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          東二采區下組煤開采防治水措施

            
          評論: 更新日期:2024年04月25日

          1、采區概況

          東二采區地表位于城家曲和陰家溝一帶,位于井田東北角,東二采區地表溝谷縱橫。地形最高點在搶風梁附近,標高在1200米;最低點在采區北部的汾河沿岸附近,標高在1000米。2.3#煤蓋層厚度90-360米,8#煤蓋層厚度160-430米?,F上組煤已采空,采空積水較多。

          東二采區總的構造形態為南傾伏的復式向斜構造,北部較高,南部較低,區內地層走向變化較大,地層傾角在4-18度之間,平均9度,區內斷層、陷落柱發育,到目前為止,開采2.3#煤共揭露大于3.0米斷層30條,陷落柱24個。采區下組8#煤層厚度為1.70-4.98米,平均為3.30米。東北部煤層較薄,約2.2米左右,西部、南部較厚。全區煤層均可采,屬穩定煤層,含1-2層夾矸。

          2、采區水文地質條件

          2.1區域概況

          太原西山東山地區和太原盆地構成一個完整的水文地質單元,三者之間有著一定的水力聯系,東、西山地區地下水向太原盆地匯集,除部分水量由大泉排泄外,其余部分向南運移。但由于彼此之間構造格局的不同,邊界條件的差異,各自又為次級獨立的水文地質單元,鎮城底礦井田就處在太原西山地下水系統的補給逕流區。太原西山區域地下水可分為四種類型:奧陶巖溶裂隙水;汾河及大溝谷中第四系沖積層的孔隙水;石炭二迭系風化裂隙潛水及石炭二迭系薄層灰巖,砂巖裂隙承壓水。其中以奧陶系石灰巖巖溶裂隙水為主。

          本井田處于馬蘭向斜東翼,奧陶系地層在井田北部和西北部外圍廣泛出露,向區內埋藏漸深。與掩蓋區比較,露頭區傾角一般顯著變陡,巖溶也較發育,其巖溶形態以溶蝕裂隙為主,溶洞較少。鎮城底井田及周邊鉆孔揭露奧灰巖溶水顯示,其外圍富水性較好,向井田南及東南部逐漸變弱,特別是奧陶系峰峰組,富水地段巖性以石灰巖為主。制約古交礦區奧陶系灰巖含水組的含水性主要取決于其埋藏深度,即標高愈高,透水性、含水性愈強,反之則弱;其次為構造和巖性條件。據區域資料,奧陶系頂面標高低于550m者含水性較弱,低于470m者不含水。

          2.2含水巖組的劃分及其特征

          鎮城底礦地處西山煤田西北邊緣,地貌表現為中低山,地表切割強烈。地勢西南高東北低,地層總體上為向東南傾伏的單斜構造,區內最大的河流汾河從井田北部流過,區內陰家溝、歇馬溝季節性河流由西南向北東匯入汾河。依據本區地層發育狀況及其水文地質特征,可將研究區地下水劃分為奧陶系石灰巖巖溶含水巖組、太原組石灰巖巖溶含水巖組、山西組砂巖裂隙含水巖組、及采空區上部砂礫巖裂隙含水巖組。

          2.2.1奧陶系石灰巖巖溶含水巖組

          本含水巖組是礦區的間接充水含水層,主要有中奧陶統峰峰組及上馬家溝組。

          2.2.1.1奧陶系中統峰峰組巖溶裂隙含水巖組

          本組平行不整合于本溪組之下,厚29.75~157.60m,平均95.32m,分為上、下兩段。下段為角礫狀泥灰巖、灰巖及石膏,由于泥質含量高,巖溶裂隙不發育,一般可視為隔水層;上段主要為石灰巖、泥灰巖,厚約60m,該段長期處于剝蝕作用下,裂隙充填泥土較多,影響巖溶發育,由于所處位置不同,受影響的程度也不同,因此使得其富水性差異較大,如井田北部峰峰組含水性表現為強,南部弱,甚至不含水。該組水壓標高830~885m,單位涌水量0.21~11.63L/s.m,滲透系數0.418~38.66m/d,水質類型為HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg和SO4·HCO3-Ca·Mg型,礦化度377-641mg/L,水溫13~14℃。

