含水层下（精选12篇）
含水层下 篇1
一、矿井概况
麦垛山井田南北长约14km, 东西宽约4.5km, 面积约65km2。本井田可采及局部可采煤层共20层。直罗组砂岩下段为开采1煤层、2煤层的主要充水含水层, 为巨厚型含水层, 平均厚度达到138.7m。矿井水文地质类型进行了重新划分:2煤层为极复杂型、6煤层为复杂型。矿井生产规模8.00Mt/a, 服务年限102a。矿井采用主斜井-立井单水平开拓方式。
二、煤层开采顶板导水裂隙带计算
1煤层为矿井大部分可采煤层, 主要分布在20勘探线以北区域。2煤层是矿井主要可采煤层之一, 全井田分布。影响1煤层, 2煤层开采主要充水水源为顶板侏罗系中统直罗组砂岩裂隙孔隙含水层下段 (Ⅱ下) 。因此采用中硬岩体的导水裂隙带高度计算公式进行计算:
平均1.66m, 计算得到1煤层导水裂隙带发育高度分别为:22.73m、47.11m、32.13m。1煤层导水裂隙带发育高度分别为:20.75m、38.05m、31.19m。2煤层单向抗压强度为23.8Mpa。井田范围内2煤层可采厚度为0.84～7.48m, 平均2.88m, 2煤层导水裂隙带发育高度分别为:22.59m、52.65m、40.69m。
三、煤层开采可行性分析
(一) 煤导水裂隙带破坏分析。在井田范围内1煤层开采后形成的导水裂隙带破坏上部直罗组砂岩含水层下段 (Ⅱ下) , 直罗组砂岩含水层下段孔隙裂隙水, 通过开采活动形成的导水裂隙带, 直接进入矿井, 对矿井1煤层的开采带来直接的影响。2煤层顶板多为粉砂岩, 次为泥岩及细粒砂岩;泥岩多分布在井田的中部;底板岩性以粉砂岩为主, 次为泥岩和少量的炭质泥岩。在2煤层首采区北翼, 直罗组砂岩含水层在10～30m左右。通过分析, 2煤层在首采区北翼范围内开采形成的导水裂隙带破坏了中间含水层, 使上部直罗组砂岩含水层下段孔隙裂隙水直接成为矿井的充水水源。上部侏罗系中统直罗组顶板直罗组砂岩裂隙孔隙含水层下段 (Ⅱ下) , 1、2煤层不宜前期直接回采, 宜先进行疏放水工作。
(二) 煤开采顶板导水裂隙带计算。
1. 导水裂隙带计算。麦垛山矿井6煤层是井田主要可采煤层之一, 大部分可采, 上距4-3煤层底板27.26～105.33m, 平均59.98m。井田内见煤点121个, 煤层厚度0.18～7.59m, 平均2.58m;可采点118个, 可采厚度0.80～7.59m, 平均2.63m, 厚度变化大, 但是变化很有规律, 煤层厚度呈南北向展布, 南厚北薄。6煤层在矿井首采区南北两翼均有分布, 首采区北翼内煤层厚度0.96～3.49m, 平均2.26m。首采区南翼内煤层厚度1.41～4.68m, 平均3.49m。6煤层顶板以粗砂岩为主, 粗砂岩天然状态下单向抗压强度为23.8MPa, 上覆除了岩层还有4.-3煤层和泥岩。矿井首采区北翼范围内6煤层厚度为0.96～3.49m, 平均2.26m, 因此利用采厚最小、最大和平均值计算得到首采区北翼6煤层导水裂隙带发育高度分别为:24.29m、43.60m、36.92m。井田首采区南翼范围内6煤层厚度为1.41～4.68m, 平均3.49m, 因此利用采厚最小、最大和平均值计算得到首采区南翼6煤层导水裂隙带发育高度分别为:29.68m、47.80m、43.60m。
2. 煤导水裂隙带破坏程度分析。根据6煤层导水裂隙带的计算结果。其开采形成的导水裂隙带都在50m以下, 6煤层距离上部侏罗组砂岩含水层下段 (Ⅱ下) 超过150m, 开采形成的导水裂隙带不会沟通上部侏罗组下段含水层 (Ⅱ下) 。6煤层开采后的主要破坏表现在对上部煤层的破坏。6煤为井田主要可可采煤层之一, 6煤层以上赋存1煤层、2层煤、3-1煤层、3-2煤层、3下煤层、4-1煤层、4-2煤层、4-3煤层共计八层可采煤层。其中, 3下煤层、4-1煤层、4-2煤层三层煤为局部可采, 发育程度为不稳定煤层。其余1煤层、2煤层、3-1煤层、3-2煤层、4-3煤层五层煤为大部分可采煤层, 稳定程度为较稳定煤层。根据导水裂隙带计算数据及6煤层开采导水裂隙带高度等值线图可以看出:6煤层开采后, 导水裂隙带主要在40～50m之间。
3. 上行开采可行性结论。6煤开采后形成的顶板导水裂隙带, 仅在井田东局部区域会造成4-3煤层的破坏, 该处上覆其它煤层则不会被破坏, 会造成4-3煤层的局部资源损失, 1、2煤层与6煤层间采用上行开采顺序先开采6煤层是可行的。
(三) 煤层巷道掘进可行性分析。
1. 巷道掘进涌水量的预测。
1煤层和2煤层20勘探线以南区域煤层顶板与侏罗系中统直罗组砂岩裂隙孔隙含水层下段 (Ⅱ下) 直接接触, 煤层巷道掘进工作面涌水量预测如下:
(1) 预测方法:采用水平巷道涌水量预测方法。其涌水量可以按照下式计算:
Q———预计涌水量, m3/d;R———影响半径, m;
H———含水层厚度, m;B———水平巷道长度, m;
K———渗透系数, m/d;h———水位降低值, m;
(2) 计算公式参数的选取。渗透系数取钻孔测量数据平均值, 含水层厚度取该钻孔位置上的数据。水位降深值为该钻孔在该位置的水位高程同该位置煤层底板的差值。
影响半径根据公式:其中S为降深K为渗透系数。
2. 煤层巷道掘进可行性分析。
由表1可以看出:在井田的不同位置巷道掘进涌水量亦不相同, 总体规律为从北向南逐渐增大。2煤20勘探线以南区域, 巷道掘进涌水量大, 掘进施工困难, 以北区域, 可以进行巷道掘进施工。
四、结语
通过对煤层导水裂隙带的分析, 井田内1、2煤层开采要先对上覆侏罗系中统直罗组砂岩裂隙孔隙含水层下段 (Ⅱ下) 进行疏放水处理, 再视情况适时对1、2煤资源进行回采。
通过分析, 设计认为在1煤分布范围和2煤20勘探线以南区域巷道掘进困难, 在2煤20勘探线以北区域巷道可以正常掘进。
摘要：麦垛山煤矿直罗组砂岩下段为开采1煤层、2煤层的主要充水含水层, 为巨厚型含水层, 平均厚度达到138.7m, 通过计算, 该区域内静水储量为0.71×108m3。通过上行开采形成导水裂隙带, 规避水患影响, 有效解放2煤层以下18层煤层。
关键词：巨厚型含水层,上行开采,可行性分析
参考文献
[1].宁夏回族自治区煤田地质局.神华宁夏煤业集团鸳鸯湖矿区麦垛山煤矿筹建处井田勘探地质报告[R], 2007
[2].于永幸, 肖华强.巨厚松散含水层压煤开采上限研究[J].煤矿开采, 2008
含水层下 篇2
邢东矿主要含水层水质特征分析
文章介绍了邢东井田概况,并重点对邢东矿～67份不同含水层的水质资料通过绘制水质图进行了系统分析总结,得出了各主要含水层的水质特征,从而为矿井快速判别出水水源积累了经验.
