煤矿开采技术毕业论文.docx 81页

'毕业设计题目:山西焦煤汾西矿业集团双柳矿防治水分析规划专业煤矿开采技术班级13级（2）班学号姓名张永义指导老师2016年5月81 山西焦煤汾西矿业集团双柳矿防治水分析规划摘要本文主要对双柳矿井的地质构造，地下水等的研究，目的使之能更好服务生产进而取得良好的效益，研究的方法主要是实地观察，测量和参考文献。取得较详细的地质资料，提出了地质工作的重要意义，轻视地质工作必定带来不利局面，提醒煤矿必须重视地质工作。关键词矿井地层构造水文意义81 目录山西焦煤汾西矿业集团双柳矿防治水分析规划2摘要2前言4第一章矿井基本概况6第一节矿井概况6第二节、矿井以往水文地质工作7第二章地层13第一节构造13第二节井田内含水层15第三节井田内隔水层19第三章矿井水文地质条件及其水害类型23第一节水文地质条件分析23第二节矿井充水途径26第三节煤层受水害威胁29第四章矿井水文地质类型划分33第五章煤层34第一节防治水整体规划（2010~2014）34第六章矿区水文地质36第一节矿井防治水物探36第二节构造导水性探查39第三节太原组灰岩水的探查及疏放42第四节采空积水疏放45第五节防水煤柱留设48第六节掘进工作面与采煤工作面防治水技术措施49第七节地表水的防治5381 第七章构造对生产、开采、采区、工作面布置的影响55第一节防治水专项技术研究55第二节采煤工作面底板突水预测预报63第八章水文地质工作内容与技术要求71第九章矿井防排水系统评价74第十章防治水工程实施进度与费用概算75第十一章结论与建议77主要参考文献7881 前言煤矿水害是与瓦斯、火灾等并列的矿山建设与生产过程中的主要安全灾害之一，长期以来，因为煤矿水害而给国家和人民带来的人身伤亡和经济损失极为惨重。近年来，煤矿重特大水害事故、突水淹井、淹采区事故多发，并有逐步上升的趋势。为遏制煤矿重特大水害的事故的频繁发生，国家安全生产监督管理局和国家煤矿安全监察局就加强大煤矿防治水工作提出了《关于加强煤矿水害防治工作的指导意见》（安监总煤矿（2006）98号），明确要求煤矿企业要认真编制并组织实施矿井中长期防治水规划和年度防治水计划。2006年6月15日，国家煤矿安全监察局局长赵铁锤在全国煤矿水害防治工作座谈会上再次要求各煤矿企业和有关单位要针对当前及今后一个时期煤矿水害防治工作的实际情况，认真编制煤矿防治水规划和水害应急预案，建立矿井水害防治工作长效机制。这一方面表明了国家有关部门在对煤矿水害的高度关注，另一方面表明了煤矿中长期防治水规划在防治水工作中的重要性。双柳煤矿是汾西矿业集团主力矿井之一，双柳井田地处河东煤田中部，在水文地质单元中属柳林泉域系统。现年产原煤250万吨，目前开采二叠系山西组3#、4#煤层（上组煤）。在未来5年内，双柳煤矿计划开采石炭系8#、9#、10#煤（下组煤），由于开采深度增大，面临的水文地质问题更加严重。上组煤和下组煤层都存在带压开采问题。上组煤距离太原组灰岩含水层20～30M，承受太灰水压2～5MPa，下组煤距离奥灰含水层平均60m，煤层底板承受奥灰水压2～7.28MPa。同时由于下组煤层的直接顶板为太原组灰岩，在开采过程中受到顶板灰岩水的影响。已探明和未探明的断层及陷落柱的导水性也是双柳矿现存的较大水文地质问题。鉴于以上存在的诸多水文地质问题，汾西矿业集团委托煤炭科学研究总院西安研究院为双柳煤矿编制防止水5年规划，合理地安排矿井防治水工作，避81 免矿井防治水工作的盲目性，合理而有计划、有步骤地安排防治水的工程和科研项目，确保煤矿安全和高产高效。本项目在实施过程中收集了矿井已有地质、水文地质资料，分析了矿井水文地质条件，确定了矿区存在的水文地质问题，并针对双柳煤矿的水文地质特点，结合双柳煤矿的采掘计划，提出了双柳煤矿的防治水规划总体思路，确定了双柳煤矿防治水策略，论证了各项探查工程的必要性，合理性和可行性。从矿井地下水观测网建设、矿井水文地质补充勘探、工作面水文地质条件探查、防治水工程安排以及矿井日常水文地质工作要求等方面，全面规划了双柳煤矿今后的防治水工作。规划的制定将对双柳煤矿以后的防治水工作有很大指导作用，其实施将保障矿井的安全高效生产。本规划编制依据：1、《煤矿安全规程》(国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局，2007年1月)；2、《矿井水文地质规程》（煤炭工业部，1984年5月）；3、《矿区水文地质工程地质勘探规范》（国家技术监督局，1991年）；4、《井下探放水技术规范》（煤炭工业部，1996年12月）；5、《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（国家煤炭工业局，2000年5月）；6、《关于加强煤矿水害防治工作的指导意见》（国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局安监总煤矿（2006）98号）；7、《双柳煤矿水文地质补充勘探报告》（煤炭科学研究总院西安研究院，2008年）；8、双柳煤矿2010～2014年生产衔接规划；81 第一章矿井基本概况第一节矿井概况一、矿区交通地理概况汾西矿业集团双柳煤矿位于山西省河东煤田中部。南距柳林县城17km，行政区划属吕梁地区柳林县。井田面积31.03km2，其范围北至三交三号井田精查区13剖面线，南至聚财塔北断层，东至精查区东界。区内交通较为便利，柳林县有铁路和公路与全国各地相通，县城通往孟门镇的油路从矿区中部穿过，距307国道16Km。图1-1交通位置图二、矿区地理本区属吕梁山系，为典型的黄土高原地貌。地形形态主要为侵蚀地形，表现为强烈切割的梁峁状低中山黄土丘陵，冲沟密集而窄、河床基岩出露。区内植被稀少，水土流失严重。纵观区内地形，东高西低，沟谷基本呈东西向垂直黄河分布。区内地形最高点位于白家坡南，标高+1000.5m，最低点为西南角的黄河滩，标高+644.0m。本区属黄河水系，区内无大的河流，只有数条东西向的季节性流水的冲沟向西汇入黄河。雨季水流81 量大，7~9月份流量占全年的50～70%。黄河从区西缘流过，流经距离约10km，河床高程约+610～+650m，年平均流量924.4m3/s，最大流量19500m3/s。本区地处晋西北黄土高原，为大陆性季风气候，暖温带半干旱地区。年平均气温8.8℃，1月份最低，平均为-7.6℃，7月份最高，平均22.6℃。多年平均降水量519.3mm，最大降水量在7月份，为1299mm，最小在12月份，为3.6mm。蒸发量年平均值为2141.9mm，最大在6月份，平均为362.3mm。三、矿井生产概况双柳煤矿前身是柳林的白家焉煤矿，为年产15万吨的地方小煤矿。1999年，汾西矿务局在国家煤炭工业局以煤规字[1999]第129号《关于成立汾西矿务局双柳煤矿的请示》和国家计委以计[1999]第946号《关于汾西矿务局双柳煤矿扩界问题的批复》的基础上，对原有井田进行扩界后开始技改扩建，从1998年9月18日开始建井，2001年6月29日开始投产，2002年5月28日正式挂牌成立双柳煤矿，隶属汾西矿业集团有限责任公司，原设计生产能力150万吨/年，经过多次技改扩建，目前主采山西组煤层，实际生产能力300万吨/年。矿井采用立、斜井混合开拓方式，采区是大巷中央开拓，双翼布置工作面回采；工作面采用长壁后退式进行回采。2005年产量146.7万吨，2006年产量196.1万吨，2007年产量达到241.8万吨。计划2012年开采下石炭系组煤。第二节矿井以往水文地质工作1989、1995年148地质队提交的详查、精查报告分别于己1990、1997年被山西省煤管局和中国煤田地质总局审查批准，涉及本区钻孔共9个，其中井田内6个。1999年，汾西矿务局生产勘探队在上述工作的基础上，完成了双柳煤矿地质报告，报告认为初步查清了本区水文地质条件，确定了水文地质条件为简单的裂隙岩溶充水矿床，指出了奥灰水潜在威胁，同时报告还指出钻孔工程偏稀，还需在生产建设中进行补充勘探。2005年3月，煤炭科学研究总院西安分院完成了《双柳煤矿开采水文地质可行性论证研究》，该报告认为双柳煤矿上组煤开采水文地质条件相对简单，充水水源主要为山西组裂隙含水层，经采掘活动可逐渐疏干，底板太原组灰岩含水层在无垂直导水81 通道沟通奥灰的情况下，仍以静储量为主。下组煤开采矿井充水水源为顶板太灰含水层和底板奥灰含水层水，具备奥灰突水的不利因素，带压开采方法及其配套措施是防治奥灰突水的基本技术体系。该报告明确提出了双柳煤矿防治水技术路线以及补充勘探的具体要求。2006年11月，山西省煤炭地质148勘查院提交了《山西省柳林县汾西矿业集团公司双柳煤矿补勘地质报告》，该报告是在井田内各阶段地质勘探资料及三交三号井田精查地质报告的基础上，进行认真的综合分析整理编制而成的，达到了精查报告的研究程度。主要成果：(一)、查明了井田的总体构造形态为一向西倾斜的单斜构造，控制了井田内次级褶曲轴向和产状。(二)、对含煤地层进行了进一步的研究，查明井田内稳定可采煤层为4(3+4)、8、9(8+9)号煤层，查明了煤层的层位、厚度、结构及分布形态和范围。(三)、查明直接充水含水层和间接充水含水层的岩性、厚度、埋藏条件、水位、水质、富水性及分布情况，地下水的补给、径流、排泄条件，查明了隔水层的岩性、厚度及隔水性能，基本查明了矿井充水水源及途径，并预计了矿井涌水量。确定井田水文地质勘探类型为二类一型和三类一型。即双柳煤矿为以裂隙和岩溶含水层充水为主的水文地质条件简单的矿井。2008年10月，煤炭科学研究总院西安研究院提交了《汾西矿业集团双柳煤矿水文地质补充勘探报告》，本次水文地质补充勘探共施工水文地质勘探钻孔8个，其中奥灰水文孔3个，太灰水文孔5个，实际完成钻探工程量4854.49m，抽（注）水试验10层次，水文测井4829.65m，水质简分析8件，水质全分析39件，同位素测试5组，岩石力学测试74组，完成了1：1万水文地质38.6km2。该报告基本查明了太原组灰岩含水层和奥套系峰峰组、上马家沟组含水层的水文地质条件，探查了太灰与奥灰含水层之间的连通性，运用解析法及数值法预测了矿井涌水量。81 双柳煤矿属华北型石炭二叠系含煤建造，地层自老至新有下古生界中奥陶统；上古生界石炭系中统本溪组，上统太原组；二叠系下统山西组、下石盒子组，上统上石盒子组及石千峰组，新生界第四系。地层由老至新叙述如下：⑴奥陶系中统上马家沟组（O2s）本组与下伏下马家沟组地层呈整合接触。上部岩性为深灰色中厚层状灰岩，泥晶及微晶结构，致密、坚硬、质纯，矿物成分以方解石为主，其次为白云石、石英、燧石及粘土矿物少量，裂隙较发育，以溶蚀裂隙为主，局部裂隙方解石晶体所充填；下部岩性为浅灰色白云质灰岩，微晶结构，中厚层状构造，岩石致密、坚硬，质较纯，局部岩石破碎，裂隙较发育。钻孔揭露厚度50.36～51.88m。⑵奥陶系中统峰峰组（O2f）：本组连续沉积于上马家沟组地层之上。底部多为角砾状泥灰岩和灰岩。中下部为泥灰岩、灰岩，含脉状及纤维状石膏3～5层，有时见深灰色硬石膏层；上部为中厚层状石灰岩，质较纯，夹薄层泥灰岩、泥岩。揭露厚度113.35～116.25m，平均厚度114.32m。根据岩性由上至下分二段：二段（O2f2）：灰色、深灰色灰岩，隐晶质泥晶（微晶）结构，中厚层状构造，岩石致密、坚硬，矿物成分以方解石为主，次为白云石，微含泥质。中夹深灰色薄层状泥质灰岩，裂隙不甚发育，且多见方解石所充填。揭露厚度20.70～27.52m。一段（O2f1）：灰色、深灰色厚层状膏溶角砾岩、石膏岩及硬石膏层，中夹深灰色灰岩及泥质灰岩，泥晶（微晶）结构，厚层状构造，岩石致密、坚硬，裂隙不发育，且多被方解石所充填。揭露厚度85.83～92.65m。⑶石炭系①石炭系中统本溪组（C2b）本组与下伏奥陶系呈平行不整合接触。根据沉积特征及岩性，由上至下分二段，揭露厚度35.25～46.20m，平均厚度41.43m。上段（C2b2）：岩性为灰黑色砂质泥岩、深灰色铝质泥岩、灰色粉砂岩夹细81 粒石英砂岩及中粒石英砂岩、灰白色及暗灰色泥质灰岩及灰岩，以及灰黑色薄层泥岩及煤线。揭露厚度22.45～39.59m。下段（C2b1）：铁铝岩段，岩性为浅灰色、灰绿色铝质泥岩、灰黑色泥岩、砂质泥岩、灰白色细粒砂岩、灰黑色薄层状泥质灰岩，底部为灰绿色透镜状—鸡窝状黄铁矿层。揭露厚度6.61～12.80m。②石炭系上统太原组（C3t）该组以K3砂岩底为顶界，以K1砂岩底为底界，连续沉积于下伏中统本溪组地层之上。根据沉积环境及岩性组合特征，由上至下分为三段，揭露厚度55.92～87.45m。上段（C3t3）：由K3砂岩底至L5灰岩顶。岩性以深灰色、黑灰色泥岩、砂质泥岩为主，夹薄层炭质泥岩或浅灰色铝质泥岩。揭露厚度5.10～10.40m。中段（C3t2）：由L5灰岩顶至L1灰岩底。岩性主要由3～5层深灰色、灰黑色中厚层状生物碎屑灰岩（L5、L4、L3、L2、L1）夹碎屑岩类组成。生物碎屑灰岩为泥晶（微晶）结构，泥质成分较高，裂隙及岩溶不发育，且多被泥质所充填。灰岩中夹灰黑色泥岩、炭质泥岩及浅灰色铝质泥岩，以及灰黑色粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩（K2）。本段含煤1～2层，为6#和7#煤层，为局部可采薄煤层。揭露厚度34.99～47.71m。下段（C3t1）：由L1灰岩底至K1砂岩底。