浅谈肥城矿区水害防治方法(1)

133浅谈肥城矿区水害防治方法2011级采矿工程专业尹德宇指导老师：孙太庆摘要：通过对肥城矿区水文地质条件探查，提出疏水降压、注浆改造含水层、留足防水煤柱等承压水害防治措施。关键词：水文条件探查疏降注浆改造水害防治1.概况肥城煤田位于鲁西台背斜肥城断陷盆地内，东西走向长22km，南北宽2～7km，面积98km2，主要可采煤层为31层煤、7层煤、8层煤、9层煤和102层煤。其中，二叠系山西组31层煤，为上组煤，上组煤基本不受水威胁，现已全面开发，有的矿已开采完；石炭系太原群含7、8、9、102层煤，也称下组煤，下组煤受煤层底板承压水威胁严重。肥城煤田属于华北型石炭、二叠系全隐蔽式煤田，水文地质条件极为复杂，煤系基底中奥陶系岩溶-裂隙水水害十分严重，全公司60%以上的可采储量受水威胁。自1965年开采下组煤以来共发生底板出突水200余次，历次突水中水量大于1000m3/h的有8次，水量大于30m3/h的有122次。其中1993年1月5日，国家庄矿-210m水平北大巷施1工过程中遇到隐伏断层发生的底板奥灰突水，突水量达32970m3/h，造成矿井被淹，经济损失巨大。因此，搞好矿井水害防治工作是肥城矿区保障安全生产的首要任务。2.肥城矿区的水文地质特征2.1地质构造肥城煤田断裂构造十分发育，根据目前揭露的资料，共发育落差大于30m的断层66条，延展长度184km，落差大于20m～30m的断层88条，延展长度235km，平均每平方公里0.9条、长度2.4km。煤田区域内的主要断层有马山断层、岈山断层、桃园断层和肥城断层。肥城煤田基本是受这些大断裂控制的单斜构造。由于断层的切割，造成四灰、五灰与奥灰地层多处对口接触，并形成多处地堑、地垒构造。煤田区域内的大构造，一般都作为井田边界，成为控制矿井水文地质边界条件的主要因素。煤田内断裂构造的主要特点是断层展布方向主要为北东、北北东向，北西向断层较少且主要发育在煤田东部；断层延展距离长、数量多、密度大；断层多为高角度正断层，切割深；局部地段层间滑动构造2明显；由于断裂构造十分发育，造成主要含水层水力联系密切，断裂构造是奥灰补给四灰含水层和五灰含水层的主要通道。2.2含水层肥城矿区为华北型石炭二叠系晚古生代含煤地层，包括二叠系山西组、石炭系太原群，含煤地层总厚度为250m～275m，第四系直接覆盖在含煤地层之上，煤系基底为奥陶纪、寒武纪石灰岩，地层中的主要含水层有：第四系砂及砂礓含水层；山西组三层煤顶底板砂岩含水层；太原群第一、二、四层灰岩含水层和9煤顶板泥灰岩含水层；本溪群五灰含水层；奥陶系灰岩含水层。各含水层自上而下详细叙述如下：2.2.1第四系砂及砂礓含水层第四系厚11.07～127m，平均35m左右，南薄北厚，岩性主要由粘土、亚粘土和砂土组成。上部为1～2层含水砂层与粘土层交互成层，单层总厚度0.9～11.78m，透镜状，不连续，单位涌水量q=0.5L/S.m，含水性中等，水位标高为+100～+120m，水质为重碳3酸·氯—钠·钙型（HCO3·Cl—Na·Mg），矿化度0.17～0.355g/L；砂及砂礓含水层距地表2～10m，主要成分由钙质结核及粘土组成。结核具小孔，水即储藏其内，为孔隙性潜水。其水位距地表0～5.0m。井筒穿过本层时，涌水量约为20m3/h。主要接受大气降水补给。底部的粘土、亚粘土隔水层，发育普遍，厚度4.1m～92.7m，平均厚度11.0m左右，岩性较纯，粘度大，具有良好的隔水性能和可塑性能，它充填了基岩的裂隙和溶洞，隔绝了第四系潜水与煤系中含水层的联系，使地表水及第四系潜水不能补给煤系含水层，即使遇到开采破坏，发生地面沉降，地表水和第四系潜水也不能渗入矿井，因此第四系潜水与基岩无直接水力联系，对煤层开采无直接影响。2.2.23层煤顶板砂岩含水层3层煤顶、底板砂岩含水层厚0.54～17.28m，岩性为灰白色长石英中粒砂岩，钙质胶结。水质自北而南由HCO3—Na·Ca变为Cl·HCO3—Na·Ca，矿化程度由0.641增高至0.839g/L。