基于综合水文地质勘探工程的疏放水煤层开采技术(修订).doc

基于综合水文地质勘探工程的疏放水煤层开采技术 绪论1 绪论1.1 课题提出及研究意义煤矿水害是与瓦斯、火灾等并列的矿山建设与生产过程中的主要安全灾害之一，长期以来，因为煤矿水害而给国家和人民带来的人身伤亡和经济损失极为惨重。据不完全统计，在过去的20多年里，有250多个矿井被水淹没，死亡1700多人，经济损失高达350多亿人民币。其中底板高压水通过隐伏导水构造突入矿井和废弃矿井积水因防水煤柱被破坏而突入矿井的水害事故造成的损失尤为突出。底板高压水通过煤层底板突出是一种受多因素控制的灾害性动力现象，华北地区受底板承压水威胁的煤炭储量约15Gt。由于该区奥陶纪灰岩富水性强、水压高、隔水层薄，而区内张裂性、张剪性断裂及陷落柱较发育，致使华北地区煤矿重特大突水事故多与奥灰水有着密切的关系。其中，太行山东麓的煤矿区在开采石炭、二叠纪煤层时，频繁发生突水事故。特别是当煤层底板隔水层太薄或断层破碎带削弱了底板隔水层强度，而无法承受底板水头压力及矿山压力时，导致矿区突水次数和强度增大。此外，许多矿区中奥陶统喀斯特陷落柱发育，使上覆岩层陷落货裂隙化，塌陷裂隙把喀斯特水突然导入矿井引发突水事故，其后果往往是灾难性的。同时由于大量已经废弃货正在生产的小煤窑的无序开采，导致矿井之间的隔水煤柱被破坏，使得废弃的矿井中积水瞬间溃入矿井造成严重灾难的现象今年来迅速增加。可以说，在80年代中期，是我国煤矿水害最为严重的时期，当时在开滦、肥城、焦作等矿区连续发生了多期灾难性突水淹井事故。随后，随着两期工业性试验研究和政府对防治工作监管力度的加大，我国煤矿水害事故呈现逐年减少的趋势。但近年来，随着科学技术的的进步，煤矿生产与建设过程中的装备、工艺、技术都有了极大的提高，矿井建设和矿井生产的速度与规模迅速扩张，而矿井水害安全预警技术与防治技术的发展远不能适应矿井生产与防水工作的需求，从而形成了矿井突水事故、死亡人数及经济损失的反弹和上升，特别是特大型矿井突水事故频繁发生。邱集煤矿是我国黄河北煤田的第一对生产矿井，设计生产能力45万t/年，2005年经过矿井技改后，核定生产能力为90万t/年。矿井可采煤层为7、10、11、13煤层共4层，可采煤层总厚8.37m。其中7煤厚度为02.13m，平均1.07m；10煤厚02.18m，平均1.06m；11煤厚度1.503.44m，平均2.04m；13煤厚度为2.266.46m，平均4.2m。煤矿自投产以来，一直在-395m水平开采7煤层。为提高煤炭产量，增加经济效益，保证矿井的稳定和发展，开采10、11煤层势在必行。但经计算，10煤层回采受四、五灰承压水威胁的开采上限为-292m，说明井田范围内10、11煤层开采都受到四、五灰及徐灰、奥灰承压水严重威胁。矿井设计采用疏水降压方法开采受水威胁的10、11煤层。10、11煤层的开采设计采用分层上山开采。10100采区为10煤层首采区，11100采区为11煤层首采区。采区位于矿井西翼南侧，东至DF8断层（矿井边界），西至F4-1断层，南至10煤风氧化露头，北至矿井轨、皮大巷保护煤柱。采区上覆7煤已开采完毕（西一、西三上山采区）。为解放受水威胁的10、11煤层，邱集煤矿于2006年开始在11层轨道石门布置四、五灰疏干工程；至2006年9月底，四、五灰水压降至10煤层安全开采水头以下，2006年10月开始回采10101工作面。2006年11月19日11层轨道石门放水疏降至水压0.3MPa，周围四、五灰观测孔S4-6、WS1已处于疏干状态，钻孔放水量降至720m3/h。2006年11月19日下午18：40左右，在轨道石门迎头后约3m处出水，出水量约40m3/h；出水前地面徐、奥灰孔不同程度出现水位下降，四、五灰水位出现上升。出水后井下四、五灰观测孔水压明显回升，钻孔出水量明显增大，出水前钻孔放水量在720m3/h，至2006年11月20号6点增至1051m3/h，至2006年11月23日10时稳定在1000m3/h。由于水量较大，严重威胁矿井安全，于2007年2月在11层轨道石门施工一道防水闸墙，并停止了四、五灰水的疏放工作，致使四、五灰水水压已回升至放水前的水位上，使得10煤层的开采严重受四、五灰水的威胁。因此，根据生产的实际需要和出于安全生产考虑，急需进一步深入研究邱集煤矿水文地质条件，包括四、五灰及徐灰、奥灰承压水的富水性和渗透性、水力联系、四、五灰的补给通道及岩溶发育范围等。课题的研究将为下一步矿井的安全开采及防排水系统的设计等具有直接的指导意义；同时，作为作为黄河北煤田的第一对试验矿井，将对今后再建矿井积累极为丰富、宝贵的资料，课题的研究意义重大。1.2 疏水降压防治矿井水害技术研究现状1.2.1 疏水降压防治矿井水害的基本概念所谓矿井水害防治技术，就是在全面水文地质条件分析的基础上，对可能发生的矿井水害进行防范和治理的技术。