深部矿井大型边界断层导水性试验研究_张胜军.docx

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1、 ISSN 1005-2763 CN 43-1215/TD 矿业研宄与开发第 37卷第 10期 MINING R 2.安徽大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230601) 摘要：以城郊煤 tF2。断层为例，通过放水试验过程中太灰 含水层连通性和补给来源分析，结合太灰含水层水化学特征 及其时空变化规律，研宄了深部矿井大型边界断层的导水 性。研宄结果表明，城郊煤矿 FM断层附近太灰含水层导水 性良好，且能够得到有效且快速的补给，补给来源为奥灰含 水层，补给通道为 F2。断层。太灰水在空间上表现为随着与 卩 2。断 层距离的减小，矿化度和 Na+K+含量均降低， Ca2+ 含量增加；在时间上表现为随

2、着涌水时间的延长，水样矿化 度和 Na+IC含量降低，而 Ca2+Mg2+含量增加；水化学 时空变化特征也表明奧灰水通过 F2。断层补给太 灰水。 关键词：大型断层；导水性；放水试验；水化学时空变化 中图分类号： TD743 文献标识码： A 文章编号 ： l 5 2763(2017)10 0114 04 断裂构造是导致煤矿突水的主要因素，其中以 断层构造为甚。在我国已经发生的 3000多次矿井 突水事故中 .80%的突水事故与断层有关 1。断层 的导水性对矿井生产有着直接和重要的影响 .因此 对断层导水性的研宄很多，已发展了多种方法。判 断断层导水性的方法主要有地质条件综合分析 2_3、 抽

3、放水试验 4_5、超前探放水 6、井下瞬变电磁 7、地 下水示踪试验 8等。王连元研宄表明 W，通过天然 电磁场的观测分析，可以准确的分析地下导水构造 及其地下水径流方式。林统等 1结合现场示踪试 验和综合水文地质条件分析确定土石坝下伏基岩交 错断层的导水性。宋海涛等 11利用新构造优势面 理论分析断层导水性，取得了理想的效果。牛建 立 |12提出了既考虑断层侧向导水性，又考虑了其垂 向导水性的 “ 切割一导通法 ” 用于分析处理断层导水 性。本文以城郊煤矿南翼 安徽省教育厅重点项目 （ KJ2014A018);安徽省国土资源科技 项目 （ 2013-K-07). 作者简介：张胜军（ 1985

4、-)，男，安徽砀山人，工程师，从事矿山地质与安全技术管理工作 .EmaiU, 12 矿 业 研 宄 与 开 发 2017,37(10) 图 3放水试验 g f及 p f动 态 曲 线 放水试验期间，二水平南翼轨道大巷及其北部 21105工作面下巷太灰水压观测结果表明，该区域 水压降低较小，且滞后时间较长。所以，二水平南翼 轨道大巷及其以北区域与南部区域太灰含水层之间 的连通性较差，导水性不良。 放水试验期间 .各观测孔水压降低虽然较大，但 在短时间内能够达到水压稳定，且与放水量变化趋 势相对应，说明放水区域太灰含水层能够得到有效 且快速的补给。前期地质勘探表明，太灰岩溶裂隙 发育不均一，裂隙多

5、为 40 70. 随深度增加而减 弱，且多被方解石脉充填或半充填，太灰含水层富水 性中等且不均匀，受区域地质构造的控制，地下水水 平运移较滞缓，补给不足，交替性不佳。二水平南翼 21105对 拉工作面（位置如图 2)底板太灰含水层注 菜孔施工过程中，钻孔水压在 3.0 4.0 MPa之间， 出水量较小且很快衰减至无水 .多数孔甚至无水。 因此，放水期间 21304工作面南部太灰含水层 的快速补给不是来自含水层内部的侧向径流补给， 而是通过 F2。断层来自下部奥灰含水层的补给。 3 水化学证据 3.1灰岩水化学特征 对 21304工作面底板注浆改造孔涌水进行采样 测试，取样层位均为太灰含水层，共

