论文部分内容阅读
摘 要：奥灰岩溶强承压含水层，具有水量丰富、危害大等特点，在煤矿生产活动中极易引发突水事故，给矿井安全生产带来很大灾难。分析唐山矿实际奥灰水可能发生突水的部位和条件，并对突水条件加以分析，并制定相应的防治对策，确保矿井安全生产。
关键词：奥灰；突水；浅析
唐山矿是始建于1878年，年产400万t的大型矿井。在矿井开采产后发生了几起较大的突水事故，经过科技人员的共同努力，探索出了防治奥灰水害综合治理方法，并收到了显著成效。
一、矿井地质、水文地质条件简述
唐山矿位于开平煤田西北翼的西南端，地层走向为NE—SW。井田内主要构造绝大部分平行于地层走向，构造极为复杂，由北向南依次排列着FⅠ、FⅡ、FⅢ、FⅣ、FⅤ号等主断层，其断层走向与地层走向基本平行，其中南部边界断层FⅤ号规模最大。褶皱构造发育，除东部发育的FⅢ号断层以南的主向、背斜外，向西部还发育有岭子倾伏背斜等一系列褶曲构造。这些主断层和主要褶曲构造直接影响着唐山井田内的区域划分，使井田很自然地形成了若干个构造块。
由于受地质构造的影响，在FⅠ断层以北区域，煤系基底奥陶系灰岩逆掩于可采煤层之上，造成奥灰岩下压煤的特殊水文地质条件。奥陶系灰岩在上述区域直接与第四纪冲积层接触，二者水力联系密切，地下水相互交替，共同成为含煤地层各含水层的补给水源。同时奥陶系灰岩在井田北部、东部山区有露头裸露于地表，接受大气降水的补给，转而通过冲积层补给含煤地层。在井口西南部，在岳胥区境内，含煤地层有露头与第四纪冲积层接触，长期接受其地下水的补给，沿层间与构造裂隙流动，转入矿井的排泄区。在含煤地层中，常在脆性砂岩内形成裂隙含水层，在矿井采掘工程中，揭露涌水后，多年不见衰减，给生产施工造成很大困难。
二、唐山矿奥灰水水害分析
（一）奥灰突水发生的部位和发生条件
1. 正常层位区
奥灰岩溶含水层正常位于开采煤层以下，在一定水压下，它至开采层间的阻（隔）水岩层越厚采煤越安全。突水事故所以发生，就是由于事故点处的隔水层厚度低于安全值的关系所致，一般有三种情况。
1.1 断层部位
由于断裂的影响，总是有一侧缩短了煤层与奥灰水体的距离，同时由于邻近断层部位的节理、裂隙发育和断层破碎带的存在，都使岩石的阻抗能力大大降低。所以，断层（特别是断层的交叉）部位最易发生突水事故。
1.2 陷落柱部位
奥灰古岩溶的存在及其塌落拱的不断发展，含煤地层中常存有由各种破碎岩石充填着的陷落柱，它抗压强度低，有时其本身就是一个导水体，当采矿活动直接遇到它时，常发生突水事故。
1.3 地层正常延续、岩石亦较完整的部位
随着采矿深度的逐步延深，隔水层所承受的奥灰水压力越来越大，一旦这种承受能力低于安全值时，必然发生突水事故。
2 地层倒转区
地层倒转区或由于逆掩断层而使奥陶石灰岩覆盖在煤系地层之上。断裂构造发育部位，缩短了煤层与奥灰水体的距离，断裂构造伴生的节理、裂隙发育及断层破碎带的存在，都使岩石的阻抗能力大大降低，容易发生突水。
（二）突水条件分析
1.充水水源
唐山井田内具有充水意义的含水层主要为煤系基底-奥陶系灰岩含水层。一般厚度在800 m。据井田抽水实验资料：q=0.0092-16.20 L/s·m，k=0.018 -22.638 m/d。本含水层富水性，地下水位略高于冲积层底部砾卵石层的水位，其水位随季节性变化较为明显，每年3～4月份干旱少雨季节，水位下降，雨季复又上升，且在不同区域各钻孔水位皆同步变化，说明层间联系极好。从唐山矿井下施工的奥灰钻孔资料可看出，个别钻孔涌水量较大，大多涌水量较少或无水。根据奥灰顶界面等高线图，本层与最下一个可采煤层（14煤层）间距大部分地区为100～140 m，局部变薄带为60～100 m。
2. 充水途径
突水主要危险性取决于防水隔水层岩柱厚度（地层倒转区指奥灰与所采煤层之间的法线厚度）的阻水能力。
2.1 断裂构造影响