岩性为灰黑色泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩，浅灰色、深灰色中厚层状细粒砂岩，中夹0～1层极不稳定的生物碎屑微晶灰岩（L0）及浅灰色铝质泥岩。本段含煤3层，自上而下为8#、9#、10#煤层均为可采煤层。底部为灰色、灰白色中厚层状细—中粒石英砂岩（K1标志层）。揭露厚度27.0～39.41m。⑷二叠系①山西组（P1s）该组以K4砂岩底为顶界，以K3砂岩底为底界，与下伏石炭系太原组地层呈整合接触。岩性以深灰、灰黑色砂质泥岩、泥岩、粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩为主，局部夹灰黑色炭质泥岩及灰色铝质泥岩。自上而下含2#、3#、4#、5#煤，为可采煤层，或局部可采煤层。底部为灰色、深灰色厚层状粗粒或中粒81 长石石英砂岩（K3标志层）。揭露厚度66.65～96.35m。a.下段：以K3砂岩为底连续沉积于太原组之上，厚度变化大，一般为9.34～31.43m，平均20.30m。由砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层组成。K3砂岩横向分布不稳定，其上发育3#、4#煤层，为山西组主煤层，厚度稳定全井田可采，局部可采5#煤层。b.中段：从4#煤层顶界或S1砂岩底界至2#煤上S6砂岩底界，厚度为6.04～28.49m，平均16.7m。主要发育S3、S4两层砂岩及3#、2#煤层。由砂岩、砂质泥岩、泥岩组成。砂岩横向不稳定，有时合并，厚度达19m。c.上段：从S6底部至K4底界，厚度为16.90～53.66m，平均31m。本段厚度变化大，发育3～4层砂岩，含2～4层不稳定煤层。②下石盒子组（P1x）该组以K6砂岩底为顶界，以K4砂岩底为底界，连续沉积于山西组地层之上。岩性以灰色、深灰色石英砂岩、长石石英砂岩、粉砂岩、砂质泥岩及泥岩为主。按岩性分上、下两段，本次补勘钻探揭露厚度68.45～103.95m。上段（P1x2）：由K6砂岩底至K5砂岩底。顶部为灰色、灰绿色夹紫色斑块的铝质泥岩（桃花泥岩），其下为灰色、灰绿色中厚层状粉砂岩、中粒与细粒长石石英砂岩，夹灰色灰绿色泥岩及砂质泥岩，底部为灰绿色厚层状细粒及粗粒长石石英砂岩（K5标志层）。揭露厚度37.55～51.55m。下段（P1x1）：由K5砂岩底至K4砂岩底。岩性为灰色、灰绿色中厚层状粉砂岩、长石石英细粒砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩，夹灰色、灰绿色、深灰色砂质泥岩与泥岩，底部为灰白色、深灰色中厚层状细粒及中粒长石石英砂岩（K4标志层）。揭露厚度30.90～55.50m。③上石盒子组（P2s）该组以K8砂岩底为顶界，以K6砂岩为底界，连续沉积于下石盒子组地层之上。岩性主要由灰绿色、灰色、灰紫色、紫绿色、蓝灰色及紫红色砂岩、砂质泥岩和泥岩组成。该组分上、中、下三段，钻孔揭露厚度172.20～372.70m，平均揭露厚度267.10m。其中该组以Ms5钻孔揭露的地层较全，揭露厚度372.70m。81 上段（P2s3）：由K8砂岩底至K7砂岩底。岩性以灰绿色、蓝灰色、紫红色厚层状砂质泥岩和泥岩为主，泥质岩层厚度大，其中夹有灰色、灰绿色泥质条带；其次为灰色及灰绿色中厚层状粉砂岩、长石石英细粒砂岩、中粒砂岩，夹有燧石条带，底部为灰绿色中厚层状中粒—粗粒长石石英砂岩（K7标志层）。揭露厚度0～207.35m。中段（P2s2）：由K7砂岩底至中间砂岩底。岩性主要为紫红色砂质泥岩，夹灰色、灰绿色中厚层状粉砂岩及细粒长石石英砂岩，以及薄层状黑灰色泥岩，底部为黄绿色厚层状长石石英中—粗粒砂岩（中间砂岩标志层）。揭露厚度77.75～129.15m。下段（P2s1）：由中间砂岩底至K6砂岩底。岩性主要为灰绿色、灰白色中厚层状粉砂岩、细粒长石石英砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩，以及紫红色、灰紫色、深灰色及杂色砂质泥岩与泥岩互层，底部为灰白色厚层状中粒及粗粒长石石英砂岩（K6标志层）。揭露厚度80.60～152.15m。⑸第三系上新统（N2）沟谷中多有出露，角度不整合于下伏基岩地层之上。上部岩性以红色砂质粘土为主，结构致密，发育垂直节理。底部为杂色砂砾岩（厚2～4m），泥、砂、砾混杂，砾石直径大小不一，磨圆度及分选性差，结构疏松，孔隙发育。钻孔揭露厚度6.0～9.50m，平均7.46m。⑹第四系上更新统（Q3）及中更新统（Q2）不整合于下伏地层之上。按岩性分为上更新统及中更新统：①上更新统（Q3）：岩性由浅灰、浅黄色粉土及棕黄色粘质粉土或粉砂质粘土组成，颗粒均匀，无层理，结构疏松，具大孔隙，垂直节理发育。钻孔揭露厚度5～15m，平均10m。②中更新统（Q2）：岩性由浅红色砂质粘土、棕红色古土壤组成，中夹钙质结核（或钙质薄层）及零星冲积小砾石，结构较致密，垂直节理较发育。钻孔揭露厚度5～35m，平均19.30m。81 第一章地层第一节构造一、区域构造双柳煤矿地处河东煤田中部，在构造单元上属于鄂尔多斯断块、兴县一石楼南北向褶皱带中段，同时也属于山西断块，因整个山西断块构造走向均为NE—SW或SN向，所以本区的构造也以NE—SW向为主。河东煤田处于黄河东岸－吕梁山西翼的南北向构造带上，煤田总体上是一个基本向西倾斜的单斜构造，属于吕梁复背斜西翼的一部分，在单斜上又发育了次一级的褶曲和经向或新华夏系的断裂构造。新华夏系的断裂构造主要发育于煤田东缘以外，河东煤田北部及南部次级褶曲一般幅度不大，以单斜为主导构造，而在煤田中部的离柳矿区，在单斜上又产生了幅度较大的宽缓褶曲，成为矿区的控制性构造。从水文地质单元上划分，本区属柳林泉域，横跨吕梁复背斜和鄂尔多斯盆地两大构造单元。吕梁复背斜轴部主要由太古界变质岩及部分太古界花岗岩组成，其西翼形成一系列的次一级背斜和向斜，其中对区域地下水埋藏、运移影响较大的构造有走向南北的离石—中阳向斜和走向大致南北，呈S形分布的枣林—王家会背斜。枣林王家会背斜的西翼倾角为10°～20°，缓缓向西、西北倾斜，构成柳林单斜，直抵黄河岸边，成为鄂尔多斯盆地的东翼。同时，由于作用于离柳矿区的东西向应力不均衡，因而产生了离石鼻状构造，即以离石—聚财塔的东西方向轴线，形成一个弧形向西突出的弧状构造。鼻轴以北的三交区、地层走向由SN—NNE—NE，以南的青龙区则由SN—SSE—SE。由于张力作用，在鼻轴部位，产生了一个东西向的张裂带，即聚财塔断层组成的地堑构造。二、井田构造井田南边界为聚财塔断层，西边紧邻黄河。区内构造简单，为一自东向西倾斜的单斜构造，地层走向南北，倾角5°～10°。在靠近聚财塔断层附近，地层受断层影响，产状多有变化，伴生次级羽状小断层和短轴褶曲。81 从目前开采上组煤的情况看，工作面＋510～＋570m水平揭露有大小17个陷落柱。在已经揭露的陷落柱附近均伴生有大小不等的断层，断距一般约2~3m。在216工作面材料巷的掘进过程中揭露一小型陷落柱，编号为X12陷落柱，该陷落柱长轴约10m，宽约5m，在揭露此陷落柱北侧边缘时，有出水现象，水量小于3m3/h，一周内水量逐渐减小至0.5m3/h以下，水压0.3～0.5Mpa，据水质分析结果，该陷落柱出水为太灰岩溶裂隙水。近期生产过程中又陆续揭露了几个小型陷落柱，边缘地带均有少量出水。井田内聚财塔地堑由聚财塔北断层（F1）和聚财塔南断层（F2）组成，两者相距450m左右。断层延伸方向近东西向，相向倾斜，均为正断层。F1断层向南倾斜，倾角60°~75°,断距150~260m，在其附近伴生多个次级羽状断层，它们与主断层的交角都小于35°，延伸不远即消失。F2断层平行于F1延伸，倾向北，倾角70°～75°，断距150～180m，本区沟谷中出露明显。水文地质补充勘探钻探未揭露到断层、褶曲等构造，所揭露的地层层序及岩性分析表明，勘探区内无大型构造迹象。矿井生产过程中揭露近20条断层，多为高角度中小正断层，总体上对生产影响不大，实际观测发现，这些断层不含水亦不导水双柳煤矿井下揭露断层统计如下表：双柳煤矿井下揭露断层统计表表2-1编号倾向走向倾角落差（m）性质F1N180°N90°75°150-260正F2N0°N90°75°150-180正F3N260°N170°70°0.5正F4N140°N230°40°0.8正F5N330°N40°80°2.8-3.5正F6N240°N150°80°0.5正F7N220°N130°83°0.6正F8N20°N110°82°1.7正F9N20°N110°52°3.2正F10N10°N10°83°0.6正81 F11N167°N257°60°1.2正F12N250°N160°78°3.0正F13N142°N52°75°0.4逆F14N170°N80°87°3.0正F15N210°N120°75°3.0逆F16N265°N175°83°1.6正F17N265°N175°35°正F18N312°N42°30°0.6正F19N299°N29°42°1.2正F20N344°N74°67°1.2正统计资料表明，生产揭露断层落差一般小于5米，且以高角度正断层为主，走向以NEE和NNW为主，断裂构造不甚发育。此外，矿井生产过程中还揭露了17个陷落柱，除X12、X15、X16、X17陷落柱出少许水外，其余均未见出水。综上所述，双柳井田构造较为简单。第二节井田内含水层一、井田内主要含水层双柳井田含水层可划分为4种类型:第四系松散孔隙潜水含水层、煤系地层砂岩裂隙承压含水层、石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙承压含水层和奥陶系中统灰岩岩溶裂隙承压含水层。1、奥陶系中统灰岩岩溶裂隙承压含水层奥陶系中统由下马家沟组、上马家沟组和峰峰组组成。岩性以灰岩为主，次为泥灰岩、角砾状泥灰岩及厚层石膏层。由于双柳井田奥灰终孔均为上马家沟组，所以本报告仅分析峰峰组和上马家沟组。⑴中奥陶统上马家沟组（O2s）根据区域资料，本组厚约250m，岩性以石灰岩、泥灰岩为主，岩溶发育，多为蜂窝状溶孔，连通性好，溶孔直径一般为1—6cm，含水层具较好的连续性和稳定性。钻孔揭露本组时，大量涌水或漏水，为井田和区域最主要的含水层。井田北外侧311号孔揭露本组45.55m，81 放水试验单位涌水量达0.82L／s·m。井田内及外围本组和峰峰组进行了4次混合抽放水试验,地下水主要来自本组。其中114、133、356号孔抽放水试验单位涌水量分别为0.86、0.32和0.979L／s·m，102号孔单位涌水量为0.031L／s·m，从平面上来看，井田内本组富水性强，且均一；从垂向上来看，富水性不随深度增加而明显减弱。双柳水文地质补充勘探钻孔揭露该组三段（O2s3），岩性以深灰色厚层状灰岩及浅灰色白云质灰岩为主，隐晶质泥晶及微晶结构，块状构造，岩石致密、坚硬，矿物成分以泥晶方解石为主，含量约占75～90%，次为白云石，含量约占20～10%，石英、燧石及粘土矿物少量。据钻探岩芯鉴定及结合测井解释资料分析，该组岩溶裂隙发育程度不均一，反映在富水程度有明显差异。据简易水文地质观测资料冲洗液的消耗量分析，该含水层岩溶或裂隙较为发育。由于井田地处埋藏区，地下水交替缓慢，径流条件差，经长期与围岩发生溶滤作用，溶解含水层中的化学成分，由此造成水质恶化。水质类型为Cl·SO4－Na·Ca型，矿化度分别为1.41g/L和2.305g/L。据Ms4孔和Ms6孔观测，上马家沟组含水层自然水位标高分别为+799.29m和+798.30m。总体分析，奥套系灰岩总体上富水性强，矿化度高。但是在其上段O2s3岩溶及裂隙发育不均一，不同钻孔单位涌水量差异较大。⑵中奥陶统峰峰组（O2f）本组在井田东部外围出露，平均厚度114.32m。其中，二段（O2f2）厚度20.70～27.52m，平均厚度24.98m；一段（O2f1）厚度85.83～92.65m，平均厚度89.24m。岩性是以深灰色中厚层状灰岩为主，隐晶质泥晶或微晶结构，角砾状构造，岩石致密、坚硬，矿物成分以方解石为主，次为白云石，微含泥质。据观察，灰岩含水层的岩溶形态以溶蚀裂隙即溶隙为主，溶孔稀少，且连通性较差，是该组普遍规律。由于勘探区地处埋藏区（奥灰顶界埋深490.30～635.25m），一般情况下，其岩溶裂隙发育程度会随埋深的增加而逐趋变差，加之该组地层在东部裸露区地表出露面积有限，以及由于裂隙开启程度较差，且多被方解石脉或次生石膏与泥质充填等原因，81 导致峰峰组岩溶裂隙地下水的补给与赋存条件差，径流条件不畅，地下水交替作用微弱，传导性差，含水性弱，水质差。据抽水试验，自然水位埋深41.11～69.63m，自然水位标高+789.85～+796.629m，抽水水位降深53.33～164.13m，涌水量0.02～0.530L/s，单位涌水量0.00028～0.001163L/s·m。水质类型为HCO3－Ca·Mg型，矿化度1.41g/L～2.374g/L。就水位资料来看，地下水流场难以确定，但总趋势为向西南方向缓慢运移。二．石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙承压含水层石炭系上统太原组为下组煤的赋存地层，主要含水层为L1～L5薄层石灰岩，灰岩的单层厚度2.50～12.75m，累计厚度27.83～34.26m，平均厚度29.96m，含石灰岩层的厚度（L1～L5之间厚度）39.50～47.71m，平均厚度42.44m，约占整个太原组厚度的35%～53%。