          本組含水性與其埋藏深度關系極其密切,埋藏愈淺,巖溶裂隙愈發育,含水也就愈豐富;反之則愈少。如井田北界外的Z-9號孔,O2f埋藏深度182.95m,巖溶發育,含水性好,單位涌水量(q)值達7.91L/s.m,滲透系數(K)值24.38m/d;而埋藏深的GS-13-2、416孔,巖溶不甚發育,僅有少量蜂窩狀溶洞,含水性很差,q值最大僅0.118L/s.m,K值最大0.481m/d,并且GS-14號孔O2f不含水??傊窘M含水性因地而異,相差懸殊,富水性南北差異性較大,東南部地段甚至可視作非含水層。

          2.2.1.2奧陶系中統上馬家溝組巖溶裂隙含水巖組

          本組平均厚度226.04m,分為上、中、下三段。下段為角礫狀泥灰巖、石灰巖夾薄層石膏,厚40m左右,巖溶裂隙不發育,富水性弱,為相對隔水層;中段主要為豹皮狀厚層石灰巖夾薄層白云質灰巖,平均厚100.20m,巖溶裂隙發育,鉆進中水位、水量有變化,富水性較強;上段主要為石灰巖夾薄層泥灰巖和泥質灰巖,平均89.81m,巖溶裂隙發育,大部分鉆孔揭露該層時均出現漏水現象,水位急劇下降,消耗量增加,本段是該組主要含水層段,富水性強。本組水壓標高886.551~896.467m,單位涌水量0.67~2.72L/s.m,滲透系數1.042~2.72m/d, 水質類型為HCO3-Ca·Mg或HCO3·SO4-Ca·Mg型,其中GS-13-2為SO4·HCO3-Ca·Mg型,礦化度311~409mg/L,水溫13~14℃。

          2.2.2太原組石灰巖巖溶含水巖組

          主要由L1、K2、L4三層石灰巖組成,其中以K2最厚,平均3.02m,質純,為主要含水層;L1平均厚1.10m,L4平均厚1.80m,不甚穩定,巖性又常為泥灰巖,因此含水性較差。本組頂部在區內西北出露,裂隙、巖溶不甚發育,透水性及含水性隨之亦差,絕大部分鉆孔揭露時,水位及消耗量變化不大,據810號鉆孔抽水試驗結果,q值0.064~0.065L/s.m,K值0.393m/d,水壓標高1021.43m;鄰區416、417孔q值分別為<0.00056L/s.m和0.00022L/s.m。據416、417孔水質分析成果,水質類型為HCO3-Na型水,礦化度343~375mg/L(表3-3)。

          2.2.3 山西組砂巖裂隙含水巖組

          本組含水層主要是K3砂巖含水層。K3雖巖性及厚度變化大,但在絕大部分面積內仍存在,厚度0.35~16.94m,平均5.72m。巖性為中—粗砂巖或含礫砂巖,膠結較松散。區內抽水試驗資料僅有810號鉆孔,其q值0.0548~0.07 L/s.m,K值0.335m/d,水壓標高1019.36m。水質類型HCO3-Na型,礦化度383mg/L。

          2.2.4 采空區積水

          本組為采空區上部厚層砂巖、沖積層組成的含水層,由于上組煤的開采巖層垮落形成的采空區積水,本層由于滲透性強,極易接受大氣降水及地表水補給,本層水質為采空積水。

          2.3 隔水層

          各含水層之間有良好的隔水層。10號煤至奧陶系中統頂面隔水層段由泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖及薄層石灰巖、鋁土泥巖組成,厚度25.08~77.10m,平均厚度60.27m。正常情況下,上部地下水與奧陶系中統石灰巖地下水無水力聯系。

          峰峰組一段隔水層段由泥灰巖、角礫狀泥灰巖、石膏等組成,厚度5.85~70.20m,平均厚度37.73m。從水質類型來看,峰峰組二段含水層的水質以硫酸型為主,而上馬家溝組以重碳酸型為主,兩段含水層無水力聯系,說明峰峰組一段起到一定的隔水作用。

