承压含水层带压开采安全技术措施

承压含水层带压开采安全技术措施承压含水层带压开采安全技术措施 一 概况 鹤煤五环分公司 原鹤煤五矿 属安鹤煤田鹤壁矿区 位 于鹤壁矿区中部 开采二 1 煤层 井田范围浅部以二 1 煤层露 头为界 深部以 600m 标高二 1 煤层底板等高线为界 北部以 f20 断层与三矿为界 南部以 f40 断层与六矿为界 地层走向 大致近南北 倾向东北 总体上呈一近似单斜形态 地面为新 近系 第四系所覆盖 1 地层 五环分公司位于华北地层区山西分区的太行山小区和华北 平原分区的豫北小区 区内地层由老至新依次为太古界登封群 下元古界嵩山群 上元古界熊耳群 汝阳群与前震旦系 下古 生界寒武系 奥陶系 上古生界石炭系 二叠系 中生界三叠 系以及新生界第三 四系 太古界与元古界多出露于煤田南的 淇县境内 寒武系与奥陶系主要出露于煤田西及西南部山区 石炭 二叠系含煤地层在煤田均有赋存 三叠系仅隐伏于煤田北 深部 新生界广泛覆盖在上述各地层之上 2 煤层 五环分公司井田含煤地层为石炭 二叠系 煤系地层为石 炭系上统太原组 二叠系下统山西组与下石盒子组 含煤地层 总厚度 517m 共含煤 14 层 煤层总厚度 13 4m 含煤系数 2 59 其中二叠系下石盒子组仅含煤线 含煤性较差 下二叠 统山西组和上石炭统太原组含可采煤层 含煤性较好 是本区 主要含煤地层 发育可采煤层 1 层 二 1 煤层 可采煤层总 厚 7 41m 可采系数为 1 43 二 1 煤层 俗称大煤 为本区主要可采煤层 位于二叠系 下统山西组的下部 层位稳定 其顶板为黑色泥岩或砂质泥岩 老顶为灰色细 中粒砂岩 为本区良好标志层 煤层底板为泥 岩或砂质泥岩 老底为灰色细 中粒长石石英砂岩 二 1 煤层 最大厚度 10 12m 井下揭露 最小厚度 2 23m 罗采孔 平均厚度 7 41m 煤厚变异系数为 28 21 煤层可采性指数为 100 属稳定煤层 d 3 构造 五环分公司位于太行构造亚区之太行断隆的中部 整体构 造形态为一轴向北东 45 向北东倾伏的向斜构造形态 两翼基 本对称 北西翼地层倾角 15 25 南东翼地层倾角 10 25 井田内构造以断层为主 依方向大致可分为 ne nne 两组 据 统计落差 20m 的断层 8 条 局部落差 20m 的断层较发育 多成组出现 断层均属于正断层 矿井局部发育陷落柱 无见 岩浆岩 该煤矿构造复杂程度为中等 五环分公司主体构造为一倾伏向斜构造 向斜轴走向为 n30 55 e 南北两翼地层基本对称 北西翼地层倾角 15 25 南东翼地层倾角 10 25 向斜形态浅 中部由巷道 证实 深部由钻孔控制 控制可靠 井田特征以断层为主 据不完全统计 全井田落差在 0 8m 以上的断层发育有 98 条 其中落差大于 20m 的大中型断 层 8 条 全部为 ne 或 nne 向的正断层 为扭性 压扭性断层 五环分公司断层发育南北翼差异较大 南翼断层相对发育 断 层条数多 延深距离远 如 f01 f02 f03 及 f41 f40 f40 1 均发育在南翼 且其间发育有落差小于 10m 的正断层数十条 影响了工作面的合理划分和正常生产 北 翼小断层相对较少 多集中在靠近边界断层的工作面 f20 f20 1 且落差一般小于 5m 延伸长度也较短 本矿小断层规模一般是 3 5m 的正断层 展布方向与旁 侧主体断层方向平行或呈锐角 一般在大断层两侧部位较为发 育 且断层密度不均衡 高密度区一般 100m 距离内有 1 2 条 断层出现 低密度区一般 200m 距离左右出现一条断层 根据上述小断层发育特点 预测本矿未采掘区小断层密度 区主要分布地带为沿 f41 f40 1 断层 沿上盘走向 1200m 范 