不连沟煤矿特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案2015-2-6

1、内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司特厚大采高综放开采煤层顶板导水裂缝带特厚大采高综放开采煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案发育规律研究方案委托单位：内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司委托单位：内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司编制单位：中煤科工集团西安研究院有限公司编制单位：中煤科工集团西安研究院有限公司二二一五年二月一五年二月内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司特厚大采高综放开采煤层顶板导水裂隙带特厚大采高综放开采煤层顶板导水裂隙带发育规律研究方案发育规律研究方案 院 长：董书宁总工程师：虎维岳项目负责：邵东梅设 计：邵东梅参加人员：朱开

2、鹏 朱宏军 薛建坤制图人员：朱宏军审 核：黄选明完成时间：二一五年二月中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案i目目 录录1 前言.12 矿井概况.22.1 位置与交通.22.1.1 位置.22.1.2 交通.32.2 自然地理.42.2.1 地形地貌.42.2.2 水文、气象.53 地质与水文地质条件.63.1 地质.63.1.1 井田地层.63.1.2 井田构造.93.2 水文地质条件.123.2.1 含（隔）水层.123.2.2 地表水与地下水之间的关系.143.3 煤层.154 顶板导水裂缝带观测方案.164.1 目的与任务.164.2 工程布置

3、.164.3 钻孔结构及技术要求.174.3.1 钻孔结构.174.3.2 技术要求.194.4 顶板导水裂缝带发育规律研究方法.194.4.1 钻液漏失量观测法.194.4.2 钻孔彩色电视法.20中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案ii4.4.3 数值模拟法.224.4.4 相似材料模拟.225 成果报告主要内容.246 项目预算.25中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案11 前言前言内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司是由中国华电煤业集团和内蒙古蒙泰煤电集团共同出资组建的合资公司 （以下简称蒙泰不连沟煤业

4、公司） 。不连沟煤矿井田范围由 8 个拐点圈定，面积 33.2114km2。设计生产能力 15Mt/a，矿井目前开采 6#煤，煤层埋藏深度 160.90m442.75m，平均 305.73m。6#煤可采厚度 2.50m35.50m，平均 15.18m，属于特厚煤层；工作面采高4.0m，属于大采高开采；采用长壁综合机械化放顶煤开采，自然垮落法顶板管理。顶板发育有二叠系砂岩裂隙含水层、白垩系孔隙裂隙含水层、第四系松散含水层等，各含水层富水性均不均一，局部可能富水。地表有沟谷发育，雨季可形成季节性河流，特别是受采动影响后易形成规模较大的地表塌陷坑，雨季易成为地表水体，增加矿井防治水危险性。所以，特厚

5、煤层大采高综放开采条件下，顶板覆岩破坏规律，及破坏后导水性变化特征，对顶板水害及地表水防治至关重要。为解决这一课题，拟采用现场实测、数值模拟、相似材料模拟等手段，开展不连沟煤矿特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究工作，综合研究评价不连沟煤矿特有地质、水文地质、开采工艺条件下，顶板导水裂缝带发育规模、变化特征，为顶板水害防治及地表水防治提供技术支撑。中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案22 矿井概况矿井概况2.1 位置与交通位置与交通2.1.1 位置位置不连沟井田位于准格尔煤田最北部，行政隶属准格尔旗东孔兑乡，隔黄河北与托县为邻，东与清水河相望

6、。地理坐标：东经 11116001112002；北纬 395542400000。井田边界拐点坐标见表 2-1。井田南北最长处 7.97km，东西最宽处5.72km，面积 33.2114km2。表表 2-1 不连沟煤矿井田拐点坐标不连沟煤矿井田拐点坐标地 理 坐 标北京 54 直角坐标拐点编号经 度纬 度X（m）Y(m)111120003956574424032.6037528485.40211119223956574424029.3037527586.30311118303955424421711.7037526357.00411116003955424421700.6637522795.30

7、511116003957454425477.5037522784.50611118444000004429654.1037526685.00711119154000004429680.0037527397.20811120023959204428700.0037528515.90不连沟煤矿周边主要有孔兑沟井田、唐家会井田、玻璃沟井田、牛连沟煤矿、扶贫煤矿及小鱼沟煤矿等。不连沟煤矿与周边煤矿位置关系详见图 2-1。中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案3图图 2-1 不连沟煤矿与周边煤矿位置关系不连沟煤矿与周边煤矿位置关系2.1.2 交通交通109 国道

8、(北京-拉萨) 从井田中部通过，南距准格尔旗薛家湾镇约 10km，距准格尔旗薛家湾镇丰准铁路集装站（丰镇准格尔旗）11km。G109 国道与S103 省道（呼市准格尔旗）相接。准格尔旗薛家湾镇向西沿 G109 国道150km 至鄂尔多斯市东胜区与 G210 国道、包神铁路相接，以上公路均为一级柏油路面。随着鄂尔多斯市周边旗县的发展，矿区交通条件便利（图 2-1） 。中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案4图图 2-1 不连沟煤矿交通位置图不连沟煤矿交通位置图2.2 自然地理自然地理2.2.1 地形地貌地形地貌井田位于鄂尔多斯黄土高原，呈典型的黄土高原地

