与下伏地层整合接触 厚度大于 224m 8 第四系 Q 松散层 为灰黄 紫 棕等杂色坡积物 残积物及耕植土 分布在山坡或地形 较平坦地段 分布范围不广 与下覆各地层均呈不整合接触 厚 0 8m 2 矿区构造 1 矿区构造形态 地层产状及变化 沟头煤矿位于新庄向斜南翼西段 呈北东至南西走向的单斜构造 地 层走向约为 240 260 倾向北西 矿区内地层倾角由西南至东北逐渐增 大 从门顶至寒婆坡 地层浅部倾角为 15 21 向深部渐减小到 10 15 在岩背上 地名 地层倾角从浅部到深部几乎相同 一般为 20 左右 总体上讲 矿区内地层由深到浅 地层倾角有逐渐趋于减小的趋势 2 矿区断裂构造及构造复杂程度 矿区内断裂不发育 共查出大 小断层 7 条 落差大于 20m 的断层仅 3 条 落差大于 10m 的断层有 1 条 落差小于 10m 的断层有 3 条 矿区内 断层均为斜交断层 分别为北东走向及北西走向两组 北东走向的斜交断 层相对更发育 3 条落差大于 20m 的断层 斜交地层走向 破碎带较宽 对煤层赋存影响较大 但因具压扭性 破碎带中充填物胶结紧密 断层富 水性弱 导水 透气性差 一些具张性小断层 因破碎带充填不紧密 导 10 水 导气性好 常造成矿坑涌水量局部增大 据调查 矿区内断层两侧影 响带宽从几米至数十米 影响带内 顶板裂隙相对更发育 矿区内落差大于 20m 的 3 条断层情况及控制情况 F1逆断层 起于河坝黄泥埂及 101 孔附近 北延伸至麻地近于消失 南交 F2号断层 走向长度大于 1900m 断层倾向北 308 340 西 倾角 72 75 落差 0 23m 断层破碎带宽 7 8m 由灰色断层泥及断层角砾 紧密充填 地表四条槽探控制 深部有 101 钻孔控制 断层产状已基本查 明 属探明断层 对煤层开采有较大的影响 F2正断层 出露于矿区西南部的林口至纸坊沟一带 林口以西及纸坊 沟以东均延伸到矿区外围 走向长大于 4000m 断层倾向北 350 357 西 倾角 49 80 在 TC 10 槽探中 倾角 80 落差约 50m 在 1280m 主 平坑中 落差仅 33m 断距由西南向东北减少 原 92 年详查报告中 TC 10 槽探揭露断层界面上具明显斜交擦痕 显示该断层以水平运动为主 伴 随升降运动的张扭性正断层 1280m 主平坑中约 50m 为一组挤揉破碎 带夹一些完整岩体 由于该断层与地层走向交角小 且破碎带较宽 对煤 层破坏性极大 101 号钻孔中的 C5层煤 因受其影响厚度变薄至 0 79m 该断层在巷道中多出揭露已探明 对煤层开采影响较小 对巷道施工有一 定的影响 F30正断层 位于矿区西北部 走向为北东 52 88 断层延伸长度大 于 4300m 断层倾向北西 走向 230 245 倾角 60 70 区内垂直断 距 150 320m 该断层为勘探工作发现 属区域性大断层 断层上盘由三 迭系下统永宁镇组 T1y 组成 下盘由三迭系下统飞仙关组组成 断层破 碎带在地表形成深沟 该断层正好切割于矿区矿界西北角 可作为矿区的 天然边界 对矿区的煤层开采影响不大 断层地表有 5 个地质点控制 该 11 断层属推断的正断层 矿区内落差小于 20m 的断层较为发育 断层斜交于地层走向 断 层走向分别为北东 北西的两组断裂 断层落差小 走向延伸较长 地下 切割较浅 如 F9 F10 F17 F18断层 对此分别叙述如下 F9断层 北端交于 F2断层 南端消失于第四系中 倾向北东 倾角 79 地表落差约 5m 走向长度大于 420m 地表有三点控制 浅部采空 区有多处揭露 对未来矿山开采基本无影响 属探明断层 F10断层 南起沟头附近切割 F2断层向北东延伸约 600m 后消失 