灰岩含水层为深灰色，中厚层状，泥晶—微晶结构，致密、坚硬，其矿物成分以方解石为主，其含量约占70%～90%，生物碎屑约占15%～20%，含少量泥质。受构造运动的影响，各孔均有一定程度的构造裂隙、层面裂隙及节理裂隙发育的迹象，但发育程度则有所差异。据岩芯鉴定，岩溶形态以溶隙为主，其次为溶孔。裂隙的开启程度及其连通性各孔也有所不同，部分裂隙被方解石脉或泥质所充填，总体呈半充填—全充填，以半充填为主。本组石灰岩在井田东部外围沟谷中出露，由东向西埋深逐渐增大。受出露条件的限制，含水层富水性不均一，地下水仅在浅部具较强的富水性，而在深埋区，岩溶裂隙不发育，溶孔连通性差，故地下水富水性弱。双柳煤矿郭家山风井揭露L4灰岩时井筒涌水量由8m3/h增至25m3/h。井田东部边界外柳林县吉家塔镇煤矿，井筒施工揭露L5和L4石灰岩，涌水量约72～108m3/h，本组在浅部富水性较强。浅埋区钻孔钻进揭露本组后，钻孔均发生明显的涌漏水现象，也可说明这点。在井田外深埋区的325孔,单位涌水量仅为0.00078L／s·m，说明含水层富水性弱。据MS3、MS5、MS7及MS8孔注水试验资料，井田内太灰含水层渗透系数81 0.01220～0.03796m/d，导水系数0.4088～1.2322m2/d，水质类型多为HCO3·Cl—Na型，矿化度1.19～3.21g/L。早期的勘探资料提出太灰水的水位为+787.8m，据最新水文地质补充勘探资料，井田内太灰含水层由于受到郭家山风井太灰涌水的影响，各孔观测的太灰含水层水位差异较大，但基本上呈现以风井为中心的漏斗状，水位从+557.087～+696.54m。三．煤系地层砂岩裂隙承压含水层⑴二叠系下统山西组砂岩裂隙承压含水层组本组在井田东界外围出露，含水层主要由K3及S4—S8等砂岩组成，岩性为细～粗粒砂岩，厚度变化大，裂隙不发育，钻孔钻进本层，回次水位及冲洗液消耗量均无明显变化，井田外北部325、343、359号孔抽水试验单位涌水量分别为干孔、0.000285、0.0035L／s·m，据133号孔资料，单位涌水量0.082L/s.m，水位标高+776.6m，表明本组富水性弱。地下水向西径流，水力坡度5%，水质类型为HCO3·Cl—Na·Mg型，矿化度1.007—1.433g／L，为软的微咸水。该含水层为开采上组煤层的直接充水含水层。⑵二叠系石盒子组砂岩裂隙承压含水层组①下石盒子组本组在井田东缘一带出露，由长石石英砂岩、石英砂岩组成，其中K4砂岩较稳定，平均厚5.39m，砂岩裂隙较发育，但由于开启性差，且多被方解石脉充填，受补给条件限制,井田内富水性弱，井田外北部343号孔本组抽水试验，单位涌水量0.00010L／s·m，渗透系数0.0026m／d，矿化度1.024g／L，为较软的微咸水，水质类型为HCO3·Cl—Na型。②上石盒子组本组在井田内沟谷中广泛出露，含水层有数层砂岩，岩性以中、粗粒砂岩为主，砂岩厚度大，分布稳定，浅部构造裂隙、风化裂隙发育，并以构造裂隙为主，向深部裂隙发育程度逐渐减弱，钻孔钻进至本组普遍涌水或漏水，说明本组富水性稍强。本组在浅部接受大气降水补给，形成无压潜水或上层滞水，形成众81 多小流量泉水，由于基岩补给性能差，贮水系数小，虽然泉数量多，但一般流量小于0.5L／s，133号孔上、下石盒子组放水试验，单位涌水量为0.054L/s·m，渗透系数为0.13m/d，水位标高+754.20m。井田外北部356号孔本组抽水试验，单位涌水量为0.034L／s·m,渗透系数0.29m／d。矿化度1.144g／L，水质类型为Cl·HCO3—Na型。四．第四系松散孔隙潜水含水层第四系松散孔隙含水层主要受大气降水、河流补给，分布于沟谷河流两侧及山麓地段。富水性好，第四系全新统成条带状分布于黄河河谷。井田外黄河河谷宽约200m，为近代河流冲积层，砂砾石层的厚度一般小于10m，易于接受大气降水和河流入渗补给，形成强富水潜水含水层，水质类型为HCO3·SO4—Na·Ca型，矿化度1.024g／L，水质良好。但易受污染，对煤矿生产不构成威胁。第三节井田内隔水层一、井田内主要隔水层隔水层带主要是依靠其本身的厚度和强度在地应力的帮助下有效地阻抗承压水的突出。只有在隔水层带具有一定的厚度时，才有可能使裂缝不贯通。这样在地应力的帮助下能阻止承压水的上升。隔水层强度主要起到防止由于强大的矿压和水压联合发生作用时对对底板剪切破坏。由于岩石的抗张强度较小，所以只有在地应力的作用下，才能有效地阻止承压水对裂缝的扩展和延伸。地应力越大对阻止底板突水越有利。隔水层的阻抗水能力取决于它的厚度、强度及岩性组合情况。⑴隔水层的厚度，可延长承压水对裂隙侵蚀扩展的时间。多数突水是发生在开采的控顶区，除了直接揭露含水体（充水断层、充水陷落柱等）发生爆发式突水外，多数缓冲式突水都有一发展过程。若能延长裂隙扩展时间，在导水裂隙还未到达控顶区时，工作面已向前推进，原控顶区已垮落压实，从而有可能降低突水发生的机率。当然，厚度大还将不断消耗承压水用以不断克服岩体的抗张强度和途径阻力以及扩展裂隙的水头。即使在导水破坏带，虽然失去部分阻水能力，但其厚度还可起到抗变形破坏的作用。81 ⑵隔水层的强度，可阻抗承压水压裂岩层和沿裂隙扩展延伸．若水压小于岩体抗拉强度。则承压水不具备压裂岩体的条件，即使水压大于岩体抗拉强度，但又小于最小主应力与岩体抗拉强度之和，那么岩体在其本身的抗拉强度和地应力的作用下仍能阻抗压裂的产生。⑶隔水层的组合不同，则其整体的阻水能力也不同。组合层数越多，则各种界面越多，由于界面两侧岩体的性质不同，承压水不可能顺利地沿初次张裂裂隙一直向前延展，必然造成扩展方向和途径复杂多变，并可能到处受阻，甚至中断，从而不能直接到达采场。一般说来，若底板隔水层强度高，厚度大裂隙少或较完整，突水机率就小，反之突水机率就大。底板隔水强度不够而突水时，采面底膨、突水点分散。若底板隔水层为一完整岩层即使厚度不大，也有很高的阻抗强度。目前隔水层的阻抗强度多以其厚度表示（或换算成等值厚度）。但是底板隔水层内往往不是完整的岩层，而分布有大大小小的断层或裂隙，由于它们的存在不仅大大降低隔水层的强度，还为承压水提供了存储的空间和过水通道，使得承压水在煤层开采前就早己上升到底板隔水层的不同高度，而减少了隔水层的厚度，从而降低了岩层对承压水的阻抗和抑制作用。二、上组煤隔水层⑴上组煤顶板隔水层上组煤顶板多为砂质泥岩或粉砂岩，致密，较完整，局部裂隙发育。砂岩以石英、长石为主，孔隙式胶结，抗压强度为40.2MPa，属半坚硬类岩石。4#煤层顶至K4砂岩底之间层距的隔水层统计如下：上组煤顶板隔水层岩性分类统计表表2-2孔号砂质泥岩泥岩粉砂岩累计厚度Ms121.952.602.7527.63Ms221.209.0530.25Ms31.4815.1416.62Ms418.3022.2518.2558.80Ms511.355.3113.9730.63Ms621.4513.0634.5181 Ms711.655.8916.0533.59Ms833.353.705.6542.70生产过程已揭露的4#煤顶板水充水因素已经明确。从矿井防治水实际需要出发，双柳煤矿4#煤顶板砂岩层系（山西组、下石盒子组）冒裂带范围的隔水层组的赋存条件较为清楚。⑵上组煤底板隔水层4#煤底板至L5或L4灰岩之间岩层称作结构性隔水层组，为泥岩砂岩互层。隔水层组厚度25~30m，泥岩类比例超过50%，泥岩为不透水岩层但强度较低，遇水碎裂膨胀，据测试资料，砂质泥岩单向抗压强度为33MPa，抗拉强度为0.7MPa，抗剪强度为6.14MPa。其间砂岩为弱透水岩层，但强度较高。据上组煤底板隔水层岩性及其组合结构分析，泥质岩层为不透水的隔水层，粉砂岩为基本不透水的隔水岩层，岩性较致密，岩体较完整，其地层结构为泥质岩与砂岩呈相互叠置的地层组合结构，由于泥质岩类所占比重较大，这种结构不利于砂岩垂直裂隙的发育。因此，在无地质构造影响情况下，其隔水性能对阻止太灰含水层水进入矿井是非常有利的。上组煤底板至太灰顶板隔水层统计结果见表2-3。上组煤底板隔水层岩性分类统计表表2-3孔号砂质泥岩泥岩砂岩累计厚度Ms113.307.698.4529.44Ms23.250.6419.3324Ms33.903.7516.4923.24Ms47.905.4512.3025.65Ms57.3422.1929.53Ms611.9510.259.5531.75Ms79.753.3514.3527.45Ms89.306.519.2525.06三、下组煤底板隔水层下组煤底板至奥灰顶界面的地层间距为58.74～77.15m，平均间65.56m。各隔水层厚度依次为：砂质泥岩厚度7.63～21.2m，平均厚度16.12m；泥岩厚度3.32～81 12.40m，平均厚度7.86m；铝（炭）质泥岩厚度17.74～27.04m，平均厚度21.79m；砂岩厚度6.94～22.1m，平均厚度13.3m。下组煤底板至奥灰顶板隔水层岩性分类统计结果见表2-4。下组煤底板至奥灰顶板隔水层岩性统计一览表表2-4孔号岩石名称与厚度（m）砂质泥岩泥岩铝（炭）质泥岩砂岩累计厚度Ms119.6811.6220.059.3060.65Ms421.204.9121.8914.0562.05Ms620.3118.2722.566.9468.0813311.7822.19.858.74777.6311.9117.7411.1660.0336822.6121.1519.7872.2336727.0422.177.15据下组煤底板至奥灰顶界面隔水层岩性及岩性组合分析，砂质泥岩、泥岩、铝质泥岩隔水性能很强，但强度低，砂岩为弱透水层，但强度高，此段地层结构为以泥岩为主的软、硬地层呈相互叠置的组合结构，因此不利于砂岩垂直裂隙的发育延伸，破坏后导水性很弱，对下组煤的开采是相当有利的。四、奥灰顶部相对隔水层奥灰峰峰组根据岩性由上至下可分两段，上段（O2f2）称为峰峰组二段，下段（O2f2）为峰峰组一段。钻探岩芯显示，峰峰组二段岩性为灰色、深灰色灰岩，隐晶质泥晶（微晶）结构，中厚层状构造，岩石致密、坚硬，矿物成分以方解石为主，次为白云石，微含泥质。中夹深灰色薄层状泥质灰岩，裂隙不甚发育，且多见方解石所充填。水文地质补充勘探Ms1、Ms4、Ms6孔揭露厚度分别为27.52、20.70、26.71m。钻探岩芯显示，该组岩溶裂隙不发育，且多被方解石所充填，溶孔稀少，反映了岩石裂隙连通性不好，地下水补给条件及径流条件差、水质也明显变差的特征。据简易水文地质观测，峰峰组钻井液未出现明显消耗。据抽水试验，Ms4孔和Ms6孔，自然水位标高分别为+789.85m和+796.63m，抽水水位降深分别为53.33m和71.29m，单位涌水量分别为0.00133L/s·m和81 0.00028L/s·m。水质类型分别为HCO3－Na型和Cl·SO4－Na·Ca型，矿化度分别为1.41g/L和2.15g/L。据148队双柳补充地质报告，“奥陶系上部古风化壳的发育使得顶部含水层石灰岩中多充填有黄铁矿、铝质泥岩和泥岩，从而大大影响了其富水性。总体来看，本组富水性弱”。按照《矿区水文地质工程地质勘探规范》规定，“一般将钻孔单位涌水量小于0.001L/s·m的岩层视为隔水层”，将峰峰组二段即奥灰顶部30米范围划为相对隔水层。含煤地层的沉积环境和聚煤特征第一章矿井水文地质条件及其水害类型第一节水文地质条件分析一、区域水文地质双柳井田位于黄河东岸，属吕梁山系，为典型的黄土高原地貌，地势东、北高，西、南低，地表水系不发育，沟谷两岸切割地层，形成黄土、基岩侵蚀中等山地地形。井田内无较大河流，只有数条季节性小河从东向西流入黄河，每年7~9月河水流量占全年50%~70%，枯水期流量很小，甚至干枯。黄河从井田西缘自北向南流过，河床标高+610~+650m。据吴堡水文站1952-1977年资料，黄河年平均流量924.4m3/s，最大流量19500m3/s。本区水文地质单元隶属于柳林泉域。柳林泉位于柳林县城东3km处，出露层位为奥陶系峰峰组。在泉水排泄区，大小泉点上百个，以泉群散流形式出露在三川河谷的南北两岸，从东到西泉水排泄带约2.4km，南北0.8km，出露标高为794～803m。柳林泉域边界的地质及水文地质较为简单，北部、东部及南部均为碳酸盐岩地层或变质岩的分水岭做为泉域边界；西部为碳酸盐岩地层与石炭、二叠系地层接触带。北部边界：以岚县普明河、临县湫水河与三川河分水岭为界，即由西向东起自临县白文镇铁炉沟-杏花村，经方山县开府乡下代坡村-两沟村-神堂沟村。东部边界：为三川河流域与汾河流域地表分水岭。81 南部边界：以三川河的南川河分水岭上顶山主峰为界，西起中阳县暖泉乡刘家庄村，经刘家坪乡凤尾至王山底村。西部边界：考虑到柳林单斜岩层向西倾斜，因此将奥陶系顶板埋深300m（或者顶板标高在480~570m）做为柳林泉域的西边界。区域地下水主要以承压水含水层为主，含水层在山间沟谷地带接受大气降雨的补给，其中二迭系上统砂岩含水层在区域内广泛出露，寒武—奥陶系可溶岩裸露区分布于泉域的东部和北部，在山区成片出露，黄土丘陵区只在沟谷零星分布，太原组灰岩在区域北部沟谷中零星出露。在出露区直接接受大气降雨的直接补给。