基于天誉煤矿煤层突水危险性评价的突水量预算方法及其意义.pdf
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1、工作研究与理论探讨基于天誉煤矿煤层突水危险性评价的突水量预算方法及其意义胡伟,田保良,于永超(中国煤炭地质总局一七三勘探队,河北保定0 7 2 7 50)摘要:天誉煤矿位于内蒙古乌海市,隶属于内蒙古双欣能源化工有限公司。煤矿上组煤(8-1、9、10 )开采虽然属于带压开采,但突水系数均小于0.0 6 MPa/m,只需要在探测无垂向导水构造的前提下,即可实现带压开采;但下组煤中(16-1#、16-2、17 )与奥灰间距变小,突水危险性变大。下组煤开采前,除了对底板隔水层重点区域进行注浆改造,还需要通过突水危险性评价圈定危险区域并进行突水量的预算,结合下组煤开采时的正常涌水量和最大涌水量,提高矿井
2、排水的能力,起到治理与预防的双保险作用,对实现煤矿下组煤的安全生产具有一定指导意义。关键词:突水危险性评价;突水系数法;突水量;防治结合中图分类号:F406.3;TD7451天誉煤矿井下水文地质条件概况井田位于桌子山南段岩溶水子系统中部,为岩溶水径流区,属剥蚀残山地貌。井田地势平坦,地表为第四系风积砂覆盖,东南部、西北部基岩零星出露。地势总体为南部高、北部低、东部高、西部低,最高点的西南角标高+12 6 5m,最低点的西北角标高+12 2 2 m,最大高差43m。本区地表水系属黄河水系,北部边界一带有小的冲沟,为黄河支流卡布其沟支沟,沟谷为干沟,雨季排泄洪水。1.1含水层1.1.1奥陶系桌子山
3、组岩溶裂隙含水层出露于本井田西南部外缘低山区,为岩溶水的补给区,在灰岩裸露地区,降水及地表径流多向灰岩中渗漏,故沟谷干。区内桌子山组灰岩构成了煤系的基底,钻孔揭露灰岩顶界埋深32 5.7 6 33.3m,标高+592.6+923.25m,由南向北灰岩埋深逐渐增大。井田岩溶发育在横向和纵向上均具有不均一性。从平面上来看,岩溶的发育具有不连续性,岩溶裂隙、溶洞不在同一含水层段中,垂向上受断裂切割的控制,在断裂切割处,岩石破碎,溶蚀作用强烈;从抽水试验的成果分析,奥灰含水层的富水性受构造控制,在构造附近的奥灰含水层富水性强。井田内奥灰水位标高+10 46 +10 6 6 m,水力坡度9%o,奥灰水由
4、北向南,由东向西径流运动,为岩溶裂隙承压水。1.1.2太原组上部砂岩裂隙含水层太原组为井田含煤地层,由灰色中、细粒砂岩、灰色灰黑色粉砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层等组成,属砂文献标识码:B文章编号:10 0 8-0 155(2 0 2 3)13-0 0 0 1-0 5岩裂隙承压水,是太原组煤层直接充水含水层。含水层层段从山西组(P,s)底17 煤顶,含水层岩性主要为中细砂岩,砂岩之间夹有泥岩、砂质泥岩和薄煤层,砂岩厚度5.94 44.15m,有1 4层砂岩。根据岩芯鉴定结果和简易的水文观测资料可知,钻孔砂岩裂隙不发育,简易水文无异常变化,总体富水性弱。1.1.3山西组砂岩裂隙含水层该组岩性由灰白色