倾向 北西 倾角 72 落差 11m 走向延伸长度大于 500m 地表有两点控制 深部有多处巷道揭露 对未来矿山开采有一定的影响 属探明断层 原报告的 F17 F18断层经勘探核实确认 地表断层迹象确实存在 两 条断层发育于矿界 10 附近 仅在地表有几点及探槽揭露 倾向北西 倾 角 56 63 地表落差分别约 5 8m 长度约为 600m 左右 原 92 年详查 报告底板等高线图 断层并未在图中表示 矿山开采井巷工程亦尚未曾揭 露 为保持与原报告一致 本次工作未对煤层底板等高线修校 该两条断 层是否对煤层产生影响 还需井巷工程进行揭露证明 因其落差不大 故 其对未来矿山开采影响有限 该两条断层属控制断层 二二 主主要要含含水水层层 矿区主要出露地层有第四系 Q 永宁镇组 T1y 飞仙关组 T1f 卡 以头组 T1k 长兴组 P2c 龙潭组 P2l 峨嵋山玄武岩组 P2 现根 据矿区以往地质资料 将矿区内含 隔 水层由新至老分述如下 1 第四系孔隙弱含水层 岩性为坡积及残积物 主要分布在罗汉林 梁子两侧的坡地及其他谷地 洼地中 地下水一般埋藏深度为 5 10m 第 四系地层含水程度随地形而有各异 以沟谷泽地及平缓地带含水较为丰富 12 该层富水性弱 对矿床充水无影响 2 永宁镇组 T1y 岩溶裂隙弱至中等含水层 出露于矿区北部 岩性 以灰岩为主 夹有泥岩 泥质粉砂岩 厚度大于 224m 据本次野外调查 该含水层在矿区范围内无泉点出露 富水性弱 导水性好 因本含水层位 于矿区边界以外 故而该含水层地下水对矿井充水无影响 3 飞仙关组 T1f 砂岩裂隙弱至中等含水层 以中厚至厚层状泥质粉 砂岩 粉砂质泥岩为主 夹粉砂岩 厚约 220m 节理 裂隙较为发育 北 部泉水涌出量 0 074 1 23l s 南部泉水流量 0 014 1 89l s 水温 11 15 水位标高 1365m 据新施工的北主平硐巷道揭露 含水层中的 细砂岩 粉砂岩有少量渗水 滴水现象 从出露的泉点涌水量分析 该层 富水性弱至中等 导水性较差 因远离矿山主采煤层 仅在巷道穿过该含 水层时对矿井充水有一定的影响 故该含水层是矿床的次要充水含水层 4 卡以头组 T1k 砂岩 粉砂岩裂隙弱含水层 岩性为厚层状含钙粉 砂岩 细砂岩及泥质粉砂岩 厚约 97m 节理裂隙较发育 该含水层与其 它含水层无水力联系 下水主要通过风化裂隙及构造裂隙在露头区接受大 气降水的入渗补给 受地层厚度 出露面积 地形地貌及风化裂隙 构造 裂隙及地表植被发育的综合控制 补给条件较好 煤矿开采巷道揭露含水 层的粉砂岩 细砂岩有少量渗水 滴水现象 且浅部巷道岩石的渗水 滴 水量较深部大 从矿井涌水情况分析 本含水层富水性较弱 由于该含水 层与主采煤层的距离大于最大导水裂隙带高度 开采后对该含水层影响不 大 仅在巷道穿过该含水层时对矿井充水有一定的影响 故该含水层是矿 床的次要充水含水层 5 长兴组 P2c 砂岩 粉砂岩裂隙弱含水层 以中层至厚层状含钙质 粉砂岩为主 夹数层灰岩 煤层及炭质泥岩 厚约 38m 岩溶不发育 据 13 302 号钻孔抽水试验 单位涌水量 1 88 10 5l s m 渗透系数 2 11 10 5m3 d 本含水层主要在露头区接受大气降水的渗入补给 受地层厚度 出 露面积 地形地貌及风化裂隙 构造裂隙及地表植被发育的综合控制 地 下水补给条件较差 布置于本层段的巷道及回采工作面未见淋水 滴水情 况 巷道较为干燥 从钻孔抽水试验成果分析 含水层富水性较弱 可采 煤层在龙潭组顶部与长兴组交界处 煤层开采后采动裂隙直接影响到该含 水层 长兴组是矿床充水的主要充水含水层 6 龙潭组 P2l 裂隙弱含水层 以厚层泥岩 粉砂泥质岩为主 夹粉 砂岩 