区域内石炭、二叠、三叠系含水层富水性较弱，奥陶系岩溶含水层富水性较强，其地下水在岩层露头接受补给后，分别由北、东、南等方向排向柳林泉，构成一个完整的水文地质单元—柳林泉域。另外，小范围分布的老地层和沟谷中的第四系冲积层，构成各自的裂隙和孔隙潜水系统。受区域地势和构造影响，区域煤系地层地下水由浅部顺层自东向西径流，由于含水层充水条件的限制，地下水径流强度越来越小，在地层薄弱带诸如断层、裂隙带等排泄，或补给其它含水层，或以泉的形式排泄于沟谷。二、井田水文地质双柳井田内的主要控水构造为东西走向的聚财塔断层（F1,F2）。井田内地下水的运移主要地层倾向和构造的控制，从北东向西南流。在双柳井田内，奥灰与太灰岩溶水的流向受三个因素的控制，其一，区域奥灰水流向由北向南，受到聚财塔断层的阻隔在局部改变流向。其二，双柳井田内地层走向南北，向西倾斜，地下水流向受到岩层倾向的影响。其三，双柳井田处在柳林泉域西边界，为岩溶水的滞流区域。受这三个因素的综合影响，双柳井田内的岩溶水流向基本为NE－SW向。由于井田内基本上没有灰岩出露，所以灰岩含水层得到的补给量非常有限。二叠系、三叠系砂岩含水层，井田内沟谷中出露，接受大气降水的直接补给，地下水流向基本上沿岩层顺层运移。井田内地下水排泄主要是矿坑排水。81 第三、四系砂砾石含水层主要接受大气降水及河流的入渗补给，径流途径较短，排泄主要是人工开采。三、矿井开采水文地质特征1、矿井涌水特征双柳煤矿从1998年成立以来，没有发生大的突水事故。从2000年至2008年，矿井一直开采山西组3、4号煤层，生产能力由150万吨增至300万吨。矿井涌水主要以顶板淋水为主，根据2007年元月～2008年7月的矿井涌水量台帐，工作面水量较小，基本在20m3/h以下，出水点集中在运输巷、回风巷、工作面及采空区，涌水量范围在30~70m3/h之间。图3－1双柳煤矿2007.1～2008.6月矿井涌水量变化从上图3-1中22个月的矿井涌水量变化中可以看出双柳煤矿矿井涌水量有几个特点：首先最小涌水量25m3/h，最大58m3/h，整个矿井涌水量小，变化幅度不大，平均40m3/h。其次，涌水量最大在6、7、8三个月，正好处于雨季，其它月份逐渐减小。反映出上组煤充水含水层受大气降水补给影响教明显，有较好的补给条件。矿井涌水量比较平稳，反映出除受季节性降水影响外，没有其它水源参与。81 2008年紧邻二采水仓施工一平巷时，穿过一条直径约50m的陷落柱，柱体内无水，进入柱体边缘裂隙带后，迎头水量起初达到30m3/h，随后衰减，持续稳定在10m3/h左右。2、主要充水水源及其特征（1）奥套系灰岩岩溶含水层组双柳井田奥灰含水层组主要指峰峰组和上马家沟组，峰峰组灰岩溶隙发育较差且不均匀，因此富水性差，上马家沟组富水性强，水量、水压均很大，上、下组煤层底板都承受1～5MPa水压。所以，奥灰岩溶水是矿井最主要的充水含水层组之一。（2）太原组灰岩岩溶含水层组石炭系太原组灰岩为本区主要含水层之一，普遍发育L5～L1五层灰岩，中间沉积了砂岩及砂质泥岩夹层。在井田东北部露头区接受大气降水的补给，部分区域存在其它含水层的垂向补给。整个含水层溶隙发育不均匀，从钻孔资料看，某些钻孔揭露该层段溶隙发育较好，而有些钻孔则溶隙发育差甚至不发育。由于太灰的露头区面积较小，补给较差，所以整个含水层的富水性弱。含水层平均厚度42.44m；其灰岩段平均厚度为29.96m，L1灰岩为8号煤的直接顶板，距离奥陶系灰岩水70～80m。太灰含水层是上组煤底板直接充水水源，同时又是下组煤煤顶板充水水源。因此对其水文地质特征和突水的可能必须引起足够的重视。四.顶板砂岩裂隙水上组煤开采顶板淋（充）水水源为山西组、石盒子组砂岩裂隙水。砂岩裂隙含水层属于巨厚型，其岩性是泥岩和砂岩交替沉积，含水性弱，但由于裂隙发育的影响，在局部地段存在富水区，同时受煤层开采的影响，冒落裂隙带发育，所以在一定条件下，上覆砂岩裂隙水可成为影响生产的顶板水害突水水源，由于顶板砂岩裂隙含水层补给条件差，一般在沟谷中接受大气降水补给为主，含水层富水性受季节影响较明显。但是由于补给量小，含水层以消耗静储量为主，充水在初采、初期老顶初次跨落，以淋水方式进入采面，所以涌水量一般较小，大约在5～10m3/h左右。五.地表水、老空水、断层水81 地表水有两种途径可以进入矿坑，第一种是通过封闭不良钻孔。钻孔可能沟通多个含水层，一旦突水，水量大而稳定，对矿坑产生极大的危害，第二种是由于采动的影响使得顶板冒落裂隙带高度达到勾通上部地表水，成为矿坑底板的突水水源。断层的水文地质特征差别较大，在矿井采掘活动中发现各主要断层在不同程度伴生次级小断层的存在，各种断层的存在不仅为矿井各种充水水源提供了相互的导通通道，其本身也可能成为矿井的充水水源之一。双流煤矿在采掘过程中揭露20余条大小不一的断层，均不含水也不导水。在下一步的采掘工作中，不能排除有导水断层的存在，仍需加强对断层导水性的探查。双柳煤矿的采空区积水分布较明确，只需正常探放、舒排，除了增加排水负担外，不会对矿井安全生产造成严重影响。第二节矿井充水途径根据充水水源与水文地质条件分析充水途径，矿井充水途径主要有四种：一、采动裂隙导水双柳煤矿开采采用综采一次采全高，全部陷落法管理顶板，这种方法对顶板破坏较大，其采动裂隙发育高度向上延伸；同样采动底板破坏裂隙向下的发育厚度变大，同时煤层下的隔水层具有一定的原始导升和递进导升高度，这样煤层底板有效隔水层的厚度变薄，在高压水开采条件下，底板有可能被高压水突破，造成水害危险。采动裂隙和由此引起的岩层破坏沟通煤层顶底板多个含水层，使得顶底板砂岩水和底板太灰水进入矿坑。二、导水断层及陷落柱断层错动切割隔水层，减小有效隔水层厚度，增加下覆含水层突水的可能，特别是底板高压灰岩水的突水；或者由于断层错动，引起煤层与含水层对接，含水层水直接涌入矿坑。双流煤矿在采掘过程中揭露20余条大小不一的断层，均不含水也不导水，井田南部边界的聚财塔断层水文地质特征没有完全掌握，在今后的工作中应重点研究。在矿井生产中揭露陷落柱10多个，其中穿过X12、X15时发生出水，虽然目前水量不大，但不能排除滞后突水的可能性。陷落柱在由于陷落柱本身为比较强的富水体81 且能够勾通上下含水层组，因此在日常水文地质工作中，加强对陷落柱的探察和预防，避免灾难性突水事故的发生。实践证明，在断层破坏带及其附近部位多发生煤层底板突水。根据焦作、淄博、峰峰、井陉等矿区的突水资料，底板突水绝大部分与构造断层有关。据统计，由煤层断层引起的底板突水次数占总突水次数的50%以上，焦作矿区为58%，峰峰矿区为70%以上，淄博矿区为73%，井陉矿区超过95%。断层引起的突水大部分是由中小型断层引起的，如井陉矿区的中型断层突水占全矿区断层突水总数的15%，小型占46.7%。对于大型断层，一般较易勘探，预先采取必要的防治方法，从而减少了突水事故的发生。断层的突水类型基本与裂隙相似，其特征见表3-1。三、封闭不良钻孔导水除了垂向导水构造，封闭不良的钻孔也可能会成为巷道充水的水力通道。这些钻孔由于施工时间较早，资料留存很少，封孔情况不明，定位困难。所以在今后的开采过程中要特别注意不良钻孔的导水危险性。81 表3-1断层引起煤层底板突水序号断层与煤层关系突水特征1断层已切割了开采煤层开掘工程一旦揭穿或穿过断层带，立即引起底板或巷道突水。突水往往为突发性，且水量增加较快2断层基本达到开采煤层充分接近开采煤层巷道掘进初期，可能不产生突然涌水。过一定时间后，由于岩体力学平衡条件的改变，会引起突水。回采工作面在矿压、水压作用下，易形成滞后式突水，水量呈跳跃式上升3断层使含水层与煤层对接巷道一旦穿过断层带，立即突水。回采时由于预留煤柱过小，采后底板破裂，引起突水。突水多为滞后式，水量呈递增特征4断层顶距开采煤层或巷道有一定距离巷道掘进一般不会引起底板突水。但在回采过程中，在矿压、水压的共同作用下引起底板岩体破裂，造成底板突水；突水为滞后式，水量一般较小四、矿井目前存在的水文地质问题根据前面水文地质条件和突水的分析，双柳煤矿在开采中存在以下问题：⑴地下水位动态观测网不完善，目前整个矿井有地面长观孔四个（MS1、MS3、MS4、MS7），其中太灰观测孔两个（MS3、MS7），奥灰观测孔两个（MS1、MS4）。对于建立一个含水层的观测网来说数量略显少，难以从宏观上对采区地下水的补、径、排条件进行详细准确的分析，这是防治水工作中存在的主要问题。⑵随着煤层开采向深部延伸，石炭系太原组灰岩含水层的开采水文地质意义越来越突出，进一步加强对太灰水的探查显得更加重要。⑶上组煤底板隔水层厚度较小，一般20～30m。除去采动破坏带和太灰水的导升高度，有效隔水层很薄。所以应加强对太灰富水性探查，利用钻探、物探手段勘察，进行太灰的富水性分区，对富水区进行超前探放。⑷应加强对奥陶系灰岩水的重视程度，奥陶系灰岩含水层厚度大于400m，，水位标高+798m，富水性好，水压大，特别是下组煤部分区域受到奥套系灰岩水的影响，带压开采问题突出。应加强对煤层底板隔水层、及带压开采配套措施研究。81 ⑸采区地质构造控制问题。双柳煤矿井下揭露断层20余条，揭露陷落柱14个。这些构造均有可能成为潜在的导水通道，随着井巷工程的推进，潜在导水通道存在进一步活化的可能，而这些断层和陷落柱极有可能成为矿井突水的重要通道，因此对其加强采前探测是矿井防治水的一项重要任务。⑹井下出水点的水量、水温观测及水化学测试等日常水文地质工作应进一步加强，配套的硬件设施不够完善。第三节煤层受水害威胁一、煤层受水害威胁程度评价煤矿底板突水是煤矿生产的重大灾害之一，80年代以后，随着开采深度的延伸，底板突水日趋严重。特别是华北煤田，60%以上的煤炭储量受其威胁而不能正常开采，尽管多年来矿业工作者一直致力于这方面的研究工作，但由于我国煤矿地质条件复杂，开采方式各异，再加上生产技术、探测技术、监测技术水平的限制，导致矿井突水事故时有发生。双柳煤矿开采上组煤和下组煤的主要充水水源为石炭系太原组灰岩水、奥陶系岩溶水。而沟通这两个含水层的导水通道主要有以下几个方面：A：顶板冒落裂隙带；B.底板破坏深度；C.隔水层厚度；D.构造导水。二、底板破坏深度分析底板采动破坏深度和四个因素有关：工作面长度、开采深度、煤层倾角、底板岩体坚固性系数。由于资料不足，采用理论公式计算：计算公式1：式中：h:底板破裂带深度（m）:底板岩体平均密度取：2.316t/m3H:采深；取各钻孔平均值430m81 L－工作面斜长;取200m.Rc－岩体单轴抗压强度;取30.9MPa.计算结果为：h＝8.15m三、冒落裂隙带发育高度上组煤开采时顶板水为砂岩裂隙水，采掘时冒落裂隙带沟通含水层，造成顶板淋水、巷道积水。对于下组煤煤的开采，顶板充水水源为太原组灰岩，由于采掘活动产生的冒落带和导水裂隙带一旦导通太灰含水层，将导致太灰承压水涌入巷道，对生产造成一定的影响，甚至酿成大的灾难。冒落带和导水裂隙带的计算按照如下方法进行计算：冒落裂隙带计算：根据《矿井水文地质规程》、《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱与压煤开采规程》规定以及其它矿区实测，依照顶板岩石的强度特征，选用如下公式计算导水裂隙带最大高度和冒落带高度：公式3-1《矿井水文地质规程》上组煤公式3-2《矿井水文地质规程》下组煤公式3-3《三下规程》下组煤公式3-4《三下规程》上组煤公式3-5《三下规程》下组煤81 公式3-6《三下规程》上组煤Hc=(3～4)M公式3-7《矿井水文地质规程》上组煤Hc=(4～5)M公式3-8《矿井水文地质规程》下组煤式中：Hf：导水裂隙带最大高度（m）Hm：冒落带高度（m）Hc：冒落带高度（m）M：累计采厚（m）n：煤层开采分层层数（n=1）冒落带计算表表3-2矿井水文地质规程三下规程上组煤1512.44下组煤1618.89下组煤（8#、9#）合并区35.2828.05备注公式选用3-1～3-8；上组煤层平均厚度3.75m；下组煤单层平均厚度4.0m；下组煤合并区平均厚度8.82m。冒落裂隙带计算表表3-3矿井水文地质规程三下规程其它矿区实测H=12.71*M+12上组煤57.9144.6659.66下组煤100.0867.7262.84下组煤（8#、9#）合并区242.48107.03124.10备注公式选用3-1～3-8；上组煤层平均厚度3.75m；下组煤单层平均厚度4.0m；下组煤合并区平均厚度8.82m。上表3-2～3计算了上下组煤开采后的冒落裂隙带，上组煤冒落裂隙带发育高度平均54m，延伸到下石盒子组砂岩中。下组煤东部冒落裂隙带发育高度平均77m，延伸到下组煤顶板，冒落带将延伸到L4灰岩。下组煤西部8#、9#煤合并区冒落裂隙带发育高81 度平均116（除去矿井水文地质规程计算的242.48，因煤层厚度大大超过该公式限值）。延伸进入山西组顶部，冒落带穿透L4灰岩。四、矿井涌水量预测上组煤开采矿井涌水水源确定为顶板砂岩含水层，涌水通道为开采过程形成的导水冒裂带，其开采水文地质条件明确且简单。上组煤未来开采阶段矿井涌水量，采用山西省煤炭地质148勘查院于2006年提交的《山西省柳林县汾西矿业集团公司双柳煤矿补勘地质报告》结论，上组煤最大涌水量为230m3/h。开采下组煤时，正常地质条件下，矿井涌水主要来源于顶板太灰含水层，上组煤采空区积水亦可沿导水裂隙带涌入工作面，而下伏的奥灰含水层在正常情况下对下组煤开采影响不大，如有垂向导水通道存在，一旦在生产中揭露，则会威胁矿井安全。