第 44 卷 第 3 期 煤 田 地 质 与 勘 探 Vol. 44 No.3 2016 年 6 月 COAL GEOLOGY & EXPLORATION Jun. 2016 文 章 编 号 : 1001-1986(2016)03-0057-08 铜 川 玉 华 煤 矿 顶 板 离 层 水 突 水 机 理 与 防 治 方 刚 1,2,3, 靳 德 武 (1. 中 煤 科 工 集 团 西 安 研 究 院 有 限 公 司, 陕 西 西 安 710077; 2. 陕 西 省 煤 矿 水 害 防 治 技 术 重 点 实 验 室, 陕 西 西 安 710077; 3. 西 安 科 技 大 学 地 质 与 环 境 学 院, 陕 西 西 安 710054) : 陕 西 铜 川 玉 华 煤 矿 一 盘 区 1418 工 作 面, 回 采 期 间 发 生 多 次 突 水 事 故, 对 煤 矿 的 正 常 生 产 和 人 员 的 生 命 安 全 构 成 严 重 威 胁 从 本 井 田 地 质 和 水 文 地 质 资 料 入 手, 分 析 了 工 作 面 突 水 的 背 景 水 源 通 道 等, 得 出 洛 河 组 下 段 砂 岩 裂 隙 含 水 层 水 为 离 层 空 间 充 水 的 主 要 水 源, 煤 层 采 动 后 形 成 的 导 水 裂 隙 带 为 主 要 的 导 水 通 道 通 过 理 论 分 析 和 模 拟 研 究 覆 岩 移 动 破 坏 规 律, 分 析 确 定 导 水 裂 隙 带 发 育 过 程 和 离 层 空 间 可 能 发 育 的 位 置, 离 层 水 形 成 发 展 及 突 水 过 程, 从 而 总 结 出 玉 华 井 田 1418 工 作 面 顶 板 离 层 水 突 水 机 理, 为 矿 井 后 期 实 现 安 全 高 效 生 产 提 出 切 实 有 效 的 防 治 水 措 施 打 好 基 础 : 玉 华 煤 矿 ; 顶 板 离 层 水 ; 突 水 机 理 ; 防 治 措 施 :P641.3 :A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.03.011 Research on the roof stratifugic water inrush mechanism and control in Tongchuan Yuhua coal mine 1,2 FANG Gang 1,2,3,JIN Dewu 1,2 (1. Xi an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xi an 710077, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention Technology of Water Hazard in Coal Mines, Xi an 710077, China; 3. College of Geology and Environment, Xi an University of Science & Technology, Xi an 710054, China) Abstract: Several water inrush accidents have occurred in the working face1418 of the first panel of Yuhua coal mine in Tongchuan City, Shaanxi Province during mining, threatening seriously the normal production and miners life. The paper, from the geological and hydrogeological data of the coal mine, analyzed the background, source of water and passage of water inrush in the working face, concluded that the water in sandstone fracture aquifer in the lower member of Luohe Formation is the major water source for filling the stratifugic layer, the fractured zone formed after coal seam mining is the main water channel. Through theoretic analysis and simulation research of movement and failure law of the overlying strata, the development process of water-flowing fractured zone and the location of the possible development of stratifugic layer, the formation, the process and water inrush process were analyzed and determined. Thus the water inrush mechanism of the stratifugic water in the roof of working face 1418 in Yuhua coal mine was summarized, providing a good foundation for proposing practical and effective water control measures for realization of safe and highly efficient production in the later stage of the mine. Key words: Yuhua coal mine; roof stratifugic water; water inrush mechanism; control measures 1990 [1] 1418 [2] 收 稿 日 期 : 2015-10-30 作 者 简 介 : (1988 ). E-mail fanggang@cctegxian.com 引 用 格 式 :. [J]. 2016 44(3) 57 64. FANG Gang, JIN Dewu. Research on the roof stratifugic water inrush mechanism and control in Tongchuan Yuhua coal mine[j]. Coal Geology & Exploration 2016, 44(3) 57 64.