9、貌。地表被广厚的黄土中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案5和风积沙大面积覆盖。只在较大的冲沟中才有基岩出露，因受流水等自然营力作用，水土流失严重，树枝状冲沟十分发育，形成沟壑纵横、沟深壁陡、支离破碎的复杂地形。地形总趋势是西南高，东北低，海拔标高 1127 m1346m，高差 219m。2.2.2 水水文、气象文、气象 1）水文）水文井田内发育有大不连沟、小不连沟、不连沟、房塔沟、水涧沟等，其支沟特别发育，多以向源侵蚀为主，横断面常呈“U”字型，形成陡峻的峡谷，沟源及两侧多有泉水涌出，形成溪流，经不连沟注入黄河。雨季多瀑发山洪，其流量大，时间短，水动

10、力强，水土流失严重，旱季沟口截流灌溉农田，但时有干涸。黄河从井田东缘流过，为井田最大的地表水体。据黄河水利委员会头道拐水文站观测资料，水位标高：最低 984.52m（1978 年 7 月 20 日） ，最高990.33m（1981 年 9 月 26 日） ，河水流量最小 55.2m3/s（1980 年 6 月 27 日） ，最大 5150 m3/s（1981 年 9 月 26 日） 。年平均含沙量为 5.74 kg/m324.30 kg/m3。2）气象）气象本区属大陆性干旱气候。冬季严寒，夏季温热而短暂，寒暑变化剧烈，昼夜温差大，年平均气温 5.37.6，最低气温36.3，一般结冰期为每年10

11、 月至翌年 4 月，最大冻土深度 1.50 m。降雨多集中在 7、8、9 三个月，占年总降水量的 6070。年总降水量为 231mm459mm，年平均降水量408mm，月最大降水量 247.5mm。年总蒸发量为 1824.7mm2204.6mm。本地区无霜期约 150 天，初霜日为每年 9 月 30 日左右，积雪厚度 20mm150mm。区内受季风影响，冬春季多风，风速一般为 16m/s20m/s，年最大风速40m/s。进入上世纪 90 年代，本地气候有所变化。气温有逐年增高的趋势，且季节性温差也逐年减小，形成夏季持续高温干旱现象，最高气温达 38。伴随着气温的干旱趋势，地区性扬沙天气和沙尘暴

12、次数增多。最严重的是 2000 年，沙尘暴达 12 次之多，扬沙天气 7 次。3）地震）地震根据内蒙古地震观测资料记载，1976 年 4 月 4 日，在距本区约 100km 的和中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案6林格尔县新店子，发生了 6.3 级地震，波及到准格尔旗一带，地震烈度为 6 度。据“中国地震动参数区划图”划分，地震动峰值加速度为 0.10 g，对照烈度 7 度。中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案73 地质与水文地质条件地质与水文地质条件3.1 地质地质3.1.1 井田地层井田地层井田大部被

13、第四系黄土和风积沙所覆盖，只有局部的梁顶或冲沟中才有基岩出露，但仅为非煤系地层。根据地表出露及钻孔揭露，本井田地层层序自下而上为：下奥陶统亮甲山组、马家沟组，上石炭统太原组，下二叠统山西组、下石盒子组，上二叠统上石盒子组，下白垩统志丹群，第三系上新统，第四系上更新统及全新统的近代沉积，下面由老到新分别加以叙述： 1）奥陶系（O） 亮甲山组（O1l）：为浅海相沉积。岩性为浅灰、灰黄色中厚层白云岩。致密性脆，风化后呈黄褐色，化石少见。喀斯特溶洞发育，井田南部 526 号孔见到此层，厚度18.95m，井田内无出露。马家沟组（O1m）：为浅海相沉积，是煤系地层的直接基底。岩性为浅灰黄色、棕灰色薄层泥质

14、灰岩，厚层状石灰岩，间夹薄层结晶灰岩，局部为豹皮状灰岩，下部为黄绿色薄层泥质灰岩，厚层灰岩，石英砂岩互层。见有明显的溶蚀现象，富含动物化石。常见动物化石有：Manchuroceras cf platyventrum 平腹东北角石（比较种） Linchengoceras sp 临城角石（未定种）Manchuroceras sp 东北角石（未定种）钻孔仅揭露其顶部，揭露最大厚度 24.55m，平均 8.25m。井田内无出露。2）石炭系（C）太原组下段（C2t1） （相当于原本溪组）：为一套浅海过渡相细碎屑岩沉积。岩性由灰色、深灰色粘土岩、泥岩、砂岩组成，上部夹有不稳定的煤线。底部为较稳定的灰色、灰

15、白色厚层状铝土质泥岩，相当于 G 层铝土矿层位和一层鸡窝状褐铁矿层，即“山西式铁矿”层。本段地层厚度 1.50m25.38m，平均11.62m，全井田分布。与下伏地层下奥陶统平行不整合接触。井田内无出露。太原组上段（C2t2） （相当于原太原组）：为过渡相陆相沉积，是本井中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案8田主要含煤地层。由灰黑色泥岩、砂质泥岩、灰白色粗粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩，薄层深灰色粘土岩、6 上、6、6 下、9 上、9、10 号煤层组成。根据岩性组合特征，本组可划分为上下两个岩段：下段（C3t2-1）：顶部为黑色泥岩，致密，坚硬。上部为灰白