作 者：高春芳 GAO Chun-fang 作者单位：冀中能源金牛股份公司邢东矿,河北邢台,054001刊 名：河北煤炭英文刊名：HEBEI COAL年，卷(期)：“”(1)分类号：P641.3关键词：含水层 水质 特征 分析
含水层下 篇3
关键词：钻孔涌水量；富水性；水柱高度；含水层厚度
利用钻孔涌水量评价含水层富水性时，水位降深的确定是关键。对潜水含水层一般采用潜水含水层厚度的一半作为其降深值，对承压水降深值采用承压水水柱高度或水柱高度加含水层厚度的一半为其降深值。但上述方法都有问题，评价结果往往和岩层实际富水性不符，有时相差甚远。因此，笔者结合自身的实际工作经验和相关资料，总结分析钻孔涌水量对岩层富水性的评价问题。
1、对承压含水层进行讨论
表1是江西省两个水源地钻孔抽水资料；
根据表1数据显示：在承压水头高度较大的情况下，倘若根据承压水头的实际高度计算，那么涌水量会很大，如表1中余江黄埠的12、13、31、32钻孔和信江盆地的S2孔等。其中，余江黄埠13号孔每天涌水量高达7300吨，倘若根据承压水头与承压含水层厚度的1/2的和计算，那么涌水量则会更大。即使仅根据50米降深值计算，单孔涌水量每天达到近1000吨或者1000吨以上的，钻孔也仍很多，其中最大的13号孔可以达到每天2500吨，这严重违背了现场实际情况。
信江盆地的S5钻孔，承压水头高度较小，从含水层顶板到静止水位高度为6.8米。倘若根据承压水柱高来计算涌水量，那么表中一一列举的剩余钻孔单位涌水量和实际出水量都比S5钻孔要少，但是单孔涌水量却比S5钻孔要大。S5钻孔按照6.8米的降深值计算所得每日涌水量仅有600吨左右，而现场实际情况每日可达1000吨左右，涌水量还比较稳定。综上所述，笔者认为有以下几点原因：①承压水头高度的大小和岩石层结构、承压含水层的深度相关。岩石层结构陡的，埋深一般比较大，承压水头高度也一般较大。反之，岩石层结构平缓，承压水头高度较小。②承压含水层的富水性和含水层埋深、露头宽度以及临层地下水的补给有关。含水层结构陡的，埋深一般都较大，那么露头宽度与补给相对较小，涌水量也相对小些，而且水量和水位都不稳定。反之，含水层结构平缓，埋深小，但是露头宽度和补给大，涌水量也相对大些，而且水量和水位较为稳定。③中、新生界地层的地下水，承压水头相对比较大，但水量衰减快，同时具备承压水头越大，水量衰减越快的特点。综上，承压水头的大小不能作为岩层富水性和涌水量的计算依据。
2.孔隙潜水含水层评价问题
潜水含水层主要是第四系含水层富水性与含水层厚度的关系和主要的影响因素。①根据江西某地区的相关资料显示，河流含水层厚30至40米左右时，取钻孔口径为8，降深值为5，计算所得单孔涌水量每天大于5000吨，而富水性较好的钻孔每天可以达到10000吨，当前开采量每天大约110吨，漏斗面积330平方公里，中心水位下降最大数值为18米，并且水位持续逐年下降1米左右，漏斗面积持续扩大，以上情况表明地下水开采过量。我们试想一下，在以上漏斗面积内，如果单位平方公里内钻一个生产井，那么可以布置330个，根据富水性计算，每天可以开采地下水170万吨左右，仅稍微大于目前的开采量。如果按照3米的降深值计算，每天可以开采地下水100万吨左右，和当前开采量持平。但是按照含水层厚度的1/2计算，取降深值20米，单孔每天涌水量在2万吨左右，如果每个1.5平方公里内钻一个生产井，那么漏斗面积内可以可以布置220个，每天可开采地下水330万吨，是当前开采水量的3倍多，但实际情况每天是不超过150万吨，这充分说明依据含水层厚度计算的涌水量和实际情况不符。②江西省鹰潭市夏埠地区根据自身的补给条件，取降深值为5米，计算每天涌水量为5000吨，与实际开采较为接近，并且地下水量和水量稳定。但是按照含水层厚度1/2计算所得每天涌水量为1.5万吨，和实际相差较大。③江西九江某水源地，上游三峡大坝拦截地表水后，其地下水急剧减少，虽然含水层极厚，平均在50至60米，极大表现为100至200米。但是由于地下补给不多，虽然开采量较小，但是水位也逐年大面积下降，平均每年下降半米至1米不等，小些为0.2至0.3米。在开采量大的地域，降深可达15至20米，平均每年下降1米。
综上所述，含水层厚度影响着岩层富水性，可以把他看成一个水库，起到调节地下水的作用，或者开采利用其静储量。但从长远的角度看，这个量还比较小，最重要的还要依靠地下水的天然补给量。这和固体矿床有着本质的区别。固体矿床在某一特定地质时期内是稳定的，但地下水随着时间和空间的变化而变化，是可变和可恢复的流态矿床。综合考虑这一特点，全球在地下水短缺的地方，都采用了回灌的方法补充地下水，保证生产井的出水，满足日常生产生活。
3.结论
总之，不管是承压水还是潜水，对岩层富水性的评价只考虑承压水头高度和含水层厚度还不够，还须考虑地下水的天然补给量，这是评价富水性和计算涌水量的主要因素。这样才能弥补以往含水层厚度的片面评价，对反映各地区地下水资源的实际情况和推进当地生产有着积极作用。
作者简介：贾荣乐（1982～），男，安徽宁国人，工程师，从事煤田地质工作。
含水层下 篇4
运裕煤矿井田范围内地形地势西高东低、南高北低, 井下15#煤层东高西低、北高南低, 西部盖山较厚, 东部盖山较薄, 现开采的东部采区盖山厚度在100 m~140 m范围, 处两条季节性河流之间且开采区域东南侧有一水库, 地表水体及松散含水层对井下补给比较充沛, 水文地质条件相对复杂。因此如何解决在河流松散含水层水下采煤对矿井生产安全造成的威胁, 是运裕煤矿面临的巨大挑战。
1 河流松散层下采煤防治水措施
1.1 水文地质条件
1.1.1 地面物探成果
地面物探主要目的是查清河流冲积含水层的分布和富水程度。本次高分辨直流电法勘探共完成159条测线, 2 117个测深点, 探测深度4 m~35 m。根据断面成果资料得到冲积含水层埋深图、冲积含水层等深图、冲积含水层电性异常和最大探深低阻异常平面成果图, 确定了冲积含水层厚度分布趋势和电性异常分布范围。测区冲积含水层厚度平均13.9 m, 北部测区相对较浅, 松散层厚度在10 m~18 m之间, 南部测区相对较深, 松散层厚度在16 m~25 m之间。
1.1.2 水文地质钻探成果
针对物探圈定的可疑区域, 施工钻孔, 进行简易抽水试验工作, 对河流冲积潜水含水层岩性组成、地层结构及水文地质特征作了探查, 进一步验证和校核了物探成果, 基本查明了地表冲积潜水含水层的地层结构和空间分布特征。初步分析, 表层冲积潜水含水层地下水与地表河流互为补给关系, 枯水季节, 远离河流水位呈上升趋势, 说明地下水补给河流。雨季河流水位上涨后, 河流补给地下水。根据抽水试验确定该段冲积含水层为富水中等含水层
1.2 101工作面顶板两带高度综合确定
在101工作面上方地表施工了4个顶板“两带”观测孔, 1个采前孔 (L2) , 3个采后孔 (L1、L3、L4) 。这4个孔顶板“两带”发育高度如下:a) L1孔导水裂隙带发育高度65.7 m~67.3 m, 裂采比18.8~19.1, 冒落带发育高度为44.5 m, 冒采比为12.7;b) L2孔为采前对比孔, 不计算两带发育高度;c) L3孔导水裂隙带发育高度为91 m~100 m, 裂采比为17.2~20, 冒落带发育高度为55 m~56.31 m, 冒采比为10.4~10.6;d) L4孔导水裂隙带发育高度为64 m~90.07 m, 裂采比为12.8~17.2, 冒落带发育高度为60.77 m, 冒采比为11.6。
在顶板“两带”测试过程中, 冲洗液消耗量法探测结果规律性最为明显, 通过对比最终把冲洗液消耗量法观测的结果作为101工作面顶板“两带”高度的结果。另外, 由于各探测孔处煤层采厚不同, 给出裂采比及冒采比更有指导意义。所以, 101工作面裂采比为17.2~18.8, 冒采比10.4~11.6。
1.3 107工作面顶板两带高度综合确定
107工作面依据101工作面确定的“两带”测试结果, 结合107工作面的实际情况, 为了进一步更准确地确定顶板“两带”, 在107工作面上方又施工了3个观测孔 (TC1、TC2、TC3) , 其中TC1孔距切眼125 m, 距回风巷25 m;TC2孔距切眼298 m, 距回风巷32 m;TC3孔距切眼588 m, 距回风巷20 m。
本次顶板“两带”探测工作运用了两种方法:冲洗液消耗量法和钻孔彩色电视法, 并结合了钻探过程中卡钻、跳钻、掉钻情况、孔口漏风情况。
测试过程中, 冲洗液消耗量法探测结果规律性最为明显, 钻孔彩色电视法探测结果最直观, 这两种方法作为顶板两带结果主要参考。本次3个钻孔分别位于陷落柱处、向斜构造轴部、正常地段, 其探测结果更能综合表现该区域顶板两带发育规律, 故取其几何平均值作为最终的探测结果:裂采比为20.5, 冒采比为11.1。
2 河流松散层下采煤防治水实例
根据对101、103、107等河流松散层下采煤防治水的经验, 结合实际开采现状, 对109工作面进行了试验性开采。
该面走向长度772 m, 采长150 m;煤层厚4.6m~6.1 m, 平均厚度5.3 m, 大部分地段在煤层上分层含有1层~2层夹矸;煤层倾角为4°~9°;老顶为灰色石灰岩, 厚度4.37 m, 性硬, 中部裂隙发育, 下部夹薄层砂岩;直接顶为黑色泥岩、砂质泥岩, 厚度18.48 m;直接底为灰黑色砂质泥岩, 厚度6.26 m, 性脆, 上部含植物根茎化石及黄铁矿包体。采用倾斜长臂综采放顶煤采煤方法, 顶板管理采用全部垮落法。