所谓疏水降压防治矿井水害技术，就是对威胁矿井安全生产的主要充水含水层水，通过专门的工程和技术措施在人工受控的条件下进行超前预疏干或疏降水压，进而减少或消除其在矿山建设和生产过程中对矿井安全的威胁。其基本内容可划分为疏干和疏水降压两大方面。疏干是指通过疏水将含水层的水位降至矿井主要工程层位标高以下，从而消除矿井在开拓和生产过程中含水层水直接流人工作面。疏干技术多应用于矿井直接充水含水层或自身充水含水层。疏水降压是指通过疏水将含水层的水位降至预先设计的安全标高之下，从而减轻或消除矿井在开拓和生产过程中含水层水在水压力的作用下破坏其上下隔水层而涌人矿井。疏水降压技术多应用于煤层顶底板间接充水含水层。受天然导水构造或开采破坏影响，通过各种自然的或人为通道进入井巷和采掘工作面的水，统称为矿井水。来自矿井工程层位顶板以上含水层的非正常出水，通常称之为矿井透水或溃水；来自矿井工程层位自身含水层的非正常出水，通常称之为矿井涌水；来自矿井工程层位底板以下承压含水层的非正常出水，通常称之为矿井突水。不管何种形式的矿井出水，当水量大，来势猛、突发性强，给矿井安全造成影响或灾害性后果时，则称为矿井水害。为保证矿井生产建设的正常进行，减少水害发生的几率或降低水害影响程度。通常采用一定的疏放（抽、排）水的井巷（孔、井）工程，预先对影响或威胁矿井安全生产的来水充水岩层（体）进行疏放（抽、排）水，使其地下水位降低至生产区域（阶段）以下。从而达到消除矿井水害隐患。避免淹井事故的发生，这就是疏水降压防治矿井水害技术的主要技术思路。1.2.2 常见疏干降压方式疏水降压一般分为预先（超前）疏降和并行（过程）疏降两个阶段。预先疏降往往是疏降的第一个阶段。在矿井水文地质条件复杂，水文地质条件尚不十分清楚的条件下，实施预先疏降不但可为矿井的随后声场创造安全的水文地质环境，同时还可兼顾水文地质条件试验与探查的任务，为并行疏降工程的设计提供重要的水文地质参数。预先疏降的时间要根据疏降要求，预测的疏降水量、投入的疏降工程进行计算确定。无论国内或国外，都大同小异地将矿井疏干（含降压，下同）分为：地表疏干、井下疏干和联合疏干3种基本方式。1.2.2.1 地表疏干地表疏水是指在地面构筑疏水工程和疏水设施。地表疏降又可分为浅部水疏降和深部水疏降。这里所说的浅部水疏降，主要指建筑基坑和露天矿疏降水位。常用的浅部水疏降方法有疏水沟、渠，垂直或水平疏水钻孔，自流式泄水孔或吸水孔。深部水疏降是指从地表构筑疏水工程，抽排深部含水层水以达到疏干或降低水位（头）的目的。采用地面工程实施深部疏水主要应用于开发大水煤矿床，在井巷工程开拓（凿）之前的预疏干阶段，它既可作为独立的疏干方式，也可作为与井下结合的联合疏干方式。其实质是从地面施工一系列的疏干孔（井），钻至需要疏干的含水层（体），从疏干孔（井）中把地下水抽排到地面，形成一个能满足要求的疏干降落漏斗，为安全开采创造有利条件。常见的地表疏降模式如图1.1和图1.2所示。图1.1 地表疏降模式图图1.2 地表疏降模式图地表疏水常用于煤层埋藏较浅，含水岩层（体）渗透性较强的条件。其优点是经济、安全，施工方便，建设速度快，且容易调控和管理；所抽排出的地下水不易受污染，可作为工农业用水或生活用水，有利于实现疏供结合，取得较好的经济效益或社会效益；同时，与井下疏干相比，它较易控制地下水位的下降速度；对喀斯特充水矿井来讲，它可在一定程度上减轻由于井下疏水而引起的地面塌陷；对松散层孔隙含水砂层充水矿井来讲，与井下疏干相比，它可避免地面塌陷和井下形成“流砂”灾害。其缺点是需要较多的高扬程、大流量水泵，特别是深井潜水泵；同时，对过滤器的要求较高，如设计或施工不当，引起进水受阻或漏砂，影响疏干效果或孔、井使用寿命；某些地下水中，硫离子或铁菌含量过高，也易造成过滤器和井壁管的腐蚀或堵塞；在含水层埋深过大或透水性差（尤其是多层含水层，残余水头显著）的地区，地表疏干往往受到限制，不宜采用。地表疏水多用于预先疏水阶段。随着高扬程大流量的深井泵和潜水泵的出现，随着深井钻井技术和设备的进步，地表疏干的应用范围将日益扩大。1.2.2.2 井下疏干采用专门穿层石门或利用开拓井巷以及井下多方位钻孔直接揭露充水岩层（体）或富水带。将含水层中的水有控制地导入矿井然后利用专门的井下排水系统将水排至地面而进行的疏排水工作称为井下疏干。有时保留或利用井下已经揭露的突水点作为长期井下疏排水工程，也可以达到疏干降压之目的。井下疏干使用范围较广，无论所需疏干的充水岩层（体）赋存于开采煤层的顶板或底板，埋藏深度的大小如何，渗透性的好坏如何，富水性的强弱如何，均可采用井下疏干方式进行疏水降压。特别是含水层埋藏较深或地下水位较深的矿井，地表疏干不经济或无条件进行时，更宜采用井下疏水降压方式。井下疏水降压的优点是疏干较彻底，同地表疏水相比，在疏干漏斗之内，没有或很少有残留水体；尤其对松散细粒含水层或低渗透性承压含水层，其疏干效果较之地表疏干更为突出；又由于井下疏干多用巷道直接疏放水，对有侵蚀性地下水，也不存在像地表疏干那样易受化学或生物化学作用发生堵塞孔（井）眼问题，同时管理也较为简便。常见的井下疏水工程布置方式有以下几种。