58 煤 田 地 质 与 勘 探 第 44 卷 1 工 作 面 突 水 概 况 1418 1 997.8 m 180 m +944.2~+895.2 m 359 604 m 2 3 ~8 4 2 12 m 3 m 7 m 2 m 2012 3 2013 5 1418 ( 1 1) 表 1 玉 华 煤 矿 1418 工 作 面 突 水 情 况 一 览 表 Table 1 Water inrush cases in working face 1418 in Yuhua coal mine /m /d /m /(m 3 h -1 ) /(m 3 h -1 ) /d /m 3 1 725 2012-03-31 600 35~45 3 5 000 2 883 2012-05-26 56 158 590 30 3 5 500 3 1 437 2012-12-04 192 554 249 50 2 750 4 1 643 2013-02-21 79 206 12 000 5 1 798 2013-04-18 56 102 400 10 1 1 000 6 1 900 2013-05-26 38 53 200 30 1 600 1 1418 Fig.1 Location of water inrush points in working face 1418 2 覆 岩 移 动 变 形 [3] ( 2) 6 8 9 15 16 19 8 15 1418 [3-4] ( 2 6) [5] 9 16 19 6 1418 4 2 1 051.25 m 257.26 m ( 26) ( ) ( ) 149.75 m
第3期 表2 Table 2 层 序 59 方刚等: 铜川玉华煤矿顶板离层水突水机理与防治 岩 性 工作面关键层和软岩层下部自由空间高度 Free space height of the key layer and the lower of soft rock of working face 岩层厚度/m 关键层/软岩层位置 残余(压实)后碎胀系数 自由空间高度/m 无 无 无 1 黄土 12.0 软岩层 2 粉砂岩 105.0 3 粗砾岩 44.0 4 50.0 5 粗砾岩 20.5 6 173.5 7 粗砾岩 20.0 8 泥岩 15.0 软岩层 主关键层 无 0.53 1.13 1.86 1.02 2.64 9 62.5 3.22 10 粉砂岩 6.4 4.03 11 1.4 4.91 12 泥质砂岩 3.5 5.46 13 粗粒砂岩 5.0 6.28 14 2-2煤层 0.2 1.02 6.65 15 砂质泥岩 1.5 软岩层 7.23 16 9.0 7.97 1.02 8.41 8.97 9.38 1.025 9.87-2 17 3 煤层 18 粉砂岩 7.0 19 粗砾岩 45.0 20 砂质泥岩 2.0 21 4-2煤层 12.0 1.0 图2 Fig.2 图3 Fig.3 FLAC3D 模型构建图 FLAC3D model building 最大主应力分布图 Distribution of the maximum main stress
60 第 44 卷 煤田地质与勘探 图4 Fig.5 塑性区分布图 Fig.4 Distribution of the plastic zone 图5 UDEC 模型岩移变形破坏图 Deformation and failure of rock in UDEC model 能要比一般经验高度值偏大 由于矿方未进行现场 完全同步一致 特别是在软硬岩层之间 出现了上覆 实测 只能依据临近条件类似矿井进行比较 其中 各岩层在垂直方向的位移差 形成离层空间[9-10] 同处本区的铜川照金煤矿 [6] 也发生过类似的顶板离 从图 7(对于层厚较薄 岩性接近的地层进行合 层突水事故 经计算 其导水裂隙带发育高度至少 并概化处理)可以看出 煤层埋深约 600 m 左右 上 在 192.5 m(裂采比约 24)以上 覆岩层主要以砂砾岩为主 结构复杂 上覆的直罗 3 离层水突水机理分析 组内为一层厚约 62.5 m 的 其上部为一层 厚约 15 m 的泥岩(软岩) 其上为宜君组粗砾岩 厚 1418 工作面顶板离层水突水机理分析主要从 度约 20 m 宜君组之上为洛河组巨厚砂砾岩互层 两方面入手 离层水形成的机理研究 离层水突水 总厚度近 300 m 洛河组上部为厚约 105 m 的华池 的过程研究 [6-8] 3.1 离层水形成机理 3.1.1 离层的形成与发展 离层的形成主要是在下伏煤层回采后 上覆基 岩发生移动变形 由于覆岩的岩性 厚度 距离采 空区位置等条件不同 导致各岩层的运动形态并不是 环河组粉砂岩 其上为第四系黄土 10 余 m 根据模拟实验结果 当煤层回采至约 40~60 m 处 基本顶初次来压 直接顶垮落 上覆岩层弯曲 变形 继续进行回采 导水裂隙带同时向上发展 随着采动面积不断扩大 上覆岩层随着采动产生的 裂隙移动 岩层弯曲下沉 直罗组泥岩的下沉量较
第3期 方刚等: 铜川玉华煤矿顶板离层水突水机理与防治 图6 Fig.6 61 物理相似材料模拟覆岩变形特征图 Deformation characteristics of physical similar material simulation of the overlying strata 大 而宜君组粗砾岩和洛河组下段砂砾岩互层(6 号 气降水对矿井开采影响甚微 相邻的 1420 工作面内 主关键层附近)岩性较为坚硬 产生的弯曲变形量甚 老空水对研究区的煤层开采影响不大 且 1418 工作 小 与其下部的泥岩变形量不一致 从而产生了离 面位于井田内部 开采基本不受井田周边老窑的影 层 该处泥岩具有一定厚度 且泥岩本身的塑性 响 含水层之间一般没有水力联系 只有在采矿形 遇水膨胀后 不会随着导水裂隙带的导通而完全破 成的冒裂带贯通时才可能形成含水层之间的联系 碎 为离层空间储水提供条件 随着工作面的继续 因此 煤层上覆含水层水为 1418 工作面突水的主要 推进 离层空间也向着工作面推进的方向前进发展 充水水源 3.1.2 煤层上覆的含水层共有 5 层(图 7) 其中 除顶 离层水的形成与发展 a. 充水水源及通道 1418 工作面内地层较为平缓 无岩浆活动 较 部接近地表的第四系含泥质砂卵石潜水含水层为强 大的断裂和褶皱均不发育 地表无较大的河流 大 强含水层的厚度相对较薄且分布不均 与煤层间距 富水性以外 其他含水层富水性均为弱 极弱 该