109工作面进、回风共施工水仓5个, 进风2个, 回风3个, 水仓容积不小于60 m3, 回风安装1台BQS200-80-90NS潜水泵、4台D85-45×8排水泵, 敷设5趟Φ159 mm排水管、1趟Φ108 mm排水管、1趟Φ219mm排水管;进风安装有2台D85-45×8排水泵, 配有2趟Φ108 mm, 为防止涌水量增大做好充足的准备。
在109回采前对中央水泵房和2号水泵房的排水系统进行了改造, 对水泵进行了更换, 并增加了排水管路情况, 现中央水泵房配备4台MD280-43×6多级排水泵、2台D85-45×9多级排水泵、1台D85-45×8多级排水泵。敷设3趟Φ219 mm, 1趟Φ159 mm排水管。2号水泵房配备3台D85-45×8多级排水泵, 敷设2趟Φ159 mm排水管。
为防止突发事件, 根据要求安装了强排系统, 配备2台BQS500-55×5 720 k W水泵。敷设2趟Φ259mm排水管, 定时试验运行正常。
在对地表河道下沉段进行回填、硬化、筑坝处理, 有效地减少了地表水的下渗;参照两带高度在井下实行限制采高, 有效控制了含水层水的下渗;增加工作面排水能力, 改造矿井排水系统使矿井涌水及时排出, 有效控制了水害事故。
3 河流松散层下采煤防治水工作实践效果和经验
3.1 实践效果
实现了运褡煤矿在河流松散含水层下安全采煤, 控制了水害事故, 避免了对职工生命威胁和水淹矿井造成的巨大损失, 取得了良好的安全效益、经济效益和社会效益。
3.2 经验
在同等相似地质条件下, 获取了宝贵经验:
a) 准确预测煤层底板等高线的趋势, 衔接布置回采工作面, 由埋深相比厚的工作面向埋深相比薄的工作面逐个布置衔接;
b) 在井下相邻工作面布置排放水巷, 专门用来排放水;
c) 在相邻工作面的隔水煤柱打连通导水孔, 创造采空区积水连通, 可以在埋深最厚处排水, 减少排水地点;
d) 对地表河道沉陷区域及时进行疏通治理, 确保河道平整畅流, 减少下渗水量, 减轻井下排水压力;
e) 在河流松散层下开采, 尽量将开采时间放在枯雨水季节;
f) 有效选择合理的采煤方法, 避免与地表导通, 以减少下渗水量。
4 结语
含水层下 篇5
高密度电阻率法是以岩、矿石的电性差异为基础,通过探测场的参数变化获得电性局部差异来认识被测目标的.一种勘探手段.介绍了利用高密度电阻率法探测韩家湾煤矿顶板基岩含水层厚度的工作原理、方法和应用效果.钻探验证表明,采用高密度电阻率法测定含水层的厚度具有较好的应用效果,且成本低、效率高、测试简便,该方法在工程应用方面具有一定的价值.
作 者：牟平霍军鹏 侯彦威 Mu Ping Huo Junpeng Hou Yan-wei 作者单位：牟平,霍军鹏,Mu Ping,Huo Junpeng(陕北矿业有限责任公司,陕西,榆林,719000)
侯彦威,Hou Yan-wei(煤炭科学研究总院西安研究院,陕西,西安,710054)
防水层厚度 篇6
防水层必须具备一定的厚度，才能确保防水层发挥其防水功能。防水层厚度达不到要求，会出现不耐水压、易被刺穿、耐老化性差等问题。防水卷材是工厂预制的，出厂时的卷材厚度须符合相应产品标准的规定，设计施工时还应符合相关设计与验收规范的规定；防水涂料是施工现场成型的，因此其产品标准没有厚度规定，但在屋面、地下、住宅室内等设计验收规范中，对施工成型的防水涂膜厚度有明确的要求。如JGJ 298-2013《住宅室内防水工程技术规范》中，规定厨卫间等住宅室内采用涂膜防水时，聚合物水泥（JS）、聚合物乳液、聚氨酯三种常用防水涂料用于水平面防水的厚度均应≥1.5 mm，用于垂直面防水的厚度均应≥1.2 mm；若采用卷材防水时，选用无胎类自粘聚合物改性沥青防水卷材厚度应≥1.5 mm，选用聚酯胎基自粘聚合物改性沥青防水卷材厚度应≥2.0 mm，选用聚乙烯丙纶复合防水卷材+聚合物水泥胶结料系统，要求卷材厚度≥0.7 mm（其中聚乙烯芯材厚度≥0.5 mm），聚合物水泥胶结料厚度≥1.3 mm。
含水层下 篇7
朱仙庄矿870工作面煤层厚达10 m, 该矿首选一次性全厚综采放顶煤开采, 但《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》对综放开采“三带”高度的计算还没有成熟的理论公式, 因此, 薄基岩松散含水层下特厚煤层的安全高效开采成为急需解决的新问题。
1 开采条件及水文地质特征
1.1 煤层赋存条件
朱仙庄矿七采区八层煤为稳定结构的特厚煤层, 煤层厚8.59～11.27 m, 平均厚9.00 m, 结构复杂, 煤岩类型为半暗半亮煤, 构造以鳞片状、粉末状为主, 次块状, 煤层松软, 局部煤层灰分较高。f平均为0.3, 煤层走向135°～187°、倾向45°～97°。工作面F5-1断层以里煤层倾角3°～10°, 平均6°;F5-1断层以外有一条向斜构造, 煤层多为反倾, 倾角在0～5°, 平均3°, 两翼较宽缓。
1.2 水文地质特征
(1) 三隔分布规律及岩性特征。
朱仙庄矿七采区是矿井最南部采区, 南与芦岭矿810采区相邻, 煤系地层之上为新生界松散沉积物, 厚242.30～247.8 m, 平均厚245.0 m, 自上而下分为4个含水层和3个隔水层, 其中三隔平均厚80 m, 分布稳定, 具有塑性强、膨胀性大的特点, 为良好的隔水层, 完全阻隔了上部一、二、三含与底部四含的水力联系, 下部四含与煤系地层呈不整合接触 (表1) 。
(2) 四含组成及渗透性。
该区段四含不发育, 底板标高-218～-225 m, 北厚南薄, 起伏变化较小, 岩性由半胶结砂和黏土夹砾石组成, 砾石成分以灰岩为主, 砂砾次之, 含黏量较高, 颗粒组成不均匀, 级配良好, 渗透性能差, 厚2.38～7.48 m。四含富水性极弱, 补给条件差。
2 相似材料模拟结果分析
以朱仙庄矿87采区一区段870工作面地质及技术条件为背景, 煤层平均厚10 m, 倾角平均5°, 模拟薄基岩松散含水层下综放开采上覆岩层的应力及其破坏特征分布规律。
2.1 上覆岩层应力特征分析
根据基本顶的X型破坏特点, 可将工作面分为上、中、下3个区。破断的岩块由于互相挤压形成水平力, 从而在岩块间产生摩擦力。工作面的上、下两区是弧形破坏, 岩块间是立体咬合关系, 而对于工作面中部, 则形成“外表似梁、实质是拱”的裂隙体梁的平衡关系[4,5,6]。
分析整理模型的模拟数据, 根据CM-2B系列静态应变测量分析系统所采集的数据, 可得工作面不同长度上覆岩层应力沿倾向方向的分布规律 (图1—图8应力用相对应变量表示) 。
通过试验发现, 在浅部开采时, 由于该区为软弱—坚硬型顶板, 直接顶为软弱岩层, 稳定性差, 工作面回采后直接顶立即冒落。基本顶为坚硬岩层, 稳定性较强, 工作面回采后基本顶处于悬空状态, 当基本顶悬露达到强度极限时, 将形成断裂垮落。
当工作面长80 m时, 直接顶为第一层测线, 工作面上部测点为1号线, 表现出压应力, 在刚开挖后应变量急剧增加。随着时间的推移, 应变量趋于平衡;工作面中部测点为2号测线, 表现出拉应力, 在刚开挖后应变量急剧增大, 然后随着时间的推移开始减小, 最后应变量随着时间的推移缓慢逐渐增大, 最终增大到172×10-6趋于平衡;工作面下部测点为3号线, 表现为压应力, 刚开挖时应变量急剧增大, 10 min应变量增大到150×10-6, 然后开始减小, 在10 min后减小到50×10-6 (最小值) , 随着时间的推移缓慢增加, 增大到150×10-6趋于平衡。
基本顶为第二层测线, 工作面上部测点为9号线, 表现出拉应力, 开挖10 min后应变量急剧增大到170×10-6, 随后开始减小至100×10-6并趋于平衡;工作面中部测点为10号线, 表现为压应力, 开挖10 min后应变量急剧减小到0附近;工作面下部测点为11号线, 表现为拉应力, 在开挖10 min后应变量急剧增大到130×10-6, 随后缓慢增大, 直至150×10-6趋于平衡。
随着工作面长度的增加, 工作面上部应变呈现起伏增加, 中部应变起伏基本不变, 下部应变起伏趋于增加。在工作面长110 m时, 工作面上部、下部的增加速率变大;当工作面长150 m时, 工作面下部应力有一个突然增大又变小的过程, 最后趋于平衡。
在工作面长度增加过程中, 覆岩应变值不断升高, 工作面上部煤柱13～20 m、下部煤柱6～15 m范围内煤体形成应力峰值区, 该区域内煤体应力在工作面前方上升幅度大, 而在采空区则呈缓慢上升趋势。
2.2 顶板冒落宏观特征分析
根据薄板理论, 随着弯矩的增大, 基本顶岩层达到强度极限时, 将形成断裂。以四边固支的板为例, 弯矩的绝对值最大处形成断裂, 而后在短边的中央形成裂缝, 待四周裂缝贯通而成O型后, 板中央的弯矩又达到最大值, 超过强度极限而形成裂缝, 最后成X型破坏[7]。