1）石门疏水石门疏水的典型模式如图1.3所示。疏水石门通常布置在开采水平的中心区域，当石门穿过所需要疏水的含水层时，为了充分利用石门的多功能性，可不对含水层进行注浆改造而使含水层水通过石门穿过段直接流入石门而达到集中疏水的目的。直接利用石门疏水时，一定要分析含水层的水文地质性质，确保石门穿过段直接流入石门的水量处于受控状态，避免瞬间水量过大而造成水害事故。有时在石门穿过含水层段之前还需预打疏水钻孔以保证石门施工的安全。石门疏水的最大优点是可同时疏降多个切穿的含水层且可兼作运输使用。图1.3 石门多含水层疏水示意图2）井巷疏水所谓井巷疏水是指在矿井开拓及工作面准备过程中，直接利用掘进于含水层中的井巷进行预先疏水或并行疏水。井巷疏水主要面对自身充水含水层或直接充水含水层。因为对于该类含水层，必然会有大量的井巷工程不可避免地实施于其中，而且含水层中的水早晚都要疏排。例如，我国湖南的许多矿井开拓巷道掘进于煤层底板茅口灰岩含水层之中，为了确保煤炭资源的安全开采，必须对茅口灰岩含水层实施疏水降压。又如许多特厚煤层本身就是含水层，为了实现煤炭资源的安全开采，必须对煤层水进行疏干。同样，在采用井巷疏水时，必须认真分析水文地质条件，在必要的条件下，在井巷进入含水层之前，需要配合其他疏水方法进行预先疏水，以确保井巷掘进的安全。常见的井巷疏水工程模式如图1.4。图1.4 常见井巷疏水工程模式3）井下钻孔疏水井下钻孔疏水是通过在井下的开拓巷道中施工专门的钻孔，并使钻孔直接进入需要疏降的充水岩层（体），利用地下水的自然重力或压力水头，将含水层中的地下水有控制地疏放到井巷，再通过矿井排水系统将疏放的水排出地表，以实现含水层水的疏干或降压。井下疏水钻孔分水平孔、上仰孔、俯斜孔、下行垂直孔和上行垂直孔等多种形式。井下疏水孔多用于分散疏水或局部疏水。井下钻孔疏水系统一般由泄水钻孔、钻井硐室、引水管线（或水沟）等组成。在钻孔施工前，须开掘专门的放水硐室，如垂直钻孔需开凿钻探小井、钻场和放水短巷；水平钻孔需掘进放水石门或放水巷。当疏水对象为高承压富含水层时，垂直孔的钻孔地坪和水平孔的钻进工作面迎头，都应按地层岩性条件和孔口所承受的水压力，砌筑好防水抗压地坪和防水挡水墙，借以封好疏水钻孔的孔口套管，同时安装好孔口控放水闸阀或防喷、控放装置，并应对钻孔附近的井巷加强支护以防止巷道变形而破坏疏水钻孔或形成钻孔透水。放水硐室或疏水石门（巷）之间的距离，取决于含水层的透水性，数十m至数百m不等。每个放水硐室的孔数和孔深，都要在钻孔疏水设计中有明确的计算分析和规定。（1）直通式井下疏水孔 是指当开采煤层顶板导水断裂带以上存在威胁开采安全且需要疏干的充水岩层（体），或开采煤层底板以下存在着威胁开采安全，需要疏水降低水压的高承压富含水层（体），而在井下直接施工疏放水孔不安全或根本无条件施工时，可采用从地面施工钻孔，让钻孔穿过预疏干或疏降水压的含水岩层（体）直达井下放水巷道，使含水层（体）中的地下水，通过钻孔自动泄入巷道，从而达到疏干或降压的目的。采用井下直通式疏水的疏降效果好，且设备少，控放安全，管理方便，能源消耗低；但对施工技术要求高，主要是孔斜不得超过设计规定，钻孔到达放水巷道的落点坐标和标高要准确。典型的直通式疏水钻孔如图1.5所示。图1.5 直通式疏水钻孔 图1.6 顶板上行疏水孔（2）上行式井下疏水孔 是指当被疏水的目标含水层位于开采煤层直接顶板之上，且在开采煤层与含水层之间存在不足以保护顶板水进入矿井的隔水保护层时，在工作面回采之前，利用井下巷道作为施工场地，向顶板含水层施工垂直或近垂直钻孔，以达到疏放顶板水的目的。顶板疏水孔一般分为预先疏水孔和并行疏水孔两种类型。预先疏水孔一般可布置于工作面进、回风巷，钻孔的开口位置应尽量选择在地层岩性完整，距离回采工作面较近的地方。由于这类疏水钻孔在工作面回采后因顶板破坏变形而被破坏，所以多用于预先疏水。当工作面开始回采时原则上应进行封闭，以确保工作面回采完成后不会造成不必要的采空排水。当工作面回采工程中需要过程疏水时，经常将疏水孔施工于工作面相邻的井巷工程中，向工作面上方施工上仰倾斜钻孔进入含水层，并使这些钻孔在工作面回采过程中不被破坏。常见的顶板上行疏水孔形式如图1.6所示。（3）下行式井下疏水孔 是指当被疏水的目标含水层位于开采煤层直接底板之下，且在开采煤层与含水层之间存在不足以保护底板含水层高压水进入矿井的隔水保护层时，在工作面回采之前，利用井下巷道作为施工场地，向底板含水层施工垂直或近垂直钻孔，以达到疏放底板水使含水层水压降至安全水头以下的目的。常见的底板下行疏水孔形式如图1.7所示。图1.7 底板下行疏水孔（4）水平（近水平）式井下疏水孔 在矿井生产和建设过程中，经常会遇到被疏水的含水层位于巷道或工作面的侧方，如断层带水或倾斜含水层等。在这种情况下，经常需要从井下施工水平或近水平式井下疏水孔，以达到利用短距离疏水孔实现含水层疏水降压的效果。