16、色粗砂岩，一般厚度为 10m 左右，全井田分布。中部主要由深灰色、黑色泥岩及煤层组成，夹透镜状中细砂岩及粗砂岩，含 9 上、9、10 号煤层，9 上煤层为 9 号煤层分叉而成，近全井田可采，9 号煤层近全井田可采，10 号煤层极不稳定，不可采。底部有一层灰白色中、粗粒石英砂岩（K1） ，富含铁质，坚硬，致密，层位稳定，具大型斜层理，交错层理，是太原组上、下段的分界标志层，砂岩最大厚度23.83m，一般厚度为 6.63m 左右。上段（C2t2-2）：顶部岩性为黑色泥岩、砂泥岩、深灰色粘土岩、炭质泥岩及6 上煤层，6 上煤层局部可采；上部为 6 号煤层，较稳定，厚度大，全井田可采。6 上与 6 号

17、煤层间夹透镜状砂岩，砂岩一般厚在 10m 左右，系 6 号煤层发育期的河流沉积物。下部为灰白色粗砂岩（K2） ，局部夹薄层泥岩及煤线，粗砂岩为中粒粗粒结构，分选一般，磨圆度差，最大厚度 24.79m，一般厚度 6.69m，较稳定，为对比标志层。本组地层厚度变化在 34.95m89.45m 之间，平均厚度为66.79m，厚度变化大，不稳定，与下伏地层太原组下段（C3t2-1）整合接触。 3）二叠系（P）山西组（P1s）：为内陆碎屑岩沉积。是本井田的含煤地层，主要由灰白色粗砂岩、浅灰及灰黑色砂质泥岩、泥岩、深灰色粘土岩及 1、3、5 号煤层组成。划分上、中、下三段。下段（P1s1）：顶部多以砂质粘

18、土岩出现，局部较纯，部分地区被砂质泥岩取代，中厚层状，井田内大部分布。上部为灰黑色泥岩、砂质泥岩、深灰色砂质粘土岩、灰白色粉砂岩互层。中夹 5 号煤层，5 号煤层不稳定，局部可采，主要分布于井田南部。下部为灰白色粗砂岩（K3） ，局部含砾，厚度变化在6.60m14.30m 之间，平均 10.87m，不稳定，厚砂带在中北部，沿 NWSE 向展布。对下伏地层有冲蚀现象，为山西组与太原组的分界标志层。中段（P 1s2）顶部为深灰色粘土岩，大部分为砂质粘土岩，个别地段较纯，中厚层状，井田内大部分布。中上部为灰、灰黑色砂质泥岩、泥岩、深灰色砂中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝

19、带发育规律研究方案9质粘土岩、薄层砂岩互层，中夹极不稳定的 3 号煤层，不可采，分布于井田的中部。下部为灰白色粗砂岩，局部含砾，不稳定。上段（P 1s3）：顶部为深灰色粘土岩，大部分为砂质粘土岩，局部变为砂质泥岩、泥岩，上部为浅灰色、灰色砂质泥岩、泥岩、砂质粘土岩互层，局部夹薄层砂岩。下部为灰白色粗砂岩，局部含砾，不稳定。本组地层厚度 6.32m82.79m，一般 48.58m，全井田分布，与下伏地层太原组（C2t）整合接触。井田内无出露。下石盒子组（P1x）：为内陆盆地砂泥质沉积。由紫红色、绛紫色砂岩、砂泥岩、泥岩，灰、灰绿色砂质粘土岩，灰白黄色粗砂岩组成。划分上下两段。下段（P1x1）：上

20、部为紫色粗砂岩、细砂岩、砂泥岩、泥岩互层，中下部为厚层状紫色砂岩、杂色砂质泥岩，底部为灰白、黄色粗砂岩（K4） ，局部含砾，成为与山西组的分界标志。上段（P1x2）：主要为灰绿色粗砂岩、砂质泥岩、砂质粘土岩、砂岩，局部含砾。 本组地层厚度 10.76m95.50m，一般厚度 58.63m，分布于中南部 6 勘探线以南。与下伏山西组（P1s）整合接触，井田内无出露。上石盒子组（P2s）：为内陆盆地砂泥质沉积。其岩性 主要有紫红色砂质泥岩，灰绿色细、粉砂岩，间夹灰绿色、浅白色中粗粒砂岩。底部为灰绿色砂砾岩，砾石以分选不好，胶结疏松为特征。本组地层厚度 12.70m130.37m，平均厚度 60.5

21、9m，分布在 10 勘探线以南，与下石盒子组（P1x）整合接触。井田内无出露。4）白垩系（K）志丹群（K1 zh）：为内陆开阔盆地河湖砂泥质沉积。根据岩性特征划分三段。下段：由浅紫、紫红色砾岩、砂砾岩、砂质泥岩互层。砾石成分复杂：花岗岩、花岗片麻岩、偶见沉积碎屑、角砾，砾径 0.02m0.15m。充填物为砂质。距底部 15m 处，有一层黑色、灰绿色玄武岩，致密，坚硬。中段：以朱红色砂岩、泥岩、砂质泥岩为主，偶见砂砾岩或砾石层。中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案10上段：以灰白色粗砾岩为主，夹有灰绿色、灰紫色泥岩，厚度不大。以上三段地层，从井田北界煤

22、层露头开始，向南超覆于各时代地层之上。越往南，超覆层位越高。本组地层厚度 40.10m256.65m，一般厚度 143.35m。不整合于古生界之上。5）新近系上新统（N2） 主要为红色，砖红色粘土，局部为粉砂质粘土。下部夹钙质结核层。底部为厚度约 2m3m 的底砾岩层。本统地层厚度 11.81m14.53m，一般厚度在 12.99m 左右。与下伏地层不整合接触，零星出露于各沟谷中。6）第四系（Q）上更新统马兰组（Q3m）：广布全井田。为浅黄色黄土层。柱状节理发育，含钙质结核。本组地层厚度变化大为 084.55m，一般在 42.47m 左右。不整合于下伏地层之上。全新统（Q4）：为近代风积沙，冲