          2.4構造導水情況

          本區斷層多為壓扭性結構面,斷層帶一般不寬,并且其中的斷層角礫互相擠壓緊密,尤其是穿過石盒子組的斷層帶,以泥巖為主,常形成不透水的隔水墻。

          根據井田發育和井下揭露陷落柱統計,其陷落柱膠結情況大部分為松散狀,含水性較差,以致無水,只有少量的滲水和淋水,說明陷落柱充填物的重力可抵御奧灰水的上升,且水質分析資料也顯示,其類型為HCO3·Cl—Na型,說明水源來自煤系地層,與奧灰巖溶水無關,因此,井田開采上組煤基本不會受到奧灰水的影響;下組煤由于承受的水壓力增大和隔水層厚度的減少,以及受大面積采動,地應力重新分布等因素的影響,構造帶垂向上的導水性將有所改善,因而地下水具有通過構造的薄弱部位上升的可能性,對礦井形成威脅。

          綜上所述,礦井開采下組8號煤時,受水壓力、隔水層厚度以及采動、地應力等因素的影響,奧灰水具有沿構造薄弱部位上升的可能性,應在一定的防治水措施下進行帶壓開采。

          3、充水因素

          根據本采區的水文地質條件,8#煤層84%的面積在奧灰水位線以下,對礦井充水的主要水源有以下幾個:

          3.1、采空區上部砂礫巖裂隙含水巖組

          上組煤采空積水本區上組共采空約765000平方米,預計積水量約80000-150000米3。

          3.2、山西組砂巖裂隙含水巖組

          山西組K3砂巖含水組:厚度4米左右,單位涌水量0.004-0.0548升/秒,水位標高為1039.36米,是8#煤開采的間接充水因素。

          3.3、太原組石灰巖巖溶含水巖組

          太原組石灰巖L1、K2、L4石灰巖埋藏較淺,距汾河較近,含水性好,是工作面開采的直接充水因素。在掘進中觀測L1石灰巖的正常涌水量約為1米3/小時,K2石灰巖的正常涌水量約為2米3/小時。

          3.4、奧陶系石灰巖巖溶含水巖組

          奧陶系石灰巖含水組:該含水組為本區主要含水組,是礦井潛在的充水因素,以裂隙巖溶水為主,本區2.3煤開采中巖溶發育,又距汾河近,加之斷層發育,含水性好。據井田834鉆孔資料,奧灰水水位標高為892-898米,單位涌水量4.43-10.56升/秒,滲透系數11.843米/日,水位降0.12-4米。

          4、預計涌水量

          東二采區工作面L1、K2、L4石灰巖的正常涌水量在10-20m3/h左右,工作面隨著開采面積的增大,涌水量也會隨著增大,根據相鄰采區的經驗,預計正常涌水量在20-40m3/h左右,工作面配備足夠的排水設施,能排出工作面的正常涌水量。但在構造導水的情況下,奧灰水最大涌水量可達300-500m3/h。采區排水設施滿足不了排水的要求。

          5、采區的具體防治措施

          5.1、采空積水的防治

          5.1.1上組煤采空積水的防治

          為防治上組煤采空積水隨著下組煤回采的推進沿頂板裂隙涌入下組煤工作面,必須采取探放措施,在工作面回采前進行提前探放,無水后方可回采施工。

          5.1.2同層采空積水的防治

          我礦煤層傾角較小,屬近水平煤層。由于地質構造復雜銜接相對緊張,針對這一現狀,工作面掘進時,對同層8#煤采空積水嚴格按照規程堅持 “預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則,自警戒線開始探放在確保工作面水頭壓力不大于0.15MPa的前提下,每20-30米探放一次,(視煤層傾角而定),工作面形成時,相鄰采空積水的探放工作也隨之而完成。從而避免了集中探放因水壓過大造成安全隱患或水量大而影響工作面銜接。

