1、专 题 部 分xx大学20xx届本科生毕业设计 第21页曹村矿下组煤底板高承压水突出条件剖析及底板含水层探放水技术摘要：针对深部开采面临的日益增长的高承压水害威胁现状，对于日常水文地质工作及防治水技术的开张提出了更高的要求，“下三带”理论经过多年的理论研究和生产实践已发展的日益完善，该理论在承压水上安全开采评价及矿井底板危险性评价中起了重要作用。本文依靠“下三带”理论对曹村矿煤层地板危险性进行评价，同时分析了曹村井田下组煤矿井充水条件，进而从定性与定量两个方面论述了下组煤底板隔水性能，在综合考虑井田构造、岩溶陷落柱、奥陶纪灰岩（以下简称奥灰岩）水压、隔水层抗水能力以及采矿影响等的基础上，对全井
2、田进行了突水条件分区预测。探放水，作为日常水文地质工作重点，对于预防减小底板高承压水突出事故造成的危害，具有十分重要的意义，其探放水孔设计是否合理，是否安全，主要看孔口管的质量和埋设的深度是否能满足要求。而目前对于孔口管长度的确定方法比较少，多数是直接依据规程中的经验值。通过对探放水孔的受力进行分析，发现其与求安全煤柱时煤柱的受力相似，借此得出求孔口管长度的计算公式，通过调整公式中的相关参数，再结合义安煤矿2个首采工作面的钻孔资料求出对应的孔口管长度，与规程中的经验值进行比较，符合要求。而且通过改变其中的水压值，得到的孔口管长度都要符合规程中的经验值。而从而为解放奥灰岩水威胁下的煤炭储量和煤矿
3、安全生产提供了依据。关键词：下三带；有效隔水带；高承压；矿井水文地质；带压开采；突水条件；底板抗水能力；孔口管；探放水；安全煤柱0 引言在我国华北煤田中，煤层底板高压奥陶系石灰岩岩溶裂隙溶洞水（以下简称奥灰水）一直是严重威胁煤矿安全生产和影响煤炭高产高效的一大祸患。霍州矿务局曹村煤矿曾在掘进500水平大巷奥灰岩（以下简称奥灰岩）段时发生250 m3/h的中型突水。下组煤318工作面因岩溶陷落柱导水引起约80 m3/h的小型突水。下组煤采掘工作全面铺开后，底板突奥灰水问题会不会变得更加频繁而严重、对生产的影响范围究竟有多大、应当采取什么样的防治水措施，就成为必须高度重视并研究解决的当务之急。据统
4、计，河南的几个主要矿区均存在高承压水上开采问题，且承压水压力普遍为2 6 MPa,，其中，焦煤集团赵固煤矿水压高达6 MPa，突水威胁性大；义安煤矿最大承压高达7.5 MPa；登漕集团金岭煤矿底版寒武系灰岩水高达10 MPa,，其突水威胁程度更是国内外罕见。针对深部开采面临的日益增长的高承压水害威胁现状，对于日常水文地质工作及防治水技术的开张提出了更高的要求，作为日常水文地质工作重点的井下探放水来说，其探放水孔设计是否合理，是否安全，主要还是看孔口管的质量和埋设的深度是否能满足要求。目前在进行孔口管长度的确定上主要有两种方法：一种是依靠规程中的规定及经验值来确定，这样得到的孔口管长度的方法虽说
5、简单，但是存在着许多问题，一是规程只对水压在3 MPa以内的孔口管长度有明确的值，当水压3 MPa时，无相关规范可参考；二是对于不同矿井，或是同一矿井的不同工作面上所钻岩层的岩性及其强度是不同的，再在不同的水压情况下，那所需下的孔口管长度就应该不同，而规程中只考虑了水压对孔口管长度的影响，虽然也对不同岩性情况做了分类，但是这些分类都有些笼统，人为因素太多；第二种方法是将注浆孔中计算孔口管长度的公式用于计算探放水孔的孔口管长度，只要将公式中的注浆终压改成水压就行，但是这种方法考虑的只是混凝土的抗压强度及孔口管与混凝土之间的粘结强度。由于探放水孔在进行探放水前必须要进行耐压试验，只有孔口管的强度达