23、洪积砂砾层，淤泥、残坡积物等。厚度 05.00m，主要分布在井田西北部。3.1.2 井田构造井田构造不连沟煤矿位于准格尔煤田最北部，其构造特点与煤田区域构造格局大致相同。为一走向 NNW，倾向 SWW 的单斜构造。井田内地层产状平缓，倾角一般 35。内蒙古自治区准格尔煤田不连沟井田煤炭补充勘探中间报告初步查明的断层有 4 条。F1 正断层：走向 N28E，倾向 W，倾角 5060，落差 2030m。位于井田北部，延伸长度为 550m。断层摆动范围 140 m，由于钻孔未打到断层面上，所以 F1 断层为初步查明，可靠性差。F2 正断层推测位置已回采，未见该断层。F3 正断层：走向 N51E，倾向

24、 N42W，倾角 6570，落差30100m。位于井田中部，延伸长度为 3000m。此断层在 Y0606 号孔位置解释中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案11可靠，其它位置可靠性差。断层摆动范围约 1000 m。6210 工作面巷道掘进期间实际揭露断层落差 8.5m。F4 正断层：走向 N51E，倾向 N42W，倾角 6070，落差3050m。位于井田中部，延伸长度为 815m。此断层解释基本可靠，但摆动范围过大。目前揭露范围内（6210 工作面）未见该断层。根据内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司不连沟煤矿首采区三维地震勘探报告 ，首采区共发育断层 5

25、2 条；其中落差小于 5m 的断层 19 条，落差 5-10m 的断层 23 条，落差 10-20m 的断层 7 条，分布在井田北部，对煤层开采影响不大；其中落差大于 20m 的断层有 3 条，分别为 DF16、DF52、DF53。三维地震解释断层统计见表 3-1，三维地震解释断层分布范围见图 3-1。表表 3-1 三维地震解释断层统计表三维地震解释断层统计表落 差断 层 编 号可靠程度H5mDF3、DF4、DF8、DF11、DF13、DF14、DF15、DF19、DF27、DF30、DF33、DF35、DF40、DF41、DF42、DF43、DF44、DF45、DF47供参考DF5、DF9、

26、DF12、DF17、DF18、DF20、DF21、DF22、DF32、DF36可 靠5mH10mDF1、DF6、DF7、DF10、DF23、DF25、DF26、DF31、DF38、DF46、DF48、DF49、DF50较可靠DF24、DF28、DF37、DF39、DF51可 靠10mH20mDF2、DF34较可靠DF16、DF53可 靠H20mDF52较可靠内蒙古自治区准格尔煤田不连沟煤矿生产补充勘探工作中在先期开采地段南端初步查明一条正断层 F3。现对落差大于等于 20m 的 4 条断层分述如下：DF16 正断层：位于地震勘探区的中南部，Y0606、B10 钻孔连线附近一带。走向为 N52W

27、-EW，倾向 S38W-S，倾角 70，落差 0-38m，在本区延伸长度约 905m；该断层参与评级断点 38 个，其中 A 级断点 28 个，B 级断点 10 个，为一查明断层。DF52 正断层：位于地震勘探区的东北角，Y0204 钻孔的东北部。走向为N32W，倾向 N58E，倾角 70，落差 0-24m，在本区延伸长度约 600m；该断层参与评级断点 48 个，其中 A 级断点 21 个，B 级断点 27 个，为一基本查明断层。中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案123752223242526272829303754420222324252627

28、28293044202223242526272829375224423242526272829443030375XXXXXXXXXXX12345678图 例采矿许可证范围 及拐点编号5mH10m 的断层1先期开采地段X10mH20m的断层123456H5m的断层H20m的断层三维地震范围DF53 正断层：位于地震勘探区的东北角，Y0104 钻孔的西南部，向东方向延伸至区外。走向为 N75W-N34W，倾向 S15W-S56W，倾角 65，落差 16-34m，在本区延伸长度约 346m；该断层参与评级断点 21 个，其中 A级断点 12 个，B 级断点 9 个，为一查明断层。F3 正断层：为推断

29、正断层，位于矿区中部的 A7、Y1006、水文 A2、A4 钻孔之间。走向 N35E， 倾向为 N55W，倾角 65，落差 0-50m，在本区延伸长度约 1500m； 9 勘探线的 A4、水文 A2 孔之间的 6 煤底板标高相差52.91m；10 勘探线 A7、Y1006 孔之间的 6 煤底板标高相差 43.21m，8 勘探线的 Y0808、Y0806 孔之间的 6 煤底板标高相差 117.64m，由此判断 F3 断层存在；为一初步查明断层。 中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案13图图 3-1 三维地震解释断层分布图三维地震解释断层分布图综上所述，

30、本区总体为一单斜构造，其间发育宽缓的波状起伏，波幅小于20m，起伏角一般小于 5，落差大于等于 20m 断层解释 8 条，未发现冲刷带和陷落柱。本区构造复杂程度属于简单类型。井田范围内，除东北和西南角外，有基性火山岩产出于下白垩统红色砂砾层中。杨四圪咀勘探阶段采集样品 4 件，送内蒙古地矿局第一区调队实验室做岩矿鉴定，鉴定名称为致密块状玄武岩或杏仁状玄武岩。据内蒙古自治区区域地质志称火山活动以裂隙中心式流溢为主，火山流溢通道在准格尔煤田范围内未查明。玄武岩在井田范围内，基本上全有分布。最小厚度 3.80m，最大厚度 15.70m。井田中部呈 NW 向展布的区域中为厚度大于 10m 的地带，向东