在井下施工水平或近水平放水孔时，除了充分考虑其他井下疏水孔在施工过程中应考虑的因素外，还应计算分析疏水孔与含水层之间应有的安全保护岩柱厚度，应在确保疏水钻孔安全的前提下尽量减少钻孔长度。常见的井下水平或近水平疏水孔形式如图1.8所示。图1.8 井下水平或近水平疏水孔（5）压力传递式井下疏水孔 在我国北方许多矿区会遇到对煤层底板深部高承压含水层进行疏水降压。在降低水头压力的条件下实施带水压开采，而这些矿井的开采深度往往较大，多实行多水平开采。为了减少井下疏水孔的钻孔长度，常希望将疏水孔施工于深部水平；为了减少疏放出的水排至地面的排水扬程，减少矿井排水运行电费，常希望将疏水孔施工于矿井浅部水平。为了同时兼顾疏水孔长度和矿井排水扬程两个因素，可采用压力传递式井下疏水方式，即将疏放水钻孔施工于深部水平，通过专门的疏水管线连接疏水孔口和上水平排水系统，让深部水平放出的水在水压力的作用下通过管线无需人工提供动力自动流向上部水平，然后通过上水平矿井排水系统排至地面。图1.11所示的压力传递式井下疏水系统既可减少钻孔深度h，也可减少动力排水扬程h。图1.9 压力传递式井下疏水钻孔1.2.2.3 井上下联合疏水1）地表井下联合疏干 系指在同一矿井（区内），同时采用地表疏水和井下疏水两种方式。地表井下联合疏水一般是在矿井水文地质条件复杂，单一疏干方式效果不好或不够经济合理时采用。2）多矿井联合疏水 系指在一个矿区或同一个水文地质单元内，采用两个以上的多个矿井联合疏水，即多个矿井协同作战，相邻矿井之间的疏水系统互相协调形成对统一含水层的整体疏水系统。虽然矿井可以人为地划分为多个。但不同矿井受水威胁的含水层往往是一个整体，他们具有统一的补给、径流和排泄方式。在这种条件下，不同矿井之间的疏水工程相互协调，统一规划，会取得更好的疏水效果，实现整个矿区或同一水文地质单元的联合疏干，提高整体疏千效果和经济效益。多矿井联台疏水一般在喀斯特充水矿床、大水矿区采用。3）供疏结合的联合疏水 我国许多大水矿区一方面地面供水（工业、农业、居民饮用）紧张，另一方面井下水害严重，造成了矿区供水与矿井排水之间严重的矛盾。为了解决矿区供水与矿井排水之间的矛盾，可以利用矿区供水水源地直接作为矿井疏放水系统，或者将矿井疏水系统直接用作矿区供水水源地，实现疏供水结合。选择合理的疏干方式，是一项重要的防治水工程设计任务。在确定采用预先疏干或并行疏干，以及具体选择疏干方式和方案时，必须充分研究整个矿井（区）和各主要运输巷、石门或采区的水文地质及工程地质特征，并针对不同的充水岩层（体）或富水带，采用不同的疏干方案。在疏干过程中，为减少充水岩层（体）的补给来源，减少井下影响安全生产的涌水点，结合必要的地下水截堵工程，实现有效地疏干，增加一些综合性的防治水措施是完全必要的。1.3 课题研究内容、方法和路线根据邱集井田水文地质条件和开采技术条件，课题组制定了详细的研究内容、方法和研究路线。1.3.1 主要研究内容及研究思路（1）矿井水害防治基本理论与方法研究通过矿井水害防治理论与方法的研究，确定矿井水文地质条件勘探工程的研究内容和研究方法。（2）基于多元连通（示踪）试验技术的突水水源研究多元连通（示踪）试验的主要目的是要查明地面奥灰观测孔、徐灰观测孔与井下四、五灰出水点之间的水力联系；确定观测孔与井下四、五灰疏放水孔的补给关系等水文地质条件。（3）奥灰水文地质条件的瞬变电磁法（TEM）技术研究通过对西一采区范围内的煤层底板实施瞬变电磁法探测工程，查明奥灰富水情况、四、五灰的补给通道以及岩溶发育范围。（4）四、五灰水文地质条件的FEFLOW数值模拟研究；（5）基于水文地质条件综合研究的防治水方法研究；（6）10煤层疏放水设计与工程实践。1.3.2 研究方法与路线课题采用理论分析、理论计算、数值模拟、现场实测等综合研究方法。研究路线见图1.12。图1.4.1 课题研究技术路线2基于综合水文地质勘探工程的疏放水煤层开采技术 邱集井田地质及水文地质基本条件2 邱集井田地质及水文地质基本条件2.1 井田概况2.1.1 井田及矿井概况邱集井田位于山东省西北部，其东部及中部行政归属德州地区齐河县、西部行政归属聊城地区东阿县管辖。井田地理坐标东经11623451163107，北纬362657363057。本井田属黄河北煤田的一部分，东以F8断层与赵官镇勘探区分界，西至F1断层为界，北自F11断层（原F13），南至13煤层露头及F2断层。东西长59km，平均7.1km；南北宽37km，平均5.5km，面积约39km2。本井田位于京沪铁路西侧，东距京沪线晏城车站52km，井田内有公路相通，向东北至济南89km，西到东阿26km。黄河流经本井田东南，相距814km，水陆交通方便，交通位置见图2.1图2.1 交通位置图邱集煤矿年设计生产能力45万t，于1999年5月试生产，2005年生产原煤65万t。投产后主要开采7煤层，现生产水平为-395m水平，西一、西三上山采区7煤层回采完毕，西一采区10煤层已形成生产系统。井下395m中央泵房装备8台D580608型水泵，敷设3趟325mm无缝钢管,一趟425mm立排孔,排水能力3100m3/h，矿井水仓10000m3。