6、计 40个水样。 绘制水质分析结果的 Piper三线图，如图 4所示，图 中同时 绘出了 C4奥灰长观孔水样数据。图 4中 “A”代表距 F2。断层较远的 5 1*、 14 3*、 15 4* 等孔水样， “ ” 代表距 F2。断层较近的 6 6#、 19一 6*.、 19一 12*等孔水样。 由图 4可见，太灰含水层水样与奥灰水主要阴 离子差异不大，而阳离子差异较明显，表现为由太灰 图 2放水 试 验 孔 及 观 测 孔 布 置 工作面利用底板注浆改造孔进行了群孔放水试验， 放水孔共 5个，观测孔 6个，终孔层位均为太原组 L8灰岩，试验孔布置如图 2所示，放水试验分 3个阶 段。第一落程（

7、 I)放水试验持续 4 d， 稳定后的放水 量 69m3/h。 第二落程 （ n)持续 l d， 稳定后的总 放水量达到 130 m3/h。 第三落程 （ DI)持续时间达 8 d， 稳定后的总放水量达到 220 m3/h。 放水试验结 果如图 3所不。 放水期间距离放水孔群约 180 m的 5 1#最大 水压降达 4.5 MPa， 距放水孔群约 500 m的 15 3# 最大水位降达 3.9 MPa。 从观测孔水压时间动态曲 线与放水量时间动态曲线的对应关系看，观测孔水 位变化基本同步，且与放水量时间动态曲线对应良 好。从放水试验期间各观测孔水压降低幅度及过程 看，二水平南翼轨道大巷以南区域

8、太灰上段导水性 良好。 张胜军，等 .深部矿井大型边界断层导水性试验研宄 J.矿业研宄与开发， 2017,37(10). 13 见，在近 2周时间内，该点出水水样矿化度有逐渐降 低的趋势，由 3800 mg/L逐渐降低至 3600 mg/L左 右并稳定。同时 ， Na+K+含量也有降低趋势 , Ca2+Mg2+含量有增加趋势， Na+K+和 Ca2+ + Mg2+变化趋势相反且步调一致。 7 5#孔水化学 随时间变化也表明，奥灰水通过 F2。断层进入太灰 含水层，与太灰水发生了混合，随着涌水时间的延长 混合程度越高。 图 8 7 5 # 孔 水 样 Na+ +K+、 Ca2+ +Mg2+随时间

9、变化 4 结论 (1) 城郊煤矿二水平南翼靠近 F2。区域太灰含 水层导水性良好，且能够得到有效且快速的补给，补 给来源为奥灰含水层，补给通道为 F2。断层。 (2) 城郊煤矿二水平南翼太灰含水层水化学表 现出时空变化特征。空间上随着距 &。断层距离的 减小、时间上随着涌水时间的延长，太灰水矿化度和 Na+ +K+含量均降低， Ca2+ +Mg2+含量增加。 (3) 综合太灰含水层补给来源分析及水化学时 空变化特征， F2。断层在该段为导水断层。 参考文献： =1 武 强 ， 朱 斌 .李建民，等 .断裂带煤矿井巷滞后突水机理 数值模拟 J.中国矿业大学学报， 2008,37(6) :7807

10、85. 2 朱传峰 .童亭煤矿 Fw断层导水性能的研究 门 .煤炭技术 . 2003,22(9)： 106-108. 3 胡宝林，宋晓梅，车遥 .等 .刘桥矿区多期构造夏合断层导 水性分析 J.煤炭科学技术， 2002,8:50-53. 图 7 7 5 # 孔 水 样 矿 化 度 随 时 间 变 化 含水层水样到奥灰水 Na+K+含量降低， Ca2+ + Mg2+含量逐渐增加，距 F2。断层距离越小，表现越明 显。在菱形区域内，从阳离子含量方面看，距 F2。断 层较远的太灰含水层水样分布在 2区，碱土金属离 子小于碱金属离子（即 Ca2+、 Mg2+含量小于 Na+、 K+)， 而奧灰水及距

