第四系底界粘土岩性对提高开采上限的影响分析

第四系底界粘土岩性对提高开采上第四系底界粘土岩性对提高开采上 限的影响分析限的影响分析 1 概况 淄博矿业集团公司在济 宁 北矿区建成投产的许可厂 贷庄 葛亭煤矿 现在全部开采下二迭统山西组 3 3 上或 3 下 层煤 在矿井不同范围内 3 煤层与四系底界间距较小 局部更有煤 层露头直接伏于第四系之下 开采过程中 采煤工作面的导水 裂隙带可达第四系之中 受到第四系水的威胁 在 建井地质 报告 中 上级批复的基岩防水保护煤柱为 60m 按此要求进 行 防水煤柱总压覆资源里将达 3716 5 万 t 为了合理开发利用煤炭资源 延长矿井服务年限 提高经济效 益 自 1998 年开始 各矿通过各种手段和方法 主要针对第四 系底界粘土层进行补充勘探 利用第四系底界粘土层与基岩共 同作用作为防水煤岩柱 开展了提高开采上限研究工作 1 1 第四系沉积特点 济 宁 北矿区属于济宁煤田 第四系属冲积河 湖相沉积地 层 与基岩呈不整合接触 其特点 一是厚度大 存度变化也 大 在许厂 岱庄 葛亭井范围内 从 127 1 282 74m 二是含 隔水层大多相间沉积 三是第四系沉积所处的冲积 洪积扇部 位不同而富水性各有差异 济宁煤田处于泗河冲积 洪积扇前 沿 第四系总厚度加厚 但砂层粒度较细 含水层变少而隔水 层增多 第四系下组砂砾层含水性弱到等 砂砾层下有较稳定 的厚层含水性弱到中等 砂砾层下有较稳定的厚层状粘土 砂 质粘土及石膏粘土 隔离砂砾层与基岩接触 使之与基岩含水 层联系不密切 1 2 第四系地质水文特征 按照富水性 沉积特征及岩性组合不同 第四系可划分上 中 下 3 组 1 上组 厚度 58 9 173 9m 平均 98 06m 岩性以暗黄色砂 质粘土及中 细粒砂为主 含砂量达 42 49 5 透水性好 单位涌水量仍在 2 29 10 33l g m 渗透系数最大可以达到 30 165m d 本组为富水性强的孔隙含水层 2 中组 厚度 24 5 125 1m 平均 68 03m 岩性以褐色粘土 及粘土质砂为主 粘土层隔水性能良好 钻孔由于长期风化 含粘土量高达 25 透水性也变弱 本组为相对隔水层 3 下组 厚度 25 1 92 5m 平均 58 95m 又可分为上下两 段 上段 厚度 7 5 50 5m 平均 27 05m 岩性主要为灰白色 粘土长石 石英砂砾岩 夹灰绿 灰白粘土 粘土质砂砾岩层 占本段厚度的 72 含水层主要为中细砂层 单位涌水量在 0 43 0 848l s m 渗透透系数在 1 0011 4 0514m d 属中等含 水层 下段 厚度 1 4 63 27m 平均 28 91m 岩性主要以灰绿 灰白杂色粘土岩为主 偶含固结较好的粘土质砂砾岩 底部普 遍分布石膏粘土岩 粘土层占未段的 90 厚度大且分布连续 粘土层与砂质粘土的塑料性指数为 17 7 31 8 单位涌水量在 0 000878 0 0139l s m 渗透系数在 0 03125 0 723m d 是良好 的隔水层 下段 厚度 1 4 63 27m 平均 28 91m 岩性主要以 灰绿 灰白杂色粘土岩为主 偶含固结较好的粘土质砂砾岩 底部普遍分布石膏粘土岩 粘土层占本段的 90 厚度大且分 布连续 粘土层与砂质粘土的塑性指数为 17 7 31 8 单位涌出 量在 0 000878 0 01319l s m 渗透系数在 0 03125 0 723m d 是良好的隔水层 2 研究第四系底界粘土层的目的和要求 提高开采上限的关键在于研究分析第四系底界粘土层的厚度 分布状况 物理力学性质 间隔沉积特征等 从而进一步研究 新生界冲积层水透入矿井的条件 途径 与基岩含水层水力联 系和制约因素 2 1 粘土层的厚度 第四系底界粘土层厚度大小 直接决定了开采上限提高的程度 虽然不同的煤层开采厚度 不同工艺对其有不同的要求 但只 要裂隙带高度发育进入第四系时 必须按规范要求 查明其底 界面起伏状态 厚度变化规律 做出等厚线图和底界面等高线 图 2 2 粘土层的分布 在第四系沉积过程中 粘土层在层面或立面上 