31、北、西南方向变薄。玄武岩喷出年代未做同位素年龄测定，可能属燕山期产物。本井田内玄武岩体对煤层及煤质尚未发现影响。3.2 水文地质条件水文地质条件3.2.1 含（隔）水层含（隔）水层井田位于准格尔煤田北部偏东，面积 33.2114km2。构造为一总体倾向SW、具次一级波状起伏的单斜，产状平缓，未见断层。区内各岩层中不同程度发育有裂隙，地下水补给来源贫乏，以大气降水为主，地下水位埋深均在百 m以下。主要可采煤层直接充水含水岩组之上普遍有数层较稳定的泥岩、砂质泥岩为隔水层，致使大气降水渗入地下者甚微，补给直接充水含水岩组的水量极为有限。本井田北部即为准格尔煤田北部隐伏煤层露头的东北界，属煤田主要可采

32、煤层直接充水含水层的补给区之一。现将井田内各地层岩性及含（隔）水性特征由新至老分述如下：1）第四系全新统风积沙（Q4eol）：井田内仅零星分布，一般在背风（东南）坡的地形低洼处呈很小的新月形沙丘、沙梁，由石英、燧石粒组成。厚度小，因受风力作用，位置不固定，透水而不含水。2）第四系全新统冲、洪积层（Q4alpl）：分布范围小，连续性差。主要零星分布于大、小不连沟，厚度 0.5 m5.5 m。岩性以中、细砂为主夹粗砂、砾中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案14石、卵石及淤泥。含孔隙潜水，因受厚度、分布面积的限制，富水性差。补给源为大气降水，潜水水位变化幅

33、度大，对矿床充水无影响。 3）第四系上更新统马兰组 （Q3m）：岩性为浅黄色黄土层，垂直节理发育，含钙质结核。基本全井田分布，厚度 084.55m，透水性好。在该层钻进中钻井液消耗量大，尤其钻至该层底部钻井液消耗量极大。4）白垩系下统志丹群（K1zh）：全井田分布，各大沟谷中均有出露。钻孔揭露最大厚度 224.49m，一般为 100m 左右。岩性以紫红色砂质砾岩为主，夹紫红色砂质泥岩。下部普遍有一层绿黑色玄武岩，厚度 4.00 m15.48m。本群地层孔、裂隙均较发育，富水性差异极大。共见 31 个出露于黄土与志丹群接触面的下降泉，流量 0.05 L/s0.16L/s，仅见 4 个出露于志丹群

34、上部的下降泉，流量0.05 L/s0.08L/s。小鱼沟勘探区曾在此层布孔进行抽水试验（14 号孔） ，揭露此层 300m，水位埋深 162.99m，标高 1017.43m，水柱高仅 4.04m，因水柱不足未进行正式抽水试验，试抽单位涌水量 q0.001L/sm 即抽干。与下伏地层呈角度不整合。5）二叠系上统上石盒子组（P2s）：本组地层井田内剥蚀不全，地表无出露，仅分布于 10 线以南。以紫红色砂质泥岩为主，夹灰绿色细粉砂岩、浅灰白色粗砂岩。厚度 0130.37m，富水性差。6）二叠系下统下石盒子组（P1x）：井田内无出露，分布于 6 线以南，平均厚度 63m。上部以各种粒级的砂岩为主，下部

35、以紫红色、绛紫色砂质泥岩、泥岩、粘土岩为主夹砂岩。钻探中钻至上部的砂岩段、冲洗液消耗量大。下部泥岩段隔水性较好。7）二叠系下统山西组（P1s）：井田内无出露，全井田分布，厚度 6.32 m78.77m，平均 58.13m。岩性由灰白色粗砂岩、浅灰及灰黑色砂质泥岩、泥岩、褐灰色粘土岩、煤层组成，以砂岩为主，其间有 3 层较稳定的粘土岩、煤层（1、3、5 号） 。下部砂岩为泥质胶结，分选差，较疏松，裂隙较发育，钻至该层钻井液消耗量增大，甚至严重漏失至不返水。杨四圪咀勘探阶段施工的Y0806 号抽水试验孔，水位埋深 233.30 m，水位标高 1000.78m，水柱高度32.88m，单位涌水量 0.

36、00713L/s m，渗透系数 0.0311m/d，矿化度 0.402g/L，为 HCO3Ca2、Mg2型水。该组地层含砂岩裂隙承压水，为开采 6 号煤的中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案15直接充水含水岩组。富水性差，且不均匀。8）石炭系上统太原组上段（C2t2）：全井田分布，地表无出露，厚度34.95 m89.45m，为本井田主要含煤地层。顶部为 6 号煤或 6上煤，之下为灰白色粗砂岩、中、细砂岩，灰及灰黑色泥岩、砂质泥岩与 9 号煤。6 号煤全井田发育、稳定，是山西组砂岩裂隙含水岩组与太原组砂岩裂隙含水岩组间的稳定隔水层，隔水性良好。杨四圪咀

