专题-对开滦矿区防治水的认识及探讨.pdf

1、 专题部分 对开滦矿区防治水的认识及探讨 1.前言 在我国煤系地层中普遍存在着含水岩系，特别是华北地区，其底部蕴藏着巨厚奥陶系岩溶水。而随着煤炭资源的大量开采，不少矿井已经进入深部开采，底板承受岩溶水的水压已经达到 2.06.5MPa，而隔水层的厚度不一，使发生突水的概率大大增加，从而使煤矿受到底板岩溶水的巨大威胁。开滦矿区属于含水冲积层掩盖下的大水矿区，水文地质条件复杂。煤系地层为富含孔隙承压水的第四系冲积层所覆盖，煤系基底为奥陶系石灰岩岩溶裂隙承压水所顶托；煤系地层中的砂岩裂隙发育，直接或间接接受上、下含水层的补给，加之断裂构造发育及特殊的导水地质体（岩溶陷落柱）的存在，进一步加剧了矿区水

2、文地质条件的复杂化。开滦矿区有着悠久的开采历史，在煤炭开采中对防治水的问题积累了丰富的经验，为此加强对其防治水的了解及研究对现在及将来的采煤工作有着重大和实际的意义。1.1 开滦矿区水文地质概况 开滦矿区是一个具有 126 年开采历史的老矿区，含煤地层为石炭、二叠系，由开平煤田（包括开平向斜、车轴山向斜）及蓟玉煤田的林南仓向斜共同构成。其中多数生产矿井位于开平主向斜内，该向斜轴向为北东 4060，向南西方向倾伏，两翼不对称，西北翼倾角陡立，局部直立甚至倒转。1.1.1 1.1.1 矿区地层矿区地层 煤系及上覆地层简述如下：石炭系中统唐山组：与奥陶系为平行不整合接触，由灰色泥岩、粉砂岩及中细粒砂

3、岩组成，夹三层灰岩，含不稳定薄煤 1层，底部为 G 层吕质泥岩，厚约 65m。石炭系上统开平组：以灰色粉砂岩及细砂岩为主，间杂 3 层灰岩，含煤 45 层，厚约 65m。石炭系上统赵各庄组：是主要含煤组，岩性以灰色中粗粒砂岩、黑灰色粉砂岩、泥岩间夹绿灰色中厚层沉凝灰岩，含煤 35 层（11 煤层、121煤层、122煤层），其中 12 煤层为主要可采煤层，厚约 80m。二叠系下统大苗庄组；是主要含煤组，岩性以灰色粉砂岩为主，间夹细砂岩、泥岩及沉凝灰岩，含煤 46 层（5 煤层、6 煤层、7 煤层、8 煤层、9 煤层），其中 5、8、9 煤层为主要可采煤层，厚约 75m。二叠系下统唐家庄组：以灰白

4、色中粗粒砂岩为主，夹粉砂岩及泥岩，下部含 12 层煤组，顶部为 A 层铝质泥岩，厚约 220m。二叠系上统古冶组：灰、灰绿色、紫色粉砂岩、泥岩、中粗粒石英砂岩互层，厚约 400m。二叠系上统洼里组：底板为一层砂砾岩，下部一紫红色粉砂岩为主，间夹中粒砂岩及泥岩，上部以暗紫色板状砂岩为主，厚度大于 800m。新生界第三、第四系：不整合沉积在各时代地层之上。由黄褐色亚粘土、黏土及不同粒度的砂砾卵石交互组成，厚度 01000m。1.1.2 1.1.2 矿区地质构造矿区地质构造 1.开平煤田 开平煤田位于燕山南麓，种子大地构造上处于中超地台（级构造单元）燕山沉降带（级构造单元）的东南侧，主要分布于华北板

5、块东北缘，在华北板块体燕山断褶带南缘的中段，向南与黄骅断陷区相邻，属于燕山旋回所造成的盖层构造唐山、蓟县陷褶束（凹陷、级构造单元）中的一个复式含煤向斜，其西与级构造单元京西断褶束相连，东与级构造单元山海关台拱为邻，其北部为近东西向展布的太古界变质岩组成核部的马兰裕巨型复式大背斜，南部深入级构造单元华北断坳中。开平煤田包括开平复向斜、车轴山向斜、湾道山向斜、西缸窑向斜 4 个含煤构造区。（1）开平复向斜总体轴向为北东 3060，向西南方向倾伏，长约 50km，宽平均约20km，总面积约 950km2。向斜轴线偏西两翼不对称，西北翼倾角陡立，局部直立或倒转，断层较发育，够杂复杂；而东南翼地层平缓，