6、到或是略强于所能承受的设计水压或实际水压时的强度才进行进一步的钻进。这种情况下，混凝土的强度必然符合设计要求的，如果用混凝土的抗压强度计算孔口管的长度，那么其结果就不一定符合实际情况。所以本文以斯列萨列夫公式为基础，通过比较煤柱与孔口管的受力情况，将斯列萨列夫公式中计算安全煤厚的公式用于计算孔口管的长度，并借助义安井田两个首采工作面的水文地质资料对公式进行验证，通过实际探水，证明其结果的合理性。再通过改变水压的大小来计算不同水压下孔口管的长度，将结果与规程中的值进行比较，也是符合要求的，对于曹村矿解放奥灰岩水威胁下的煤炭储量和煤矿安全生产提供了依据。1 “下三带”理论基本概念在开采矿压作用下煤
7、层底板与下伏含水层之间的相对隔水岩层发生相应的破坏和扰动,，按破坏的方式和导水性能分为矿压破坏带（h1）、有效隔水带（h2）和潜越导水带（h3）三个带，为和采动覆岩“三带”相区别，故称“下三带”（见图1-1-1）。图1-1-1 煤层底板“下三带”空间分布图矿压破坏带（h1）亦称下I带，煤层底板在开采矿压作用下，岩层连续性遭受破坏，所产生的裂隙范围。总体形态在倾向和走向剖面上均大致呈倒。靠近断层处矿压破坏带比正常区可增大一倍左右，并向断裂带靠拢。有效隔水带（h2）亦称下II带，是指底板岩层在采煤的影响下具有隔水能力的部分。此带位于下I、下II带之间。潜越导水带（h3）亦称下III带，在开采矿压作
8、用下，下伏含水层上覆岩层中充水裂隙分布的范围称为潜越导水带。其上界面是波浪起伏或参差不齐，导升高度差别较大。2 “下三带”理论的应用2.1矿井概况曹村井田位于山西省临汾地区霍州市东南约7 km处。其煤系地层为下二叠统山西组、上石炭统太原组和中统本溪组。总厚约120 m。期间共含煤14-16层。主采2、9、10、11号煤层。目前，上组2号煤除十采区外均已采完。下组9、10、11号煤回采工作已在一、三采区铺开。2.2评价区地质概况2.2.1中奥陶统峰峰组属石炭一二叠纪含煤岩系沉积基底。其岩性以深灰色厚层状石灰岩为主。依裂隙岩溶发育情况，该层可划分为3个含水带：奥灰岩顶面以下7 m内为第一裂隙溶洞带
9、，溶洞率14%-35%，部分钻孔资料显示该带为方解石充填；第二带厚约10 m，裂隙率6%-10%，溶洞发育，钻孔冲洗液消耗量为0.050-0.083 L/s；第三带厚约29 m，下部裂隙较发育，钻孔冲洗液漏失严重。抽水试验得单位涌水量q=0.00045-0.51100 L/sm，渗透系数K=0.0035-1. 19 m/d。矿井试验可得 2-11.99 L/sm，k=95.4 m/d。该层现在水位501-517 m，属裂隙溶洞承压强含水层，也是对下组煤开采构成最大威胁的含水层。2.2.2中石炭统本溪组主要由铝质含量高的泥岩、薄层石灰岩及不稳定薄煤层构成，夹薄层砂岩。厚5.13-37. 88 m
10、，平均13.48m。该层为下组煤与奥灰岩含水层间隔水层的下段。2.2.3上石炭统太原组总厚61.71-99.70 m，平均81.04 m。由泥岩、粉砂岩、砂岩、石灰岩和煤层组成。其中 K2、K3、K4石灰岩层，厚7.07-23.43 m，分布与厚度较稳定，尤以K2灰岩厚度最大（7.07 -11.68m)。三层灰岩中都发育有裂隙、溶隙和小溶洞。钻孔抽水试验測得q=0.0017-0. 0072 L/sm，K=0.0064-0.0765 m/d。从钻孔水位与含水层顶板关系看，其具有36.83-69.41 m的水柱压力。属极弱承压含水层。从井下揭露情况看，该层静储量较大。因补给远而不足，较易疏干。该层
