底板隐伏导水断层安全性评价_梁锋.pdf
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1、 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();河北省自然科学基金项目()作者简介:梁锋(),男,辽宁锦州人,硕士,山东能源枣矿集团三河口矿业有限责任公司高级工程师,研究方向:煤矿安全生产技术管理。:.通讯作者:庄通(),男,河北保定人,华北科技学院在读硕士研究生,研究方向:安全工程。:.移动扫码阅读:.梁锋,庄通,田军,等.底板隐伏导水断层安全性评价.华北科技学院学报,():,.,():底板隐伏导水断层安全性评价梁 锋,庄 通,田 军,彭 瑞,王经明(.山东能源枣矿集团三河口矿业有限责任公司,山东 济宁;.华北科技学院 安全工程学院,北京 东燕郊)摘 要:构造地质断层存在着向工作面底板隐伏延
2、伸的可能性,并成为沟通含水层的导水通道,对工作面的安全性造成影响。为了对底板隐伏导水断层的安全性进行评价,以鲁西南某矿三采区 工作面为例,通过底板钻探,利用钻孔水压和水温异常定位了隐伏导水通道位置。运用递进导升突水的评价法,认为在回采过程中,隐伏导水断层不会和底板破坏区接通,不需要对导水通道治理也不会发生突水。工作面的安全回采证实了结论的正确性,研究成果对条件类似的工作面具有借鉴作用。关键词:隐伏导水断层;底板安全;递进导升;数值模拟中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(.,.,;.,):.,.,.,.:;第 卷第 期 年 月华北科技学院学报 .引言底板隔水层厚度不大,但存在隐伏导水断层时
3、,如何准确评价底板的安全性是华北聚煤盆地鲁西石炭二叠系煤田中小型煤矿面临的重要问题。如果采用地面导斜钻孔对石炭系含水层实施大规模底板注浆改造,其成本之高对于中小规模的煤炭企业难以承受,而且因为断层发育构造复杂,注浆效果也难以保证。如果采用疏干降压的方法,由于底板存在导水断层,沟通下伏奥陶系强含水层,疏干效果也无法保证。以鲁西南矿区某矿北部东翼采区 工作面为例,开展了安全开采的攻关研究 测试了底板的破坏深度、开展了底板水文地质异常检测与导水通道定位、底板递进导升的数值模拟,最后对底板的安全性进行了评价,仅用很小工程量就保证了工作面的回采。针对煤层底板的突水机理进行了不断地研究。先后出现了“下三带
4、”理论,“下四带”理论,“原位破裂”理论,“优势面”理论,“关键层”理论和“递进导升”理论等。目前有学者提出突水系数改进法。其中递进导升突水机理可以很好反映底板的突水演化过程,对鲁西煤田最为适用。该理论是王经明、董书宁在 年和 年在对韩城马沟渠煤矿和淮南新庄孜煤矿底板破坏深度、应力、应变、渗透性、渗透压、断层的扩展和两盘相对位移观测,以及物理模拟和数值模拟的基础上提出的。该理论认为如果煤层底板存在着初始导升,在矿压和水压的作用下,导升高度将会进一步扩展,当其扩展到底板破坏区时,即发生突水,突水判据为:。式中,为初始导升高度;递进的导升高度;为采矿的破坏深度;为底板隔水层的厚度。如图 所示为煤层
5、底板突水的形成过程。后来王进尚博士对突水机理又进行补充说明,认为裂隙尖端的扩展若要造成递进导升作用,还需要将尖端前方的岩桥贯穿,因此建立了岩桥破裂的公式。递进导升理论在鲁西南矿区某矿北部东翼采区 工作面的成功应用,为北区 煤其他工作面的回采提供了有力的借鉴作用。图 煤层底板突水的形成过程 工作面水文地质条件.构造三采区东翼采区内含 个工作面位于井田东北部,处于欢城 断层、断层和 断层围成的三角区域,如图 所示,工作面为首采工作面。()欢城 断层,位于采区的东部边界,为鲁西南矿区某矿与欢城煤矿的分界线。断层倾角约,落差,三采区内落差为。该断层是欢城断层的分支,与欢城断层呈阶梯状组合。()断层:位
6、于采区的西部,倾角 左右,落差。()断层:位于采区的北部,倾角,落差。三采区东翼处于上述 条断层的上盘,其中欢城断层和 断层造成奥灰含水层与本区的三灰对接。在采区的南部还存在着一条走向近,落差为 的 断层,该断层在 工作面的南部,但怀疑在奥陶系灰岩层位仍有断裂,成为 工作面底板隐伏导水通道。.底板含水层三采区底板地层结构如图 所示,其中主要含水层为太原组三灰、十下灰和奥陶系石灰岩。三灰含水层上距 下煤.,厚度.,平均为.,单位涌水量.,富水性弱。水位标高.。第 期梁 锋等:底板隐伏导水断层安全性评价图 三采区东翼构造地质图图 下煤层底板地层柱状图 十下灰上距 煤.,厚.,平均为.,单位涌水量.
7、(),渗透性系数为.,富水性弱。奥陶系石灰岩上距 煤约.,厚度 。静止水位标高 ,单位涌水量.,水质类型为 或 型,富水性弱至中等。.隔水层煤层与三灰之间下伏隔水层厚度约 ,与奥灰之间隔水层的厚度约 ,为粘土岩、泥岩、少量粉砂岩、细粒砂岩和灰岩(三灰和十下灰),如图 所示。由于三灰与奥灰因欢城断层和 断层对接,三灰成为 煤有威胁的含水层。工作面底板安全性评价.底板隐伏断层导水性分析三采区煤层底板标高,高于三灰水头 ,低于奥灰水头,表明如果奥陶系和三灰两含水层之间的水力联系不强,三灰对煤层开采的威胁不大。因此,确定三灰是否与奥灰之间存在联系通道成为评价 工作面安全的关键。如图 所示,工作面下方的
8、 地层尖灭于 工作面外,表明该断层可能隐伏于 工作面底板下方。由于欢城断层和 断层都有阶梯状分支,为了探查底板隐伏导水断层并评价其危险性,将下伏三灰含水层作为隐蔽导水通道的指示层在 工作面内施工钻华北科技学院学报 年第 期孔进行水压、水温和水质探查。个钻孔中有 个安排在 断层的延伸方向,其余的 个分别安排在延长线的左右两侧(见图 中的,)。所有钻孔在揭露三灰以前都没出水,揭露三灰以后,都发生了不同程度的涌水,在钻孔密封稳定 后,测得了各孔的水压和水温,结果如图 和图 所示,图的左侧临近欢城断层,右侧临近 断层,白色线条为 隐伏断层。图 工作面三灰水压等值线图(等值线单位)图 工作面三灰水温等值
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