煤层及炭质泥岩 厚约 143m 从岩性分析 岩性主要为粉砂质泥 岩 泥岩呈不等厚互层组成 由于泥岩 粉砂质泥岩结构致密 不利于地 下水的赋存 据主平硐揭露 除断层破碎带粉砂岩地段出现淋水 滴水现 象外 巷道一般较为干燥 泥岩不利于地下水补给 含水层富水性较弱 受风化裂隙 构造裂隙发育程度不同的影响 含水层浅部富水性较深部稍 强 由于可采煤层赋存在龙潭组顶部 底部为厚约 10m 的砂泥岩相对隔水 层 煤层开采后 龙潭组含水层对矿床充水影响不大 故龙潭组是矿床充 水的次要充水含水层 7 峨嵋山玄武岩组 P2 极弱含水层 岩性为灰绿色 墨绿色斑状玄 武岩或杏仁状玄武岩夹暗紫色凝灰岩组成 厚度约为 38m 浅部地层多呈 球状风化 节理 裂隙发育 多为纵横斜交形成菱形 勘探阶段调查地表 无泉点出露 本含水层主要在露头区通过风化裂隙直接接受大气降水补给 富水性受风化裂隙的控制 由于该含水层是矿床的下覆地层 距开采煤层 达 100m 以上 故该含水层对矿床充水无影响 三三 地地下下水水补补给给 径径流流与与排排泄泄条条件件 矿区范围内对充水影响较大的断层主要有 F1 F2 F10断层 据以往地 14 质资料及生产矿井巷道对断层的揭露情况 将断层水文地质特征叙述如下 1 F1逆断层 出露于矿区西南部 由矿区西南经矿区中部向西北方向 延伸 矿区内走向长 1 9km 断距 22m 倾角 72 倾向 110 130 破碎 带宽约 5 7m 由断层泥含钙泥质粉砂岩角砾紧密充填 101 号钻孔揭穿 F1断层前后水位无变化 F1逆断层本身导水性是差的 对矿床充水影响 不大 2 F2正断层 出露于矿区南部 由矿区西部经矿区中部向东部方向延 伸 矿区内走向长约 4km 断层倾角 50 65 断距 20 50m 破碎带宽 40m 由一组近于平行的断层破碎带 中间夹一些产状完好的岩体构成 破碎带由角砾 断层泥紧密充填 101 钻孔揭穿 F2断层前后 钻孔中水位 及消耗量没有明显变化 沟头煤矿主平巷揭穿该断层破碎带时 仅见破碎 带段巷壁上有潮湿现象 推断其富水性弱 导水性差 对矿床充水有较小 的影响 3 F10正断层 出露于矿区南部 由矿区西南部向东北部延伸矿区 内走向长约 550m 断层倾角 60 75 断距 20 40m 断层破碎带宽 0 8 1 2m 破碎带充填物主要有粉砂质泥岩 粉砂岩及少量泥岩碎屑 断层上下盘均为长兴组 P1c 地层 沟头煤矿回采巷道揭露该断层时 断 层影响裂隙带附近顶板出现少量淋水 滴水现象 单位长度涌水量 初始来 水 为 0 0008 0 0010l s m 十余天后 逐渐变小至基本无涌水 一般 雨季对矿床充水稍有影响 综上所述 矿区范围内断层破碎带的涌水一般具有在短期内由初期的 淋 滴水等较强的补给逐渐减弱 且雨后涌水量比正常涌水量均有不同程 度的增加的特点 这一现象说明断层破碎带的初次来水量大部分为断层裂 15 隙带赋存的水量 而后期的涌水量则是断裂影响裂隙带沟通的含水层的储 存水量 除此之外无其它补给源 由于本区含煤地层含水层的富水性弱 而断裂构造本身的应力性质大都为压扭性 故而断层破碎带及其影响带富 水性及导水性均差 对矿床充水影响较小 三三 地地下下水水动动态态特特征征 对地下水进行动态监测和动态特征的分析是矿井防治水工作的重要 方面 它有助于我们掌握井田所在区段地下水运移规律 分析各含水层 之间是否存在水力联系 尤其是对分析含水层与矿井之间是否有充水关 系有着重要的意义 本区地下水观测网络尚未建立 第第三三章章 矿矿井井充充水水条条件件 1 矿井水害情况的统计分析矿井水害情况的统计分析 矿区范围内无大的地表水体 大气降水通过含水层露头渗透补给后转 为地下径流 降雨不断补给含水层 含水层可视为无限平面 