5、砂岩、灰色粉砂岩、砂质泥岩、泥岩和煤层等组成,砂岩为含水层,是山西组煤层直接充水含水层。本组分为2 个含水岩段。第一含水岩段:位于山西组上部(P,x底2 煤顶),厚度5.9 36.3m,由1 3层中细砂岩组成,根据简易水文资料,BKS08、BK S11号孔钻进至2 2 0 m漏水,漏水层位于山西组上部,其他钻孔简易水文无异常变化。第二含水岩段:位于山西组中部,介于5 煤层与8-1#煤层之间,厚度7.5 32.0 7 m,一般厚度2 0 2 5m,由2 4层中细砂岩组成,局部有粗砂岩,根据简易水文资料可知,钻孔回次水位、冲洗液的消耗量无异常变化。另据BKS14号孔抽水试验可知,单位涌水量0.00
6、11L/sm,渗透系数0.0 0 2 58 m/d。根据钻孔简易水文资料和水文孔抽水试验资料分析,山西组砂岩含水层的富水性弱。水化学类型CL-(K+Na)型水,总硬度36 1.8 2 mg/L,矿化度2 0 14mg/L,pH值7.3。1.1.4上、下石盒子组砂岩裂隙含水层本组岩性以紫色、灰色泥岩、砂质泥岩和粉砂岩为主,其次为黄绿、灰绿及灰白色的细、中、粗粒砂岩,其中砂岩裂隙含水,根据简易水文资料可知,BKS07号孔1在孔深6 1m、96.3m、135m 漏水,BKS08号孔在孔深80m漏水,BKS9-1号孔在孔深130 m漏水,以上钻孔均位于断层带附近。其他钻孔在钻进过程中,简易水文无异常变
7、化,BKS05号孔上、下石盒子组抽水试验,单位涌水量0.0 0 39L/sm,渗透系数0.0 0 2 17 m/d。根据钻孔简易水文资料和水文孔抽水试验资料分析,石盒子组砂岩含水层总体富水性弱,在断层带附近切割厚层砂岩体时,含水层的富水性中等。水化学类型CL-(K+Na)型水,总硬度536.97 mg/L,矿化度2 48 7 mg/L,pH值7.9。1.1.5第四系松散层孔隙含水层全井田分布,为第四系风积砂、砂砾石,为透水不含水层。1.2隔水层第一隔水层:位于山西组2-5煤层之间,岩性为灰、深灰色砂质泥岩、泥岩,厚度13.95 45.35m,一般厚2 0 m左右,隔水性能好。第二隔水层:位于山
8、西组8-10 煤层之间,岩性主要为泥岩、砂质泥岩,厚度15.6 47.4m,一般厚2 0 m左右,隔水性能良好。第三隔水层:石炭系中统铝土泥岩隔水层,位于17#煤底至0,顶界之间,岩性为砂质泥岩、泥岩、砂岩,厚度26.853.49m,平均厚度30 35m,泥岩厚度9.7 123.8m,砂岩厚度8.6 1 2 9.19 m,BKS08、BK S0 9、BK S12号孔受断层的影响,厚度小于30 m,为2 5.7 7 2 8.0 5m。1.3地下水的径流条件井田地下水以大气降水为补给来源。上部第四系松散层含水层的埋藏浅,可接受大气降水的直接补给。井田由于大气的降水量极少,蒸发量大,松散层接受的补给
9、量有限;地下水的排泄主要为人工取水及蒸发。二叠系上、下石盒子组、山西组及石炭系太原组砂岩含水层的埋藏较深,上覆上、下石盒子组、山西组和太原组隔水层,垂直人渗量少,主要为侧向补给,由于砂岩含水层的埋藏深,岩石固结致密,裂隙不发育,侧向补给量极小,正常地段含水层的富水性极弱。在断裂构造附近,砂岩含水层的导水性好,在水头差的作用下,下部砂岩含水层可获得上部砂岩裂隙水的补给。如前期施工的BKS15号孔,太原组水位标高为+1119.6 8 m,BKS04号孔,太原组水位标高为+12 2 5.8 9m,两孔相差100余米。分析原因可知,是由于在BKS04号孔附近太原组含水层已经与上部含水层相互沟通,上部砂