当工作面长80 m时, 模型架子在开挖9 h后, 直接顶泥岩顶板开始离层垮落。随着时间的推移, 9 m的砂岩基本顶岩梁在回风巷上部出现裂隙, 基本顶岩梁中部下方也出现裂隙;当模型停放16 h时, 基本顶支撑边四周形成上部张开下部闭合的裂缝, 岩梁中部触矸。随着工作面长度的增加, 弯矩增大, 冒落带垮落高度增加, 裂缝带也随着增加。当工作面长130 m时, 裂缝带高度增加的速度变得缓慢;工作面超过130 m时, 随着工作面长度的增加, 裂缝带高度急剧增加 (图9) 。
随着工作面长度的增大, 上部垮落角逐渐减小并趋于一定值, 在工作面长130 m时, 减到最小角度为40°, 而下部垮落角先减小后增大 (表2) 。
随着工作面长度的增加, 下部垮落角先减小后增大, 当工作面长度达到110 m后, 下部垮落角逐渐增大。工作面长度的增加对上覆岩层的移动破坏形态有直接影响, 该形态均是冒落拱形, 最为平缓。两带高度内岩层间有明显的分组变形、破坏、下沉等现象。垮落带内岩体呈不规则垮落, 排列也极不整齐。裂缝带内岩体破断后排列比较整齐, 并出现分组下沉的现象, 形成多组砌体梁结构并对上覆岩层有一定的支撑作用。
综上分析可知, 工作面不同长度的破坏过程符合薄板理论, 板的破坏过程可以随着裂缝的发展, 将已形成的裂缝部位视为简支条件, 进而考察其他部分的弯矩分布变化及新裂缝形成的部位和破断方向。
3 结论
朱仙庄煤矿三隔主要由黏土和砂质黏土组成, 平均厚80 m, 且分布均匀, 具有较强的塑形和膨胀性, 为良好的隔水层, 基本阻隔了下部含水层与上部含水层之间的水力联系。由相似模拟实验得出, 随着工作面的回采, 上覆岩层形成“三带”垮落带高度与有效裂隙带的高度基本一致;薄基岩松散含水层下综放开采时, 不同工作面长度覆岩破坏的最大高度随着工作面长度的增加而增加, 当工作面长度大于130 m时, 增长率变大。
摘要：在薄基岩松散含水层下采煤时, 由于基岩厚度较小, 含水层可传递上覆表土层的载荷, 导致工作面在回采期间易发生突水、溃沙等事故。现今对综采放顶煤“三带”高度还没有成熟的理论计算公式。为了避免在回采过程中发生突水、溃沙事故, 结合朱仙庄矿870工作面的实际条件, 采用相似模拟实验等手段, 对工作面长度分别为80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150 m条件下覆岩破坏规律进行了研究。
关键词：薄基岩,松散含水层,有效导水裂高
参考文献
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[6]缪协兴, 钱鸣高.采动岩体的关键层理论研究新进展[J].中国矿业大学学报, 2000, 29 (1) :25-29.
含水层下 篇8
1地层特征
高庄井田处于微山湖区, 主采石炭二叠系山西组第三层煤, 煤层顶板以上地层自下而上有二叠系、侏罗系和第四系 (表1) 。
井田范围内第四系厚62.00～132.04 m, 平均厚88.83 m, 厚度大, 砂层和黏土层相间分布, 整体厚度呈现由东南向西北逐渐增加的趋势。第四系可分上、下2段:上段富水性强, 下段富水性弱。下段顶部黏土层平均厚4.93 m, 层位稳定, 有效隔离了地表水、第四系上段含水层水的下渗补给。
2第四系下段含水层水文地质特性
该含水层厚25.00～88.22 m, 平均厚48.61 m, 主要由灰色黏土、黏土质砂砾及灰黄、灰绿色砂质黏土、含砾黏土组成。含砂2～13层, 一般5层, 砂层平均总厚18.86 m, 占下段含水层段厚的39%, 成分为石英、长石, 富含黏土。平均孔隙比0.725, 垂直渗透系数 (KT) 为4.25×10-3～3.74×10-6 m/d。根据井田内钻孔抽水试验成果, 水位标高+34.36～+27.80 m, 单位涌水量0.043 6～0.191 0 L/ (s·m) , 水质良好。砂层间的黏土层为隔水层段, 黏土的塑性指数为10.2～28.8。第四系下段含水层主要为黏土和含砾黏土, 说明第四系下段含水层富水性整体较弱。
3突水与第四系底部砂、黏土分布的关系
根据矿井142个钻孔资料, 绘制第四系底界砂、黏土分布图 (图1) , 砂层沉积分布区主要集中在矿井的东、西和北部区域, 黏土分布区主要占据中部。在矿井西翼西五采区西北部 (包括3上508工作面、3上510工作面和1501工作面等) 和东部、西十一采区西部区域、西十三采区的东部, 第四系底界为砂层分布区, 其余为黏土分布区。矿井东翼西三南部 (包括北翼采空区) 、西一采区中、北部和西七采区的南部 (包括1108工作面和1109工作面) 、西九采区的北部所在区域第四系底部主要为砂层覆盖, 其余为黏土层覆盖。
在矿井西翼西十一采区3条下山开拓巷道以西 (包括3上508工作面、3上510工作面和1501工作面等) , 第四系底界为砂层分布区域, 以东底界为黏土分布区域。矿井东翼第四系底界由西一、西三采区的砂层过渡到西七、西九采区的黏土。在矿井西翼西五和西十一采区3条下山开拓巷道的西部区域 (3上504和3上506面除外) , 西五采区的东部, 西三南部的北翼采空区所在区域, 西一采区中北部和西七采区的南部所在区域, 西十三采区的东部区域的第四系底部主要为砂层覆盖, 其余主要为黏土层覆盖。
注:统计突水类型均为顶板砂岩水突出;19951217的突水通道为“顶板冒落或断层”, 其余突水的突水通道为“顶板冒落”。
由表2可知, 回采期间基本顶垮落突水量在80 m3/h以上的6个突水地点分别为:北翼采空区、1501综采面、1108面、3上503面、3上508运输巷和3上510运输巷, 均集中分布在第四系底部砂层覆盖区域, 该区域突水量除北翼采空区较大外, 其余均在110 m3/h上下浮动。而第四系底部黏土层覆盖区域的工作面涌水量则相对较小, 突水量在60 m3/h上下浮动。说明第四系底部含水层对矿井基本顶垮落出水存在有水力联系。
4相邻矿井工作面突水分析
相邻矿井B煤矿某工作面回采3上煤层, 与高庄井田西十一采区处于同一水文地质单元。该工作面为第四系底层砂岩覆盖, 处于第四系底层砂层较厚位置。该面走向长881.2 m, 倾向长171.7 m, 平均煤厚5.8 m, 平均倾角13.5°, 开采标高为-583～-521 m。
2008年5月24日, 当该面运输巷推进60 m、回风巷推进70 m时, 基本顶初次垮落突水, 初次突水峰值时达120 m3/h, 次日水量降至70 m3/h。8月11日至9月13日工作面发生第2次突水, 突水峰值增至326 m3/h。10月25日水量再次增大, 最大水量540 m3/h, 此后水量迅速降低。该工作面突水量大, 持续时间长, 共持续5个月, 出水过程多次反复, 呈现一定周期变化。
根据该工作面附近07-1观测孔记录, 第四系下段含水层水位自2008年1月至2011年6月, 水位下降合计0.470 m, 月降幅0.006 m。突水后, 8月17日至10月28日水位下降了1.64 m, 月均降幅为0.68 m, 水位下降比较明显。说明第四系下段含水层与该工作面突水存在显著相关性。
5第四系下段含水层对矿井充水量分析
根据井田内钻孔抽水试验成果, 第四系下段含水层水位标高+34.36～+27.80 m, 单位涌水量0.043 6～0.191 0 L/ (s·m) 。取单位涌水量最大值0.191 L/ (s·m) , 计算得渗透系数K=0.340 m/d;取单位涌水量最小值0.043 6 L/ (s·m) , 计算得渗透系数K=0.077 5 m/d。工作面宽度取200 m, 工作面初次垮落出水回采长度100 m。根据裘布衣公式[1]计算涌水量。
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式中, R为抽水影响半径, 以最大单位涌水量计算取518.0 m, 以最小单位涌水量计算取274.3 m;M为含水层厚度, 取平均厚度48.61 m;S为水位深度;因为在湖区, 取第四系平均厚度88.83 m;r0为折算大井半径, 根据r0=η (a+b) /4[2,3], 取87.75 m;h0为水头高度, 取0。
当取最大单位涌水量0.191 L/ (s·m) 时, 计算得Q=154 m3/h。当取最小单位涌水量0.043 6L/ (s·m) 时, 计算得Q=54.7 m3/h。
矿井历次顶板突水量大于80 m3/h的案例中, 最大突水量为209 m3/h, 其余均在110 m3/h上下浮动, 小于计算所得第四系下段含水层对矿井最大充水量154 m3/h。说明正常地质情况下第四系对矿井充水量较小, 特殊情况下, 可构成较大充水。
第四系底界黏土层覆盖区域突水量均在60 m3/h上下浮动, 砂层覆盖区域突水点水量在110 m3/h上下浮动, 二者相差50 m3/h, 与计算所得第四系下段含水层对矿井最小充水量54.7 m3/h基本吻合。这说明一般地质情况下, 第四系下段含水层对矿井最小充水量为54.7 m3/h。
6结语
第四系下段含水层水为顶板突水水源之一, 第四系下段含水层对矿井充水有重要影响。正常地质情况下第四系含水层对矿井充水量较小, 特殊情况下, 可构成较大充水。建议生产部重视门对矿井深部顶板砂岩水的防治, 特别是在第四系底部砂层分布区的工作面, 要留足保安系数, 确保生产安全。
参考文献
[1]张元禧, 施鑫源.地下水水文学[M].北京:中国水利水电出版社, 1998.