矿区水文地 质边界条件按无限补给边界考虑 勘探报告分别采用比拟法 单位面积 单位降深法对 925m 标高的涌水量预测了 设计利用勘探报告提供的基础 数据预测 800m 水平矿井涌水量 沟头煤矿采空区面积为 15 33 万 m3 平均初见水位为 1293 2m 旱季 最大涌水量为 110m3 d 雨季最大涌水量为 230m3 d 河边煤矿采空区面积 为 12 44 万 m3 平均初见水位为 1327 5m 旱季最大涌水量为 65m3 d 雨 季最大涌水量为 135m3 d 纸坊沟煤矿采空区面积为 45 52 万 m3 平均初 见水位为 1290 8m 旱季最大涌水量为 225m3 d 雨季最大涌水量为 480m3 d 预算的 F0取三矿井总开采面积为 73 29 万 m2 三个矿井平均开 16 采标高为 1150m 公式 1 4 00 0 S S F F Q Q 式中 Q 涌水量 m3 d Q0 已开采区总平均涌水量 Q0 旱 400m3 d Q0 雨 845m3 d F0 三个矿井总开采面积 73 29 万 m2 S0 三个矿井平均水位降深 三个矿井初见水位平均值与最 低采空区标高 1150m 之差 即 S0 1293 2 1327 5 1290 8 3 1150 153 8m F 预算矿井面积 184 9 万 m2 S 预算矿井水位降深 初见水位平均值与涌水量预算水平 标高之差 即 S 1293 2 1327 5 1290 8 3 925 387 8m 将上列各项参数代入公式 1 得 3 4 184 90387 8 400800 6m d 73 29153 8 Q 旱 3 4 184 90387 8 8451691 3m d 73 29153 8 Q 旱 表表 3 3 1 沟头煤矿比拟法涌水量计算参数及结果表沟头煤矿比拟法涌水量计算参数及结果表 预算结果Q m3 d 比拟矿井 采空区面 积F0 万 m2 平均水位 降深 S0 m 预算面积 F 万m2 预算降深 S m 正常涌水 量 最大涌水 量 925水 平 73 29153 8184 9387 8800 61691 3 800水 平 73 29153 8345512 81172 72477 4 2 矿井充水水源及其特征矿井充水水源及其特征 一般情况下 矿井的充水水源主要包括大气降水 地表水 地下水和 17 老空积水 从严格意义上讲 大气降水是一切矿井充水的最终水源 因为 无论是地表水或地下水都直接或间接地来自于大气降水的补给 但这里所 指的是大气降水本身成为矿坑充水的直接或唯一的充水水源 以大气降水 作为主要充水水源的矿坑涌水量及其涌水特点与当地的年降水变化过程和 降水强度具有明显的相关关系 其主要涌水特点是矿井涌水的动态与当地 降水动态相一致 呈现出明显的季节性变化和多年周期性变化 这主要是 因为我国大部分地区受季风气候的影响 大气降水的年分布具有季节性 多年变化具有周期的特点所决定的 地下水 由于大多数采矿活动都发生在地表面以下 所以 地下水往 往是造成矿山充水的最主要水源 地下水作为矿坑充水水源时 可依其与 煤层的相互位置关系及其充水特点分为间接式充水水源 直接式充水水源 和自身充水水源三种最基本形式 所谓间接充水水源是指充水含水层主要分布于煤层的间接顶板或底板 但和煤层并未直接接触的充水水源 常见的间接充水水源含水层有间接顶 板含水层 间接底板含水层 间接侧邦含水层或它们之间的某种组合 应 该指出间接充水水源的水只有通过某种导水构造穿过隔水围岩进入矿井后 才能使其作为充水水源的事实得以实现 所谓直接充水水源是指含水层与煤层直接接触或矿山生产与建设直接 揭露含水层而导致含水层水进入矿井的充水含水层 常见的直接充水水源 