围内 沿 f20 断层下盘走向 1000m 范围内 预测下限开采深 度 600m 五环分公司 450m 600m 范围内南翼小断层较为发育 北翼相对不发育 对将来煤层开采会有一定影响 煤矿采区设 计和生产中应予以足够重视 4 底板承压含水层危险性分析 根据我矿情况 属于底板承压含水层的有奥陶系灰岩承压 含水层 2m 太原群第二层碳酸盐岩岩溶裂隙承压含水层 2t 2 太原群第八层碳酸盐岩溶隙裂隙含水层 2t 8 奥陶系灰岩承压含水层 02m 该含水层距二 1 煤间距为 148 21 163 9m 平均间距 157 71m 2014 年 1 12 月份 实测 2m 水位标高变化范围在 118 102m 124 452m 平均 121 277m 五环分公司已进 入延深下山采区采煤 煤层赋存标高 450m 600m 依据 煤 矿防治水规定 要求 突水系数公式如下 式中 突水系数 mpa m p 底板隔水层承受的水压 mpa 7 3 8 8mpa m 底板隔水层厚度 m 157 71m 经计算突水系数 为 0 046 mpa m 0 056 mpa m 小于 0 1 mpa m 正常构造条件下开采活动不会发生 2m 含水层突水问题 但要预防通过断层或导水的岩溶陷落柱突水 我矿对落差超过 30m 的断层均按规定留设有断层防水煤柱 同时仍要加强对井 田内小断层的探查和控制 太原群第二层碳酸盐岩岩溶裂隙承压含水层 2t 2 该含水层距二 1 煤间距为 106 59 117 90m 平均间距 110 76m 2014 年 1 12 月份 实测 2t 2 水位标高变化范围 在 97 797m 100 427m 平均 99 112m 五环分公司已进 入延深采区采煤 煤层赋存标高 450m 600m 依据 煤矿防 治水规定 要求 突水系数公式如下 式中 突水系数 mpa m p 底板隔水层承受的水压 mpa 6 6 8 1mpa m 底板隔水层厚度 m 110 76m 经计算突水系数 为 0 06 mpa m 0 07 mpa m 小于 0 1 mpa m 正常构造条件下开采活动一般不会发生 2t 2 含水层突 水问题 但要预防通过断层或导水的岩溶陷落柱突水 我矿对 落差超过 30m 的断层均按规定留设有断层防水煤柱 同时仍要 加强对井田内小断层的探查和控制 太原群第八层碳酸盐岩溶隙裂隙含水层 2t 8 该含水层距二 1 煤间距为 27 80m 39 71m 平均间距 33 35m 根据前期 c2tl8 疏放水工程资料分析 现 c2tl8 含水层 水位标高 延深采区南翼在 597m 延深采区北翼在 600m 采掘过程中不会发生 2t 8 突水问题 不会形成影响安 全生产的水害 二 编制目的与依据 五环分公司开采煤层为石炭 二迭系煤系地层 矿井的采 掘工程将受石炭系灰岩和奥陶系灰岩承压水威胁 经计算 五 环分公司采掘头面与承压含水层之间隔水层承受的水头值在安 全范围之内 属安全带压开采 但为了加强防范 预防承压含 水层向矿井充水 造成灾害 根据 煤矿防治水规定 要求 编制了预防煤系地层含水层水带压开采安全技术措施 三 矿井充水水源及承压含水层 1 地表水 本区位于太行山东麓 鹤壁煤田中部 海拨标高 216 4m 144 2m 相对高差 72 2m 属低山丘陵区 西部山区地势 较高 最大标高 763 5m 寒武 奥陶 系地层 广泛出露 井田及以东地区地势渐趋低平 被新近系 第四系 地层覆盖 地面流经五环分公司矿井的河流有两条 即 汤泉河和罗 村河 汤泉河最大洪流量 1280m3 s 1980 年 8 月 最高洪水位 145 96m 低于井口标高 主井井口标高为 171 1m 副井井 口标高为 170 8m 元泉风井井口标高为 