2.1.2 井田范围自然地理概况1）地形地貌本区地处华北平原南部。区内地势平坦，地面高程+27+30m，地面坡度0.05%。本区东南1015km处为寒武、奥陶系组成的丘陵及低山，标高+150+300m，其间有黄河流过。区内地面低于河床，地势低洼，雨季容易受涝。2）水系我国最大的水系之一黄河自西南向东北方向流经本区南侧，东侧有引黄灌渠与之相通。据济南水文总站提供，平阴艾山站1958年7月21日流量为12600m3/s，7月22日洪水位达+43.13m。又据济南洛口水文站观测，1958年7月23日特大洪峰，水位达+32.08m，高出本区25m，流量为11800m3/s。3）气象本区为温带季风型半湿润大陆性气候。据齐河县气象站19591985年观测，气温、降水量、蒸发量等情况如下：（1）气温年平均气温13.4，年平均最高气温19.0，年平均最低气温8.7，月最低值-10.4（1963年1月），日最低气温-22.0（1959年12月21日），多年最低气温月为1月（-6.7），常年1月平均气温为-2.5。（2）降雨量年平均降雨量619.44mm，年最大降雨量1092.0mm（1961年），日最大降雨量177.7mm（1972年7月7日），年最低降雨量354.3mm（1981年）。降水量多集中在7、8月份，春季偏少，多有夏涝、春旱，有时晚秋也出现旱象。（3）蒸发量年平均蒸发量1931.1mm，年最大蒸发量2584.0mm（1960年），年最少蒸发量1572.2mm（1984年）。（4）其它年平均风速2.9m/s。最大风速20.0m/s。最大冻土深度47cm（1977年2月）。最大积雪厚度15cm（1972年1月31日）。2.2 地层与含煤地层2.2.1 地层本区地层属华北型地层鲁西地层系统。本井田为全隐蔽式石炭、二迭系煤田，煤系基底为中、下奥陶系地层，奥陶系地层之上依次沉积了中石炭统本溪组、上石炭统太原组、下二迭统山西组、下石盒子组、上二迭统上石盒子组，以及第三系和第四系地层。本井田地层自上而下分述如下：1）第四系（Q）第四系（Q）厚71.70135.00m，平均98.9m。上部为黄沙近代淤积的粉砂土和黄土，中下部以砂质粘土和粘土为主，粘土呈半固结状，可塑性强，隔水性好，夹砂数层。底部有一不稳定的灰、褐黄色砂砾层与上第三系分界，砾石成份以石灰岩为主，岩浆岩、石英岩次之，混杂大量粗砂及粘土。与上部第三系呈角度不整合接触。2）上第三系（N）上第三系（N）厚140.6324.9m，平均217.7m，由东南向西北逐渐增厚。以粘土为主，上部多为紫红、灰绿等杂色，中下部多为绿至灰白色。上部夹砂数层，下部夹钙质粘土、泥灰岩及钙质细砂岩，溶蚀现象发育。常含有丰富的动物化石，如平卷螺、钻子螺等。底部有一不稳定的砾石层，砾石成分以石灰岩为主，片麻岩、岩浆岩次之。角度不整合于古生界之上。3）上二迭统上石盒子组（P）上二迭统上石盒子在本井田钻孔最大揭露残厚281.60m。属干旱条件下的内陆河床相及湖泊相沉积。主要由紫红、灰绿、灰黄、浅灰色等杂色粘土岩，粉砂岩及灰白、灰绿色砂岩组成。以底部灰绿色鲕状铝土岩（B层）下的粗砂岩底界与下石盒子组分界。4）下二迭统下石盒子组（P） 下二迭统下石盒子组厚29.8869.87m，平均47.93m。以陆相沉积为主，主要分布在井田的北部，主要由灰绿色砂岩，杂色粘土岩组成，局部夹灰色至深灰色粘土岩及粉砂岩。底部常以一层灰白色中粗砂岩与山西组分界，二者为连续沉积。5）下二迭统山西组（P）下二迭统山西组厚72.0105.6m，平均84.6m。为陆相及海陆过渡相沉积，为本井田含煤地层之一，主要分布在本区的中及西北部。由灰、灰绿色、灰白色中、细砂岩，灰、深灰色粉砂岩，粉砂质泥岩、泥岩及煤层组成。煤层集中于中下部，井田内仅见3、4煤层，4煤层局部可采。以4、5煤层之间最下一层砂岩底界与太原组分界，二者为连续沉积。本组粉砂岩中含羊齿、科达、丁氏厥等化石。6）上石炭统太原组（C3）上石炭统太原组厚170.0177.5m，平均174.0m。本组属典型的海陆交互沉积，是本井田主要含煤地层。由深灰、灰黑色泥岩、粉砂岩以及中、细砂岩、薄层石灰岩及煤层组成。夹石灰岩五层，由上而下依次为一、二、三、四、五灰。其中一灰和四灰全区发育，厚度比较稳定，特征明显，是煤层对比的重要标志。本组含煤9层，由上而下为5、6、7、8、9、10、11、13、14煤层，主要可采煤层11、13煤层赋存在五灰以下。14煤层底板以一层石英细砂岩与本溪组分界。为连续沉积。本组石灰岩中富含腕足类，瓣鳃类、蜓、珊瑚、海百合等化石；粉砂岩及泥岩中含鳞木、芦木、轮叶等化石。7）中石炭统本溪组（C2）厚27.842.5m，平均34.3m。井田中部较厚，两翼渐薄。本组为一套海陆交互相沉积。由灰黑色泥岩、粉砂岩，灰色粘土岩、石灰岩、砂岩、铁铝质泥岩、杂色粘土岩等组成。