含水层有煤层直接顶板含水层 直接底板含水层 直接含水层中的地下水 并不需要专门的导水构造导通 只要采矿工程进行 其必然会通过开挖或 采空面直接进入矿坑 所谓自身充水水源主要是指煤层本身就是含水层 一旦对煤层进行开 发 赋存于其中的地下水或通过某种形式补给煤层的水就会涌入矿坑形成 充水 该类型矿坑在我国并不多见 但在国外许多矿井中经常遇到 以地下水作为主要充水水源的矿坑充水有如下规律和基本特点 18 矿井充水的强度与充水含水层的空隙性及其富水程度有密切关系 不 同的岩性决定着不同岩体中的空隙发育特征 按空隙性质可把地下水水源 分为孔隙水 裂隙水和岩溶水三种基本形式 一般地说 受裂隙水充水的 矿床 其充水强度小于受孔隙水和岩溶水充水矿床 而受卵砾石层潜水和 强岩溶含水层水充水的矿床 多成为大水矿床 岩溶水突水时 一般水量 大 来势猛 不易疏干 会给矿井带来巨大灾害 而砂岩裂隙水充水时 主要以淋水 渗水为主 突水的瞬间冲击力不大 不会给矿井带来灾难 矿井充水特点与充水量变化规律与充水含水层中地下水的性质及其水 量有关 流入矿井的水往往包含两个性质完全不同的组成部分 一部分在 矿床水文地质学中称为静贮量 指充水含水层中贮存的水的体积 这部分 水量大小及其对矿井充水的能力主要取决于含水层厚度 分布规模 空隙 性质以及贮存水的给出能力 另一部分在矿床水文地质中称为动储量 指 含水层中获得的补给水量 该部分水量是以一定的补给和排泄为前提 以 地下径流的形式在充水含水层中不断地进行着水交替 若充水含水层中的 水以静贮量为主 则矿坑涌水的特点是 初期矿坑涌水量较大 随着排水 时间的延续 矿井涌水会逐渐减少 该类矿床易于疏干 若矿坑充水含水 层以动贮量为主 则矿坑涌水量相对比较稳定 矿坑涌水量的动态特点往 往会受充水含水层补给量的动态变化的影响 该类型充水水源水不易疏干 老窑积水主要是指矿床体开采结束后 封存于采矿空间的地下水 近 年来由于小煤窑开采和关闭矿井的迅速增加 许多正在生产的矿井周边及 邻近往往分布有很多废弃和关闭的小煤窑或矿井 而这些矿井由于排水停 止而成为地下的积水空间 并积存了大量的地下水 这些水体通过某种途 径一旦进入生产矿井 便形成了老窑积水充水水源 特别是一些非法开采 的小煤窑由于缺乏合理的设计和准确的测量资料 其井下巷道的分布特征 往往不清楚 很容易和生产矿井构通形成水害 19 传统意义上的老窑积水一般为封存的 死水 属静贮量 但具有一定 的静水压力 所以其充水特点是突发性强 来势猛 持续时间短 有害气 体含量高 对人身和设备的伤害较大 但对于近年来频繁发生的小煤窑和 相邻废弃矿井突水 除了具有上述特征外 由于废弃矿井或小煤窑往往与 地表水或某种地下含水层水勾通并接受补给 所以一旦发生突水 也可持 续较长时间 并且很难疏干 根据矿井充水水源的基本类型和告成矿基本水文地质条件分析 可以 得到如下认识 沟头矿的主要充水含水层为顶板相对较厚且分布稳定的碎屑岩及砂岩 孔隙裂隙间接顶板 有些区域可视为直接充水含水层 充水含水层 C5 煤层 底板龙潭组裂隙直接含水层和奥陶系灰岩岩溶裂隙间接充水含水层 大气降水作为各个充水含水层的最终补给水源 但其对不同含水层的 补给速度和补给量不同 根据对多种信息的综合分析可以发现大气降水对 各个含水层的补给速度快慢和补给强度特点是顶板碎屑岩砂岩得到补给的 速度最快和补给强度最大 奥陶系灰岩其次 龙潭组灰岩最差 大气降水对各个含水层的补给由于受含水层渗透性能的影响 补给方 式以缓慢渗入式为主 补给的水量要经过较长时间的渗流才能进入矿井 所以短时间的集中降水不会造成矿井涌水量的明显增加 同样 大气降水 也构不成矿井的直接充水水源 各充水含水层的动态补给水量不够充分 