37、勘探阶段施工的 Y0406 号水文孔，水位埋深268.10m，水位标高 933.00m，单位涌水量 0.00831L/sm，渗透系数0.0347m/d，矿化度 0.39g/L，HCO3-Ca2、Mg2型水。含砂岩裂隙承压水，是开采 9 号煤的直接充水含水岩组。富水性差，且不均匀。9）石炭系上统太原组下段（C2t1）：全井田分布，地表无出露，厚度约12m，岩性以灰、深灰色泥岩、砂质泥岩为主，夹薄层细、粉砂岩，底部为铝土质泥岩。该组地层以泥岩类为主，厚度稳定，硬度大（单轴抗压强度普遍大于 30MPa） ，岩体完整性好，裂隙不发育，为全煤田及井田稳定的良好隔水层。10）下奥陶统 （O1）：井田内无出

38、露，全井田分布，厚度大于 100m。岩性为：浅灰黄、棕灰色泥质白云岩、白云质灰岩，灰色灰岩、局部为豹皮状灰岩，岩溶发育极不均匀。水文 A1 号钻孔，揭露此层的厚度为 308.50m，含水层位置在 513.70m521.65m，614.75m635.35m，679.75m700.70m，含水层厚度为 49.50m。水位埋深 408.50m，水位标高 866.422m，单位涌水量0.01754L/sm，渗透系数 0.0337m/d，矿化度 1.49g/L，水化学类型为 ClNa 型水。水文 A2 号钻孔，揭露此层的厚度为 307.55m，含水层位置在440.00m467.70m，480.90m53

39、8.90m，含水层厚度为 85.70m。水位埋深357.64m，水位标高 876.664m，单位涌水量 1.58058L/sm，渗透系数1.0775m/d，矿化度 0.72g/L，水化学类型为 ClHCO3Na 型水。此外，井田内及边缘有 9 个探煤孔揭露此层，厚度 1.60m24.55m，岩溶不发育，仅见有少量裂隙，且已被方解石充填。在钻进过程中，冲洗液消耗量很小。富水性不均一，差异较大。3.2.2 地表水地表水与与地下水之间的关系地下水之间的关系井田内最大的沟为大、小不连沟，仅在雨季有水，流量较小，遇大到暴雨中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案1

40、6时汇集地表形成洪水，流量较大，但时间短暂，全年大部时间无水。黄河流经井田东缘（距井田东界约 8km） ，是井田及周边最大且唯一的地表水体，黄河标高+968.53m（测量点位于井田东南约 10km 的荒地北贾窑圪旦） 。在井田周边的黄河河床均为奥陶系下统，与石炭，二叠系地层未直接接触。另据井田西南部唐家会煤矿煤层顶板含水层与奥陶系灰岩含水层水力联系观测、分析可知，黄河水与煤系地层在非构造破坏地段无水力联系，黄河水与奥陶系灰岩水有较强的水力联系。本井田煤系地层浅部露头区属全煤田的补给区之一，开采主要可采煤层的直接充水含水岩组的补给源为大气降水下渗通过煤系地层隐伏露头补给，补给面积小，入渗时间短，

41、因此补给量有限，故直接充水含水岩组的富水性较差。3.3 煤层煤层目前主采煤层为 6#煤层：位于太原组中部，是本区的主要可采煤层，全区分布。煤层埋藏深度 160.90m442.75m，平均 305.73m。与 6 上煤层间距1.36m20.28m，平均 8.70m。煤层自然厚度 0.45m38.45m，平均 17.52m，可采厚度 2.50m35.50m，平均 15.18m。顶底板岩性大部分为泥岩、粘土岩、炭质泥岩，其次为砂岩。结构复杂，夹矸总厚度 0.45m9.65m，平均 2.93m，夹矸层数 322 层，平均 8.8 层；夹矸岩性多为泥岩、砂质泥岩、粘土岩，部分为炭质泥岩。6 号煤层赋煤面

42、积为 32.2226km2，可采面积 31.4633km2，面积可采系数为 94.7%。属大部可采的较稳定煤层。中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案174 顶板导水裂缝带观测方案顶板导水裂缝带观测方案4.1 目的与任务目的与任务本次研究工作将通过水文地质钻探、冲洗液消耗量观测、水位观测、钻孔彩色电视、岩石力学数值计算、数值模拟、相似材料模拟等综合探测方法和手段，完成如下目的和任务：1）探查试验工作面顶板含隔水层岩性组合。2）综合分析集特厚、大采高、综放、软弱覆岩等特点的 6#煤层回采后，顶板导水裂缝带发育规模，明确其是否已与地表塌陷裂缝相沟通，是否可

43、成为大气降水及地表水进入矿井的导水通道，为矿井水害防治提供技术支撑。4.2 工程布置工程布置及工程量及工程量1）试验工作面：）试验工作面：根据不连沟煤矿 20142018 年生产接续规划 ，经与矿上讨论选择试验工作面为 6205 面。6205 工作面现处于巷道掘进阶段，采用综采和放顶煤工艺回采：运输顺槽、辅运顺槽自开切眼 15 m 范围不放煤，采高 4 m，开切眼 15 m 后开始适当放煤，开切眼 50 m 后开始正式放煤，采高 4.0m，放煤 15.4 m，顶板管理办法为自然垮落法，平均采厚为 19.5m，回采速度为 100m/月，计划回采时间 2015 年 10 月份。2）工程布置原则）工