166 3m 东窑头风 井井口标高为 166 77m 现流量为 422 64m3 h 204 年 8 月 7 日测 罗村河现流量为 1172 16m3 h 2014 年 8 月 7 日测 河水 主要来源为矿井的排水 水位亦低于井口标高 罗村水库与罗 村河连接 库容量极小 主要用于农田灌溉 由于两河流流量 较小 且地表表土层较厚距煤层又有较多隔水层 故对矿井构 不成水害威胁 2 含水层 根据以往勘探资料 岩性 结构 富水性 赋存特征等 及二 1 煤层开采以来的生产实践 将矿井范围内含水层划分成 五个 分述如下 奥陶系中统马家沟组碳酸盐岩岩溶裂隙承压含水层 2m 其总厚约 400m 位于二 1 煤下 148 21 163 9m 平均 157 71m 矿区西部广泛出露 补给条件好 该层岩性为厚层状 巨厚层状石灰岩及白云质灰岩 岩溶裂隙发育 奥陶系灰岩广泛出露于井田西部 直接受大气降水的补给 形成丰富的地下水 由西向东流入矿区 以岩溶泉的形式集中 排泄区外 在区内则通过断层直接或间接补给 2t 2 2t 8 灰岩含水层和二 1 煤顶底板砂岩 9 10 含水层 构成对矿井的严重威胁 1981 年 5 月 16 日 井田南部的石林矿遇断层曾发生过奥陶系灰岩突水淹井 事故 最大突水量 13507m3 h 太原群第二层碳酸盐岩岩溶裂隙承压含水层 2t 2 2t 2 灰岩在本区发育良好 分布稳定 厚度 4 19 10 74m 平均厚度 8 02m 岩溶裂隙发育 含岩溶裂隙承 压水 该含水层距二 1 煤间距为 106 59 117 90m 平均间距 110 76m 距 2 灰岩平均间距 38 66m 距 2t 8 灰岩平均 间距 80 75m 2t 2 灰岩出露范围和受水面积很小 仅在井田西部有 零星出露 一般水量不大 但由于南翼断层的切割 40 41 可与 2m 灰岩对接发生水力联系 是二 1 煤充 水的间接充水含水层 太原群第八层碳酸盐岩溶隙裂隙含水层 2t 8 2t 8 灰岩在区内发育良好 分布稳定 厚度 3 92 5 23m 平均 4 68m 岩溶裂隙较为发育 含岩溶裂隙承 压水 该含水层距二 1 煤间距为 27 80 39 71m 平均 33 35m 并且有西北向东南逐渐缩短的趋势 向斜轴以北接近 40m 向 南由 35m 递减为 27 8m 2t 8 灰岩是开采二 1 煤的直接充水含水层 因受 40 41 01 02 03 断层影响 与 2t 2 2 灰岩含水层发生水力联系而得到较大量补给 呈 现水量较大 且不容易疏干的含水特征 从而构成对二 1 煤开 采的主要威胁 根据前期 2t 8 疏放水工程资料分析 现 2t 8 含水层水位标高 延深采区南翼在 597m 延深采区北 翼在 600m 对三水平延深下山采区已无影响 二 1 煤顶底板 山西组 9 10 及 11 碎屑岩孔隙 裂隙承压含水层 该含水层组由中 粗粒砂岩 9 10 11 所组成 发育较好 层位稳定 属二 1 煤直接顶底板含水层 含孔隙 裂隙承压水 砂岩总计厚度 2 85 60 11m 平均 30 41m 其中二 1 煤上 10 11 厚 1 85 46 35m 平均 21 37m 二 1 煤下厚 9 1 00 13 76m 平均 9 04m 本含水岩组裂 隙发育不均 含水量不大 一般情况下易于疏干 但其局部得 到 2m 2t 2 2t 8 灰岩含水层的补给水量相对较大 持续时间较长 该含水层组对矿井生产虽有不利影响 但构不 成水害 随采掘工程揭露而逐渐疏放 新近系 第四系洪积 冲积孔隙裂隙含水组 该含水岩组由砂 砾岩 层 组成 覆盖于煤系地层之上 接受大气降水补给 含孔隙裂隙承压水 顶部为潜水 本含 水层组距二 1 煤顶板的隔水层厚约 300 余米 