矿井充水在短时间内主要以 静储量疏干为主 所以一旦发生突水 突水量往往会在短时间内很快减少 单点突水量的大小主要取决于突水裂隙的空间延展度和与其它裂隙的网络 连通条件 根据目前资料分析 二1煤直接顶板逆推断层碎屑岩具有汇集 其上覆砂岩下渗水并导入矿井的作用 各含水层的富水性由于受循环条件和补给条件的限制 随着埋深的增 加 补给条件变差 富水性变弱 但这种减弱速度在顶板随屑岩砂岩中表 20 现的更为明显 在矿区浅部地区 分布有多个小煤窑 要高度重视这些小煤窑的开采 状况和积水情况 小煤窑的积水有可能形成矿井的隐患突水水源 3 矿井充水途径及其特征矿井充水途径及其特征 矿井充水途径是指连接充水水源与矿井之间的流水通道 它是矿井充 水因素中最关键 也是最难以准确认识的因素 大多数矿井透水灾害正是 由于对矿井充水途径 导水通道 认识不清所致 矿井充水的导水通道按 其成因不同可分为 1 构造类导水通道 如断层 裂隙等 2 采矿扰动类导水通道 如顶板冒落 底板破裂 煤柱击穿等 3 人类工程类导水通道 如封闭不良钻孔 小煤窑等 4 其它 如陷落柱 岩溶塌洞等 按导水通道的形态可分为 1 点状导水通道 如陷落柱 封闭不良钻孔 岩溶塌洞等 2 线状导水通道 如断层带或断裂破碎带等 3 面状导水通道 如发育于顶 底板岩层的各类裂隙等 不同成因 不同类型的导水通道所诱发的矿井充水形式各不相同 常 见的导水通道及其相应的充水特征有 构造断裂 由构造断裂形成的断层破碎带 往往具有较好的透水性 会形成矿坑充水的良好通道 对于一些巨大的断裂 由于断层两盘的牵引 裂隙广泛发育 该类断层 断层带 除了具有导水性质外 其断裂带本身 就是一个含水体 因而还具有充水水源的性质 由于断层面或断层牵引的 裂隙带导水而引发的矿井突水灾害在矿井突水事故中占有绝对主导的位置 但并不是所有断层都可形成导水通道 构造断裂的水文地质性质与其断裂 的力学性质及其两盘岩性有着密切的关系 一般认为张性断裂的透水性较 强 压性断裂的透水性较弱 扭性断裂的透水性则介于与二者之间 实际 21 上 断层的导 贮性要远比上述规律复杂的多 它不仅要受断层力学性质 和岩性的影响 而且会受到断层面所受的应力状态 断层活动次数和序次 断层带胶结物性质与胶结程度等多种因素的影响 根据大量资料和断层导 突水事例统计分析认为 断层的导水性受到两盘岩性的直接影响 一般来 说 断层带的透水性与其两盘岩石的透水性具有一致性 当断层两盘为脆性可溶岩石时 如石灰岩 白云岩 断裂及其影响 带裂隙 岩溶发育 具有良好的透水性 当断裂两盘为脆性但不可溶岩石 时 如石英岩 石炭砂岩 断层两侧往往发育有张开性较好的牵引裂隙 具有较好的透水性 当断层两盘为柔性岩石 如泥岩 页岩 时 断层破 碎带多被低渗透性的泥质成份充填 孔隙 裂隙率低 断层面闭合 一般 不导水或导水性极弱 在分析断层的导水性时 应特别注意不要轻意将某条断层简单地划为 导水断层 隔水断层或贮水断层 而应充分注意断层的水文地质性质具有 方向性和局部性 即一条断层可以在某一方向导水 而在另一方向上隔水 或同一断层的某一部位导水 而在另一部位隔水 有些断层在初次揭露时 隔水 但随采矿扰动可能发生滞后导水 所以 在研究和探测断层的水文 地质性质时 一定要将其视为一个在不同部分具有不同岩性对接关系 不 同部位具有不同应力状态 不同部位具有不同水理性质的复杂面状地质结 构体 进行整体分析和分区评价 而不应以一点之见资料就对整条断层做 出评价 顶板冒落 采煤工作面回采后顶板冒落所形成的垮塌 裂隙属典型的 采矿扰动类导水通道 矿床开发开采以后 由于在地下形成采空空间 如 果没有专门顶板管理技术 则必然造成采空区上方岩层的变形 移动 破 坏 甚至形成开裂 