6、次级小褶曲发育，断层较少，构造较为简单。分布在向斜西北翼的矿井有：唐山矿、马家沟矿、赵各庄矿，分布在向斜东部转折端的矿井为唐家庄矿，分布在向斜东南翼的矿井有林西矿、吕家陀矿、范各庄矿、钱家营矿。（2）车轴山向斜为一狭长不对称向斜，长约 20km，平均宽约 5km，总面积月 95km2。总体轴向北东 45，轴面倾向北西，向斜西北翼陡，50以上，构造复杂；东南翼平缓，025，构造较简单，构造以断层为主。该区为东欢陀矿所在地。（3）湾道山向斜轴向为弧形，由北部的北东向转至南部呈北西向，长约 5.3m，宽约3.4m，向斜边缘地层倾角变陡，中部平坦，且呈波状起伏，北东向正断层或逆断层发育，为荆各庄矿所在

7、地。（4）西缸窑向斜长轴近南北向，长约 2km，宽约 1km，西翼地层较陡，且被一近南北向东倾正断层破坏，东翼较缓。该区为地方煤矿开采。开平煤田岩浆活动相对较轻微，但在东南翼局部地段（吕家陀矿、范各庄矿、钱家营矿）见有灰绿岩岩脉、岩床及岩墙，与煤层接触处煤的变质程度较高，对煤层的破坏和变质影响不大。2.蓟玉煤田 蓟玉煤田位于宝坻县、蓟县和玉田县的交界处，全区被第四系覆盖，煤田总体构造形态为北东向，长 30km，宽 13m。因后期改造，现在含煤系保存在 3 个北西向次级向斜之中。自北东至西南依次为林南仓向斜（面积为 22 km2）、李庄子向斜（面积为 3km2）、下仓向斜（面积为 95km2），

8、其间隔两个小背斜（即林西和黄土坎背斜）。该区一褶曲为主，且发育北东向和北西向两组断裂，该煤田燕山期岩浆活动较强烈，岩性主要有黄斑岩等，一岩床、岩脉、岩墙和岩盘、岩盖形式侵入，属浅成侵入体。侵入煤系地层后，使煤层结构复杂化，厚度变薄或全被吞蚀，其煤的变质程度急剧增高。林南仓矿处于林南仓向斜中，其他两个向斜目前还没有开发。1.1.3 1.1.3 主要含水层组主要含水层组 根据煤田内沉积的地层时代，岩性组合以及含水层储水空间形态，划分为 3 个主要类型的含水层组，如下所示：1.新生界松散层孔隙含水层（组）:由不同粒度的砂及卵砾石交互组成，富含孔隙水，由北向南逐渐加厚，其间沉积稳定的黏土，亚粒土等则成

9、为相对的隔水层。单位涌水量北大南小，北部为 310L/sm，南部均小于 1 L/sm。2.上古生界奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层组：主要刚性的砂岩裂隙组成，裂隙发育，导水通畅，其单位涌水量介于 0.10.7 L/sm。3.下古生界奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层组：在开平、蓟玉煤田沉积了中、下统的马家沟，亮甲山，冶里组地层，最大厚度大于 600m。地层浅部溶孔和溶洞发育且伴随有灰岩陷落柱，富含岩溶裂隙水，单位涌水量介于 0.00410L/sm，水质良好，一般为 HCO3-Ca 型淡水，矿化度低于 0.5g/L，为工农业的良好供水源，但作为煤系地层的基底，又是威胁矿床开采由底板充水的强含水层。开滦矿区含水层具

10、体细分为：第四系底部卵砾石孔隙承压含水层；5 煤层顶板砂岩裂隙承压含水层、12 煤层14 煤层砂岩裂隙承压含水层、14 煤层K3砂岩裂隙承压含水层及煤系沉积基底奥陶石灰岩岩溶承压含水层共 5 个主要含水层。1.2 主要水害的类型 开滦矿区主要水害的类型分为导水岩溶陷落柱、煤系底部奥灰水、煤系顶部砂岩裂隙水、第四系冲积层含水层、老空积水和小煤窑造成的潜在水害六种。具体如下所示。1.2.1 1.2.1 煤系地层中导水岩溶陷落柱的危害煤系地层中导水岩溶陷落柱的危害 开滦井田范围内，由于呈点状、孤立发育的隐形导水岩溶陷落柱的存在，奥灰岩溶承压水可以直接进入矿井，成为矿井涌水，危害极大。目前在开滦矿区已

11、发现的 19 个隐形岩溶陷落柱中；范各庄矿已发现 13 个，其中导水的岩溶陷落柱有 6 个；唐家庄矿已发现6 个，全为不导水的岩溶陷落柱。岩溶陷落柱的发育高度、大小、导水性等不完全相同；大到直径百米以上，小到十几米，形状也各异，水平切面上有圆形、椭圆形、肾形等，在垂直剖面上大都为不规则的串珠状。按其导水性的不同可分为完全充水型、边缘充水型、非充水型。对完全充水型导水岩溶陷落柱，一旦井下采掘工程揭露将会发生大规模的突水事故。1.2.2 1.2.2 煤系底部奥灰水的危害煤系底部奥灰水的危害 随着采深的加大（平均采深已近 800m，最深已达 1056m）奥灰水上带压开采问题越来越突出。如赵各庄矿 1