本报告引用《双柳煤矿水文地质补充勘探报告》成果，评价下组煤矿井涌水量。下组煤开采时顶板太灰水涌水量（解析法）表3-4疏干标高+200+300m+350m+400m+450m+500m涌水量m3/h155123108927661下组煤开采时顶板太灰水涌水量（数值法）表3-5疏干水平标高（m）+500.00+450.00+400.00+350.00涌水量（m3/h）82.5095.83104.17111.25下组煤矿坑稳定涌水量表3-6开采水平矿坑稳定涌水量涌水量稳定涌水量水量（m3/h）+500200+400230+300259+25027381 +200284需要指出，上表3-6涌水的条件是开采下组时奥灰含水层沿断层等构造或陷落柱涌入矿井，并且出水点面积分布约25m2。没有或不满足这种涌水条件，矿井不产生所谓的灾害涌水。从安全角度出发，取计算结果300m3/h。下组煤首采面位于+400～+450m标高段，涌水量76～92m3/h。奥灰矿井涌水量为假定条件下的灾害稳定涌水量，并非突水发生时的瞬时水量。下组煤开采时矿井正常涌水量取开采标高在+400水平的涌水量104m3/h，设计矿井排水能力时则应考虑井筒20m3/h涌水和上组煤采空区积水因素，上组煤采空区水量可以上组煤最大涌水量230m3/h计，在设计抗灾排水能力时应考虑奥灰水突出后稳定涌水量300m3/h。建议包括抗灾排水能力按700m3/h涌水量设计。构造第一章矿井水文地质类型划分根据受采掘破坏或影响的含水层性质、富水性、矿井水补给条件、单井年平均涌水量和最大涌水量、开采受水影响程度等，给出所研究矿井水文地质类型的初步划分（可按表4-1的内容划分为简单、中等、复杂和极复杂四个类型）。根据对矿井水文地质条件和矿井充水条件的分析，本井田充水含水层包括二叠系砂岩含水层、太原组灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层。上组煤顶板砂岩含水性弱，局部存在裂隙发育地段，为富水区；主要接受露头区大气降水补给，主要由矿井疏干排泄；太原组发育多个薄层灰岩，主要发育L5～L1，水压高，富水性不均匀，在井田东北部露头区接受大气降水的补给。因太原组灰岩露头区范围小，所以接受大气降水补给量较小，富水性也弱。但因其是下组煤直接顶板，下组煤开采时存在顶板太灰水涌水，对下组煤的安全形成潜在的威胁；奥陶系灰富水性强，水压大，下组煤底板平均承受水压1～5MPa。由于下组煤底板隔水层厚度较大，在正常情况下，可以阻隔奥灰水的突入。但若是有导水断层、陷落柱等垂向导水通道存在，则会对矿井安全生产造成威胁。81 上组煤开采矿井涌水量30～70m3/h，主要充水含水层二叠系砂岩单位涌水量0.000285～0.0035L／s·m，均属水文地质简单类型。下组煤开采矿井正常涌水量预计120～150m3/h左右，加上上组煤采空区积水，总涌水量约为400m3/h。综合考虑以上因素，双柳煤矿矿井水文地质类型应属于简单-中等类煤矿矿井水文地质类型表表4－1分类依据类别简单中等复杂极复杂受采掘破坏或影响的含水层及水体含水层性质及补给条件受采掘破坏或影响的孔隙、裂隙、岩溶含水层，补给条件差，补给来源少或极少受采掘破坏或影响的孔隙、裂隙、岩溶含水层，补给条件一般，有一定的补给水源受采掘破坏或影响的主要是岩溶含水层、厚层砂砾石含水层、老空水、地表水，其补给条件好，补给水源充沛受采掘破坏或影响的是岩溶含水层、老空水、地表水，其补给条件很好，补给来源极其充沛，地表泄水条件差单位涌水量q（L·s-1·m-1）q≤0.10.1＜q≤1.01.0＜q≤5.0q＞5.0矿井及周边老空水分布状况无老空积水存在少量老空积水，位置、范围、积水量清楚存在少量老空积水，位置、范围、积水量不清楚存在大量老空积水，位置、范围、积水量不清楚矿井涌水量（m3·h-1）正常Q1最大Q2Q1≤180（西北地区Q1≤90）Q2≤300（西北地区Q2≤210）180＜Q1≤600（西北地区90＜Q1≤180）300＜Q2≤1200（西北地区210＜Q2≤600）600＜Q1≤2100（西北地区180＜Q1≤1200）1200＜Q2≤3000（西北地区600＜Q2≤2100）Q1＞2100（西北地区Q1＞1200）Q2＞3000（西北地区Q2＞2100）突水量Q3（m3·h-1）无Q3≤600600＜Q3≤1800Q3＞1800开采受水害影响程度采掘工程不受水害影响矿井偶有突水，采掘工程受水害影响，但不威胁矿井安全矿井时有突水，采掘工程、矿井安全受水害威胁矿井突水频繁，采掘工程、矿井安全受水害严重威胁防治水工作难易程度防治水工作简单防治水工作简单或易于进行防治水工程量较大，难度较高防治水工程量大，难度高注：1.单位涌水量以井田主要充水含水层中有代表性的为准。2.在单位涌水量q，矿井涌水量Q1、Q2和矿井突水量Q3中，以最大值作为分类依据。81 3.同一井田煤层较多，且水文地质条件变化较大时，应当分煤层进行矿井水文地质类型划分。4.按分类依据就高不就低的原则，确定矿井水文地质类型。第一章煤层第一节防治水整体规划（2010~2014）一、防治水规划时间、依据受汾西矿业集团委托编制双柳煤矿防治水规划，严格按照《煤矿安全规程》、《煤矿防治水规定》、《矿井水文地质规程》、《“三下”采煤规程》等规程相关条例，结合双柳煤矿采掘规划制定出矿井2010至2014年防治水规划。二、防治水规划技术路线双柳煤矿目前把4#煤层作为主采煤层，2012年配采石炭系下组煤。上组煤主要充水水源为二叠系砂岩水、底板灰岩水。下组煤层开采所面临重大安全威胁来自顶板石炭系灰岩水及老空水，潜在的导水通道为断层、陷落柱、裂隙带等构造薄弱部位，奥淘系灰岩水为间接充水水源。为了满足矿井安全生产需要，在充分研究分析本井田资料的基础上，有必要借鉴华北型煤田相似水文地质条件的矿井生产经验，对矿井的防治水工作方针、技术路线、防治水方法进行论证，即在规划的层次上力求正确，用以指导今后的防治水设计与实施。⑴对奥陶系灰岩水的防治方针是以预防为主，重点注意对导水断层、陷落柱等垂向导水通道的探查，做到“先探后掘，预防为主”。井田西部8、9#煤合并区由于煤层厚度大，开采时对底板的破坏深度大，因此隔水层有效厚度较其它区域小，防突水能力减弱。采掘时应注意对裂隙裂隙带和断层的探查治理，在裂隙发育带进行注浆加固；⑵对石炭系太原组灰岩水，由于距离4号煤层底板较近，防治水措施主要为疏水降压结合注浆封堵，探采结合，综合防治。其中“疏水降压”是4号煤开采必须实践的技术路线；‘探采结合，综合防治’是指实施防治水的工作方法；‘以防为主’是强调增强排水系统、强化探测试验、跟综预测预报、严格规章制度在防治水工作中的先导地位；81 ⑶对于老空水的防治方针是以探放为主，严格地进行采空区积水范围、潜在导水通道、与采掘活动之间的相互关系等因素的研究，严防老空水的突入；⑷对断层、陷落柱等垂向导水构造，主要的防治方法应以预防为主，在充分掌握各种构造发育程度及相互位置的基础上，采取注浆封堵和留设防水煤柱等方法，防止构造突水的影响；⑸目前的矿井主要充水水源还有4号煤层顶板砂岩水。砂岩水的涌入，增大了矿井排水量，影响工作面环境，降低了回采及掘进的效率，是目前矿井日常防治水的主要对象。图5-1矿井防治水技术路线第一章矿区水文地质81 第一节矿井防治水物探一、矿井防治水规划与设计针对双柳煤矿水文地质条件及目前的矿井防治水现状，下列工作应当是今后防治水工作的主要内容：二、水文地质物探针对双柳煤矿的地质和水文地质条件，并根据各种物探方法在水文地质勘探中的应用效果，本规划选用瞬变电磁法，直流电法和音频电穿透法三种水文地质物探方法，探测和确定断层、陷落柱和裂隙密集带等地质异常体的位置、大小、分布范围和赋水情况。水文地质物探地面物探井下物探瞬变电磁音频电透直流电法三维地震瞬变电磁图6-1双柳煤矿水文地质物探方法图系⑴三维地震勘探法国家有关部委已明文规定，在首采区必须进行地震勘探。由于该方法探查地质异常体效果好，近年来在许多大型煤矿已将该方法用于整个井田的勘探。该方法主要在地面进行，勘探费用和勘探效果与地形起伏关系密切。本规划建议在下组煤首采区及其矿井西部做地面三维地震。81 地震勘探的地质任务及要求：查明测区内落差大于5m的断层，解释断层的性质、落差、倾角等要素和位置，平面位置误差不大于20m。查明测区内上组煤及下组煤的底板起伏情况，并提交煤层底板等高线图，煤层底板标高的误差小于1.5%。③查明测区内波幅大于20m、褶幅大于5m的褶皱，解释其形态。④查明测区内覆盖层厚度，并提交覆盖层厚度等值线图。厚度误差不大于1.5%。⑵瞬变电磁法瞬变电磁法属于电磁感应类探测法，该方法通过观测和研究二次场的空间特性，推测地质目标的几何和物理特征。由于该方法对低阻体异常敏感，因此能较好地确定与低阻异常有关的地质问题，归纳起来主要是：①煤矿区含水层、富水区探测；②构造富水性探测，主要是断层、陷落柱富水性探测；③充水老窑探测，确定充水老窑边界；④地下岩溶探测，确定地下溶洞、岩溶裂隙和暗河分布特征；与其它物探方法比较，该方法具有以下优点：①因为该方法观测和研究的是二次场，不存在一次场的干扰，不同于常规电法，使异常简化；②有穿透高阻覆盖层的能力，不存在接地困难；③采用同点组合进行观测，可与探测目标体达到最佳耦合，异常响应强，形态简单，对高阻围岩中的低阻反应敏感；④地形影响小，测地简单，工作效率高，成本低。在双柳煤矿选用地面瞬变电磁法主要主要探测两个方面：81 ①确定断层、陷落柱和褶皱的平面位置，并对它们的富水性进行解释；特别是对聚财塔断层导水性的探查。②查明上、下组煤充水水源－太原组灰岩含水层的富水性分布；可以在地震方法进行的区域同时开展，以便相互补充，更好地完成补充勘探工作。⑶井下直流电法井下直流电法主要用于巷道顶底板探查，工作面顶板探查和掘进堵头超前探测。具体解决以下问题：巷道顶底板探查利用现有的巷道工作，探查深度可达100米，可探测含水层深度，局部富水体深度范围、导升高度及沿巷道方向分布宽度；提供沿巷道方向垂向电阻率切片剖面，用于解释工作面巷道底板100米深度内的含水、导水体，潜在的突水通道、底板隔水厚度、含水层厚度、含水层原始导升高度；要求巷道内无大范围积水。工作面顶底板探查改变工作方法利用巷道侧壁可以探测工作面内的隐伏含水构造；利用多条巷道（上巷、下巷、切眼等）的数据进行立体成图——对工作面底板不同深度进行类似“CT”成像的断面、平面切片，分离出电法含水异常区域，得到视电阻率异常断面图、平面图，进行立体解释。掘进堵头超前探查利用巷道超前探测使用三极空间交汇探测法，可以预测堵头前方80米范围内存在的导、含水构造（断层、裂隙破碎带、老空巷道），提供前方80米范围内岩石的视电阻率变化信息；异常为相对异常，可以肯定解释异常区不会存在突水或出水的危险，解释的81 异常区不能肯定一定出水；预测堵头的后方必须有不小于前方探测深度的施工空间；根据双柳矿的实际情况，建议井下直流电法勘探尽快在5－205工作面及下一步的规划工作面中实施，进行工作面的富水区和导水通道的探测。第二节构造导水性探查一、陷落柱导水性探查⑴工作任务双柳煤矿目前在上组煤的开采过程中，揭露了17个大小不等的陷落柱。平均直径37.5m，最大直径104m，最小18.9m，除X12、X15～X17陷落柱在平巷掘进时发生出水外，其它均未发生导水现象。但是从分布特点上来看，这些陷落柱分布比较密集，其中在201运巷和203运巷的IV、V采区附近分布着大小六个陷落柱，相邻两个陷落柱之间的最大距离为150m，最小距离7.75m，从这一现象我们可以分析出该处基底奥灰岩溶溶孔、溶洞发育比较强烈。虽然这些陷落柱在上组煤开采时并未发生导水，但这并不意味开采下组煤时没有导水的危险，我国诸多大水矿区实际发生的陷落柱导水并淹井事故，提醒我们切不可忽视陷落柱的导水性。因此，在采掘过程中应结合井下物探（井下直流电法或井下音频透视）、钻探等手段对陷落柱进行导水性探查，以明确其对煤层开采的危害程度，若其导水性很强，则必须对导水陷落柱进行注浆封闭，具体注浆方案视陷落柱具体情况而定。⑵技术方案陷落柱井下探查以物探、钻探相结合的勘探技术方法。物探主要采用TEM瞬变电磁法和直流电法，目的是探查陷落柱位置、边界形态及陷落柱的富水性。在物探成果的基础上，结合井巷地质、水文地质资料，分析突水陷落柱的水文地质特征，安排井下钻孔予以探查验证，最终确定陷落柱导水性。①井下物探瞬变电磁法(TEM法)勘探主要针对突水点及导含水构造形态的探查，其主要地质任务是探查工作面测区内突水构造平面位置以及突水构造在测区内的分布范围及其富水81 性，并对潜在突水通道作出预测。直流电法勘探主要探查工作面陷落柱的富水性及隐伏导水构造。②井下钻探根据相关规范规程，探查孔在施工中的有关技术要求如下：a.孔位偏差≤0.1m，钻孔开孔方位及俯角偏差≤1°。b.为了预防奥灰水突出，孔口必须按照设计做好直通阀门等孔口安全装置。孔口管和套管必须和孔壁固结牢固，套管和阀门安装结束后要做抗压试验，各项安全指标符合要求后以上方可施工下一道工序。c.钻进时应作简易的水文地质观察，记录水压、水量、水质的变化和冲洗液的消耗情况，严格按照有关要求做好钻探原始记录和岩芯编录工作。d.探查孔进出陷落柱前后5m必须取芯，陷落柱内部全段取芯。此外，如条件许可，也可采用井下放水试验和连通试验探测陷落柱导水性。