断裂构造对隔水层的影响主要体现在两个方面：一方面由于断裂错动缩小了煤层与奥陶系下统灰岩含水层之间的距离，使保护层有效厚度变小；另一方面，断裂构造的错动降低了隔水岩层的强度，使隔水岩层承受的水压降低。
2.2 隔水层厚度影响
隔水层厚度是控制突水的主要因素之一，隔水层越厚采煤越安全。一旦隔水层厚度低于安全值时就有可能发生突水事故。
根据历次突水情况分析，奥灰突水事故的发生是由多种因素作用的结果， 这种多因素的叠加及其程度，条件不但难以准确评价，有时就连提出单一因素的精确数据也是很困难的。例如断层带对奥灰水压阻抗能力的评价就是一个很大的难题。断层带是一个很大的破裂面，除断层带内的物质本身破碎松软外，其兩侧岩石也遭到严重的破坏，物理力学指标显著降低，加之破裂面各处质地又不均一，以点代面误差很大，很难做出准确评价。其它像陷落柱松软的阻抗隔水岩层等都存在同样的问题。
基于以上原因，井下试验数据才是评价奥灰突水条件的可靠依据，但井下试验、观测工作应在对物探和钻探综合勘察已经查明，或基本查明与突水有关的主要静态因素之后进行。经综合勘察后，仍难查明突水条件或难以采取有把握的治水措施的具有严重突水威胁的块段，应采取暂时放弃开采，或采取封闭隔离的办法以使其与生产区分开，留做矿井后期试采，避免在生产的高峰时期让矿井经常处于奥灰突水威胁之下，或仅因着眼于局部水害的治理而投入大量的费用。
燕山南麓的石炭-二叠纪含煤地层位于向斜盆地之中，地层完整连续，煤系含水层和奥灰岩溶含水层在浅部与新生界底部卵砾石含水层直接接触。奥灰岩溶较为发育，岩溶水量在局部可能以集中管道流的形式赋存，但一般规律却以岩溶裂隙水的形式赋存，并在宏观上呈较均匀的分布，在这种条件下，试图寻找集中的进水口，采用帷幕注浆的方法来达到截流治水的目的，在治水费用和治水效果上看都很可能事倍功半，或者完全失败。针对现实情况，在奥灰突水严重的矿井除可采用上面提到的暂时局部隔离的办法外，还应在水压大且岩层完整的地段考虑采用局部疏水降压、采后分区隔离步步为营的方法进行开采。
三、奥灰水的防治对策
奥灰水一直是威胁华北型煤田安全开采的承压含水层，其具有水压大、水量丰富、危害大等特点，一旦揭露危害巨大，因此，奥灰含水层一直是矿井生产防治的重要含水层，结合唐山矿实际提出如下奥灰水的防治对策。
1. 加强基础地质与水文地质补充性探查。井上探查手段以物探为主，钻探为辅；井下探测手段物探先行，钻探验证；井上下探测、监测与水文地质试验紧密结合。查明地质构造，隔水岩柱的岩性、结构、厚度及所承受的最大水柱压力和煤层本身的具体条件。
2. 建立完善的水害监测系统，实时监测采动过程中煤层底板应力、应变、水压、水温参数的变化，对可能发生突水的危险区的突水提前进行预报，及时采取补措施，实现安全开采。
3. 开采煤层前应加大采区内的隐伏断层、陷落柱等构造赋存情况勘查，开采中做好底板监测、水位观测、水化学特征分析等，分析含水层水与奥灰水的联系以及导通关系，以防发生奥灰构造突发水害。在构造部位应合理留设防水煤柱。
4.治水工程要符合疏放和堵水相结合的原则。地层倒转区奥灰水防治以留设煤柱、合理受控疏放为主，将小型奥灰水突水点作为疏放点，局部封堵加固为辅；对底板奥灰水则采取疏水降压与堵水加固相结合策略；巷道掘进或工作面回采过程中，发现裂隙、小断层等构造或突水征兆时，须停止掘进或回采，经探水确定无突水危险后，方能生产。
5.认真落实有关方针和措施。矿井在开采过程中，贯彻落实“预测预报、有掘必探、先探后掘、先探后采”的方针，采取“防、堵、疏、排、截”综合治理措施，逐步提高矿井防治水水平。
6.提高排水能力。保证矿井在发生大型突水后，能够及时将水排出地面，不至于淹井或淹采区。奥灰下采煤的工作面，应备有必要的泄水巷道和事先规定好安全避灾路线。
7.在采煤方法上，急倾斜煤层必须坚持小阶段间歇开采，严格控制出煤量，严防抽冒；倾斜特厚煤层必须坚持分层间歇开采。
四、结束语