顶部六灰为一层不稳定的石灰岩；中部徐家庄灰岩常含遂石结核及海相动物化石，厚度大且稳定（7.7012.40m，平均10.03m），是本区良好的标志层；下部见铁铝质鲕状泥岩及杂色粘土岩。偶夹薄煤层（15、16煤层），一般不可采，无经济价值。与下伏奥陶统呈假整合接触。本组石灰岩中含蜓及腕足类化石。8）奥陶系中下统（O1+2）井田内最大揭露厚度188.3m。主要以浅灰、灰、灰褐色中厚层状石灰岩为主。具豹皮状，产珠角石化石。间夹多层黄灰色泥质灰岩、灰绿色泥岩及深灰色粉砂岩。多见溶洞及溶蚀现象，裂隙较发育，多数被方解石充填。为煤系地层的主要充水含水层。根据井田外围出露情况，全厚可达800m左右。2.2.2 煤层本井田含煤地层主要为上石炭统太原组及下二迭统山西组，平均总厚度258.61m。山西组含煤3层，均为不稳定煤层；仅有4-1煤层局部可采；太原组含煤9层，有4层可采(7、10、11、13层)，可采煤层总厚9.19m。4-1煤层：位于山西组的中部，煤层厚度为01.71m，平均0.82m，为局部可采的不稳定煤层。下距一灰48.8172.20m，平均61.92m。该煤层结构简单，煤层局部含夹石12层。7煤层：位于太原组的中上部，煤层厚度为02.13m，平均1.07m。本区大部分可采，只在井田东部和西部出现无煤区，东部面积约1.5km2，为沉积缺失；西部为冲刷缺失。该煤层结构简单，局部含夹石一层到二层。上距一灰12.3826.19m，平均为19.58m，下距二灰14.037.74m，平均28.25m。10煤层：位于太原组中部偏下，厚02.18m，平均1.06m。煤层结构简单，部分煤层有12层夹石，沉积稳定。上距7煤层31.6854.50m，平均45.57m。上距二灰11.3023.59m，平均15.53m。下距三灰08.17m，平均1.31m，局部地段10煤层直接底板为三灰。10煤层下距四、五灰间距30.3849.25m，平均41.22m。11煤层：位于太原组下部，直接顶板为四灰、五灰，底板多为细粉砂岩。煤层厚度1.503.44m，平均2.04m。煤层结构简单，沉积稳定。上距10煤层39.6358.50m，平均50.46m。下距13煤层4.679.38m，平均6.62m。13煤层：位于太原组底部，煤层厚度为2.266.46m，平均4.2m。结构复杂，含夹石16层。上距11煤层4.679.38m，平均6.62m。下距徐灰18.0228.13m，平均24.16m。2.3 井田地质构造本井田为一走向近东西，倾向南北，被断层切割的单斜构造，倾角一般512，次一级褶曲不甚发育，东北部有岩浆岩侵入，构造复杂程度中等。井田东部边界大断层F8，H=2550m，北北东向，东升西降；西部边界大断层F1，断层落差240250m，北东向，东升西降；北部边界大断层F11，断层落差90110m，北东东向，南升北降，西南部边界大断层F2，落差160250m，南东东向，南升北降，东南部为各煤层露头。该井田内的断层展布方向受边界大断层的控制，主要发育两组断层，以北东北北东向断层为主，近东西向次之。据勘探资料，北东向断层F6，落差4570m，将井田分割为东西两大部分，东北部北东向断层发育并有火成岩侵入；东南部主要有两条东西向断层及轴向为北北西的倾伏向斜；F6的西部主要发育北东北北东向断层。2.4 井田区域水文地质条件2.4.1 区域水文地质区域范围：西南起平阴和刘集断层，东北至济南火成岩体，本井田西北为黄河沿岸，东南包括黄河支流的小沙河、大沙河、玉府河流域在内地下水包括四部分。1）前震旦系高山、中高山泰山杂岩裂隙水区位于区域的东南部，标高多在900m上下，分水岭长约84km，受水面积约600km2，本区裂隙水含量不大。2）寒武系中、高山岩溶裂隙水区位于泰山杂岩裂隙水区西北，此为玉府河北分水岭，长约38km，山峰标高多在500m上下，西南面为沙河，西分水岭长约27km；全区范围750km2，山区岩溶、裂隙较发育，并接受大气降水补给，因流失快，一般存不住水，富水性较差。3）奥陶系低山丘陵岩溶、裂隙水区该区卵石层厚16m多，直接覆盖在奥陶系石灰岩之上，第四系卵石层的水和奥灰岩溶水连成一体，是奥灰水的补给区，水量相当丰富。4）平原冲积、洪积层覆盖下奥灰岩溶裂隙水区黄河南岸西南起广里，东北至济南火成岩体，为奥灰岩溶裂隙水承压运动区，奥灰和第四系、上第三系直接接触，存在相互的水力联系，地表水则自成系统。奥灰水总的运动方向是自西南向东北，是煤田内各含水层的主要补给水源。2.4.2 区域主要含水层开采煤层时直接充水含水层有：太原组一灰、二灰、三灰、四灰、五灰，本溪组徐灰和奥陶系灰岩。一灰：平均厚度为2.00m，浅灰色，顶部含泥质，中下部质较纯，岩芯见小裂隙、小溶洞。初始水位高出地面3.5m，q=0.06450.3069L/sm，富水性弱到中等。下距7煤层12.3826.19m，平均19.58m。二灰：平均厚度为2.06m，灰至深灰色，上部含泥质，下部致密、坚硬，质较纯，初始水位高出地面3.72m，-400m水平水压为4.33MPa，为裂隙承压含水层，q=0.00040.0276L/sm，富水性弱。