11、F20断层较近的太灰含水层水 样均是碱金属离子小于碱土金属离子（即 Na+、 K+ 含量小于 Ca2+、 Mg=+)。 3.2灰岩水化学时空变化 二水平南翼 21304工作面底板注菜改造孔涌水 水样矿化度 (M)、阳离子 （ Na+ +K+、 Ca2+ )与距 F2。 断层距离之间关系如图 5、图 6所示。由图可见，随 着与 F2。断层距离的减小，灰岩水矿化度有减小的 趋势，阳离子中 Na+K+含量降低明显，而 Ca2+含 量增加也明显。 距 Fw断层的距离 /m 图 5 矿 化 度 M与距 FM 断 层 距 离 之 间 关 系 图 6 Na+K+、 Ca2+与距 FM 断 层 距 离 关 系

12、 结合前述 Piper三线图分析结果，分析认为由 于受 F2。断层的切割，随着距断层距离的减小， 21304工作面底板太灰水受奥灰水的影响越来越 大，水化学特征逐渐向奥灰水偏移，也即奥灰水通过 F2。断层进入太灰含水层，与太灰水发生了混合，距 离断层越近混合程度越高。 7 5 # 孔 174 m出 水 水 样 矿 化 度 、 阳 离 子 (Na+ +K+、 Ca2+ +Mg2+ )在 2015 年 4 月 29 日 5 月12日 期 间 变 化 趋 势 如 图 7、图 8 所 示 。 由 图 7可 14 矿 业 研 宄 与 开 发 2017,37(10) 2 王强，曹代勇 .皖北刘桥一矿边界断

13、层富导水性及其成因 机制 J.煤炭工程， 2009,2:72-74. 3 边凯，许进鹏，桂辉 .埠村煤矿岩浆岩侵入断层导水性研 宄J.矿业安全与环保， 2010,37(6) :44-46. 4 邵东梅 .带压开采矿井导水断层探查与治理技术 J.煤矿安 全， 2015,46(6):133-135. 5 路拓，刘盛东，王勃 .综合矿井物探技术在含水断层探测 中的应用 J.地球物理学进展， 2015,30(3): 1371-1375. 6 王广才，段琦，卜昌森，等 .水文地球化学方法在煤矿水害 研宄中的某些应用 J.地质评论， 2001， 47(6):653-657. 7 王连元 .断层裂隙水的天然

14、电场动态响应特征 J.煤田地质 与勘探， 2012,40(1) :76-78. 8 林统，陈建生，陈亮 .土石坝下伏基岩交错断层导水示 踪研宄 J.岩石力学与工程学报， 2009,28(S2):3465-3452. 9 宋海涛，刘仁武 .优势理论在分析韩 1号断层导水性中的应 用 J.中国矿业大学学报， 1999,28(4) :401-403. 10 牛建群 .地下水数值计算中断层处理的 “ 切割一导通法 J. 煤田地质与勘探， 2002,30(5):39-40. Experimental Research on the Water Transmissibility of Large-scal

15、e Boundary Fault in Deep Mine ZHANG Shengjun1， DING Yaheng4， JIANG Chunlu2 (l.Yongcheng Coal and Electric Power Group Co., Ltd, Henan Coal Chemical Industry Group, Yongcheng, Henan 476600, China； 2.School of Resources and Environmental Engineering, Anhui University, Anhui, Hefei 230601 , China) Abst

16、ract ： Taking the F20 fault of Chengjiao coal mine as an example, the limestone aquifer connectivity and supply sources were analyzed in outflow test process. Combined the hydrochemical characteristics of limestone aquifer connectivity with its spatio- temporal variation rules, the water transmissib

17、ility of large-scale boundary fault in deep mine was studied. The study results showed that the water transmissibility of limestone aquifer around the F20 fault of Chengjiao n coal mine was favorable, and could be replenished efficiently and quickly. The supply sources were Ordovician limestone aqui

18、fer, and the supply channel was the F20 fault. In the space, limestone water presented that with reducing the distance of the F20 fault, the mineralization of water and the content of Na+ and K+ decreased and the content of Ca+ increased. Else, in time, with the increase of water inflow time, the mi

19、neralization of water and the content of Na+ and K+ reduced， while the content of Ca+ and Mg+ increased. The hydrochemical spatio-temporal variation characteristics also indicated that Ordovician limestone water replenished limestone water by the F20 fault. Key words： Large-scale boundary fault, Water transmissibility, Outflow test, Hydrochemical spatio-temporal variation