开采过程中，涌水量60～282m3/h，是上组煤开采过程中的主要充水水源。浅部4砂岩较厚、富水性较强，深部砂岩较薄、富水性较弱，但由于3层煤顶板砂岩补给水源有限，可直接疏干，故对矿井生产影响不大。2.2.3一灰含水层一灰厚0.82～4.09m，上距山西组3层煤64.08m，下距5层煤58.8m，沉积稳定，岩溶裂隙不发育，单位涌水量q=0.78～0.0031L/s.m，渗透系数k=40.44～0.172m/d，富水性弱，易疏干。根据1986年5月曹庄矿轨道暗斜井钻孔揭露，单孔涌水量为45m3/h，20日后降至5m3/h。矿区内在浅部现已疏干。原始水位标高为+60.595m，水质属HCO3·Cl—Ca·Na型，矿化度为0.487～0.81g/L。2.2.4二灰含水层：厚0.73～2.88m，平均1.96m。是6煤直接顶板，上距5煤6.5m。溶隙不发育。1987年2月，国家庄矿-210m水平轨道暗斜井钻孔揭露，单孔涌水量为40m3/h，10日后降至5m3/h。矿井深部F隆断层上盘，二灰疏干至-160m水平。浅部即F隆下盘至露头，二灰已疏干至-80m水平。原始水位标高+63.43m,水温5150C，水质属HCO3·Cl—Ca·Na型，矿化度0.487～0.81g/L。2.2.5四灰含水层：四灰是8层煤的直接顶板，厚1.76～8.6m，平均厚度4.93m，上部泥质含量较大，中部夹厚度为0～0.35m的粉砂岩，下部质较纯，致密坚硬，多含燧石，垂向裂隙和顺层裂隙均较发育，偶见洞穴，常为方解石所充填。单位涌水量q＝0.0006～0.817L/S·M，原始水位标高为＋60.93～＋113m，渗透系数K=0.019~18.18m/d，四灰上距7层煤14.51～25.98m，平均20.6m；下距五灰25～43.38m，一般为34～36m。开采资料表明，四灰的岩溶裂隙在发育程度上存在较为明显的垂直分带性，浅部裂隙溶洞发育，富水性强。裂隙发育程度和富水性由浅部向深部趋于减弱，大体上可分三个水平带：（1）-50m以上为裂隙溶洞带，q＝0.79～0.813L/S.m，K=3.7～15.896m/d，（2）-50～-300m水平为裂隙带，q=0.0006～0.002L/S.m，K=0.01～0.03m/d，（3）-300m水平以下为微裂隙带，大部分钻孔冲洗液无漏失现象。四灰水与其它含水层6的联系甚微，以静储量为主，补给有限。随着8煤的开采，目前在浅部四灰已局部形成疏干区，最低水位标高已达－480m，深部四灰尚有未揭露区。局部地段由于大型断层的切割，造成四灰与断层对盘的五灰、奥灰对口接触，存在着五灰、奥灰的垂向或侧向补给，使四灰含水层部分区域水文地质条件复杂化，四灰难于疏干。四灰是威胁下组煤安全开采的主要含水层之一。2.2.6五灰含水层：五灰厚4.82～12.68m，平均厚9～10m，质纯、致密坚硬，为灰色质纯致密厚层状细粒结晶灰岩，岩溶裂隙发育。五灰上距8层煤22.5～43.18m，平均32～34m；距9层煤16.9～33.02m，一般24m；上距10层煤14～37m，一般16～20m；下距奥灰1.41～18.57m，一般10m左右，单位涌水量q＝0.0017～16.12L/S.m，富水性较强，原始水位标高为＋60.80～+63.74m,近期的最高水位为+35m左右，渗透系数K=1.13~1.877m/d。根据矿井突水、放水资料证实，五灰的突水性浅部大深部小。深部岩溶发育极不均一,呈明显的垂直分7带性和横向上的不均一性。井下钻孔揭露,单孔水量为0.5～250m3/h。因迳流条件、构造等因素的影响，五灰的富水性不均一，具有明显的块段性和垂直分带性，在倾向上，一般向深部五灰岩溶发育趋于减弱，富水性亦呈浅大深小，深部径流强度大大减弱，但个别地段仍存在富水区。由于五灰和奥灰间距小，受断裂构造发育的影响，水力联系十分密切，水质、水位动态与奥灰基本相同，五灰为煤系底部主要含水层，补给量受岩溶发育程度控制。