10、岩裂隙水向太原组含水层补给。上、下石盒子组、山西组、太原组砂岩含水层不仅补给条件差,径流条件也差。奥陶系灰岩井田内未出露,主要接受井田外远源2的侧向补给,其补给条件根据岩溶发育情况的不同而有所差异。井田构造较为发育,断层带两侧及陷落柱,岩石裂隙发育,是岩溶地下水主要运移通道,补给条件相对较好;岩溶不发育地段,补给条件则差。岩溶水的排泄,在天然状态下,主要是在径流过程中,由北向南,由东向西径流,出区后向骆驼山井田、棋盘井以人工取水的形式排泄。由于井田煤层均为带压开采煤层,煤层开采后,岩溶地下水可通过断层通道向矿井运移2奥灰水文地质条件综合分析2.1奥灰含水层水文地质特征2.1.1奥灰含水层富水性
11、综合特征天誉煤矿揭露奥灰的钻孔,揭露厚度111.4m(O J1孔)2 14.1m(0J2孔);本区为陆表海至局限盆地沉积,该沉积环境导致灰岩含泥、砂质较大,大量伴随灰岩沉积,影响灰岩岩溶的发育,含水层的富水性差异较大。地面抽水测得奥灰含水层的单位涌水量0.01073L/ms,结合前期的勘探成果,分析认为,一般地段的奥灰含水层富水性为弱中等,构造发育地段的单位涌水量达2.10 4 3.8 46 L/ms,属强富水性,渗透系数0.0 0 7 3 50.8 3m/d,属于半透水 良透水性含水层。奥灰水样矿化度为557.51 8 48.49mg/L,p H 值为7.3 8.2 2,以弱碱性水为主,水质
12、类型以HCO,Cl(SO4)-Ca NaMg或 HCO,Cl(SO4)-NaCaMg型为主。从揭露灰岩分析,井田岩溶发育在横向和纵向上均具有不均一性。从平面上来看,岩溶发育具有不连续性,岩溶裂隙、溶洞不在同一含水层段中,垂向上受断裂切割的控制,在断裂切割处,岩石破碎,溶蚀作用强烈;前期和周围矿井的抽水试验成果显示,奥灰含水层的富水性受构造控制,在构造附近的奥灰含水层富水性强,但在井田西部的OD1勘探孔,处于桌子山煤田深部,但渗透性并不强(K=0.0073m/d),说明断层发育地段仍有部分地段岩溶不发育,可能形成岩溶地下水的滞留区;对水质化验成果分析,矿区的奥灰水矿化度低,反映其径流条件较好,与
13、区域近年来大量开采地下水的情况吻合,在水流的交替下水中离子含量较2012年补勘期间已经大大减少。2.1.2奥灰含水层流场根据所有的水文孔水位资料分析流场图可知,本区奥灰水位标高+10 46 +10 6 6 m,水力坡度约9%o,奥灰水由北向南,由东向西径流运动。2.2煤层底板隔水层发育规律16-1#煤距离奥灰顶界面最大57.31m,位于BKS13孔附近;最小31.2 3m,出现在BKS0908孔附近,平均约40.2 m,在BKS13与BKS16孔附近的厚度变化较大。南采区16-1 煤层与奥灰顶界面的距离基本在36m左右。16-2*煤距离奥灰顶界面最大54.7 6 m,位于BSK13孔附近;最小
14、2 6.9 1m,出现在BAK09孔附近,平均约35.7m,在BSK13与BSK16孔附近的厚度变化较大。南采区16-2 煤层与奥灰顶界面的距离基本在32 m左右。根据岩芯分析,16-2 煤层底板至奥灰顶界面以砂质泥岩和细粒砂岩为主,夹17 煤层,砂质泥岩位于17#顶底板,总厚度约2 8.7 4m,深灰色,厚层状,具水平层理,半坚硬,含植物化石碎片,占层厚7 0%;细粒砂岩位于奥灰顶部,浅灰色,厚层状,细粒砂状结构,以石英、长石为主,次为岩屑,泥质胶结,分选一般,具均匀层理,半坚硬。总厚度约10 m,占层厚2 4%;剩余6%为17 煤层。17煤距离奥灰顶界面最大47.0 4m,位于BSK13孔
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