44、程布置原则（1） 导水裂缝带高度的钻孔冲洗液漏失量观测方法行业标准，探测钻孔距回采工作面的始采线应大于 30m，距终采线大于 15m。（2）根据矿山岩石控制理论，工作面推采距离与斜长相接近时，覆岩才能达到充分扰动，所以，探测钻孔应布置在距切眼 240m 以远。（3）根据其他相关项目研究经验，工作面推采 500m 以后，顶板导水裂缝带可发育到最大值，随后基本趋于稳定，所以，探测钻孔应布置在距切眼 500m以远。（4）根据上三带理论，及其他相关项目现场实测资料，若顶板导水裂缝带呈马鞍形分布，则最高点约位于上巷内侧 20m 左右；若呈拱形分布，顶板导水中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤

45、层顶板导水裂缝带发育规律研究方案18裂缝带最高点位于工作面中轴线上。所以，在不确定顶板破坏情况时，应至少布置 2 个钻孔。（5）探测钻孔的布置在满足上述标准基础上，还应充分考虑季节、场地具有可行性。3）探测钻孔布置）探测钻孔布置根据上述布置原则，计划布置 2 个探测钻孔，T1 孔位于工作面中轴线上、T2 孔位于上巷内侧 20m。6205 面距切眼 500750m 块段受喜子沟影响，不具备施工与观测条件；750900m 地形较为平坦，回采至该段约为 2016 年 6 月8 月间，具备施工和现场观测条件；900m停采线，受季节和地形影响，不具备施工和观测条件。所以，本项目选择在 2016 年 6

46、月8 月间，在 6205 工作面 750900 间施工2 个顶板导水裂缝带观测孔，如图 4-1 所示，具体位置可在上述布置原则基础上，根据工作面回采进度灵活调整。图图 4-1 观测钻孔布置图观测钻孔布置图4）工程量）工程量施工 2 个采后孔。钻孔工程量参数如表 4-1 所示。表表 4-1 工程量统计表工程量统计表试验工作面试验工作面孔号孔号类型类型设计孔深（设计孔深（m）T1采后孔4006205 工作面T2采后孔400总计800中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案195）开工时间）开工时间工作面推过钻孔位置后 15 天开始施工。3）施工及观测时间）施

47、工及观测时间每孔施工及观测时间均为 30 天，共计 60 天。4.3 钻孔结构及技术要求钻孔结构及技术要求4.3.1 钻孔结构钻孔结构钻孔结构：钻孔结构：一开：050m，孔径 168mm，下入 127mm 套管 50m；二开：50400m，孔径 89mm。钻孔结构如图 4-2 所示。施工结束后用水泥浆进行全孔封孔。 127mm 168mm 89mm50m400m松散层下10m6 煤水泥浆固管两带测试工作结束后全孔水泥浆封孔中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案20图图 4-2 钻孔结构图钻孔结构图中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导

48、水裂缝带发育规律研究方案214.3.2 技术要求技术要求钻孔施工技术要求见下表 4-2：表表 4-2 钻孔施工质量控制表钻孔施工质量控制表项目质量要求工作内容孔深误差1.5每钻进 50m、终孔及遇涌水等按要求丈量钻具长度。钻井液清水钻进必须采用清水钻进，并要求冲洗液闭路循环，如确属必要使用泥浆时，应采取有效洗井措施。并要求每小班清理一次水源箱并更换清水。取芯完整岩层岩芯采取率 70%；破碎带60%全孔取芯。测井按有关规程规范执行全孔段测井，参括：视电阻率、自然电位、自然伽马、井径、井斜，要求解释出地层岩性、井径、井斜、裂隙发育程度。地质编录按有关规定执行详细记录涌水、掉块、塌孔、缩径、逸气、掉

49、钻等现象层位和深度，岩性、裂隙性质、密度、风化程度。下管止水无缝钢管隔离松散含水层，对止水效果进行检查，扫孔后，在套管内注满清水，连续观测 4 小时，要求水柱每小时降低不超过 20mm，否则重新止水封孔全孔封闭严重漏水段，应先下木塞止水，然后注浆。水泥浆水灰比：1:0.64.4 顶板导水裂缝带发育规律研究方法顶板导水裂缝带发育规律研究方法4.4.1 钻液漏失量观测法钻液漏失量观测法1）观测系统观测系统漏失量观测系统见图 4-3，要求水源箱、循环槽、沉淀池不得漏水，水源箱和沉淀池容积不小于 1m1m1m 的正方体，具体尺寸根据现场情况调整，水源箱内安设浮标式水位测尺。中煤科工集团西安研究院有限公

50、司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案221钻孔；2循环槽；3沉淀池；4浮标式水位测尺；5水源箱图图 4-3 冲洗液漏失量观测系统示意图冲洗液漏失量观测系统示意图为保证现场测试持续进行，可施工两个 5m5m2m 的水源池，在孔内大漏时保证水源充足。2）观测方法）观测方法（1）漏失量观测：开钻后，当冲洗液形成循环时，测定一次水源箱的水位，并记录开钻时间、钻孔深度，每钻进 0.5m 再测定和记录一次。当漏失量变大时，可缩短为 0.3m 测定和记录一次。完成一个回次以后，再测定和记录一次。并用钢尺测出该回次的实际进尺量，测定结果记入表中。（2）水位观测：在观测段钻进时，每次起钻后下钻前