上距7煤层14.0037.74m，平均28.25m。三灰：平均厚度为1.62m，深灰色，致密、坚硬，岩芯见小裂隙和小溶洞，初始水位高出地面0.48m。属于裂隙承压含水层，q=0.0004L/sm富水性弱。为10煤层底板，一般距10煤层间距0.51.0m。四、五灰：上距10煤层间距为30.3849.25m，平均间距为41.22m，四、五灰平均间距为1.37m，可视为一个含水层，四、五灰平均总厚9.25m，岩芯有裂隙和小溶洞，深灰至灰黑色，致密、坚硬，含燧石，初始水位高出地面4.12m，为裂隙承压含水层。q=0.0270.733L/sm，富水性弱至中等。为11煤层顶板，下距13煤层4.679.38m，平均6.62m。徐灰：平均厚度为9.81m，为灰至深灰色，致密、坚硬，含燧石，岩芯见裂隙和小溶洞，初始水位高出地面4.20m，为岩溶裂隙承压含水层。q=0.01690.286L/sm，富水性弱至中等。上距11煤层间距为30.6239.14m，平均35.40m；上距13煤层间距为18.0228.13m，平均24.16m；与奥灰相距平均78m，是开采11、13煤层的潜在充水含水层。奥灰：厚700余m，为灰至深灰色，隐晶质，岩芯溶蚀破碎，见小溶洞；初始水位高出地面4.68m，q=0.024.141L/sm，富水性弱至强。奥灰是以上各含水层的主要补给水源，为矿井开采下组煤的潜在充水含水层。关于矿井水文地质边界条件和含水层间的水力联系，将后面专门阐述，此处不在赘述。2.4.3 区域主要隔水层区内隔水层主要有上第三系隔水层组、7煤层至一灰间煤系隔水层、10煤层至四、五灰间煤系隔水层、11煤层至徐灰间煤系隔水层。上第三系隔水层组：位于上第三系的中部和下部，岩性以粘土类为主，包括纯粘土、钙质粘土、粉砂质粘土、砂质粘土、含姜结石粘土、含砾粘土等，在总厚200余m的地层中，粘土类占80以上，分布普遍、厚度大、塑性强，不易破坏，以不整合关系覆盖于其它基岩含水层之上，使上覆第四系水与下伏基岩含水层相隔绝。7煤层至一灰间煤系隔水层：厚度约20m，海陆交互相沉积，由深灰色、灰黑色粉砂岩、泥岩、灰色砂岩和煤层组成。10煤层至四、五灰间煤系隔水层：总厚41.22m，除1.62m的三灰作为10煤层底板外，其余均为海陆交互相沉积，由深灰色、灰黑色粉砂岩、泥岩、灰色砂岩组成。11煤层至徐灰间煤系隔水层：总厚35.4m，其中含13煤层、14煤层，其余为粘土岩、粉砂岩、细砂岩和泥岩。2.4.4 井田水文边界条件分析井田东部边界为F8断层，是一东升西降的正断层，据精补勘探资料断层落差2550m，造成井田外徐灰、奥灰与井田内四、五灰对口相接，从地质构造角度分析，存在井田外徐灰、奥灰含水层对口补给井田内四、五灰含水层的可能性。井田北部边界为F11断层，该断层落差110m，位于井田深部，南升北降，使井田内四、五灰含水层与井田外煤系地层对接，可按阻水边界考虑；井田西界F3断层等断层组阶梯式向西断下，经s5、x证实，为水边界；井田南部边界以F2断层和13煤层露头为界，为补给边界。F2断层落差25160m，井田内下降，井田外上升，可看作补给边界。井田上部为上第三系和第四系地层。上第三系中部一套200余m的地层基本为粘土，构成上部隔水边界，从而使第四系含水层与下伏各含水层不存在水力联系。但上第三系局部底砾岩与下伏各灰岩含水层的露头存在一定的水力联系。井田底部为奥陶系灰岩含水层，厚度大，据勘探资料其补给范围达320km2以上，因此具有一定的动储量和静储量。该含水层应是井田内各灰岩含水层的补给源，是下部补给边界。基于综合水文地质勘探工程的疏放水煤层开采技术 矿井水害防治基本理论与方法应用研究3 矿井水害防治基本理论与方法应用研究我国作为世界上第一采煤大国，煤炭资源十分丰富且地域分布辽阔，煤矿床水文地质条件复杂，是世界上矿山水害最严重的国家之一。而我国煤矿水害又以喀斯特型矿山水害为最主要类型，这主要是因为北方广泛分布的石炭二叠纪煤田以太原群和奥陶系石灰岩作为直接或间接底板，南方大部分乐平煤系也以灰岩水为主要充水水源的特点所决定的。但是从矿床水文地质角度来分析，不管是北方煤田还是南方煤田，严重威胁矿井安全的矿井充水水源主要是喀斯特类型的含水层。由于矿床所处地域的差别、气象的差别和地质条件的差别，其矿床水文地质条件和矿山水害类型也具有明显的地域性和典型性特征。北方区主要位于辽、冀、鲁、晋、豫、陕六省，甘、宁、吉三省的南部，苏、皖两省北部以及其他一些地区。区内主要可采煤层为石炭二叠系煤层，主要充水含水层为煤系下伏的太原群多层状产出的薄层灰岩复合含水层组（多个薄层灰岩之间存在着某种形式的水力联系）和奥陶系巨厚层灰岩含水层；地表多覆盖有厚度不等的第四系松散沉积潜水含水层，大气降水可直接通过灰岩含水层的裸露区或通过第四系含水层覆盖的隐伏露头区补给灰岩含水层。该区煤矿床与含水层之间的空间结构关系如图3.1所示。