因隔水层厚度较 大 对二 1 煤开采无直接影响 是主 副井及两风井水量的主 要组成部分 3 隔水层与矿井防水煤柱 1 隔水层 本溪组隔水层 由铝土质泥岩 砂质泥岩组成 平均厚 度 29 39m 该层较厚且稳定 是阻隔 2m 灰岩与上部含水层 联系的良好隔水层 太原组中部隔水层 位于 2t 2 和 2t 8 灰岩含水 层之间 由泥岩 砂质泥岩 薄层砂岩 薄层灰岩及薄煤层组 成 厚约 70m 对阻隔 2t 2 和 2t 8 灰岩之间的水力联系 起重要作用 二 1 煤底部隔水层 由 2t 8 灰岩至 9 砂岩间的泥 岩 砂质泥岩组成 厚约 25m 对阻隔 2t 8 灰岩向 9 砂岩 及二 1 煤充水起一定的隔水作用 二 1 煤顶部隔水层 由 10 顶面至第三 四系含水层 间的泥岩 砂质泥岩 砂岩组成 厚度超过 300m 对防止新近 系 第四系含水层向矿井充水起良好的隔水作用 2 矿井防水煤柱 目前矿井主要采掘头面集中在三水平延深采区 f40 1 断 层位于采区南部 落差 140 200m f20 断层位于采区北部 落差 75 110m 两条断层均属于导水断层 严重威胁我矿下山 采区安全生产 鹤煤科便 2006 81 号文对 f20 f40 1 矿井断 层进行防水煤柱批复 确认防水煤柱留设 由于 f01 f02 f03 断层落差较大 自然将马庄采 区分割成三个块段 为了确保安全生产 鹤煤科便 2006 30 号文对 f41 f01 f02 f03 防水煤柱进行了批复 4 矿井充水因素 1 充水水源 大气降水 大气降水对矿井涌水量有一定影响 但影响幅度不大 一 般不影响矿井的正常生产 且随着矿井开采深度的加大 大气 降水对矿井的充水强度将逐渐减弱 地表水 本矿井位于太行山东麓 鹤壁矿区中部 海拨标高 212 9 144 2m 相对高差 68 7m 属低山丘陵区 区内的 汤河由矿井西部自北而南流过 流量 1033 2m3 h 2000 年 6 月 28 日 东部有罗村河自北向南流过 并形成一小型水库 罗村河最大流量 1317 6m3 h 2001 年 3 月 9 日 2014 年五 环分公司测量其流量为 1140 76 m3 h 罗村水库库容量小 河 床基底为 50 80m 的新近系粘土 阻水性能较强 使得地表水 与基岩地下水不发生水力联系 对矿床开发无影响 地下水 依据矿井内突水资料 二 1 煤顶 底板砂岩 s9 s10 s11 裂隙水和 c2tl8 灰岩岩溶裂隙水是开采二 1 煤的直接充水含水层 该含水层地下水可通过构造裂隙 井下 放水孔 地面封闭不良钻孔等通道充入矿井 二 1 煤顶底板砂 岩水一般在单元采空区初次放顶后 通过回采工作面或井巷工 程揭露构造破碎带及裂隙进入井巷 一般水量不大 且补给量 小 容易疏干 c2tl8 灰岩水主要通过巷道直接揭露构造裂隙 断层为主 涌出 突水时 初期出水量较大 水压较高 但水量 水压衰 减很快 c2tl8 灰岩突水点大部分布在南翼地区 且水量较大 而北翼水量相对较小 显示出 c2tl8 富水的不均一性 且随开 采深度延深有下部发生突水时 上部出水点显示出被逐渐疏干 的特点 c2tl8 灰岩水经长期疏放 水位已降至 600m 现对矿 井无威胁 老空水 该矿井南翼二水平下部 f41 断层附近原来的石林矿于 1981 年 5 月 16 日发生大突水 13507m3 h 淹井 估算其附近 老空区集水约 612966m3 对本矿井 f01 f02 断层与 f41 大断层交叉附近开采有一定影响 而本矿井在采掘过程中也形 成了一些小范围积水 这些积水区随着矿井开采情况而出现动 态变化 老空水是影响本矿井安全的一个重要因素 对于原石林矿 形成的有稳定补给水源的老空积水区要按规定留设防水煤柱 