[2]隋旺华, 董青红.采掘溃砂机理与预防[M].北京:地质出版社, 2008.
含水层下 篇9
1 矿井松散层底部含水层富水性特征的分析评价及研究
新生界松散层底部含水层是矿井开采薄基岩浅部煤层的主要充水水源之一, 松散含水砂砾层尤其是松散层下部的底部含水砂砾层, 同矿井开采关系密切。
1.1 厚松散含水层结构特征。
松散层从垂向上均存在含、隔水层组相间的多层复合结构, 其中三隔的厚度一般均大于60m且分布稳定, 基本阻隔了下部含水层与上部含水层之间的水力联系。深厚松散层岩性的平面分布特征主要表现为区域内的类似性和局部地段内的差异性。所谓区域内的类似性, 是指在井田大面积范围内深厚松散层岩性具有类似、稳定的结构, 各含、隔水层有类似的结构, 并且岩层由类似的矿物成份构成具有较好的类似性。井田范围内具有相同的“四含三隔”结构, 其中, 分布稳定的“三隔”粘土层以蒙脱石、伊利石矿物成份为主, 具有良好的阻隔水特性。局部地段内的差异性, 是指在具体采区范围内与开采有关的含、隔水层岩性、厚度变化大, 性质差异明显。例如, 五沟矿主、副井间距小于40m, 其“四含”底部砂砾层在主井处厚度为23.4m, 砾石的粒径较大, 而在副井处仅为13.6m, , 粒径较细 (图1) ;“四含”的富水性具有明显的平面分带性。
1.2 底含的沉积结构特征与富水性评价。
对五沟煤矿补1～补4孔和水文对比孔的四含土样进行的渗透实验, 渗透系数为0.346～1.9 m/d。测试结果表明, 粗粒含量越高, 渗透系数越大, 水稳定性较差。实验资料表明:松散层中的底部含水层, 平均厚度为32m, 渗透系数K=0.0066～3.282m/d, 单位涌水量q=0.00684～0.71L/s.m, 含粘量较高, 呈固结～半固结状态, 流动性较差, 富水性弱～中等, 迳流补给条件不畅, 为封闭～半封闭型复合性水体, 地下水以静储量为主, 在垂向和水平方向的补给缓慢, 为浅部煤层安全开采和采用采动裂隙疏放“底含”水提供了良好的条件和内在保证。 (见表1)
2 基岩风化带的工程地质特性研究
2.1 基岩风化带的分布规律。
井田内各区域基岩风化程度存在较大差异。五沟煤矿北部基岩风化深度约为4.5m～45.6m, 一般风化深度约为15m～25m, 平均约为22m, 煤层露头风化深度较深, 盆地中心地段则风化深度较浅;井田南部基岩风化深度多为5m～20m, 平均约为18m, 部分地段的基岩强风化带深度为7m～15m。在风化岩层中, 风化砂岩、粉砂岩和泥岩的裂隙较发育, 铁锰质充填, 质变软, 风化泥岩、粉砂岩泥化率较高, 砂岩粘土矿物含量占60～75%, 以石英、长石为主, 长石大部分已高岭土及蒙脱石化;风化砂岩比泥岩透水性稍强。
2.2 基岩风化带的工程地质特性。
通过对基岩风化带的结构、物质组成、物理、力学性质的分析研究, 发现其在剖面和区域上的变化规律如下:a.基岩风化带的分布特征在剖面上有明显的规律性, 如氧化物含量、孔隙比、饱和含水量、抗压强度、岩层的渗流特征都可以作为风氧化带风化程度的特征值。b.风化带岩石的结构以粗颗粒为主, 各类原生矿物, 除石英外, 均已风化为高岭石, 抗压强度大幅度降低, 塑性变形能力明显增强, 具有良好阻隔水性能。c.风化岩层受风化影响, 强度大幅度降低, 矿物成份发生了严重的变异, 粘土矿物成份含量急剧增加, 塑性变形能力显著增强, 储导水能力降低, 突水溃砂能力减弱。在开采扰动下, 膨胀性能进一步增强, 再生隔水性能良好, 具有阻隔裂隙发展和防止底含水下渗的双重作用, 为高水压作用下薄基岩浅部煤层的安全开采提供了良好的条件。d.基岩风化带岩层具有孔隙率高、含水量大、强度低、胶结程度差, 水稳定性差, 失水后, 孔隙率降低强度逐渐增强是厚含水松散层下薄基岩浅部煤层煤岩柱留设方式选择的重要依据。
3 薄基岩浅部煤层覆岩破坏移动演化规律研究
覆岩破坏规律的观测研究, 是合理确定安全煤柱尺寸的关键。采用了多种测试方法及手段对主采煤层的覆岩破坏特征等进行了系统观测研究。此外, 还通过室内相似材料模拟实验及计算机数值模拟计算分析等, 对试验研究矿区的覆岩破坏规律进行了理论上的深入研究。
3.1 相似材料模拟试验研究。
依据《五沟煤矿含水层下开采煤岩柱合理留设研究》, 南一采区在采高为3.8m的条件下, 综采工作面两带发育规律模拟成果如表2。
3.2 数值模拟研究。
根据数值模拟结果以及煤层顶板覆岩采动后的不同破坏程度, 将煤层覆岩自上而下划分为五个变形破坏区域:未破坏区 (即弹性区) 、塑性变形破坏区、拉张裂隙区、拉张破坏区、局部拉张区。通过FLAC3D程序模拟计算, 根据塑性条。件、破坏准则、位移及应力判别, 确定出冒落带和导水裂缝带的高度, 如表3。
3.3 薄基岩浅部煤层覆岩破坏移动演化规律的实测研究。
本项目的覆岩破坏观测除采用传统的钻孔冲洗液法外, 还试验了彩色钻孔电视法、钻孔数字超声成象法、钻孔声速法和数字测井法等新的方法。通过多种方法的综合运用, 保证了覆岩破坏观测资料的可靠性。
根据南一采区施工的4个两带孔, 通过钻孔水位和冲洗液消耗量观测, 获得五沟煤矿实测冒落带高度和导水裂缝带发育高度 (见表4) 。由实测资料可知:大采高综采工作面开采后, 冒落带高度为9.14～16.4m, 为采厚的2.40～4.69倍, 导水裂缝带高度为25.79～38.65m, 是采厚的7.37～11.6倍。研究表明, 开采上限提高越高, 冒落带和导水裂隙带发育高度相应降低。
4 含水层下簿基岩浅部煤层控水开采煤岩柱质量性能评价
4.1 岩体力学强度测试结果与分析。
4.1.1 WQCE-1型围岩触探仪的测试结果。五沟矿补5水文采前对比孔浅部, 距“底含”底面 (0～20.0m) 范围内, 岩体风化现象较为严重, 岩石的强度和硬度大幅度的降低, 强风化带岩石一般呈土黄色、褐黄色, 岩芯破碎, 裂隙发育, 水浸蚀现象严重。泥岩风化严重时呈高岭土状, 砂岩风化严重时呈疏松状。弱风化带岩石裂隙发育, 岩芯破碎。风化带岩石RQD值一般在0～50%左右。采用点荷载仪对五沟煤矿浅部煤层工作面开采区域浅部顶板岩层进行了现场测试:泥岩的平均抗压强度为4.1Mpa, 砂岩类的平均抗压强度为11.6Mpa。研究表明:厚松散含水层下浅部煤层工作面顶板邻近底部含水层的浅埋岩层应属于软弱岩层。4.1.2岩块强度室内试验结果与分析。在五沟煤矿浅部煤层综采工作面检查探测孔中取具有代表性的岩样30块, 采用RMT-150刚性压力机, 进行了室内抗压及抗拉强度试验, 试验得出薄基岩浅部煤层开采的强度特征具有如下规律:a.不同类型岩石的抗压强度不同, 粗砂岩的抗压强度最大, 泥岩的抗压强度较小;试样浸水后其抗压强度均有所降低。b.不同岩石的抗拉强度不同, 砂岩的抗拉强度较大;岩样浸水后的抗拉强度明显降低, 但不同岩性降低程度不同。
4.2 岩石干燥饱和吸水率和浸水试验结果及分析。
为了研究试验矿井工作面上覆岩层、尤其是基岩风化带的含、隔水性及其再生隔水能力, 在五沟煤矿水文长观孔中共取了114组岩样进行岩石的水理性质试验, 结果统计分析如表5。4.2.1无论岩性如何, 未风化的岩石干燥饱和吸水率小于12%, 其崩解类型为不变性及微开裂型, 并且随着岩石的含泥量减小, 干燥饱和吸水率也减小。4.2.2随着风化程度的加深, 岩石的干燥饱和吸水率逐渐增大, 这说明岩石风化后吸水量增大, 膨胀性能增强。4.2.3风化岩石的干燥样品浸水后主要呈碎裂型, 严重风化的泥岩及泥质胶结的砂岩浸水后呈泥化型, 即处于风化带内岩石具有较好的隔水性及再生隔水性。
4.3 岩石矿物微观分析。