由图可见，中奥陶统石灰岩含水层往往处于高承压状态，并经常通过构造裂隙，断层或陷落柱与上部的太原群薄层灰岩含水层组产生水力联系，并通过煤层底板导水构造（裂隙、断层、陷落柱）导入矿坑，或者高压水直接破坏受采矿扰动的底板隔水岩层形成底板突水，因此，在这一地区奥陶系石灰岩是对矿床开采影响最大的含水层。南方区主要位于粤、闽、赣、浙、台湾及苏、皖南部和鄂、湘、桂三省的东部地。南方区的矿床水害主要以灰岩充水为主，其喀斯特水的主要水文地质特征是：泥盆纪融县灰岩，石炭纪黄龙灰岩、船山灰岩、壶天灰岩，二叠系茅口灰岩、长兴灰岩，三叠纪大冶灰岩为该区煤矿床主要充水水源含水层，而茅口灰岩是厚度最大，富水性最强的含水层；含水层的喀斯特普遍比较发育，且喀斯特形态以溶洞为主；第四系覆盖下的喀斯特含水层在矿区抽排水过程中经常引起大面积的地面塌陷，甚至造成地表水溃入矿井。南方区煤矿床喀斯特水文地质条件不同于北方区的最大特点是，灰岩含水层与可采煤层在地质剖面上交互出现（北方区主要含水层位于主要可采煤层底板之下）。所以，丰富的灰岩水可通过主采煤层的顶板、底板等不同方向涌入矿井，给煤矿安全生产造成威胁。图3.2为南方区主要可采煤层与灰岩含水层结构关系示意图。图3.1 华北区煤层与喀斯特含 图3.2 南方区煤层与喀斯特 水层空间结构关系示意图 含水层结构关系示意图3.1 矿井导水通道及其充水特征不同成因、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如下。3.1.1 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，会形成矿井充水的良好通道。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。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与二者之间。实际上，断层的导、储水性要远比上述规律复杂得多，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、喀斯特发育，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、石英砂岩），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分充填，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，应特别注意不要轻易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位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作出评价。3.1.2 顶板垮落顶板垮落形成的导水裂隙，其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，如果没有专门顶板控制技术，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，不同因素的组合会产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3个不同性质的破坏和变形影响带（图3.3）。图3.3 顶板破坏与变形规律示意图（1）垮落带 指采矿工作面放顶后引起的直接顶板垮落破坏范围。根据垮落块的破坏程度和堆积状况，可分为规则垮落带和不规则杂乱垮落带。如果垮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）断裂带 指垮落带以上大量出现的切层、离层和断裂或裂缝发育带。该带一般由下而上，其断裂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。（3）弯曲带 指断裂带以上至地表的整个范围内岩体发生弯曲下沉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，而其断裂化程度较弱，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，即垮落断裂带（垮落带和断裂带之和，又称导水断裂带）和弯曲带。对矿井突水有意义的主要是垮落断裂带，即导水断裂带。当顶板裂隙沟通工作面或巷道上覆含水层时，矿井突水则不可避免。3.1.3 底板破坏当矿层底板隔水层之下赋存有高承压水时，在矿床未开采前，水岩处于一定的力平衡状态之下，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沟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隔水层之下喀斯特承压水突水事故占我国煤矿总突水事故的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