本文只是在结合唐山矿实际我们要认真分析可能发生突水的部位和条件，并对突水条件加以分析，并制定相应的防治对策，确保矿井安全生产。
关键词：奥灰；突水；浅析
唐山矿是始建于1878年，年产400万t的大型矿井。在矿井开采产后发生了几起较大的突水事故，经过科技人员的共同努力，探索出了防治奥灰水害综合治理方法，并收到了显著成效。
一、矿井地质、水文地质条件简述
唐山矿位于开平煤田西北翼的西南端，地层走向为NE—SW。井田内主要构造绝大部分平行于地层走向，构造极为复杂，由北向南依次排列着FⅠ、FⅡ、FⅢ、FⅣ、FⅤ号等主断层，其断层走向与地层走向基本平行，其中南部边界断层FⅤ号规模最大。褶皱构造发育，除东部发育的FⅢ号断层以南的主向、背斜外，向西部还发育有岭子倾伏背斜等一系列褶曲构造。这些主断层和主要褶曲构造直接影响着唐山井田内的区域划分，使井田很自然地形成了若干个构造块。
由于受地质构造的影响，在FⅠ断层以北区域，煤系基底奥陶系灰岩逆掩于可采煤层之上，造成奥灰岩下压煤的特殊水文地质条件。奥陶系灰岩在上述区域直接与第四纪冲积层接触，二者水力联系密切，地下水相互交替，共同成为含煤地层各含水层的补给水源。同时奥陶系灰岩在井田北部、东部山区有露头裸露于地表，接受大气降水的补给，转而通过冲积层补给含煤地层。在井口西南部，在岳胥区境内，含煤地层有露头与第四纪冲积层接触，长期接受其地下水的补给，沿层间与构造裂隙流动，转入矿井的排泄区。在含煤地层中，常在脆性砂岩内形成裂隙含水层，在矿井采掘工程中，揭露涌水后，多年不见衰减，给生产施工造成很大困难。
二、唐山矿奥灰水水害分析
（一）奥灰突水发生的部位和发生条件
1. 正常层位区
奥灰岩溶含水层正常位于开采煤层以下，在一定水压下，它至开采层间的阻（隔）水岩层越厚采煤越安全。突水事故所以发生，就是由于事故点处的隔水层厚度低于安全值的关系所致，一般有三种情况。
1.1 断层部位
由于断裂的影响，总是有一侧缩短了煤层与奥灰水体的距离，同时由于邻近断层部位的节理、裂隙发育和断层破碎带的存在，都使岩石的阻抗能力大大降低。所以，断层（特别是断层的交叉）部位最易发生突水事故。
1.2 陷落柱部位
奥灰古岩溶的存在及其塌落拱的不断发展，含煤地层中常存有由各种破碎岩石充填着的陷落柱，它抗压强度低，有时其本身就是一个导水体，当采矿活动直接遇到它时，常发生突水事故。
1.3 地层正常延续、岩石亦较完整的部位
随着采矿深度的逐步延深，隔水层所承受的奥灰水压力越来越大，一旦这种承受能力低于安全值时，必然发生突水事故。
2 地层倒转区
地层倒转区或由于逆掩断层而使奥陶石灰岩覆盖在煤系地层之上。断裂构造发育部位，缩短了煤层与奥灰水体的距离，断裂构造伴生的节理、裂隙发育及断层破碎带的存在，都使岩石的阻抗能力大大降低，容易发生突水。
（二）突水条件分析
1.充水水源
唐山井田内具有充水意义的含水层主要为煤系基底-奥陶系灰岩含水层。一般厚度在800 m。据井田抽水实验资料：q=0.0092-16.20 L/s·m，k=0.018 -22.638 m/d。本含水层富水性，地下水位略高于冲积层底部砾卵石层的水位，其水位随季节性变化较为明显，每年3～4月份干旱少雨季节，水位下降，雨季复又上升，且在不同区域各钻孔水位皆同步变化，说明层间联系极好。从唐山矿井下施工的奥灰钻孔资料可看出，个别钻孔涌水量较大，大多涌水量较少或无水。根据奥灰顶界面等高线图，本层与最下一个可采煤层（14煤层）间距大部分地区为100～140 m，局部变薄带为60～100 m。
2. 充水途径
突水主要危险性取决于防水隔水层岩柱厚度（地层倒转区指奥灰与所采煤层之间的法线厚度）的阻水能力。
2.1 断裂构造影响
断裂构造对隔水层的影响主要体现在两个方面：一方面由于断裂错动缩小了煤层与奥陶系下统灰岩含水层之间的距离，使保护层有效厚度变小；另一方面，断裂构造的错动降低了隔水岩层的强度，使隔水岩层承受的水压降低。