62 煤 田 地 质 与 勘 探 第 44 卷 Fig.7 7 Comprehensive columnar diagram of the working face strata 600 m ( 174 m) b. 含 水 层 水 进 入 离 层 空 间 3.2 20~30 m ( ) (19 ) 16 9 3.3 突 水 机 理
第 3 期 方 刚 等 : 铜 川 玉 华 煤 矿 顶 板 离 层 水 突 水 机 理 与 防 治 63 ( 8a) ( 8b) ( 8c) ( 8d ) 8d [10-11] Fig.8 8 Schematic of water inrush mechanism of stratifugic water 4 防 治 水 技 术 措 施 1418 1418 1418 a. 顶 板 充 水 含 水 层 采 前 预 疏 放 与 含 水 层 超 前 截 流 b. 回 采 过 程 中 离 层 水 探 放 c. 增 加 工 作 面 临 排 及 矿 井 排 水 能 力 等 1418
64 煤 田 地 质 与 勘 探 第 44 卷 [6,11-12] 5 结 论 a. 1418 b. 1418 c. d. 1418 参 考 文 献 [1]. [J]. 2013 39(1) 110 115. JIA Min TIAN Tao. Research on control techniques and mechanism of water inrush from bed separation of overlying strata in No.2 Jining coal mine[j]. China Coal 2013 39(1) 110 115. [2]. 1418 [R]. 2012. [3]. [M]. 2003. [4]. [S]. 2009. [5]. [J]. 2010 32(2) 231 236. WANG Jingming YU Daohui. Simulation of water hazards caused by burst of water cells formed by overburden stratum separation[j]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering 2010 32(2) 231 236. [6]. [J]. 2014 45(8) 196 198. LING Zhiqiang DENG Jun FENG Wulin et al. Cause analysis for roof water inrush accident at fully mechanized caving face in Zhaojin coal mine[j]. Safety in Coal Mines 2014 45(8) 196 198. [7]. [J]. 2014 42(6) 64 67. XU Haihong QIAO Jiao WANG Zheng. The influence of underground coal mining on groundwater and measures for water conservation while mining in Xiaozhuang mine[j]. Coal Geology & Exploration 2014 42(6) 64 67. [8]. [J]. 2015 43(4) 59 62. ZHANG Yan. Mechanism of water inrush in roof in Laogongyingzi mine[j]. Coal Geology & Exploration 2015 43(4) 59 62. [9]. [J]. 2014 45(7) 59 61. WANG Qiqing LI Wenping LI Xiaoqin et al. Water inrush law in bed separation due to coal mining under hard rock and its control[j]. Safety in Coal Mines 2014 45(7) 59 61. [10]. [D]. 2014. [11]. [J]. 2007 35(5) 34 37. DONG Shuning HU Weiyue. Basic characteristics and main controlling factors of coal mine water hazard in China[J]. Coal Geology & Exploration 2007 35(5) 34 37. [12]. [J]. 2013 41(1) 25 29. JIN Dewu LIU Yingfeng LIU Zaibin et al. New progress of study on major water inrush disaster prevention and control technology in coal mine[j]. Coal Science and Technology 2013 41(1) 25 29. ( 责 任 编 辑 张 宏 )