严禁进入防水煤柱进行采掘活动 对于本矿采掘过程中形成的 积水 必须严格按照 预测预报 有疑必探 先探后掘 先治后 采 的基本原则做好探放水工作 2 充水通道 裂隙通道 能够向矿井充水的裂隙包括构造裂隙 人工 裂隙和风化裂隙 构造裂隙 这里主要指构造运动过程中生成的断裂裂隙和 褶曲轴部的张性裂隙 其中在断层转折部位 断层尖灭端以及 褶曲扬起端轴部的裂隙比较发育 往往形成向矿井充水的溃入 性通道 它可把不同层理的地下水导入矿井 对矿井安全生产 构成较大威胁 人工裂隙 主要指采空区顶板陷落后在其上形成的导水裂 隙带 它可把二 1 煤层顶板岩砂含水层的地下水导入矿井 其 次为回采过程中在煤层底板隔水层中形成的扰动破坏裂隙 人 工裂隙一般为渗入性通道 充水强度较低 一般不影响安全生 产 风化裂隙 该种裂隙对于浅部煤层有一定充水作用 一般 将上覆的新生界孔隙水导入矿井 封闭不良钻孔 本区历经多次生产地质勘探 区内施工 钻孔多达 82 个 而封闭不良钻孔有 2 个 属于溃入性通道 往 往对安全生产造成很大威胁 今后在采掘过程中应谨防封闭不 良或未封闭钻孔作为导水通道向矿井突水 采掘活动接近封闭 不良的钻孔时 首先对其进行注浆加固后 方可进行采掘活动 陷落柱 目前 在矿井范围共揭露陷落柱 6 处 其中 3 号陷落柱位于向斜轴东南侧 长 50m 宽 25m 标高 120m 4 号陷落柱位于向斜轴西北侧 长 50m 宽 20m 标高 240 260m 5 号陷落柱位于向斜轴西北侧 近圆形半径约 27m 标 高 340m 6 号陷落柱位于向斜轴部 长 80m 寛 60m 标高 380m 另外 1 2 号陷落柱位于矿井外浅部 陷落柱被上部地 层密实充填 无透水现象 450m 600m 勘探钻孔未发现陷落 柱 但不能排除其存在的可能性 在开采中应注意探索 四 水害威胁分析 1 断层导水性评价 井田内以 向压性 压扭性正断层为主 落差 大于 20m 的有 条 由 84 85 年补勘的 29 个钻孔统计 钻孔 见断层 36 次 岩芯破碎 冲洗液消耗量除 584 12 孔为 1 35m3 h 外 其余见断层点消耗量均小于 0 3m3 h 说明在 正常情况下 区内小断层的导水性是微弱的 但在开采过程中 由于矿压及水头压力的作用 可使原不导水的断层转变为导水 断层 如二水平南翼中间下山 12 号突水点 井田东部 40 41 使 2m 与 2t 2 2t 8 2t 2 与 2t 8 接近或对接 并使其发 生水力联系 构成矿井东南部补给边界 但在其间向矿井流通 过程中 由于多处受断层切割而受到阻碍 使泾流条件变差 从而出现 2t 8 灰岩含水层突水点水量稳定且不大的情况 矿 区北部 20 20 1 断层导水性较差 钻孔漏失量小 如 584 16 584 17 孔等 切断了 2t 8 与外界的水力联系 构成 井田北部相对隔水边界 另外 受构造控制 井田南部断层发育 二 1 煤层距 2t 8 灰岩含水层间距相对较小 岩溶裂隙发育 加之 2t 8 通过断层与 2t 2 灰岩对接 充水条件较北翼复杂 给开采带来较大威胁 2 周边小煤矿 五环分公司井田内和周边现不存在生产小煤窑 井田内有 一个废弃小煤窑为石林煤矿 周边有一个废弃小煤窑为山城煤 矿 原山城煤矿于 2007 年 3 月已报废回填 回填前该矿经 查无水 2007 年 12 月 20 日对井筒进行了再次回填平整 该矿 的采空区与五环分公司相连 经查无水 该关闭废弃小煤窑对 五环分公司无水害威胁 按鹤煤五环分公司 2006 年取得的最新采矿许可证划定 的边界 原石林煤矿现位于五环分公司井田之内 该矿于 1981 年 5 月 16 日突水淹井 至今没有恢复 积水量达 612966 m3 