受各种因素影 响 有可能出现砂层的 透镜体 或 天窗 如果砂层的 透镜体 含水 又直接伏于基岩之上且相互之间又能连通 则对提高开 采上限是不利的因素 如果砂层的 透镜体 相对独立 含水性 极弱底部 还有粘土层间隔 则对提高开采上限不会造成大的 影响 2 3 粘土层的物理力学性质 第四系底界粘土层的岩性组份决定了基塑性指数 膨胀率及压 缩性 塑性指数 膨胀率及压缩性又决定了粘土层抗采动能力 和再生隔水能力 因此 应对粘土层的物理力学性质进取样分 析 2 4 粘土层与砂层间隔沉积条件 在第四系底界层中 要分析是以粘土为主 夹有不同厚度砂层 还是以砂层为主 夹有不同厚度粘土层 同时 分析砂层的含 水性如何 以便确定开采上限是防水煤柱为主 带是以防砂或 防塌煤柱为主 另外 煤层顶板砂岩含水层及其补给条件也应 该一并考虑 虽然 3 煤顶板含水层以静储量为主 经过一段时 间释放对工作面的影响大大减弱 但应分析有无受第四系含水 层补给的途径和条件 3 分析研究第四系底界粘土层的手段和方法 为了达到相述目的和要求 必须通过综合措施来实现 在实际 生产过程中 我们结合原来已有的地质资料 再通过井上下钻 孔许工 抽水实验 二维地震非线性反演 二维三分量 物理 力学性质分析等 查明了第四系底界粘土层的特性和分布规律 3 1 地面钻探水文补充勘探 以往的矿井勘探钻孔对现分阶段水文分析而言 密度相对较小 在实际开采试验过程中 许厂 葛亭两矿又在地面专门施工了 6 个钻孔 钻进工程量达 1592 77m 先后单孔 群孔抽水 12 次 补勘以后 基本查明了钻孔控制区域的第四系底界粘土层的厚 度 含砂情况及砂层含水情况 许厂煤矿第四系底界粘土层最 度在 2 77 34 22m 而粘土层较薄的区域 基岩的厚度又相对较 厚 砂层含水层通过 8 次抽水 其单位涌水量为 0 002317 0 002626l s m 属弱含水层 葛亭煤矿第四系底界粘 土层厚度在 42 55m 砂层含水层经过 4 次抽水 单位涌水量一 般在 0 002158 0 002636l s m 也属弱含水层 该巨厚粘土层 为葛亭煤矿提到防塌煤柱创造了条件 3 2 井下钻孔补充勘探 在这 3 个矿所有涉及提高开采上限的工作面中 均在井下布置 了不同数量的仰上孔 以探明基岩的厚度 含中性 第四系底 界粘土层的厚度 含砂情况等 总共施工了 43 个孔 总进尺达 2453m 总体达到了 200m 200m 钻孔网度 摸清了第四系底界 面的起伏状态 基岩的厚度变化规律 3 3 非线性二维地震反演 第四系底界多为砂 粘土相同沉积的地质结构 由于两者密度 与速度的差异波阻抗则不同 其分界面上能形成反射波 非线 性反演的目的是控制井间地层地质构造几何形态的细微变化 利用测井资料 通过小波奇数 时频 神经元和分形分析 对 非线性地震演参数进行非线性标定 结合岩层地震剖面特征 求出物性参数分布信息 许厂煤矿委托山东物探队 通过对 6 条地质剖面 结合 21 条地震测线 1711 个物理点 对控制区 域的速度 密度 波阻抗进行了 3 种剖面反演 从面上解释了 4 工作面区域的第四系底界粘土层的分布沉积规律 厚度变化 规律 3 4 二维三分量地震补勘 葛亭煤矿在牵扯提高开采上限的首采区曾经做过三维地震 通 过三维地震对浅表土层的高保真处理 提高信噪比 初步确定 了第四系底界粘土层是连续分布的 但为了实现对粘土层的精 细解释和粘土层内的富水性定性解释 又进行了二维三分量地 震勘探工作 完成 4 条溅线 266 个物理点 综合查明了第四 系底界粘土层未见 天窗 现象 厚度在 42 55m 整体形态为一 马鞍型 粘土层内富水性较弱 3 5 粘土层物理力学鉴定 为了掌握第四系底界粘土层的物理力学性能 在地面钻孔施工 过程中 对底界粘土层先后取了 16 个岩芯进行送鉴 对密度 孔隙比 液限 塑限 塑性指数 液性指数 凝聚力 膨胀率 等 10 几项指标进行了鉴定 总体主伙底界粘土层属半固结膨胀 饱和粘土 液性指数及膨胀率大 有良好的隔水性和再生性 4 实施效果 利用上述方法和手段 济 宁 北矿区的