11、属下组煤项板水。目前除十采区外，其他地方仅存不大的动储量。区内还有下二叠统山西组和下石盒子组以及新第三系上新统下、中榆社组。这些地层中含水层段距下组煤较远，隔水层较厚，对采矿影响不大。2.3 11#煤底板“下三带”中各带厚度测定2.3.1矿压扰动破坏深度的测定在C1、C2、C3和C4四个孔中进行了测定矿压扰动破坏带深度的注水试验，测试孔布置在2-10312巷联巷巷头（图2-3-1），以下为随工作面推进，采中、采后注水量及底板岩移变化过程曲线见图2-3-2、图2-3-3、图2-3-4及图2-3-5。图2-3-1 底板测试钻孔布置图图2-3-2 C1孔注水深度与注水量关系图2-3-3 C2孔注水深
12、度与注水量关系图2-3-4 C3孔注水深度与注水量关系图2-3-5 C4孔注水深度与注水量关系通过以上曲线分析，可有如下结论：1）采后注水量大于采中注水量，采后破坏深度大于采中破坏深度。反映了底板破坏带随着时间的延长在继续发育，所以在注水的对比分析时应考虑时间因素的；2）采中矿压扰动破坏深度810 m，取10 m最为采中破坏深度值；3）采后矿压扰动破坏深度1215 m，取14 m最为采后破坏深度值；4）最终取采后破坏深度值14 m（hm1）为矿压扰动破坏深度。2.3.2潜越导水带厚度规则本次评价主要采用现场试验观测法中的底板钻孔放水试验法。在两个孔CF2和CG3中进行了放水试验，先对各孔的流量
13、随深度变化情况进行分析。1）CF2孔流量随深度变化规律为测定潜越带的高度对CF2孔进行了放水试验，试验深度从112128m共16m。试验最大流量0.8958L/S，最小流量为0L/S，流量与深度变化关系如图2-3-6所示。图2-3-6 CF2孔潜越带试验曲线图2）CG3孔流量随深度变化规律为测定潜越带的高度对CG3孔进行了放水试验，试验深度从102115 m共13 m。试验最大流量1.442 L/S，最小流量为0.962 L/S，流量与深度变化关系如图2-3-7所示。图2-3-7 CF2孔潜越带试验曲线图根据本次注（放水）试验资料分析，并参考以往经验，确定矿压扰动破坏带深度为14 m （h1）
14、，潜越导水带厚度为0 m（h3）。11#煤层底板隔水层平均厚度为20.99 m（h）。因此，根据有效隔水带厚度的计算公式： （2.1）11#煤底板有效隔水层平均厚度是6.99 m。2.4 11#煤底板突出危险性评价评价方法：有效隔水层突水系数法计算公式为：Ts=P/M （2.2）式中：Ts突水系数（MPa/m）；P煤层底板承受水压（MPa）；M底板有效隔水层厚度（m）；将数据带入公式计算，依据11#煤底板奥灰突水系数对采煤威胁性相对大小，分为三个区（见图2-4-1）。图2-4-1 11#煤底板突出危险性分区图I区：位于十采区西北部，11#煤底板标高460427.64范围内，正常块Ts= 0.1
15、0.15 MPa /m，突水威胁性中等。II区：位于十采区中部，11#煤底板标高427164391198 m范围内，正常块段Ts=0.150 0.200 MPa/m，突水威胁性较大。III区：位于十采区东南部，11#煤底板标高391.98170 m范围内，Ts0.200 MPa/m，突水威胁性大。3 奥灰岩水动力单元特征研究区位于吕梁山复背斜和霍山背斜之间。北部是韩侯岭横向隆起带。大面积奧灰岩裸露地表，形成了广泛的岩溶水补给区。两山之间的汾河地堑则成为其径流与排泄区。在此基础上，可进一步划分出次一级的水文地质单元（图3-1-1）：北单元郭庄泉域、南单元龙祠泉域和东单元广胜泉域。曹村井田则位于北单元的南部郭庄泉群与霍山断层之间。井田内奥灰水主要来自东、南东方向的霍山西侧。受并田西部赤峪断层阻隔，井田奧灰水主要向弯村矿中央水仓处汇集并由此排出。由于井田北部李曹断层的阻隔，北部来水甚少。井田所处位置因受构造控制而具有较大的封闭性。水位资料表明（1982-1991年），该区奥灰水位平均以每年1.275m的速率下降，进一步证明了这种封闭性造成岩溶水补给量的局限性以及补给量小于排泄量的特征。由于