为了研究厚含水松散层下薄基岩浅部煤层风化岩石的隔水性能, 评价防护煤岩柱的质量, 在补5水文采前对比孔孔中取了8个样品, 分别采用X光衍射及电镜扫描对岩石的组份及微组份进行了分析, 如表6。分析结果表明:a.上覆岩层质地均匀、致密、细腻, 干燥时较为软弱。岩石类型主要为砂质粉砂岩;高岭石、长石质中砂岩, 这些岩石中碎屑矿物含量比一般砂岩小, 粘土矿物含量较大。b.岩石中的碎屑矿物主要为石英、钾长石及斜长石, 碎屑粒度较细。岩石中的矿物碎屑间充填的粘土矿物较多, 碎屑间相互接触, 形成了岩石的基底式泥质胶结形式。c.岩石中粘土矿物主要为蒙脱石、高岭石等, 这些矿物颗粒极细, 颗粒多为细鳞片晶体集合体。这些粘土矿物具有吸水性强、吸水后体积膨胀的特性。d.岩石的显微结构多为泥质及粉砂泥质结构, 岩石遇水后垂直与平行层理方向膨胀量都较小。e.岩石中未见易溶于水的矿物、裂隙不发育并且微孔洞也不太发育。f.试验研究结果表明:主采煤层顶板尤其是基岩风化带覆岩岩层的阻水能力和再生隔水能力均较强。
5 厚松散含水层下薄基岩浅部煤层控水开采关键技术及应用
在水体下开采工作中, 为使矿井实现安全、合理生产, 必须认真优化安全开采方案和煤岩柱留设方法, 正确、合理地选定安全煤岩柱高度和回采上限。
5.1 控水开采煤岩柱合理留设的优化与选定。
结合本矿厚松散层底含的沉积结构与富水特征:富水性弱～中等, 渗透性较差, 迳流补给不畅, 含水层内粘土含量较高, 呈固结～半固结状态, 流动性较差;风化岩体工程地质特性:胶结程度较差, 水砂流动性好, 孔隙率高, 饱和含水量大, 强度低, 自身承载能力弱, 水稳定性差, 容易失稳, 以及失水后强度逐渐增强, 阻隔水性能极好的特点;主采煤层倾角较缓, 便于采用上行开采布置, 顶板覆岩类型为下硬上软, 经分析实验, 优化比较, 确定厚松散含水层下薄基岩浅部煤层安全开采, 煤岩柱留设方式为先采用留设防水煤岩柱、后采用留设防砂煤岩柱最后再留设防塌煤岩柱的留设新模式。其思路为利用留设防水煤岩柱开采顶板容易控制, 开采后所产生的采动裂隙疏放煤系地层砂岩裂隙水和风化裂隙水, 切断煤系砂岩水与底含水的联系, 降低风化岩体的孔隙率, 减少风化软弱岩体的失稳机理, 提高顶板岩层的自身承载能力;利用防砂煤柱开采所产生的采动裂隙疏放厚松散含水层底含水和底部含水层的水砂流动性, 降低底含水的水头压力, 提高缩小防护煤柱开采的安全可靠性。
5.2 在五沟煤矿的应用
五沟煤矿与安徽建筑工业学院合作, 于2007.12～2010.5在矿井南一采区合作开展了“1016、1017和1012工作面缩小防水煤柱开采试验研究”项目, 在试验试采过程中, 主要采取快速、匀速、连续推进, 加强工作面顶板管理, 预报与监测水情, 以及控制或减轻覆岩破坏程度等一系列切实可行的技术开采措施, 截至2010年12月底已有1016、1017、1012等3个提高回采上限工作面实现安全回采, 目前回采上限已提高到-280m, 共回收原设计防水煤柱压煤128.9万吨。
获得了含水层下薄基岩浅部煤层控水开采的丰富技术经验;为在其他类似条件矿区实现薄基岩浅部煤层控水开采, 提供了充分的实践和技术理论依据。
摘要：研究了厚松散层底部含水层的分级细化标准、径流、补给、排泄条件及水稳定性、薄基岩风化软弱岩层的岩石属性、工程变异特征和薄基岩浅部煤层开采覆岩破坏移动演化规律与关键调控技术, 揭示了薄基岩浅部煤层开采覆岩破坏移动的新特点与控水开采机理;首次系统地提出了采用采动裂隙疏放煤系砂岩裂隙水、风化裂隙水和底含水;煤水分流的设计新理念;加大开采高度, 护-让结合的软弱顶板调控新技术;物探精细化探测, 地质弱面预先加固的防治突水溃砂控水开采关键技术和安全防范措施, 实现了安全开采, 回收原设计防水煤柱128.9万吨, 延长了矿井服务年限。
含水层下 篇10
1区块岩石力学参数及应力敏感性试验
目前我国还没有含水层改建储气库的目标库址, 为了使分析结果更具合理性, 笔者以江汉盆地基砂岩含水层为研究对象, 为了测定该区块岩石的弹性模量、泊松比及应力敏感性, 通过对研究区块取出的岩心试样进行室内岩石力学及应力敏感性试验, 岩心尺寸: 直径: 25 mm、高度50 mm。岩心的应力-应变曲线见图1, 试验结果见表1, 应力敏感性试验曲线见图2。
2含水层地下储气库天然气注采运移的流固耦合模型
2. 1应力场控制方程
假设储层骨架变形遵循Terzaghi有效应力原理, 该原理用数学形式可表示为
式 ( 1) 中, σij'为有效应力; σij为总应力; p为孔隙流体压力; δij为Kroneker张量, α 为Biot系数。
1) 应力平衡方程
2) 几何方程:
式 ( 3) 中, U为位移, U = { u v w}T; B为几何矩阵。
3) 本构方程:
式 ( 4) 中, ε 为应变, ε = { εxεyεzγxyγyzγzx}T; D为弹性矩阵。
将式 ( 1) 、式 ( 3) 、式 ( 4) 代入式 ( 2) 得
2. 2渗流场控制方程
假设流体在储层中的流动遵循Darcy渗流并考虑渗流过程中重力、毛管力的影响, 则由质量守恒定律可推导得气、水相渗流方程为
式中, Sw、Sg为水、气相的饱和度; Krc、Krw为气、水相得相对渗透率; μw、μg为水、气相的黏度; φ 为储层孔隙度; qg、qw为源项;▽为Hamilton算子, εv为体积应变。
2. 3储层动态参数模型
2. 3. 1渗透率动态参数模型
通过对岩心应力敏感实验数据进行回归处理, 得到岩心的渗透率与净上覆岩层压力之间的指数关系为
2. 3. 2孔隙度动态参数模型
假设岩体在应力状态 ( σx, σy, σz) 下的体积应变为 εv, 则孔隙度可表示为
当 ΔVs→ 0时, 式 ( 9) 可表示为
3算例分析及计算结果讨论
为了验证本文模型的正确性, 笔者以国内拟建的某砂岩含水层地下储气库注采气过程为例进行研究。含水层储气库为理想封闭边界条件, 储库的平面几何尺寸为2 000 m × 2 000 m × 10 m, 储库中心为注气井, 注采气速度分别为5 ×104m3/ d和1 × 105m3/ d, 注气时间为200 d, 采气100 d, 关井30 d。储库边界上设8口排水井, 排水井的排水量为50 m3/ d, 初始地层压力为10 MPa, 绝对渗透率K = 300 md, 孔隙度 =0. 2, 残余水饱和度为0. 2, 含水层储气库注气取第一次升压曲线, 采气取第一次降压曲线, 然后依次类推。储层物性参数见表2, 计算模型见图3, 计算结果见图4和图5。
图4为注气末储层压力正交切面分布图。图5为耦合渗流模型与传统渗流模型计算结果对比曲线图。从图中可以看出, 考虑耦合作用下的储气库注气末地层压力比不考虑耦合作用下的地层压力高1. 04 MPa, 这是由于地下储气库在实际注采运行过程中, 天然气的强注强采使得储层介质发生不完全可逆变形, 对储层渗透率和孔隙度造成不可恢复伤害的缘故。
3. 1含水层地下储气库天然气运移规律影响因素分析
为了得到储层渗透率、储层厚度、注入速率和排水量等参数对含水层地下储气库天然气运移规律的影响, 笔者利用本文模型分别对上述参数取不同值计算天然气在注采过程中含气饱和度与水平距离的变化规律, 计算结果如图6所示。
图6 ( a) 为不同渗透率时含气饱和度与水平距离的关系曲线。从图中可以看出, 在累计注气量一定的情况下, 含气饱和度随着渗透率增大而增大, 例如, 在水平距离为20 m时渗透率从50 mD增加到500 mD, 含气饱和度从0. 47增加到0. 53, 增加了12. 89% 。这是由于储层渗透性越好, 气、水重力分异作用越能够得到充分发挥的缘故。
图6 ( b) 为不同储层厚度时含气饱和度与水平距离的关系曲线。从图中可以看出, 在累计注气量一定的情况下, 含气饱和度随着储层厚度的增大而减小, 例如, 在水平距离为20 m时储层厚度从5 m增加到20 m, 含气饱和度从0. 57减小到0. 43, 减小了24. 57%。尽管储层的含气饱和度有所降低, 但此时储层气水过渡带宽度则随着储层厚度的增加而大大减小。例如, 储层厚度从5 m增加到20 m, 气水过渡带宽度从132. 5 m减小到62. 7 m, 减小了52. 7% 。同时, 储层厚度较薄易造成严重的憋压现象, 对储层的密封性非常不利。