12、2 水平开采深度已达到 1056m，开拓水平深度已达 1156m，煤层开采底板所承受的奥灰水压值已大于10MPa，而最下可采煤层底板岩柱厚度仅为140m左右，局部由于断层构造的影响，煤层底板有效岩柱厚度仅为 90m 左右。当采掘工程揭露导水构造就会发生突水事故（或滞后透水），且危害性极大。1.2.3 1.2.3 煤系顶部砂岩裂隙水的危害煤系顶部砂岩裂隙水的危害 随着矿井向深部的延深以及新矿井的投入，煤层顶板（砂岩裂隙水）带压开采问题也越来越突出，煤 5 顶板砂岩裂隙含水层富水性强，在矿井开采上部煤层时，随着顶板垮落直接进入矿井，成为矿井涌水，严重影响着高产高效矿井建设。随着矿井深度的逐渐加深，

13、对煤层顶板的压力则愈来愈大，对煤层安全开采威胁程度也愈来愈大，如果处理措施不当，安全防范措施不到位，可导致淹工作面事故的发生。1.2.4 1.2.4 第四系冲积层含水层的危害第四系冲积层含水层的危害 由于开平煤田为隐伏型煤田，煤系地层上部覆盖着巨厚的第四系松散冲积层，其厚度由开平煤田北部赵各庄一带 020m，至钱家营矿宋家营一带发育到 800m 厚，且冲积层底部沉积了 20350m 厚的巨粒卵砾石层，含水极为丰富，直接覆盖于煤系地层之上，煤系地层中的各含水层在露头处均接受此含水层水的补给，从而成为矿井涌水。历史上唐山矿曾多次发生由于冲积层防水煤柱过小、采煤方法、防治水措施不当等原因发生的透冲积

14、层黄泥、沙砾石并造成伤人等事故。1.2.5 1.2.5 老空积水对开采的影响的危害老空积水对开采的影响的危害 生产矿井老采空区、废巷等积水，以各种形状存在于采掘工作面的周围，它既可以形成大片积水区，也可以各种形状零星分布，这种水体的水量通常不大，但均属管道流，流动十分迅速，一旦意外接近或接触，就能在短时间内突然溃出，水大时可达几万至十几万立方米。1.2.6 1.2.6 小煤窑造成的水害的危害小煤窑造成的水害的危害 随着经济的发展和利益的驱动，乡镇煤矿发展迅猛，非法开采，乱采滥挖，超层越界现象严重，地表环境遭到破坏，有的小窑甚至与大矿直接贯通，雨季大气降水和河水可沿着地表裂缝或井口直接灌入小窑进

15、入大矿，严重威胁着大矿的安全。综合以上可以看出，对于开滦矿区内，导水岩溶陷落柱、煤系奥灰水是影响矿区正常生产的主要因素，如开滦范各庄矿 2171 综采工作面受 9 号陷落柱的影响，导致突水事故的发生，仅 21h 就将一个年产 300 万 t 的大型现代化矿井全部淹没，且危及东四矿，损失极为惨重。由于导水断层及呈点状、孤立发育的隐形导水岩溶陷落柱的存在，奥灰岩溶承压水可以直接进入矿井，成为矿井涌水，且危害极大。其次，随着矿井向深部的不断扩展，奥灰水带压开采问题越来越突出。因此加强对开滦矿区内底板突水的机理研究和预防对保障矿区内矿井正常的生产具有重大的意义。2.底板突水研究现状 2.1 开滦矿区深

16、部开采底板突水现状 开滦矿区具有典型的华北型石炭-二叠纪岩溶煤田特征，煤系基地为厚层的奥陶系灰岩，其岩溶裂隙及其发育，富水性好、水头高、水压极大。奥陶岩溶含水层与煤层上部的第四系底卵含水层是煤系的主要充水含水层，是矿井突水水源中具有最大危险性的含水层。开滦矿区随着开采深度的增加，煤层受到深部奥陶灰水的威胁日趋严重，再加上矿区地质水文条件复杂、隐蔽、不确定性，奥灰含水层具有副含水性、水头大、水压大的特点，突水事故频繁。历史上矿井发生的重大水灾害都是煤系基底奥陶系岩溶水，如 1984 年 6月开滦范各庄矿发生的突水事故，突水量达到 2053m3/min，造成淹井。2.2 底板突水研究现状 国外关于底板突水研究的起步较早，我国从 20 世纪 60 年代开始了对底板突水机理的研究，几十年来取得了一些进展，但是由于地层条件的复杂多变，目前对其原因还没有一个统一的认识。从目前来看，关于底板突水问题的机理主要有两类基本看法，一是“承载结构说”（从底板承受采动矿压和水压的力学性能出发，分析研究等效隔水层厚度的受力状态及岩体阻水强度）；二是“阻隔水结构说”（从水动力学角度，把煤层底板天然存在的大量固有结