离层或碎块状垮塌 采空区顶板岩层的破坏变形形态 与规律会受到采空空间几何结构 顶板岩性及其组合 矿床产状及采矿方 法 岩石应力环境及其受力状态等多种因素的控制 不同条件的组合会产 22 生完全不同的顶板岩石变形破坏特征 但就一般规律而言 采空区上方可 划分出三个不同性质的破坏和变形影响带 1 冒落带 指采煤工作面放顶后引起的直接顶板垮落破坏范围 根据冒落块的破坏程度和堆积状况 可分为规则冒落带和不规则杂乱冒落 带 如果冒落带高度达到上覆含水层 则往往引起顶板水的突发性突入 当上覆含水层为第四纪松散沉积含水层时 不但会形成突水 还会引起溃 砂和地面塌陷等灾害 2 导水裂隙带 指冒落带以上大量出现的切层 离层和裂隙发育 带 该带一般由下而上 其裂隙和离层程度由强变弱 但当顶板岩性及其 组合变化比较复杂时 也会出现不均匀发育的特点 总之 该层不一定具 备透砂能力 但一般具有较强的导水能力 1 整体移动带 指导水裂隙带以上至地表的整个范围内 岩体发 生的整体变形和沉降移动区 该带主要特点是岩层的整体变形和移动 而 其裂隙化程度较弱 所以一般不具备导水能力 从矿床水文地质角度来看 可以把工作面顶板简单地划为两带 即垮 落裂隙带 冒落带和导水裂隙带之和 和整体移动带 对矿井突水有意义 的主要是垮落裂隙带 当顶板裂隙构通工作面或巷道上覆含水层时 矿坑 突水则不可避免 底板破坏 当煤层底板隔水层之下赋存有高承压水时 在煤层未开采 前 水岩处于一定的力学平衡状态之下 一旦矿体被开发在隔水层之上形 成临空边界并产生应力释放后 在矿压和水压的作用下 隔水底板岩层必 然受到不同程度的破坏 形成新的破裂面或使原有的闭合裂隙活化 一旦 这种破裂面或裂隙构通底板承压含水层水时 必然导致底板之下承压含水 层水涌入矿井 这种因巷道掘进或矿床开发扰动其底板隔水层使其形成的 导水通道称之为底板破坏式导水通道 我国是世界上煤矿水害最严重的国家之一 而采煤工作面或巷道底板 23 隔水层之下岩溶承压水突水事故占我国煤矿总透水事故的 30 以上 这主 要是因为我国大面积分布的华北石炭二叠系煤层底板之下普遍发育有山西 组 太原组薄层灰岩承压含水层和深部的奥陶系巨厚层灰岩富水含水层 含水层的富水性是发生底板突水的内在因素 它决定着突水水量的大小及 突水量的动态变化特征 水压力的存在是驱动含水层水流入矿坑的动力 而底板破坏所形成的破裂则是地下水得以流动的通路和咽喉 只有当三者 同时存在并达到某种特殊组合时 才能发生底板透水 封闭不良钻孔 封闭不良钻孔是典型的由于人类活动所留下的点状垂 向导水通道 该类导水通道的隐蔽性强 垂向导水畅通 不仅会使垂向上 不同层位的含水层之间发生水力联系 而且当井下采矿活动揭露或接近时 会产生突发性的突水事故 由于封闭不良钻孔在垂向上串通了多个含水层 所以一旦发生该类导水通道的突水事故 不仅突水初期水量大 而且还会 有比较稳定的补给量 所以在进行矿井设计和生产时 必须查清井巷揭露 区或其附近地区各种钻孔的技术参数及其封孔技术资料 以确保不会因封 闭不良钻孔而引起突水事故 陷落柱与岩溶塌洞 由于我国广泛分布的华北石炭二叠系煤层的基底 发育有巨厚的奥陶系石灰岩含水层 一般厚度在 600 800m 巨厚层可 溶碳酸岩的存在 使得其在漫长的地质历史过程中形成了巨大的地下溶蚀 空洞 这为陷落柱的发育形成创造了有利条件 实际揭露的资料证实 分 布于太行山两侧的煤田均广泛发育有岩溶陷落柱 因 性质和形态 成为 导致灾难性突水灾害的最危险导水通道 这主要是因为 1 突水水源的水量充沛 根据陷落柱的基本成因条件可知 只要 有陷落柱存在 则必然在其根部存在有厚层的可溶岩 如石灰岩 而厚 层可溶岩又往往构成富水含水层 该类含水层不仅有丰富的静贮量 