图6 ( c) 为不同注气速率时含气饱和度与水平距离的变化曲线。从图中可以看出, 在累计注气量一定的情况下, 含气饱和度随着渗透率增大而增大, 例如, 在水平距离为20 m时注气速率从0. 5 × 105m3/ d增加到4 × 105m3/ d, 含气饱和度从0. 49增加到0. 72, 增加了46. 9%。
图6 ( d) 为不同排水量时含气饱和度与水平距离的变化曲线。从图中可以看出, 在累计注气量一定的情况下, 含气饱和度随着排水量的增加变化不明显。
4结论
( 1) 基于多孔介质弹性力学和渗流力学理论, 建立了含水层型地下储气库天然气注采运移的流固耦合数学模型。首先通过对研究区块岩心开展三轴试验和应力敏感性试验得到储盖层的岩石力学参数和渗透率随有效应力的关系曲线, 在此基础上建立了凹陷含水层地下储气库计算模型, 对江陵凹陷砂岩含水层地下储气库天然气注采运移开展数值模拟研究, 对比了流固耦合模型与传统渗流模型的计算精度, 并重点讨论了储层渗透率、储层厚度、注入速率和排水量等参数对天然气运移规律的影响。
( 2) 计算结果表明: 本文建立的流固耦合模型与传统渗流模型的计算结果具有较好的一致性, 考虑流固耦合作用比非耦合作用下的储层压力增加1. 04 MPa。含气饱和度随着储层渗透率和注入速率的增加而非线性增大, 随着储层厚度的增大而非线性减小, 随着排水量的增加影响不明显。
摘要：针对地下储气库天然气注采运移过程中较少考虑应力场与渗流场相互耦合作用的不足, 基于多孔介质弹性力学和渗流力学理论, 建立了含水层型地下储气库天然气注采运移的流固耦合数学模型。首先通过对研究区块岩心开展三轴试验和应力敏感性试验得到储盖层的岩石力学参数和渗透率与有效应力的关系曲线, 在此基础上建立了含水层地下储气库计算模型并对储气库天然气注采运移开展数值模拟研究, 对比了耦合模型与传统渗流模型的计算精度;并重点讨论了储层渗透率、储层厚度、注入速率和排水量等参数对天然气运移规律的影响。计算结果表明:建立的流固耦合模型与传统渗流模型的计算结果具有较好的一致性, 考虑流固耦合作用比非耦合作用下的储层压力增加1.04 MPa。含气饱和度随着储层渗透率和注入速率的增加而非线性增大, 随着储层厚度的增大而非线性减小, 随着排水量的增加影响不明显。
关键词：含水层,地下储气库,天然气,运移,数值模拟
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桥面防水层施工技术总结 篇11
关键词:桥面防水层;施工技术
中图分类号:U443文献标识码:A文章编号:1000-8136(2010)05-0063-02
桥面防水层设置在沥青混凝土铺装层与桥面水泥混凝土铺装层之间,以保证桥面上的水不渗漏入混凝土结构,腐蚀钢筋并降低混凝土强度,从而确保桥梁结构的使用寿命。此外,防水层在低温时要有较好的弹性和塑性,在高温时要有足够的强度和稳定性,在实际应用中要有良好的抗老化能力。HUT-1改性沥青桥面防水涂料能够同时满足以上多方面的要求。
1 HUT-1改性沥青桥面防水层施工技术要求
(1)桥面防水层应覆盖整个混凝土桥面,防水层为两道防线,第一道喷涂水泥混凝土表面防水剂2遍,第二道喷涂桥面防水涂料2~4遍,防水涂膜厚度平均不超过2 mm为宜。
(2)防水层应具有良好的耐久性,至少应有不低于桥面沥青铺装层使用年限的寿命(约8～10年)。并能适应高架桥动荷载抗压、抗拉的特点,当混凝土桥面板开裂≤2 mm时,防水涂膜变形仍应满足不拉裂的需要,以保证防水要求。
(3)在环境条件-15℃～+90℃范围内仍能满足第二条的要求。同时,在经受沥青层应摊铺温度约160℃后,不影响其长期耐久使用性时。防水涂层与其上沥青混凝土铺装层应有相融性,二者之间的黏结力不低于沥青混凝土铺装层与混凝土桥面之间的黏结力,层间抗剪强度25℃,≥1.5 MPa,35℃≥1 MPa。
(4)喷涂水泥混凝土表面防水剂,应保证防水剂能够渗入桥面混凝土10 mm以上,提高混凝土抗渗性>0.2 MPa。
(5)防水涂层对混凝土桥面板亦应具有良好的黏结性,以保证沥青铺装层黏结力的需要,并在粗糙桥面板上具有良好的密贴性,防水层黏结后不得夹有空气层。
(6)防水层抗渗要求应在0.3 MPa以上。
(7)防水施工应便于操作,满足大桥工期安排的要求。
2 桥面防水层施工工序
2.1 桥面拉毛
为提高防水层和沥青混凝土铺装层同混凝土桥面板之间抗剪强度,混凝土桥面板要进行拉毛处理。试验表明,混凝土表面是自然平整面,抗剪强度很难达到要求,经过适当拉毛处理后,防水层和沥青混凝土铺装层同混凝土界面的嵌锁力和摩阻力都有很大提高。因此其抗剪强度均可超出规定要求,这样就为路面车辆行驶后长时间内不出现起皱、裂缝创造良好的条件。
桥面混凝土具体拉毛要求为:拉毛深度3 mm,宽度4 mm,相邻拉毛净距24 mm。
2.2 混凝土桥面清洁
(1)混凝土桥面拉毛处理后要保持桥面干净,不得在桥面上拌合混凝土和砂浆。
(2)防撞墙浇注混凝土时,应防止混凝土撒落桥面上,万一撒落应及时清除掉。
(3)一般不允许运送混凝土和砂浆的车子,从已拉毛处理过的混凝土桥面上通过,必须通过时,应采取措施防止抛撒混凝土和漏浆。
(4)防撞墙折模后,应彻底清除防撞墙和混凝土桥面交接部位的木模、钢筋、铁丝等杂物。
(5)在混凝土桥面上的施工机械,应防止漏油,污染混凝土桥面。
2.3 喷涂桥面混凝土防水抗渗剂
(1)在施工部位用自来水或清洁水冲洗表面浮灰,井喷洒足量的水使基层混凝土完全润湿。
(2)待基层清洗湿润后,表面无浮水时,喷涂防水剂于基层表面。当防水剂渗入基层内部,表面无明显湿润状态时,在喷涂第二遍防水剂。
(3)喷涂第二遍防水剂后,应有专人负责观察涂层蒸发情况。约2 h~3 h后,防水剂涂层将要干燥时(一面干饱和状态),应立即用喷雾器喷洒清水,以湿润表面为准,不宜过多,以免防水剂流失。这样连续喷水养护24 h,即完成此道工序。
2.4 喷涂HUT-1改性沥青桥面防水涂料
2.4.1 基层清理
喷涂桥面防水涂料前,首先凿除混凝土浮浆,平整凹凸不平处,清除油污、垃圾等。然后彻底清扫基面,再用吹尘器把基面吹干净。
2.4.2 喷涂桥面防水涂料
喷涂桥面防水涂料第一层时,要在涂料中掺加一定量的表面活性剂溶液进行稀释,以促使涂料渗入基层毛细孔隙以提高防水层的黏结强度和抗剪强度。喷涂第二、三、四遍涂料,要待上一遍涂料凉干后才能喷涂。
2.4.3 局部涂刷
为避免涂料污染防撞墙,在喷涂桥面防水涂料时,有两人执挡布护住防撞墙,因此防撞墙底部防水层,是采取人工涂刷的。
3 桥面防水层施工质量标准
(1)基层处理要求平整、干燥。拉毛符合设计要求,表面无垃圾、浮浆、污渍。
(2)防水层宽度误差在正负2 mm以内。
(3)防水层黏贴牢固,表面平整,无空鼓、脱落、翘边等缺陷。
(4)防水层实干后7 d蓄水试验,水高5 cm~10 cm,蓄水时间不少于24 d,应无渗漏。
4 施工注意事项
(1)涂料使用前应搅拌均匀。
(2)下雨时不能进行防水层施工。
(3)施工过程中,严禁乱踩未干的防水层。
(4)防水层做完后,在沥青混凝土铺装层未上以前要严加保护,防水层实干后,可在其上开行10 t以下汽车,但不得在其上打弯、倒车、急刹车等。10 t以下货车、铲车、吊车等禁止通行。
实践证明,通过设置HUT-1改性沥青桥面防水层,能够有效避免混凝土桥面渗漏水,从而保证了桥面结构的使用寿命。
Bridge Floor Waterproof Layer Construction Technique Summary
Li Baorong
Abstract: The waterproof layer must have enough seals the water performance,and must has with between the bridge floor concretes and the asphalt concrete good coheres the intensity as well as the shearing strength,meets the highway bridge floor dispatch driving need.