          5.2、太原組頂板灰巖含水層的防治

          根據我礦其它采區8#煤頂板灰巖含水層的出水情況結合18304掘進工作面L1、K2、L4石灰巖的出水情況,預計頂板灰巖含水層出水量L1灰巖正常涌水量預計不超過1m3/h,K2灰巖正常涌水量預計不超過2m3/h,在回采中頂板冒落導通頂板灰巖含水層預計出水量會增大,針對出水情況工作面配備足夠的排水設施,可確保安全。

          5.3、奧灰水的防治

          5.3.1、帶壓開采可行性分析:

          東二采區8#煤層84%的面積在奧灰水位線以下,能否帶壓開采是必經認真分析研究的問題?,F從突水系數和隔水層厚度兩方面進行計算分析:

          5.3.1.1、突水系數分析:

          本區奧灰水位取900米,8#煤層隔水層厚度取70米, 8#煤層最低標高730米。根據突水系數公式:Ts=P/M

          Ts=2.4/70=0.034 MPa/m

          從突水系數看小于0.06MPa/m,符合《礦井水文地質規程》的要求,但該區構造發育,構造的導水不容忽視。

          5.3.1.2、隔水層厚度分析:

          本區8#煤層標高點取730米,根據計算公式:

          t————安全隔水層厚度(m)

          l————采掘工作面的最大寬度(m=20)

          r————底板隔水層的平均重度(0.023 MN/ m2)

          Kp————隔水層的平均抗張強度MPa取0.20

          H————隔水層底板承受的最大水頭MPa取2.40

          代入公式計算得:t安=38.82米,而實際隔水層厚度為70米,大于安全隔水層厚度,因此在沒有構造導水的情況下,是可以帶壓開采的。

          5.3.2、奧灰水的具體防治措施

          5.3.2.1、目前在帶壓開采區域僅能對已知構造進行探測,對隱伏構造措手無策,這樣隱伏構造成為重大隱患,無法排除。因此我礦下一步計劃引進直流電法儀,直流電法儀的優勢在于探明60-80米范圍內有無含水體,在帶壓開采區的所有掘進巷道全部進行超前物探。嚴格按照規程堅持 “預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則,對帶壓開采區域必須進行超前物探,超前距為20米,前方無導水構造后方可掘進。

          鎮城底礦東二下組煤采區突水系數最大為0.034MPa/m,隔水層厚度為70米,而且陷落柱多且大,奧灰巖溶水最大極限涌水量為1088.34m3/h,是目前鎮城底礦受奧灰水威脅最為嚴重的區域。采區巷道最高標高為882.6m如果東二采區奧灰水突水后會給礦井造成威脅;可以通過強排延緩自救時間快速構筑除防水閘門以外的防水密閉,達到把水災事故控制在計劃范圍內,有效避免對礦井其它區域的威脅,進而解決皮帶巷防水閘門無法試驗及奧灰水滯后突水無法防治的問題,但需資金與技術支持。

          5.3.2.2、工作面形成后進行物探,進行驗證隱伏構造的范圍及導水性后方可開采,并要留有觀測孔監測水文動態。

          5.3.2.3、掘進和回采不能通過導水的斷層和陷落柱,防止其導水或滯后導水。若發現有導水的構造,必須進行注漿加固。

          5.3.2.4、工作面回采結束后其密閉要按規程規定的防水密閉的要求進行設計和施工。

          5.3.2.5、工作面的排水設施、設備必須按規程規定滿足要求,并有備用的排水設施、設備。即掘進工作面必須有兩路4寸的排水管,排水能力不小于60 m3/h;回采工作面兩巷必須有四路4寸的排水管,排水能力不小于80 m3/h。

          5.3.2.6、820軌道巷斜坡上部車場標高882.6米,為了確保礦井安全生產,預備2000個沙袋,以備急用。

          6、存在的問題及建議

          6.1、東二采區無采區水倉,我礦初步研究用移動泵站加以解決,但需增加2-3臺排水能力在500m3/h的水泵及配套管路??蓾M足奧灰水突水要求。

          6.2、購置一臺直流電法水害探測儀。

          6.3、購置一臺注漿堵水鉆機。

          鎮城底礦

          2008.1.10

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