我矿 23 采区与原石林矿积水区之间留设有防隔水煤柱 批复文 件 鹤煤科便 2006 30 号文 我矿严格执行 煤矿防治水 规定 现在防水煤柱内无一切采掘活动 3 矿井历年突水概况 五环分公司自建井以来 先后发生 18 次突水 较大的突 水有 10 次 突水量 60m3 h 其中 2m 灰岩一次 邻近的 石林矿 2t 8 灰岩 8 次 二 1 煤层顶板砂岩一次 2m 灰岩最大突水量 13507m3 h 石林煤矿 2t 2 灰岩最大突 水量 79 8 m3 h 2105 煤柱顺槽 2t 8 灰岩最大突水量 1210m3 h 二水平南翼中下山 二 1 煤层顶板砂岩最大突水 量 80m3 h 五 排水能力 矿井必须建立配套的防排水设施 水泵必须有工作 备用 检修三套 工作水泵应能在 20 小时内排出矿井 24 小时的正常 涌水量 备用水泵的能力不小于工作水泵能力的 70 检修水 泵能力不小于工作水泵能力的 25 水管必须有工作和备用的 两套水管 其中工作水管的能力应能配合工作水泵在 20 小时内 排出矿井 24 小时的正常涌水量 配电设备应同工作 备用和检 修水泵相适应 并能同时开动工作和备用水泵 主 副水仓容 积符合要求 并要及时清理 但必须保证一个水仓清理时 另 一个水仓能正常使用 六 安全技术措施 1 矿地测部门对落差超过 20m 的断层必须留设断层防水煤 柱 防水煤柱的设计必须按照 矿井防治水规定 的要求 并 上报公司批准 2 矿地测部门必须严格坚持 预测预报 有疑必探 先探 后探 先治后采 的原则 探明前方地质及水文地质情况 防止 突水事故发生 3 矿地测部门要按规定定期收集地面钻孔水位 掌握奥灰 二灰水位动态 4 在矿井受水害威胁的区域 进行巷道掘进前 应当采用 钻探 物探和化探等方法查清水文地质条件 矿地测部门应当 提出水文地质情况分析报告 并提出水害防范措施 经矿井总 工程师组织生产 安监和地测等有关单位审查批准后 方可进 行施工 施工过程中矿地测部门要利用各种手段探明施工地点 附近断层的走向 落差及断层导水情况 5 矿井工作面采煤前 应当采用物探 钻探 巷探和化 探等方法查清工作面内断层 陷落柱和含水层 体 富水性等 情况 地测机构应当提出专门水文地质情况报告 经矿井总工 程师组织生产 安监和地测等有关单位审查批准后 方可进行 回采 发现断层 裂隙和陷落柱等构造充水的 应当采取注浆 加固或者留设防隔水煤 岩 柱等安全措施 否则 不得回采 6 设计部门在巷道设计时 严格按地测部门提供的地质图 纸设计 严禁超越断层防水煤柱线 矿井不得以任何理由在防 水煤柱内进行采掘活动 7 编制矿井防治重大水害事故应急救援预案 定期进行预 案演习 熟练预案流程 协调各部门组织能力 一旦发生突水 事故及时通知调度室 调度室要及时通知各水平泵房进入紧急 状态并排水抢险 同时通知井下人员迅速按避灾路线撤出 地 测科地质人员要迅速到出水地点 察看出水情况 涌水水源及 水量大小 并及时向调度汇报 以便有利于调度指挥 抢险救 灾 8 矿井必须建立配套的防排水设施 水泵必须有工作 备 用 检修三套 工作水泵应能在 20 小时内排出矿井 24 小时的 正常涌水量 备用水泵的能力不小于工作水泵能力的 70 检 修水泵能力不小于工作水泵能力的 25 水管必须有工作和备 用的两套水管 其中工作水管的能力应能配合工作水泵在 20 小 时内排出矿井 24 小时的正常涌水量 配电设备应同工作 备用 和检修水泵相适应 并能同时开动工作和备用水泵 主 副水 仓有效容积符合要求 并要及时清理 但必须保证一个水仓清 理时 另一个水仓能正常使用 9 三水平延深采区采掘头面出水后 调度室要及时通知各 水平泵房进入紧急状态并排水抢险 10 编制避