也往 往具有较大的补给量 所以一旦发生陷落柱型突水 其突水水量往往较大 24 2 突水水压大 流速高 北方型煤田厚层灰岩含水层主要是奥陶 系灰岩含水层 该含水层赋存于煤系地层之下一定的深度 且在煤层和含 水层之间存在有一定厚度的隔水层 奥陶系灰岩含水层往往在平面上延展 的范围较大 其主要在地势较高处的裸露露头区接受大气降水或地表水补 给 在煤层之下的含水层水往往处于高承压状态 一旦发生突水 往往呈 现出突水点水压大 突水流速高的特点 3 突水通道具有隐蔽性和难以探知性 陷落柱的形成原因决定了其 具有点状导水构造的特点 尽管有些陷落柱的直径可达数百米 但和整个 地质结构体相比 其仍具有很强的局部性 特别是在陷落柱的周边区域 地层层序仍保持着正常状态 这就形成了通过地层层序和构造形态分析预 测陷落柱变的十分困难 甚至不可能 陷落柱的隐蔽性和难以探知性 决 定了陷落柱突水具有突发性和难以防范性 根据对沟头煤矿矿井地质 水文地质 含隔水层空间分布规律及其构 造特征的分析 可以得到沟头煤矿主要导水通道及其基本特征如下 沟头煤矿 C5 煤开采突水的主要导水通道有发育于顶底板岩层中的天 然构造裂隙 一旦巷道掘进或工作面回采过程中遇到该类导水裂隙就会造 成矿井出水 沟头煤矿应该引起重视的是浅部小煤窑以及上部历史采空区积水的预 防和处理 在采掘设计和施工时必须保留相应的隔水煤柱 以避免误穿老 窑积水造成透水事故 4 影响和控制矿井主要充水因素分析影响和控制矿井主要充水因素分析 根据对矿井水文地质条件和矿井水害特征的分析研究 可以得出影响 和控制沟头矿井水害的主要因素有 大气降水 大气降水作为本区矿井各个充水含水层的最终补给水源 控制和维持着各含水层长期稳定的充水水量 如果没有大气降水的补给 随着矿井的生产排水 含水层水会逐渐趋于疏干 矿井的涌水量会逐渐减 25 少 但应该明确的是大气降水是一个不可控因素 很难通过人为因素减少 和控制 含水层的埋藏条件和构造开放性条件 由于主要充水含水层受大气降 水的直接或间接补给 而大气降水的补给强度和补给速度主要受含水层的 埋藏条件 构造裂隙发育条件和水循环开启性条件控制 目前的资料已经 显现出随着含水层埋藏深度的增加 其富水性具有减弱的趋势 我们要充 分研究和利用这一基本规律 构造发育情况特别是导水裂隙的发育与分布规律 裂隙储水 裂隙导 水和裂隙透水已成为矿井水害的明显特征 裂隙的发育与否决定了矿井是 否具有透水的条件 裂隙的导水性能及其空间联通网络的大小 网络之间 水力联系的密切程度决定了单个出水点水量的大小 研究和探查导水裂隙 的发育规律 空间展布规律和控制因素对有效预测和防范矿井水害具有重 要意义 矿井采掘扰动 从矿井采掘层位与含水层的空间结构关系可知 C5 煤层与其顶板碎屑岩砂岩含水层之间存在稳定明显的隔水层 矿井采掘活 动一旦揭露 c5 煤层 可能造成其顶板碎屑岩砂岩含水层水经过顶板裂隙 流入矿井 流入水量的大小直接受采掘扰动裂隙波及含水层空间范围的大 小及其与天然导水裂隙的沟通情况 而矿井底板长兴组灰岩含水层与 C5 煤层之间的相对隔水层厚度大多小于 15m 但所有巷道掘进均不影响该含 水层 基本不会导致该含水层水直接涌入矿井 第四章第四章 矿井水害特征及需要查明的主要水文地质问题矿井水害特征及需要查明的主要水文地质问题 1 矿井已完成和基本查清的水文地质问题矿井已完成和基本查清的水文地质问题 沟头煤矿属于在生产矿井 已经进行了大量的水文地质勘探试验工作 积累了大量的较为丰富的矿井水文地质资料 应该说下列方面的矿井水文 地质问题已基本查清 26 1 主要充水含水层的分布 结构 厚度及其埋藏条件已基本查清 2 主要充水含水层之间的结构关系以及与大气降