含水层下 篇12
蒙阳煤矿位于越南北部山区, 煤层较厚、倾角较大。近地表煤层露头沿线均有老窑采空区分布, 且多与地表连通, 地表水是其主要补给水源。
在山区进行电法勘探时, 常常遇到地表面起伏不平、围岩电性分布不均匀、岩石导电性各向异性的情况[1]。这些复杂情况的存在改变了电场分布的状况, 导致视电阻率曲线发生严重畸变, 产生形似高、低阻体的假异常, 使观测结果的解释推断复杂化。有时甚至会掩没掉地质异常, 或歪曲地质异常, 造成地质体异常形态的畸变和位置的偏移。因此针对蒙阳煤矿具体的地质情况, 分析各种干扰因素的影响特征及其消除, 对提高高密度电法勘探的地质效果极为重要。
1 老窑采空区的地球物理特征
G9煤层为蒙阳矿区井田的主要可采煤层, 厚为5.5～6.5 m, 层位稳定, 全区可采。地表地形起伏较大, 向斜、背斜交替分布, 岩层倾角大, 特别是露头部分, 倾角大于45°, 地质构造主要为断层, 露头沿线均被老窑开采。区内电阻率以煤层最高, 老窑水最低, 各岩层电阻率特征见表1。
当岩层中有各种松散的裂隙、孔隙存在, 含有地下水时, 将会改变原来的物理特性, 使其电阻率急剧下降。对于老窑沿露头开采后留下的采空区, 含积水采空区会表现为低阻异常特征, 而不充水采空区无论塌陷与否, 会表现为高阻异常特征。这是利用高密度电法探测采空区的物性前提。
2 复杂条件对高密度电法勘探的影响及其消除
2.1 电性不均匀体影响的消除
地表受采掘破坏的影响, 覆盖层岩土体的矿物成分、结构、含水等情况的改变, 将引起岩土体电阻率的变化, 造成地下电流场分布的变化, 从而在电法的观测结果中形成干扰异常。ρs比值法可以消除局部电性不均匀及高阻薄脉状电性不均匀体的干扰影响, 并能保留较大规模的良导性地质异常。
高密度电法常用的一类比值参数[2,3]是利用温纳β和γ装置的测量结果组合而成的, 记录点取在第i号测点。比值参数Ts定义如下:
式中:ρβs (i) 为温纳β装置在第i号测点的视电阻率;ργs (i) 为温纳γ装置在第i号测点的视电阻率。
对于均匀介质, 有ρβs=ργs, 则Ts=1。对于水平层状介质, 由于β和γ装置的勘探深度不同, 所以在相同的极距条件下, 一般有ρβs≠ργs, 即Ts≠1, 而且随着各层电阻率大小关系的不同, Ts比值亦有相应的变化。如果温纳三电位电极系的视电阻率曲线畸变严重, 则Ts曲线的解释将变得十分复杂。这种情况下需要对原始视电阻率曲线进行温纳扩展偏置滤波, 滤波后的结果再进行组合求取比值参数Ts, 可使Ts剖面曲线简化, 有助于资料的进一步解释。
2.2 地形起伏影响的校正
在山区开展高密度电法工作时, 由于地面起伏不平, 地下电场的分布发生改变, 从而异常特征与地质异常体之间的关系都和水平地表条件下的规律不大相同。而自然环境中地形起伏的状况又是千变万化, 随地而异的。地形不平将使高密度电法观测结果中既包含有地质异常体作用又包含有地形影响。
比值法[4]校正地形影响的实质是:将地下作为均匀介质进行保角映射, 把Z平面的水平等距点映射为W平面的水平线上不等距点。地形校正后的异常曲线, 可看作是W平面水平地面上以不等距测点观测的结果。在均匀介质条件下, 直流电法的比值法校正地形影响的公式如下:
ρ校
式中:ρ校s为校正后的视电阻率;ρ实s为实测视电阻率;ρ地s为纯地形视电阻率;ρ1为背景场视电阻率。
采用比值法消除地形影响的关键是事先根据实际地形确定地形影响值的大小。将实测剖面各测点的ρ实s值与地形影响值相比, 当地下无地质异常体时, 校正曲线是ρs=ρ1的1条直线, 完全消除了地形影响;当地下有地质异常体时, 校正曲线近似地消除或削弱了地形影响, 突出了地质异常体。
3 应用实例
3.1 地形特征及测线布置
越南蒙阳煤矿G9煤层露头地形复杂, 在布置的3条测线上, 地形高差最大达28 m。第1条测线高程在+37.5～+30.2 m, 共布置了60根电极, 其间距5 m, 测线长约295 m, 见图1。
第2条测线高程在+104.0～+94.0 m, 共布置了35根电极, 其间距5 m, 测线长约170 m, 见图2。
第3条测线高程在+119.0～+91.0 m, 共布置了60根电极, 其间距5 m, 测线长约295 m, 见图3。
3.2 探测结果
第1条测线长约295 m, 探测深度约60 m。在探测剖面范围内主要分布有3个低阻异常区, 其中, 1号异常区分布在测线上90～160 m, 标高+25～-10 m, 推断为老窑采空区影响, 积水;2号异常区分布在测线上165～190 m, 标高+28～+20 m, 含水;3号异常区分布在测线上195～250 m, 标高+25～+13 m, 含水, 见图4。
第2条测线长约170 m, 探测深度约36 m。在探测剖面范围内主要分布有1个低阻异常区, 分布在测线上105～155 m, 标高+92～+76 m, 含水, 见图5。
第3条测线长约295 m, 探测深度约55 m。在探测剖面范围内主要分布有3个低阻异常区, 其中, 1号异常区分布在测线上15～95 m, 标高+95～+67 m, 推断为老窑采空区影响, 含水;2号异常区分布在测线上165～195 m, 标高+105～+65 m, 含水;3号异常区分布在测线上215～285 m, 标高+108～+93 m, 含水, 见图6。
由于各低阻异常区均为含水或积水区域, 其水源主要由地面补给, 会随雨季的到来, 降雨量的增加, 含水转化为积水, 积水量增加;同时, 又会随旱季的到来, 降雨量的减少, 积水转化为含水, 积水量减少。
4 结论
高密度电法是探测积水老窑采空区范围的重要地球物理手段之一。采用比值法进行电性不均匀影响的消除和地形改正, 克服了越南蒙阳煤矿复杂地质条件的影响, 探测积水老窑的分布效果理想。
老窑积水区由于与地表沟通, 地表水是其主要补给水源, 因此积水区范围是动态变化的, 即随地表水源的增加而增大, 随地表水源的减少而减小。所探测的老窑积水区范围仅反映了探测时间段内的情况。
参考文献
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