51、均测定钻孔水位。当停钻时间较长时，应每隔 510min 观测一次水位。观测数据填入表中。（3）冲洗液循环中断的观测：当冲洗液循环中断时，及时记录孔深和时间，并填入表中，当冲洗液恢复循环时，同样记录孔深和时间。4.4.2 钻孔彩色电视法钻孔彩色电视法彩色钻孔电视系统是把一自带光源的防水摄像探头放入地下钻孔中，可现场对钻孔中地质体的各种特征及细微变化实时观测、监控和记录。可观测地层岩性、岩石结构、活动性断层、钻孔内裂隙产状及发育情况、地层注浆后浆液充填情况、夹层破碎带、岩溶、暗河、堆积体、突发性涌水、地下水位变化等。中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案2

52、3本项目拟用来观测煤层上覆岩层的完整性和裂隙的发育特征、受采动岩体裂缝带内岩层的裂缝发育宽度、连通情况，岩体破碎状况和垮落岩块的分布情况，以及钻孔内部裂缝的渗水和孔内水位变化情况等，并结合钻孔冲洗液漏失量来观测研究采动岩层的裂隙发育和漏水及含水情况，可以为研究确定“两带”尤其是垮落带的发育高度提供依据。系统工作结构框图如图 4-4 所示。图图 4-4 全景面钻孔摄像系统结构框全景面钻孔摄像系统结构框本次探测我们拟采用 GD3Q-A/B 型钻孔全孔壁成像系统，该系统采用反光锥镜摄取 360孔壁图像，由计算机对图像进行采集处理，形成连续的全孔壁展开图像。孔壁图像的展开是按 NESWN 顺序展开的，

53、每一幅图像都从N 开始展开，以保证图像方位的拼接。图像的纵向连接是按深度顺序拼接的，拼接精度为毫 m，整个孔壁图像一目了然。GD3Q-A/B 型钻孔全孔壁成像系统软件有强大的图像解释处理功能，能测量岩层的厚度、裂隙的宽度，计算地层构造的倾向、倾角，图像标注、绘制解释线画图等。软件还可以将展开的孔壁图像卷积起来旋转观察，相当于观看岩芯。本系统包括探头、控制器、绞车架、电缆、计数器等几部分。测试窗口为360（全孔观测） ，对所有的观察物都能全方位，全柱面的观测。是国内最先进的孔内电视。突破了孔内电视在水平孔和斜孔中对有关地质参数观测定量难这一技术难题。系统的实现了全孔视频图像实时展开与拼接，工作效

54、率高，在施中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案24工过程中，实地观测结束后，所观测孔内数据与图随即完成。GD3Q-A/B 型钻孔全孔壁成像系统仪器如图 4-5 所示。图图 4-5 GD3Q-A/B 型彩色钻孔电视型彩色钻孔电视4.4.3 数值模拟法数值模拟法根据岩石物理力学测试结果，建立数值模型进行覆岩破坏规律的计算。为了直观的再现煤层回采后，在顶板水的作用下工作面上覆岩层破坏的动态演变过程，拟在探查研究中应用 FLAC3D或 RFPA 分析系统，对顶板覆岩逐步向上发展的破坏全程进行了模拟，以此研究岩体破裂后渗透率的突变和水压的跟踪传递规律，以及岩体

55、破裂后从隔水层变成导水层的演化过程。在运用 FLAC3D或 RFPA 分析系统软件模拟整个采场开挖的过程中，通过提取顶板岩层应力、位移变化的信息，分析顶板岩层的变形、破坏过程，根据结果对探查结果进行验证对比。4.4.4 相似材料模拟相似材料模拟相似材料模拟是一种建立在相似理论基础上，用扩大或缩小的模型，去研究对应原型的力学运动以及其他相关特性的一种实验方法。该方法在矿山、地中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案25质、水利以及建筑等领域应用广泛。在采矿领域，该方法已经广泛应用于诸如测定矿山来压、岩层破坏运移、地下水渗透以及无流动水的边坡稳定等问题的研究

56、。中煤科工集团西安研究院承担的国家矿山安全生产技术支撑体系专业中心实验室中的“矿山水害鉴定与治理技术模拟实验室”配备了：1）突水三维相似模拟试验平台；2）突水二维相似模拟试验平台；3）三周渗透仪；4）相似材料配比试验、相似模型设计与制作平台等。先后完成多项国家级、省部级科研项目和横向项目的相似材料模拟试验。敏东一矿本次煤层覆岩破坏规律研究项目中计划针对特定的地质、水文地质条件，建立二维相似材料模型，模拟综放开采工艺条件下，顶板覆岩破坏规律及两带发育高度。顶底板破坏二维模拟实验平台主要由试验台、加载与稳压系统、数据测量及数据采集分析系统组成，如图 4-6 所示。图图 4-6 二维模拟实验平台实验

57、原理示意图二维模拟实验平台实验原理示意图其实验原理如上图所示：按敏东一矿地质条件进行一定比例的物理模拟设计并依设计进行模型装载，下部采用胶囊通过气压对底板进行模拟水压加载，上部采用铁砖进行轴压加载。底板加载压力可通过稳压系统保持压力基本恒定。加载完成后可按物理模拟设计进行煤层开采，并观察顶底板破坏情况（顶板冒落或底板底鼓） 。整个试验过程可通过模型表面的位移测点照相及应变片变形等数据的测量、采集、处理进行试验全过程记载。利用实验成果便可进行模拟对象的有关顶底板破坏现象预演及回演。中煤科工集团西安研究院有限公司 特厚大采高综放煤层顶板导水裂缝带发育规律研究方案265 成果报告主要内容成果报告主要内容