二、聚财塔断层（导）富水性探测双柳煤矿前期对聚财塔断层利用钻探及物探方法初步勘探了其导、含水性。主要使用钻探物探相结合的技术措施，在断层两盘施工三个钻孔，再使用二维地震探测断层富水性。受工程量限制，对断层的控制程度不足，勘探结果不明确。聚财塔断层的富水性对上、下组煤开采有重要的意义，其导水、富水与否涉及到断层防水煤柱的留设尺寸及采取何种采掘防治水技术措施。鉴于目前对聚财塔断层的勘探现状以及本矿生产实际需求，需对聚财塔断层进行进一步补充勘探，具体技术路线为井上下相结合，地面以物探为主，井下物探先行，钻探验证。⑴地面物探—瞬变电磁法瞬变电磁法属于电磁感应类探测法，该方法通过观测和研究二次场的空间特性，推测地质目标的几何和物理特征。由于该方法对低阻体异常敏感，因此81 能较好地确定与低阻异常有关的地质问题，对于构造富水性探测具有良好的效果。⑵井下防治措施对于物探方法测出的富水区段，按照规范要求留设防水煤柱。井下巷道掘进靠近该断层时，应采取以下几个技术措施：A、直流电法超前探，探测掘进头前方80m有无低阻异常；B、对探测出的异常体进行钻探探放水；C、若探放水时水量、水压大，长时间难以疏干，则有导通奥灰水的可能，在查明充水水源的基础上，建议注浆封堵；D、合理留设断层防水煤柱。在计算煤柱留设宽度时，注意应从断层边界算起，而不能以断层中心为计算起点。第三节太原组灰岩水的探查及疏放一、目的与任务双柳煤矿上组煤底板距离太原组灰岩较近，且太灰水压大，上组煤煤底板承受水压在2～5MPa，并且底板隔水层厚度较小，平均厚度20～30m。经计算突水系数一般都在0.1MPa/m以上。隔水层在大部分地方完全位于采动底板破坏带内，灰岩水势必通过采动裂隙进入回采空间，增大工作面的涌水量，在个别富水区段还可能引起涌水量过大而影响生产。太原组灰岩同时又是下组煤直接顶板充水水源，对下组煤开采影响更大。通过分析离柳井田其他矿区的勘探资料，普遍认为太原组灰岩富水性弱且不均匀。因此需要针对太原组灰岩采取系统、可行的防治水措施，进行探查和疏放，提高下组煤开采的效率，节约生产成本，做到安全生产。太灰含水层的防治物探直流电法太灰水文地质条件探查81 太灰井下放水试验顶板水疏放若水量很大且难以疏干进一步查明水力联系其它防治水措施图6-2下组煤顶板太灰水防治技术路线二、太灰水的探查太灰水的探查应遵循有疑必探、物探先行、钻探验证的方针。物探方法主要以直流电法为主，探测下组煤顶板太灰含水层的富水区分布范围。井下直流电法主要用于巷道、工作面顶板探查和掘进头超前探测。⑴巷道顶、底板太灰含水层富水区探查利用已有的巷道工作，探查深度可达100米，可探测含水层高度，局部富水区深度范围及沿巷道方向分布；提供沿巷道方向垂向电阻率切片剖面，用于解释工作面巷道顶100米深度内的含水、导水体，含水层厚度。⑵工作面顶、底板太灰含水层富水区探查改变工作方法利用巷道侧壁可以探测工作面内的隐伏含水构造；81 利用多条巷道（上巷、下巷、切眼等）的数据进行立体成图——对工作面顶底板不同深度进行类似“CT”成像的断面、平面切片，分离出电法含水异常区域，得到视电阻率异常断面图、平面图，进行立体解释。⑶掘进头超前探查利用巷道超前探测使用三极空间交汇探测法，可以预测堵头前方80米范围内存在的导、含水构造（断层、裂隙破碎带、老空巷道），提供前方80米范围内岩石的视电阻率变化信息。利用井下直流电法探查下组煤顶板太原组灰岩富水性分布，技术成熟，具有较强的可行性，可做为首选探查手段。⑷放水试验通过太灰放水试验，了解太灰的富水性、连通性、裂隙发育程度，还可揭示一些潜伏构造，同时可获取较为准确的水文地质参数，为下一步太灰水的疏放提供了可靠的依据。三、太原组灰岩疏放技术方案所谓疏水降压防治矿井水害技术就是对威胁矿井安全生产的主要充水含水层水，通过专门的工程和技术措施在人工受控的条件下进行超前预疏水或疏降水压，进而减少或消除其在矿山建设和生产过程中对矿井安全的威胁。疏水降压一般应在主要充水含水层中进行。由于灰岩裂隙的不均一性，采用一种方法进行疏降效果较差，因此采用多种方法对太灰水进行疏降是十分有必要的，根据矿井的水文地质情况，可以采用疏水钻孔、疏水巷道等。⑴利用突水点实施疏水降压由于灰岩的富水性不均匀，利用现有的条件寻找富水区有一定的困难和额外的投入，如果能利用在巷道掘进中出现的突水点，在人为控制下有目的的放水，把突水点作为井下施工的自然疏放基地；则会在整个井田内形成以突水点为中心的水位下降漏81 斗，为矿井浅部及深部一定区域内安全回采创造较好的水文地质条件，并对深部的井巷工程施工起到降压掩护效果，但对远离突水点的深部井巷工程不会带来水文地质条件的根本改善，因此需要配合其它疏水措施，以期取得预期的疏降效果。⑵井巷疏水所谓井巷疏水是指在矿井开拓及工作面准备过程中，直接利用掘进于含水层中的井巷进行预先疏水或并行疏水。在采用井巷疏水时，必须认真分析水文地质条件，在必要的条件下，需要配合其它疏水方法在井巷进入含水层之前进行预先疏水，以确保井巷掘进的安全和疏降效果。⑶钻孔疏水通过在井下的开拓巷道中施工专门的钻孔，并使钻孔直接进入需要疏降的充水岩层（体），利用地下水的压力水头，将含水层中的地下水有控制地疏放到井巷，再通过矿井排水系统将疏放的水排出地表以实现含水层水的疏水或降压。井下疏水钻孔分水平孔、上仰孔、俯斜孔、下行垂直孔和上行垂直孔等多种形式。井下疏水孔多用于分散疏水或局部疏水，疏水系统一般由泄水钻孔、钻井硐室、引水管线（或水沟）等组成。双柳矿的太灰水疏降方案采用疏水钻孔结合突水点实施疏水降压方案。同时，建议进行水文地质补充勘探工作，利用地面和井下物探、化探、钻探、抽放水试验等综合立体勘探方法查明地质异常的分布，健全排水系统，为疏水降压方案的具体实施提供相应的保障。第四节采空积水疏放上组煤开采后形成的采空区为封闭的积水区，积水补给来源于山西组砂岩含水层。双柳煤矿在未来开采下组煤时，其顶板导水裂隙带能够沟通上组煤底板破裂带，这意味着上组煤采空区积水完全有可能沿导水裂隙带涌入下组煤工作面。因此，对采空区积水的防范是下组煤开采过程中的重要内容。双柳井田内未见小煤窑生产，因而上组煤采空区均为本矿所为，其分布范围和积水量是明确的。防范措施是工作面回采之前钻孔预疏放。一、采空积水疏放技术方案81 ⑴探水钻孔的布置由于开采煤层为单斜构造，因此疏放钻孔应尽可能布置在工作面下顺槽，钻空间距依据放水效果可逐步加密。⑵钻孔结构设计一般情况下，钻孔结构如图6-5所示。⑶单孔涌水量预计疏放老空积水的倾斜钻孔属于压力管道水力类型。其流量公式：其中：为钻孔过水断面积；为积水标高与孔口标高水柱高差；为钻孔流速系数，即小口径圆管进口阻力系数，谢才系数C=30.85（由管壁糙度n决定，钢管糙度n=0.02）,重力加速度g=9.8m/s2，压力管水力半径（为湿周，圆管水力半径R=d/4）。下表给出不同口径套管，固定长度放水孔的流量计算式：不同口径套管、固定长度放水孔流量计算一览表表6-1套管规格（mm）长度L（m）C2R（m）d（m）（m2）（m3/s）φ89×5600.25951.720.01980.12530.0790.0049q=0.0027φ108×6.5600.25951.720.02380.13710.0950.0071q=0.0043φ127×6.5600.25951.720.02850.14970.1140.0102q=0.0068（一）探水钻孔施工技术要求所有探放钻孔必须按要求安装孔口装置。孔口管施工技术要求如下图所示。①开孔方位及仰角误差≤1°。81 ②孔口管固结：孔口管除导向作用，还是防止煤岩壁渗水及陷落柱涌水带压溃破的最后屏障，必须固壁牢靠。固壁方法：正循环压浆自孔底返出管外。如下图所示：图6-3孔口管固结注浆接头示意图浆液成分：方案一：水灰比0.75：1，掺入5%水玻璃(42Be)，常温条件下，凝固24小时，即可扫孔。方案二：采用化学浆固结，配比与凝固时间根据化学浆液性质确定。孔口管固结检验：耐压达到3MPa以上，时间不少于10min。孔口管装置设计如下图所示：图6-4孔口管装置图二、探放老空水的安全措施⑴钻机安装场地的巷道支护和通风情况，安全情况好，方可安装钻机；81 ⑵注意检查观测周围有无出水征兆，如发现安钻地点距离积水点很近、探水不安全时，应在采取加固措施后，另外选择安全地点探水；⑶钻机安装必须平稳牢固；安好钻机接电时，要严格执行停送电制度，电缆吊挂要整齐；⑷严格按照设计标定钻孔方位、倾角，每班开钻前要首先检查立柱、孔口安全装置、周围支护和报警信号，如有问题，先处理后开钻；⑸钻进时要注意判别煤、岩层厚度变化并记录换层深度。一般每钻进10m或更换钻具时，要丈量一次钻杆并核实孔深。终孔前再复核一次，以防孔深差错造成水害事故；⑹钻进中发现有害气体喷出时，应该在加强通风的同时，用黄泥、木塞（预先备好）封堵孔口。如无法处理，应立即停止工作，切断电源，将人员撤到新鲜风流巷段；⑺钻进中发现孔内显著变软或沿钻杆流水，都是钻孔接近或进入积水区的象征，此时应立即停钻检查，若孔内水压很大，应该将钻杆固定并记录深度。在提钻之前，必须重新检查和加固有关设备和支护，并打开三通泄水阀，边钻进边推进钻具，使钻头超过原孔深度1m以上，先把附近积存的淤泥碎石冲出孔外，而后提出钻杆，以利于安全放水；81 ⑻遇高压水顶钻杆时，用卡瓦和水阀门替控制钻杆，使其慢慢地泄出孔口。第五节防水煤柱留设双柳煤矿目前尚未揭露落差大于10米的断层，关于断层煤柱的留设主要指井田南边界聚财塔断层（F1）的煤柱的留设。由于该断层导水性仍不清楚，因此从安全角度出发，在实际生产过程中宜按导水断层留设防水煤柱。按照《矿井水文地质规程》，本矿的此类煤柱采用如下计算公式式中：—煤柱宽度；H安—灰岩顶至煤层底的最小安全距离；—断层倾角；式中；—奥灰顶板承受的水压（kgf/cm2）；—突水系数，取0.6。81 灰岩灰岩灰岩图6－6断层防水煤柱留设示意图对于各勘探时期的封闭不良钻孔应引起足够的重视，其防治对策是重新封堵或者按规定留设钻孔防水煤岩柱。第六节掘进工作面与采煤工作面防治水技术措施一、巷道掘进阶段双柳煤矿上、下组煤开采均为带压开采，巷道掘进也为带压作业，此时对巷道掘进的防治水工作也应加强。掘进过程中应严格按照矿井防治水工作条例的要求执行，本着有疑必探的原则，做好超前物探和超前钻探工作。1)下山巷道掘进A．煤巷掘进头前方导水构造超前探测在下山掘进巷道过程中，将掘进头前方煤层顶底板导水构造的探查作为防治水工作的重点。严格遵循“有疑必探，先探后掘”的原则，在巷道掘进的同时探查顶底板垂向导水构造，观测顶板太原组灰岩水位，在顶板水位无异常的情况下，利用井下直流电法与瞬变电磁法在巷道内进行超前探测，确定巷道前方含水层的富水情况，顶、底板及侧帮隐伏导水构造，若物探结果存在低阻异常区，则必须采用钻探手段首先对底板导水构造进行探查验证，对钻探验证查明的导水构造，采用注浆加固的方式进行治理，方可继续掘进；若钻探验证不存在底板奥灰垂向导水构造，则说明其与下部奥灰水无水力联系，采用钻探对顶板含水层进行探81 查验证，并对查明的导水构造进行顶板水预疏放，若不存在导水构造，则保持20m以上（不同巷段根据奥灰水头压力、围岩完整程度确定超前距，具体计算数值见下表）的超前距离正常掘进。其工作流程见图（图6-7）所示。图6-7巷道掘进阶段顶底板导水构造探查与治理工作流程图超前距确定：式中：a：超前距；A：安全系数（一般取2～5）；L：巷道的夸度（宽或高取其大者）；81 p：水头压力（Mpa）；Kp：煤的抗张强度（Mpa）。B．物探异常区验证钻孔布置超前探查孔的布置关键在于探水线的选择，用下式求得a值确定的界线，定为探放含水层水、断层水的探水线。式中：A：安全系数（2～5）；a：巷道迎头或侧帮至含水层、含水构造之间的安全隔水岩柱（或煤层）宽度，m；L：巷道的跨度（宽或高取其大者），m；P：煤、岩层承受的静水压力，Mpa；Kp：隔水岩层（或煤层）的抗拉强度，Mpa。井巷通过导水或可能导水断层前，必须超前探水。探水线（探水起点）至断层交面线的最小距离不得小于20m，水压大于2Mpa时应按每增加0.1Mpa增加0.5～1m。一般情况下钻孔倾角在10~20°为宜，根据物探异常区与待掘巷道的位置关系选择钻孔方位，同时兼顾对顶板灰岩含水层水的探放。详见图7-8。图6-8超前探查孔布置示意图本矿岩层为中硬岩层，探水孔孔口管埋入孔内长度，可参照下表的经验值（煤矿安全手册）：81 探水孔空口管长度经验值表6-3水压力(Mpa)<11～33～5>5孔口管长度(m)77～1515～20>20孔口管一般设在隔水层内，其长度一般大于6m，开孔直径大于孔口管直径两级，以便在孔口管与孔壁间注浆较多的水泥浆，增加孔口管抗水压强度。选定探水孔孔口管长度后，应按下式计算埋设探水孔孔口管的煤、岩体厚度，如厚度不够，应按计算结果加长探水孔的孔口管。式中：B:抗水压所需煤、岩体厚度（m）；p：所探水体作用于孔口管顶端的水压（MPa）；D：探水孔引用直径，一般取巷道的高度或宽度的大值（m）；：煤或岩体允许抗剪强度（MPa）；2)工作面巷道掘进防探水a.顶板水预疏放工作面巷道掘进的过程中按照下表6-4要求预留超前距，布置钻孔对顶板水进行预疏放。表6-4起探距离（探水线圈定）水压（Mpa）超前距止水套管长度说明条件距离水平方向垂直方向资料可靠20～50<1.010851.依据《煤矿防治水工作条例》20条规定及有关单位经验提出。2.水压大于2MPa时，止水套管应下两层，第一层约5m，第二层按表所列，均需注浆加固。