随着开采标高的降低，水压增大，矿压对底板破坏深度加大，更易发生底板突水，直接威胁着本矿区8、9、102层煤的安全开采。五灰是矿井直接充水的水源层，严重威胁下组煤的开采，是防治水工作的重点。2.2.7奥陶系石灰岩(O2)含水层：奥灰含水层是煤系地层底盘含水层，呈巨厚层状，厚度800m左右，上距五灰1.41～18.57m，一般10m左右，单位涌水量q=0.0114～101.01L/S·m，K=0.206～40.28m/d。原始水位标高为+62.07～+64m，矿化度为0.247～0.681g/L。奥陶系灰岩在矿区内埋藏深度+30～8-500m。奥陶系灰岩在盆地周围山区有广泛出露，面积约260Km2，直接接受大气降水的补给，补给量相当丰富，达2.8万m3/h，是煤系各含水层的补给水源。从矿区内奥灰水文孔统计资料看，奥灰顶部30m左右岩溶裂隙不发育，仅在局部地段顶部岩溶裂隙发育。奥灰与五灰间距10m左右，由于构造作用，奥灰极易以水平或垂直方式补给五灰，二者水力联系极为密切，为主要补给含水层。奥灰是威胁下组煤开采的主要含水层。2.3隔水层肥城煤田地层中对煤层开采有直接意义的隔水层主要有第四系底部的粘土层、太原组粉砂岩地层及煤系下部本溪组泥岩、砂岩层等，下面将各隔水层自上而下为：1、第四系底部粘土层：第四系底部的粘土、亚粘土隔水层，发育普遍，厚度4.1m～92.7m，平均厚度11.0m左右，岩性较纯，粘度大，具有良好的隔水性能和可塑性能，它充填了基岩的裂隙和溶洞，隔绝了第四系潜水与煤系中含水层的联系，使地表水及第四系9潜水不能补给煤系含水层，即使遇到开采破坏，发生地面沉降，地表水和第四系潜水也不能大量渗入井下。2、7层煤底板砂岩层：7层煤下距四灰14.51～25.98m，平均20.6m，岩性以泥质胶结粉砂岩为主，胶结性差，遇水易膨胀。7层煤开采对底板的破坏深度一般为11m。3、8层煤底板粘土岩、砂岩层：8层煤下距五灰22.5～43.18m，平均32～34m，岩性以泥质胶结的粉砂岩为主，在102层煤底板有一层厚平均3.5m的粘土岩具有良好的塑性和隔水性，另外在五灰顶板大部分区域有一层中砂岩，坚硬，对防止五灰突水也起到了一定安全屏障作用。8层煤开采对底板的破坏深度一般为12m，随着开采深度加大，对底板的破坏程度亦不断加大。根据研究成果表明，8层煤开采对底板的破坏深度最大可达36.5m，远远超过有效隔水层的实际厚度，煤层底板突水的几率非常大。4、9层煤底板砂岩层：9层煤下距五灰16.9～33.02m，平均24m，以泥质胶结的粉砂岩为主，102层煤底板粘土岩及五灰顶板中砂岩对隔水、阻止五灰突10水均起到了一定作用。采矿对底板的破坏深度一般为10m。随着开采深度加大，对底板的破坏程度亦不断加大。根据最新研究成果表明，9层煤开采对底板的破坏深度最大可达14.2m，亦接近有效隔水层的实际厚度。5、102层煤底板泥岩、砂岩层：102层煤下距五灰14～37m，一般16～20m,以泥质胶结粉砂岩为主，其底板粘土岩厚平均3.5m，具有良好的塑性和隔水性，另五灰顶板有一层中砂岩，对防止五灰突水亦起到一定作用。采矿对底板的破坏深度一般为8m。对煤层开采有直接意义的隔水层是：7煤下距四灰15.73m~32.50m，平均为20.77m，岩性以粉砂岩为主，次为粉砂岩及细砂岩互层；102层煤至五灰之间的隔水层，厚度13.41～39.53m，平均23.47m，岩性以粉砂岩为主，次为泥岩及中细砂岩，局部地段含有泥灰岩(无名灰)和煤线(11煤)。由于受采动影响，矿山压力对煤层底板隔水层具有一定的破坏作用，根据肥城矿区实际开采状况，在正常块段7层煤的底板破坏深度为11.0m；8层煤的底板破坏深度为12m；9层煤的底板破坏深度为10m；10211层煤的底板破坏深度煤为8.0m。据钻探资料，就102层煤而言，其底板至五灰顶板最小厚度为13.41m。而102层煤开采以后的破坏深度达8m，再加上五灰以上中粒砂岩裂隙水使