2.2 隔水层厚度影响
隔水层厚度是控制突水的主要因素之一，隔水层越厚采煤越安全。一旦隔水层厚度低于安全值时就有可能发生突水事故。
根据历次突水情况分析，奥灰突水事故的发生是由多种因素作用的结果， 这种多因素的叠加及其程度，条件不但难以准确评价，有时就连提出单一因素的精确数据也是很困难的。例如断层带对奥灰水压阻抗能力的评价就是一个很大的难题。断层带是一个很大的破裂面，除断层带内的物质本身破碎松软外，其兩侧岩石也遭到严重的破坏，物理力学指标显著降低，加之破裂面各处质地又不均一，以点代面误差很大，很难做出准确评价。其它像陷落柱松软的阻抗隔水岩层等都存在同样的问题。
基于以上原因，井下试验数据才是评价奥灰突水条件的可靠依据，但井下试验、观测工作应在对物探和钻探综合勘察已经查明，或基本查明与突水有关的主要静态因素之后进行。经综合勘察后，仍难查明突水条件或难以采取有把握的治水措施的具有严重突水威胁的块段，应采取暂时放弃开采，或采取封闭隔离的办法以使其与生产区分开，留做矿井后期试采，避免在生产的高峰时期让矿井经常处于奥灰突水威胁之下，或仅因着眼于局部水害的治理而投入大量的费用。
燕山南麓的石炭-二叠纪含煤地层位于向斜盆地之中，地层完整连续，煤系含水层和奥灰岩溶含水层在浅部与新生界底部卵砾石含水层直接接触。奥灰岩溶较为发育，岩溶水量在局部可能以集中管道流的形式赋存，但一般规律却以岩溶裂隙水的形式赋存，并在宏观上呈较均匀的分布，在这种条件下，试图寻找集中的进水口，采用帷幕注浆的方法来达到截流治水的目的，在治水费用和治水效果上看都很可能事倍功半，或者完全失败。针对现实情况，在奥灰突水严重的矿井除可采用上面提到的暂时局部隔离的办法外，还应在水压大且岩层完整的地段考虑采用局部疏水降压、采后分区隔离步步为营的方法进行开采。
三、奥灰水的防治对策
奥灰水一直是威胁华北型煤田安全开采的承压含水层，其具有水压大、水量丰富、危害大等特点，一旦揭露危害巨大，因此，奥灰含水层一直是矿井生产防治的重要含水层，结合唐山矿实际提出如下奥灰水的防治对策。
1. 加强基础地质与水文地质补充性探查。井上探查手段以物探为主，钻探为辅；井下探测手段物探先行，钻探验证；井上下探测、监测与水文地质试验紧密结合。查明地质构造，隔水岩柱的岩性、结构、厚度及所承受的最大水柱压力和煤层本身的具体条件。
2. 建立完善的水害监测系统，实时监测采动过程中煤层底板应力、应变、水压、水温参数的变化，对可能发生突水的危险区的突水提前进行预报，及时采取补措施，实现安全开采。
3. 开采煤层前应加大采区内的隐伏断层、陷落柱等构造赋存情况勘查，开采中做好底板监测、水位观测、水化学特征分析等，分析含水层水与奥灰水的联系以及导通关系，以防发生奥灰构造突发水害。在构造部位应合理留设防水煤柱。
4.治水工程要符合疏放和堵水相结合的原则。地层倒转区奥灰水防治以留设煤柱、合理受控疏放为主，将小型奥灰水突水点作为疏放点，局部封堵加固为辅；对底板奥灰水则采取疏水降压与堵水加固相结合策略；巷道掘进或工作面回采过程中，发现裂隙、小断层等构造或突水征兆时，须停止掘进或回采，经探水确定无突水危险后，方能生产。
5.认真落实有关方针和措施。矿井在开采过程中，贯彻落实“预测预报、有掘必探、先探后掘、先探后采”的方针，采取“防、堵、疏、排、截”综合治理措施，逐步提高矿井防治水水平。
6.提高排水能力。保证矿井在发生大型突水后，能够及时将水排出地面，不至于淹井或淹采区。奥灰下采煤的工作面，应备有必要的泄水巷道和事先规定好安全避灾路线。
7.在采煤方法上，急倾斜煤层必须坚持小阶段间歇开采，严格控制出煤量，严防抽冒；倾斜特厚煤层必须坚持分层间歇开采。
四、结束语
本文只是在结合唐山矿实际我们要认真分析可能发生突水的部位和条件，并对突水条件加以分析，并制定相应的防治对策，确保矿井安全生产。