根据资料推定60～801～2151210物探圈定范围60～1002～3201515情况不清有疑必探3～4251820>4>30>20>2081 b.底板垂向导水构造探查:利用现有巷道，采用井下直流电法探测底板含水体富水性及垂向导水通道发育情况；利用上、下巷空间采用井下直流电法与音频电透视相结合技术进行工作面底板探测，探测工作面范围底板隐伏含水构造及富水区。物探工程实施前需要由施工单位编制专门的物探工程设计。二、工作面回采阶段工作面回采阶段采用坑透、直流电法、瞬变电磁和音频透视法等工作面物探手段，目的是发现断层、裂隙破碎带及探查奥灰含水层的导升高度，对物探存在异常区域进行钻探验证，进一步探查底板水情。若探查出存在底板奥灰垂向导水构造，则进行底板注浆加固后方可进行回采。音频电穿透法是利用电磁波在介质中传播时，其电流强度随介质层电阻率的大小而有规律变化的特征，进而计算出穿透各点的视电阻率相对关系，做出反映探测区域富水性强的等视电阻率平面等值线图，并可结合具体水文地质条件推断出顶底板含水体的性质，富水性大小，空间形态及分布范围，为防治水工作提供依据。该方法的主要用途为：①采煤工作面底板下100米内富水区域探测；②采煤工作面顶板100米内富水范围探测；③工作面内老窑、陷落柱平面分布范围探测；④注浆效果检查。对于上下组煤的开采，在采煤工作面形成后，应用音频电透视方法对工作面内部及工作面上部50m范围内富水区进行探测，为疏放顶板水提供依据。第七节地表水的防治地表水体包括河流、湖泊、池沼和水库等。位于矿区内或矿区附近的地表水，往往可以成为矿井充水的重要水源。在分析矿区充水条件时，首先应研究矿区所在位置及其地形，看其是位于当地侵蚀基准面以上，还是基准面以下。位于当地侵蚀基准面以上的含煤地层，地下水补给地表水，矿井在当地侵蚀基准面上进行生产时，则不受81 地表水影响，开采时矿井涌水量不大，平时巷道内干燥无水，只有在多雨季节井下涌水量才会增加，需考虑防洪。位于当地侵蚀基准面以下时，地表水有可能补给地下水，为地下水聚积创造条件，但是否成为矿井充水水源，关键在于有无充水途径，即地表水与矿井间有无直接与间接的通道。这种通道可以是天然的，如地表水通过矿井直接充水含水层的露头或导水断裂带，也可以是人为采矿所引起的破坏通道。当地表水成为矿井充水水源时，它对矿井的充水程度，取决于地表水体水量大小、地表水与地下水之间联系密切程度、充水岩层的透水性、地表水的补给距离等因素。只有具备上述诸因素的有利方面，地表水才能成为矿井水的重要来源，否则，地表水不一定成为矿井充水水源。一、地表水体的特点地表水体分暂时性的和常年性的。暂时性的应注意洪峰流量、最高洪水位及涉及范围和季节变化情况。在常年性的且水量很大的地表水体下部采煤时，应考虑具体开采条件和是否具有必要的安全技术措施。否则，一旦引起透水，将有淹没矿井的危险。二、地表水体下部岩石的透水性了解地表水体下松散沉积物的类型、透水性和松散沉积物与矿井充水围岩的接触关系，以及断裂破碎带透水性与阻水性等问题，目的在于掌握地表水体与充水含水层之间是否存在直接的水力联系。若下部岩石为有一定厚度的隔水层，开采时隔水层的隔水性不会遭到破坏，则地表水体不参与矿井充水；若既有地表水体又有良好渗透条件，这将对矿井造成严重威胁。三、地表水体和煤层的关系煤层位于地表水面以上，开采时不受地表水影响，但开采位于地表水面以下煤层时要受到影响，影响程度与地表水体距离有关。一般说来，距离越近影响越大。在煤层上覆岩层透水性差且无断裂构造破坏情况下，煤层与水体的垂直距离大于煤层厚度50倍时，地表水对煤层开采的影响会消失。双柳井田地貌类型以黄土梁峁为主，地势总体东高西低，沟谷总体走向为自东向西，沟谷内出露的地层主要是二叠系砂岩地层。上组煤埋深较大，一般在300m左右，81 采掘产生的冒落裂隙带一般不会导通地表水体。若地表沟谷中有导水构造存在，将地表水导入矿坑，地表水也会成为矿井充水水源。因此，必须将对沟谷中裂隙密集带及导水构造的探查纳入正常的日常水文地质工作中。双柳煤矿地表水防治，还应做好以下几点：⑴彻查矿区及其附近地面水流汇水、渗漏情况，疏水能力和有关水利工程情况，掌握本地历年降雨量和最高洪水位资料，建立疏水、防水和排水系统。⑵井口和工业场地内建筑物的高程必须高于本地历年最高洪水位，否则，必须修筑堤坝、沟渠或采取其它防排水措施。⑶严禁开采煤层露头的防水煤柱，修筑沟渠应避开露头、裂隙和导水岩层。⑷排到地面的矿井水必须妥善处理，避免再渗入井下；强降雨前后，必须派专人检查矿区及其附近地面有无裂缝、老窑陷落等现象，发现漏水情况，必须及时处理。⑸雨季来临之前，对矿区内地面河床及排水通道，进行逐段检查，发现阻塞及时疏通完善。特别是兑镇河有太原组灰岩出露，应对出露段进行注浆封堵，防止地表水灌入矿坑；⑹加强雨季对地表水体与井泉水位、水量的动态观测，并进行记录，分析与矿井充水的关系。第一章构造对生产、开采、采区、工作面布置的影响第一节防治水专项技术研究一、带压开采技术研究（一）奥陶系灰岩带压开采技术双柳煤矿下组煤开采应针对奥陶系灰岩采用带压开采技术。所谓带压开采就是煤层底板受承压水威胁，充分利用煤层底板至承压含水层间隔水层性能，在不采取或在经济、技术条件许可情况下，采取某些技术措施后，实现安全采掘的一种综合性防治水技术。国内外对该技术曾作过大量研究，特别是近几年在我国进行了较为广泛而深入地研究，取得了显著成绩。81 评价带压开采安全的标准是突水系数。六十年代由煤炭工业组织的焦作会战提出的突水系数是：（7-1）式中：P－水压值（Mpa）；M－隔水层厚度（m）。七十年代煤炭科学研究总院西安分院和其他有关单位对（1）式所表示的突水系数进行了修正，提出以下突水系数公式：（7-2）式中Cp是采动后底板导水破坏深度，其他符号同前。该公式1984年5月由煤炭工业部正式批准作为矿井水文地质规程防治底板突水的依据，并于1986年写入“煤矿防治水工作条例（试行）中”。基于底板破坏三带的划分，突水系数公式修正为：（7-3）H为底板导升高度带。本公式考虑了矿压及水压对底板隔水层的破坏和影响，更符合实际情况。2009年12月1日起生效的《煤矿防治水规定》，对突水系数的计算公式改为：（7-4）突水系数在以往的应用中取得了显著成效，解放了受水害威胁的大量煤炭资源，特别是在突水可能性分区上已有了较为明确的界限值，所以在评价双柳煤矿下组煤带压开采时，我们采用公式（7-4）。就整个华北型煤田而言，关于底板突水可能性分区问题，可以考虑以下方案：81 Ⅰ区：承压水面以上的地区Ⅱ区：承压水面以下，但突水系数Ts﹤0.06Ⅲ区：突水系数Ts介于0.06～0.1的地区Ⅳ区：突水系数Ts﹥0.1的地区Ⅰ区不存在底板突水问题；Ⅱ区为相对安全地区，应在加强矿井防治水工作的情况下进行带压开采；Ⅲ区发生底板突水危险较大，仅在构造简单的地段采取可靠安全技术措施后才可能进行带压开采；Ⅳ区是发生底板突水最危险地段，只有在采取疏水降压把突水系数Ts减小到0.1以下才能实施带压开采。为了在本井田实施带压开采技术，必须作好以下工作：1、把防治水工作的重点放在预防奥陶系灰岩水上，重点是矿井西部8#、9#煤层合并区。采用综合物探、化探和钻探等各种手段，查明断层、陷落柱等地质“异常体”，以及处理质量差的废旧钻孔；并采用留设防水煤柱或底板加固等手段对地质异常体进行改造，做到安全回采，以降低矿井排水费用，同时保护水资源和生态环境。2、在采掘过程中为防止底板出现灾害性突水，应坚持先探后掘、先探后采和先注浆后掘进、先注浆后回采的技术原则。为了节约工程量和保证安全，在采取钻探、物探、化探等综合手段时，应坚持物化探先行、钻探验证的技术方法，以杜绝采掘巷道误揭落差大的断层。3、发展“突水”预测预报技术。实现突水预测预报的可视化和适时化，建立水害预警系统，推进矿井防治水信息系统集成。4、关于避灾路线和通讯联系。在有突水危险，尤其是有大危险突水的地区，安全畅通的避灾路线是保证不发生人员伤亡的有效途径。同时应具备畅通的通讯联系，以达到及时将井下的情况迅速报告和将调度命令传达到每一个井下工作人员的目的。5、矿井防治水工作管理。矿设立专门负责矿井防治水的领导小组，配备探水钻和组建专职探水组。严格地讲没有征兆的突水是不存在的，所以每个生产班应设水情观测员负责水文地质资料收集和突水前兆观测。81 （二）.带压开采中常用防治水技术措施及方法⑴留设防水煤岩柱在煤矿生产中必不可少的防治水措施就是要留设防水煤岩柱，这是避免垂向导水通道突水的好方法。如断层防水煤柱，导水陷落柱煤岩柱，以及导水钻孔煤柱等，即采面设计时就要划定，以便准备巷道进行回采．一个带(水)压开采工作面在进行采前探查时，如发现有垂向导水构造，首先考虑的还是采用留煤柱的方法，或者根据实际情况对底板导水构造带进行预先加固，或者采取疏排水采煤的方法．一般来说，在防治直通式导水构造的突水时，最好是采取留设防水煤岩柱的方法。⑵带压开采分区针对不同分区，选择防治水技术。对于安全区，在目前条件下，无需进行相关防治水工程和防治水工作，即可进行安全带压开采；对于过渡区，在目前条件下，仍需进行相关工程和防治水工作，方能实施带压开采；对于危险区：在目前条件暂不能开采，待现行技术和相关防治水方法与手段进一步发展后，实施逐步试采。⑴煤层底板注浆加固改造实施底板注浆加固改造，应根据物探及钻探探测结果，分析煤层底板的实际情况，对煤层底板存在垂向越导通道的区段，进行注浆加固，以防堵为主。同时应对准备注浆加固的工作区编制专门设计方案，其中包括注浆层位、注浆孔布置、注浆方法、注浆系统和注浆工艺等。⑷优化采掘方案根据邯郸、峰峰、井陉等矿务局开采下组煤的经验，底板破坏深度的大小与工作面倾斜长度、采掘工艺、顶底板有很大的关系。义棠井田大部分区域下组煤底板隔水层薄，因此，应该根据本区特点采取以下措施：①适当减少工作面斜长、缩小悬顶距、提高推进速度、减小矿山压力。减小工作面斜长，可以降低采后底板破坏深度。一般情况下，煤层底板破坏深度随着工作面的宽度加大而增加。然而，这种增加并不是无止境的，它存在着上限。当开采范围达到上限后，工作面开采宽度对底板岩层破坏深度在宏81 观上的影响作用开始减弱，甚至相互无关。参考其它矿井底板数值模拟结果，工作面斜长每增加20m，底板破坏深度增加2m。当工作面斜长超过140m后，底板破坏深度增加量减小，工作面斜长的增加只能带来底板破坏深度较小的增大甚至不变。因此建议下组煤带压安全区工作面斜长控制在160～200m，带压危险区工作面斜长80～120m。②对顶板实行强制放顶以及采空区充填等方法；③同时进行矿压观测，掌握矿压显现规律。④采用相关计算机软件对不同顶板管理方式条件下和不同工作面布置方式条件下开采过程进行模拟，以期获得相关参数，从而为选择合理的顶板管理方式和工作面布置方式提供技术依据。⑸加强底板突水监测在下组煤开采期间，对于经过注浆改造的各类薄弱带或者其它认为有可能突水的地段安装应力、应变、水温及水压监测装置，通过井下通信系统将采集到的信息及时传递到井上，以便对工作面煤层底板突水做出适时预报，从而为应急救援预案的启动提供依据。二、矿井构造控水研究双柳矿的断层等构造情况较为发育，其中大的断层主要有F1、F7，中阳－离石向斜横穿井田南北，产生许多伴生断层。其中还有一些潜在的断层没有发现，需要采用钻探物探手段来进一步查明。对于目前发现的各断层等充水及导水性还不甚清楚。因此，对矿井对构造突水应采取相应的防治措施，主要包括以下三种防治方法：（一）留设防水煤柱在煤矿生产中必不可少的防治水措施就是要留设防水煤岩柱，这是避免垂向导水通道突水的好方法。针对断层防水煤柱，在采面设计时就要划定，以便准备巷道进行回采。（二）探放断层水81 对充水断层，除了可以留设防水煤柱外，通过物探等手段查明断层的富水性，根据水量大小和连通性，也可以对构造充水采用探放的方法防治。⑴探放断层水的原则①掘进工作面前方或附近有含（导）水断层存在，但具体位置不清，或控制不够严密时。②掘进工作面前方或附近，预测有断层存在，但其位置和含（导）水性不清，有可能突水时。③掘进工作面底板隔水层厚度，与实际承受的水压都处于临界状态（即等于安全隔水层厚度和安全水压的临界值），在掘进工作面前方是否有断层情况不清，一旦遇到很可能发生突水时。④断层已为巷道揭露或穿过，暂时没有出水象征，但由于隔水层厚度和实际水压已接近临界状态，在采动影响下，有可能引起突水，需要探明其深部是否已和强含水层连通，或有底板水的导升高度时。⑤采掘工作面距已知含水断层60m时。⑥采区内小断层使煤层与强含水层的距离缩短时。⑦采区内构造不明，含水层水压又大于3MPa时。⑵探查的主要内容探断层水的钻孔应与探构造的孔结合起来，需查明的具体内容如下：①断层的位置，产状要素、断层带宽度（包括内、中和外三带）及伴（或派）生构造及其导水性、富水性等。②断层带的充填物及充填程度和胶结物及胶结程度；断层两盘的派生裂隙带和岩溶的发育情况及其富水性。③断层两盘对接部位的岩性及其富水性，工作面与强含水层的实际间距（即隔水层的厚度）。81 ④断层与其它含（导）水断层、陷落柱或其它水体交切部位及其富水性。⑤查明并记录探断层水钻孔在不同深度的水压、水量，并确定或判断底板水在隔水层中的导升高度。为探明以上内容，应先提供断层面等高线图及两盘主要煤层、含水层交切关系图，探测断层预想剖面图。⑶探放断层水的方法探断层水的方法与探老空水相同，但是，探水钻孔的孔数比探老空水要少。