带压开采条件下矿井岩溶水突水研究

摘要

矿井突水一直是制约我国煤炭行业发展的主要因素之一，随着我国煤炭工业的发展，煤矿开采面临的水文地质问题也越来越严重。尤其是我国北方东、中部煤矿区，随着上、中组煤层资源开采的衰竭，开采储量丰富的下组煤层却面临着底板岩溶承压水的威胁，这在相当程度上制约了煤炭生产和矿区经济的可持续发展。因此研究煤层底板岩溶含水层的水文地质条件和突水条件，采取有效的方法进行煤层底板突水预测预报，为受岩溶水威胁煤层的开采提供可靠的水文地质依据，具有极其重要的意义。
　　 本文以太原西峪煤矿二水平(即为先前开采水平沿煤层倾向向深部延伸的水平)9号煤层带压开采为例对矿井岩溶水突水进行了研究，二水平开采标高+650m，开采最低标高+430m，而奥陶系岩溶水的承压水头标高为+803m，最大承压水头为4.3Mpa。论文首先收集研究了该矿的勘察及抽水试验资料，详细了解研究区的地质及水文地质条件。其次，运用水化学热力学、水化学动力学与地质、水文地质学相结合的方法，定量研究了作为西峪煤矿二水平底板主要的充水含水源的奥陶系岩溶含水层的水文地质条件。然后研究了煤层底板岩溶水突水的条件，即断裂构造、陷落柱对矿井突水的影响、9号煤层底板隔水层的抗阻水性能、采动条件下9号煤层底板的破坏深度等。最后在以上研究的基础上，对岩溶水突水进行了预测，在假设岩溶水突出时，预测了矿井岩溶水突水量。主要研究结论如下：
　　 1. 根据研究区岩溶水离子活度及矿物饱和指数的计算结果，将研究区奥陶系岩溶水分为矿物全溶区(βc≤1)；方解石饱和，其它矿物全溶区(βc＞1、βd≤1)；方解石、白云石饱和，其它矿物全溶区(βc＞1、βd＞1、βg≤1)。
　　 2. 运用地下水化学动力学的方法计算了研究区8个剖面92个点岩溶水渗透系数、导水系数、渗透流速及循环年龄，并据此将研究区按渗透系数的大小分为：渗透性极强区、渗透性强区、渗透性较强区、渗透性中等区、渗透性较弱区及渗透性极弱区；按导水系数的大小分为：导水性极强区、导水性强区、导水性较强区、导水性中等区、导水性较弱区及导水性极弱区；按实际流度和循环年龄分为：循环交替极快区、循环交替快区、循环交替较快区、循环交替中等区、循环交替较慢区及循环交替极慢区。
　　 3.分析了二水平断裂构造及陷落柱对岩溶水突水的影响；计算了9号煤层隔水底板的等效隔水厚度和有效隔水厚度，等效隔水厚度25.33m～45.46m,平均35.62m，有效隔水厚度22.76m～62.42m，平均39.52m；计算了采动条件下9号煤层底板的破坏深度，采深300m，正常地带破坏深度17.38m，断层密集带破碎深度17.74m；采深400m，正常地带破坏深度18.29m，断层密集带破碎深度18.65m；采深500m，正常地带破坏深度19.20m，断层密集带破碎深度19.56m。
　　 4.根据突水系数、断裂构造和富水性分区指标，对9号煤层开采岩溶水突水进行预测，并将开采区分为安全区、相对安全区和危险区。
　　 5.在假设发生突水的前提下，预测了矿井岩溶水突出时的涌水量，在岩溶水水位瞬时降深50m时的突水量为9831.64m3/d。