根据不同的要求，可参考表7－1进行探断层水钻孔一般要求表7-1探查目的简要说明工作面前方已知或预测有含(导)水的断层的探查钻孔沿正前下方施工，对于巷道揭穿断层的深度(底板下的深度)应在5～10m之间，对于采煤工作面揭穿断层的深度约为30m隔水岩柱厚度处于临界状态时，对掘进工作面前方在无断层突水危险的探查一般应沿巷道掘进方向打孔，尽量打深，力争一次打透断层，否则就必须留足超前距，边探边掘直至探明断层的确切情况，再决定具体的防水措施巷道实见断层，在采动影响后有无危险性的探查一般应向下盘预计采动影响带内打1个孔，探明断层带的含(导)水和水压、水量等情况。若有水，采后就很可能突水，若无水则应向预计采动带以下打第2个孔，然后根据具体条件分析突水的可能性，和采取相应的防水措施⑷探放断层水的安全注意事项①水压大于2MPa的含水断层，一般不宜沿煤层探放断层水。②开孔层位必须在较坚硬的岩层中，孔口管应两路生根，其长度应大于20m，超前水平距离应大于30m，垂直距离应大于20m。使孔口至断层之间的岩壁厚度能够在关闭孔口阀门时，足以抗衡水压的破坏。81 ③选用钻探200～300m的井下大、中型钻机，水泵应能单独起动，水泵压力只少应大于实际水压的1.5倍，以便停钻时可以不停泵；一旦高压水大量喷出，须立即注浆封孔，确保安全。④揭露断层带或含水层时，孔径应小于60mm，同时采用肋骨钻头，以控制孔内涌水量和防止高压水使钻杆射出。⑤孔口要有安全装置。发现水压、水量很大时，要用两套闸门，并更换外闸门。⑥在喷高压水的条件下继续钻进时，斜孔可使用孔口防喷逆止阀，倾角50°～90°的钻孔可使用“孔口防喷帽”或“盘根密封防喷器”，钻具可使用“防喷接头”，上下钻可使用“孔口反压装置。⑦严格执行交接班制度，力争做到交接班时不停钻，以防止发生孔内事故。⑧钻孔终孔后，孔内有水应进行放水试验；而孔内无水时，应选择一个孔进行压水试验，以检验断层带的隔水性能，但压力一般以略大于断层水的静水压力为宜。⑨钻孔完成各项探测任务后，应立即全孔注浆封闭。⑸断层水的预防和处理根据探查和综合分析，可将断层大致分为二类，即弱含（导）水有可能突水的断层和强含（导）水断层可能突大水的断层。据此，采掘工程接近、揭露、甚至穿过这些断层的不同情况时，可采取相应的预防与处理措施。具体见表7-2。断层水突出的防治措施表表7-2断层类别水源类别水源类别通过断层导水的主要水源煤层顶底板、孔隙、裂隙含水层水太原群灰岩含水层水81 弱含水或导水、有可能突水的断层或断层带一般情况下，掘进巷道可以通过，须加强支护，防止冒落。如水压、水量较大时，应先打孔疏水降压后再过断层并加强支护。巷道掘进必须超前探水，无水时要压水检查，有水时应封孔绕行或预注浆通过。巷道须特殊支护，防止迟到突水。富含水时或导水性强、发生突水可能性大的断层或断层带巷道掘进必须穿过断层时应超前探水、放水，把水压降至安全值以下，并加强巷道支护，保持围岩的整体性和稳定性。掘前疏水降压，或注浆封堵。巷道掘进应超前探水，通过时，应打探查构造及含水层等勘探孔，查明条件后预注浆过断层带，并加大特殊支护范围。⑹经过探查和综合分析，必须提交的基础资料①有关井巷实见的断层地质素描图。②探查钻孔的平面位置图及有关断层、陷落柱展布的平面图。③探查钻孔的水文地质图表，详尽标注钻进中所取得的各项实测数据。④放水试验时的井上下观测资料及相关动态曲线图。⑤断层水及各主要含水层的水质分析对比资料。⑥反映断层形态及其和主要煤层、含水层交切关系的平面、剖面图。⑦断层两盘煤层与强含水层的间距变化，尤其是隔水层厚度大于突水临界值的危险区分析图。第二节采煤工作面底板突水预测预报一、采煤工作面底板突水前兆监测由于水文地质条件的复杂性和不可预见性，加之对本区采煤引起的底板扰动破坏深度缺乏认识。建议在工作面回采过程中对重点工作面进行底板突水实时监测，及时发现突水征兆，保障首采工作面的回采安全。同时，研究采动破坏深度尤其是采动引起的导水裂隙带深度，为下一步全面回采下组煤提供基础资料。下面介绍一种工作面底板突水监测系统。⑴理论基础煤矿开采时煤层底板隔水岩层产生破坏，导致该部分岩层的抗水压能力降81 低。同时，隔水层底部存在的地下水原始导升带，在采动压力和承压水压力共同作用下，产生新的裂隙致使导升带增高。当导升带与上部破坏带连通时，就会形成裂隙导水通道，下伏含水层的承压水就会沿此通道进入工作面造成突水。因此，底板突水监测实际上就是监测工作面采动过程中底板隔水层破坏带和下伏含水层导升带的变化状况，通过监测项目的数据变化来确定破坏带与导升带是否沟通，从而对工作面突水可能性作出预报。导致煤层底板隔水层破坏的主要因素是采动影响下底板应力的变化，而煤层底板应力场中任意一点的应力值随工作面的推进不断发生变化。根据多次底板破坏试验发现：煤层底板钻孔(破坏区)耗水量与底板应力的关系极为密切，当底板应力小于原始应力时底板钻孔出现耗水，应力越小，钻孔耗水量越大，钻孔耗水量峰值正好处于底板应力值谷底位置；从底板应力值大小与超声波在岩层中传播波速的关系可以看出，波速的峰谷值与应力的峰谷值完全对应，应力降到最底点时，波速亦降到最底点。从上述关系可看出，在工作面回采过程中底板破坏深度与导水性能，随底板应力的增大而减小，反之随底板应力的减小而增大。可以认为岩体的破碎程度(裂隙发育程度)与其应力值的大小是密切相关的。因此通过对不同深度的底板应力状态的监测，反映其底板的破坏深度及其变化过程。应变值可以反映底板岩体破坏程度和变形的强弱，当底板岩体裂隙或原生节理在应力场的作用下沿其结构面产生移动时，埋设在不同深度应变传感器的监测值将反映煤层底板移动或变形的程度。随着回采工作面的推进，当岩体受超前支撑压力作用时，工作面底板岩体产生采前压缩变形，采后因悬空面而产生底板膨胀变形，以及后期顶板跨落压实而产生底板的受压变形。变形可分为弹性变形(恢复变形)和塑性变形(永久变形)。采前压缩变形时应力较大，相应变形较小，以弹性变形为主，而采后膨胀变形时应力降低到一定程度，岩体中的节理、裂隙则张开变宽，岩体变形较大，即产生底板破坏时，以塑性变形为主。当工作面开采过程中底板岩体破坏区变形为塑性变形时，为不可逆过程；而当底板变形为弹性变形时，可以认为该底板岩体未产生破坏，仍具有一定的抗水压能力。受成岩活动和后期构造活动的影响，底板隔水层底部会产生一系列分散或集81 中的破裂带，当这些裂隙具有一定宽度且下伏含水层为承压水时，承压水可沿裂隙带上升到隔水层的一定部位，从而在隔水层底部形成承压水导升带，导升带的分布受到原生裂隙的控制具有不连续性和不均一性。在采动的影响下，导升带是否会持续发展，即原生裂隙会不会进一步开裂、扩张，同时是否会产生新的裂隙，特别能否造成下伏含水层水沿裂隙带进一步上升与煤层底板破坏带相沟通是能否发生突水的必要条件，也是回采中需要关注的问题。承压水向上传递的过程实际上是可以监测到的，通过对底板下煤系地层中的裂隙水的水压监测可以直观地了解下伏强含水层承压水是否向上导升以及导升的部位。结合对底板破坏深度的分析，可对监测部位突水的可能性进行评价。地下水温受径流过程中岩体温度的控制，而岩体温度主要受地热增温率的影响，因此地下水循环越深相应地下水的温度就越高。因此，当深部循环地下水通过裂隙通道进入隔水层内部时，过水通道附近岩体温度及煤层底板岩层中裂隙水的水温会出现异常。故通过对煤层底板岩层中裂隙水水温的监测，预报可能发生的突水。综上所述，煤层底板监测中的应力、应变状态反映了底板隔水层在采动影响下所受破坏以及导水性能的变化状况，监测水压直接反映承压水导升部位，监测水温则反映是否有深部承压水的补给。因此，可以通过对这四项监测指标的综合分析，进行突水预测预报。（2）系统简介本次底板突水监测使用煤科院西安分院研制的KTL—1A型岩水多参数测定仪和传感器组成的监测系统。该系统由地面中心站、井下分站、信号传输电缆和用于底板监测的不同传感器等硬件以及相应应用软件组成(见图4-15)。81 图7-1底板突水监测系统组成连接示意图①、地面中心站地面中心站由微型计算机、打印机以及用于通信传输的modem调制／解调器和电话机等硬件和数据处理软件组成。软件可通过通讯系统对井下分站下达校对内部时钟、巡回监测、传输数据、清理数据、自动定时检测等指令，并可对接收到的监测数据进行计算处理，将电信号值转换为各传感器物理数据，并可自动生成历时曲线。地面中心站底板突水监测系统软件为西安分院开发的专用软件，在Windowsxp界面中，以Sqlserver7.0、MicoroSoftWord、MatrixVB等数据库管理系统软件和开发软件为平台开发的专用软件。本软件的主要作用是对传感器采集到的原始数据进行浏览，根据原始数据精确计算对应的物理量，并可形成报表，还能根据计算结果绘制各种物理量的曲线。具有友好的用户界面，通讯及数据处理操作灵活方便、简单易用。②、井下分站井下分站采用矿用直流多路不间断供电电源，需要提供井下电网127V／50HZ输入。监测期间仪器在井下不间断连续工作，要求井下电网能够连续供电，尽量不停电或少停电(若停电，其时间不应超过1小时)。井下分站根据地面中心站指令对各传感器自动巡检，并对检测数据以及检测日期、时间进行存贮和传输。井下分站有24个输入信息通道，可存贮一个星期的信息量。井下分站电路结构为本质安全型电路。井下分站安置在距传感器埋设钻窝一定距离的安全位置。两者之间通过多芯电缆联接。由于回采过传感器埋设钻窝后仍需要监测，保护多芯信号电缆不被采后顶板跨落而损坏十分必要，传感器埋设钻孔与分站之间的信号电缆采用穿入1寸旧水管加以保护，确保了数据传输的畅通和可靠。井下分站通讯线路将通过矿生产调度使用的井下程控交换机同中心站相连。③、有线数据通信81 井上中心站与井下分站之间的数据通讯，利用通用的有线通讯系统。即井上中心站和井下分站都与矿上的数字程控交换机连接，各自配备专用电话号码。中心站呼叫井下分站就是通过微机程序输入井下分站电话号码，井下分站“应答”后，两站之间通讯开通。中心站下达指令，井下分站执行，执行完成后信息传到地面中心站，中心站可根据情况发出下一指令命令井下分站执行。中心站配备的modem调制／解调器和井下分站配备单片机和modem设备，可识别两站间数字通讯信号。两站间数据传输速率为2400波特，传输距离大于10km。监测期间井下通讯线路保持完好的畅通状态，保证监测数据的传输。④、传感器a、应力、应变传感器系统使用的应力、应变传感器由国家地震局地壳应力研究所研制生产，应力、应变传感器都为长筒式，由三组互为60°夹角的全桥电路组成。应力、应变传感器由于外壳材料弹性不同制成不同传感器。每组应变片均为4片式桥接，两片受力两片补偿。当传感器外壳受压时，在挤压方向上应变片呈负向变化。监测使用传感器内部安装了前级放大器及V-F转换电路，输出为频率信号。b、水压、水温传感器系统使用的水压—水温传感器由西安飞机制造公司兰华传感器厂研制生产。将水压和温度传感器合二为一，减少安装环节，增加监测的可靠性。该传感器为电感调频式传感器，输出为频率信号。工作面底板突水监测系统的安装与操作需要由专门的工程技术人员另行设计和实施，在此不再赘述。二、应力原位测试技术⑴原位地应力测试理论基础煤层开采必然引起采煤工作面底板在一定深度内发生岩体的应力调整作用，从而导致新的应力—应变过程：在采掘前方一定深度的底板岩体产生超前增压；在采空区由超前增压转化为卸压松驰；因远离采空区由顶板冒落引起的再次增压恢复，这就是81 广义上的采动效应。引起煤层底板突水的另一个驱动力是承压水的水压。承压水的力学效应是通过隔水层岩体的裂隙来实现的。充水裂隙中的承压水对裂隙围岩有一场布载荷，当裂隙围岩处在一定的地应力状态之中，在一般情况下，它们处于平衡状态，当围岩地应力状态发生变化，或承压水的水压发生变化时，一方面可能使原有的裂隙闭合，另一方面也可能使原有小裂隙张开，从而达到新的平衡状态。根据三轴渗透仪对具有裂隙岩石的渗透试验，发现渗水量q与围压σr和水压PW密切相关，而与轴压σZ没有直接关系。渗水量都是在PW＞σr时发生的，且PW－σr的差值越大，渗量q越大，但只要PW＜σr便不发生渗水。这表明，PW＞σr时，裂隙呈张开状态，PW＜σr时裂隙呈闭合状态。由此可见，“岩水应力关系说”把复杂的煤层底板突水问题，归纳为岩（底板隔水岩体）水（底板承压水）应力（采动应力与构造应力）关系，将煤层底板突水过程解释为：底板突水是由采动矿压和底板承压水水压共同作用的结果，采动矿压造成了岩体应力场与底板渗流场的重新分布。二者相互作用的结果，使底板岩体的最小主应力小于承压水水压时，产生压裂扩容而发生突水。其突水判据为：式中：I—突水临界指数；Pw—底板隔水岩体承受的水压；σ3—底板隔水岩体的最小主应力。I为无量纲因子，I＜1时，不突水；I＞1时，突水。对于一个回采工作面，底板承压水的水压一般是已知的，关键问题是测定煤层底板隔水岩体中最小主应力σ3的量值大小以及由于采动效应所引起的σ3的变化，岩体原位测试技术便应运而生。从理论与实践的结合上说明了“突水临界指数”的普适性，“岩水应力关系说”的合理性与可行性。由于“岩水应力关系说”是建立在对突水机理正确试验基础上，因此突水预测预报技术经在焦作、韩城、淮北、皖北等大水矿区应用，均取得了较好的效果。81 采动应力测试计算机数值模拟不突水突水突水突水工作面前期探测煤层构造破碎度分析井下电测深地质异常分析常规应力测孔布置特殊应力测孔布置岩体原位测试σ3Pwσ3