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风成黄土分布于井田北部山梁及低缓的山脊上,主要出露于山顶部及缓坡地段上。
冲洪积物则分布在冲沟中,其厚度小于20米。
这些松散堆积物因分布在较高的位置上或较低的冲沟底部,透水性虽好,但不具储水条件,为透水不含水层。
(二)三叠系中—上统小泉沟群(J2-3xq)弱含水层(Ⅱ)
呈条带状出露于井田的东南,由一套灰褐色、灰黄色的砾岩、砂岩、页岩、泥岩等组成,局部含劣质煤。
井田内出露厚度0—110.83米,据其岩性组合,划分为弱含水层,此层不是本次工作的重点,对井田的水文地质意义不大。
(三)中侏罗统西山窑组(J2x)弱含水层(Ⅲ)
出露于井田的北部边缘,其岩性由泥质粉砂岩、细砂岩、砂砾岩、泥岩及煤互层组成,地下水赋存在岩层的孔隙裂隙中。
据岩性组合,此层为弱含水层。
(四)下侏罗统三工河组(J1s)相对隔水层(Ⅳ)
呈条带状分布于井田的中北部,由泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩组成,井田内控制厚度60.6—149.18米,由于它被夹于Ⅲ、Ⅴ含水层之间,阻隔了二者之间的水力联系,为良好的相对隔水层。
(五)下侏罗统八道湾组(J1b)弱含水层(V)
呈带状出露于井田中部,伏于第Ⅳ隔水层之下,岩性以泥岩、粉砂岩夹中砂岩和煤层,此层为本次工作的重点。
据《新疆乌苏市巴音沟农七师电力公司红山煤矿四井田详查报告》中ZK3—1孔抽水试验的结果:
钻孔单位涌水量为0.0198升/秒·
米,渗透系数0.0265米/日,富水性弱,水化学类型属Cl·
SO4·
HCO3—Na型,pH值为7.90,溶解性总固体为3.53克/升。
四、地下水与地表水及各含水层之间的水力联系
井田内无常年流动的地表水流,地下水的补给主要依赖于大气降水及雪融水。
位于井田东部的头道河子河,其河床水位标高为1200—1350米,井田内ZK202、ZK301孔的水位标高分别为1631.03米、1563.56米,均高于头道海子河床水位,在自然状态下地下水补给河水。
由于第Ⅳ相对隔水层的存在,它形似一堵挡水墙,使得原本富水的第Ⅲ与第V弱含水层失去了水力联系。
从区域水文资料及本次工作的结果可说明这一点。
因此,第Ⅲ和第V含水层之间无水力联系,而第Ⅱ含水层位于井田的东南,它对井田地下水的形成水文地质意义不大。
五、地下水化学特征
井田东部的头道河子河的水化学类型为HCO3·
SO4—Ca型,pH值8.12,溶解性总固体为191.6毫克/升,为淡水。
在井田立井中所采矿井水的水化学类型为Cl·
HCO3—Na型,pH值为7.90,溶解性总固体为3533.0毫克/升,为咸水。
以上资料说明,地下水由西往东运移的过程中,水化学特征有一明显的变化过程。
河水由于运移速度快,有利于离子交换,溶解性总固体小于1克/升,水质好。
而赋存于岩层中的地下水,岩石裂隙不甚发育,且泥质充填较多,地层渗透性相比前者差,径流条件不佳,溶解性总固体为3533.0毫克/升,其值大于1克/升,水质较差。
六、地下水补给、径流、排泄条件
通过对区域水文地质条件的了解和认识,结合井田水文地质条件,可知井田地下水的补给主要源为于大气降水及雪融水,它通过地表岩石的风化、构造裂隙顺层补给地下,形成井田内的孔隙裂隙微承压水。
本次工作设计的ZK202孔及ZK301钻孔的水位标高分别为1631.03米、1563.56米,据此可说明井田地下水的运移方向为由西向东。
地下水在运移过程中,受地层结构的影响,速度迟缓,几乎处于停滞状态,反应到水化学特征上,则表现为溶解性总固体(矿化度)偏高,多为咸水。
排泄是径流的延续,径流的过程也是不断排泄的过程。
位于井田东部的头道河子河是井田地下水排泄的主要途径之一。
另外,矿坑疏干排水亦将是井田地下水排泄的方式之一。
七、矿床充水条件分析
(一)矿床充水因素分析
根据矿床在井田内的分布情况、井田水文地质条件以及区域水文地质条件,确认影响井田矿床充水的主要因素为岩性、构造、降水及地表暂时性水流,现分述如下:
1、岩性
通过钻孔对本地区内深部控制的情况看,由于侏罗系地层由泥岩夹砂岩及煤组成,这种多韵律结构决定了地层岩性渗透性差,水交替缓慢,再加之井田内无常年流动的地表水流,无补给水源,因此,地层岩性不利于对矿床充水。
2、构造
井田内煤层位于背斜的北翼,无断层经过,因此,构造对井田地下水的形成影响甚微,即构造将不成为矿床开拓的充水因素。
3、降水
下侏罗统八道湾组(J1b)为一套含煤碎屑沉积岩。
泥岩、粉砂岩柔软不透水,经风化后,地表坡度较大;
砂岩坚硬且厚度较大,地表以陡坎状出露,接受降水面积甚微,降水易形成表流,因此对接受降水补给不利。
4、暂时性地表水流
暂时性地表水流具有时间短,流量大之特点,对矿床充水意义主要表现在冲毁矿山设施,直接灌入矿井,而对地层渗透补给意义不大。
因此,在开发初期应加强观测,寻觅洪流周期与迳流途径,从而正确设计开发矿山设施的摆布,以及井、坑口位置。
(二)矿床充水途径
1、当煤层开采时,岩层必然造成坍塌、陷落,致使单个含水层相互连通,形成一个直接充水的含水段。
2、在未来采煤过程中形成的大面积采空区、未来陷落、冒落范围内,将有可能出现暂时性地表洪流直接灌入,因此,必须首选合适的井口位置并采用最有效的开采方式,避免大面积陷落区的形成,或缩小陷落范围,防止洪流对塌陷区的灌入。
3.煤层火烧形成烧变岩之后,其裂隙发育,大气降水,雪融水易在此停留,形成烧变岩裂隙潜水,因此,烧变岩是矿床充水的另一途径。
矿业权益人应特别注意开采井田东部的A4煤层时,应留足相应的防水煤柱,并做到“有疑必探,先探后采”。
第二节矿坑涌水量预算
一、预算原则
(一)根据规范要求,矿坑涌水量预算范围为初期采区332资源量第一开拓水平以上的范围,即:
Ⅱ、Ⅲ勘探线之间与A4煤层露头及A4煤层1400米水平在地面的投影线之间的范围。
(二)井田地下水类型为微承压水,在未来矿井疏干过程中,承压水都将转化为无压水,所以计算时全部按承压转无压处理。
(三)由于气象、地形地貌、地层岩性及构造的因素,大气降水对地下水补给甚微,因此,预算时降水补给量可忽略不计。
二、预算方法
(一)大井法
1、计算方法
利用坑道系统的长度(a)与宽度(b)比值大小,来查表确定引用半径r0之后,再利用大井法预算矿井涌水量。
初期采区东西长1145米,南北宽Ⅱ线243米,Ⅲ线222米,平均233米,b与a的比值为0.20,可采用大井法进行预算。
2、计算公式的选择
选用承压转无压水的计算公式:
Q=1.366K
式中:
Q—拟建新井的涌水量(米3/日);
K—渗透系数(米/日);
H—承压水从井底算起的水头高度(米);
M—承压含水层厚度(米);
r0—引用半径(米);
R0—引用影响半径(米)。
3、计算参数的选用
(1)渗透系数(k)
采用ZK3—1孔抽水试验的渗透系数0.0265米/日,作为矿井涌水量预算的含水层渗透系数。
(2)承压水从井底算起的水头高度(H)
①水位标高值采用ZK202孔、ZK301孔的水位标高的平均值,其水位标高分别为1631.03米、1563.56米,平均1597.30米。
②承压水从井底算起的水头高度(H),采用平均水位标高1597.30米与第一开采水平标高1400米之差,即197.30米。
(3)承压含水层厚度(M)
1)含水层厚度采用第V含水层剔除泥岩后的中~粗砂岩、细砂岩的真厚度之和。
2)含水层厚度计算值采用ZK202、ZK301孔揭露第V含水层真厚度的平均值作为计算参数,上述二孔含水层真厚度分别为24.61米、56.66米,平均40.64米。
(4)引用半径(r0)
r0=η
坑道系统a=1145米b=233米
∵
=0.20∴η=1.12
r0=1.12
=385.84米
(5)引用影响半径(R0)
R0=r0+RR=2S
∵疏干后S=H=197.30米
∴R=2×
197.30×
=902.28米
R0=385.84+902.28
=1288.12米
4、计算结果
已知:
K=0.0265米/日;
H=197.30米;
M=40.64米;
r0=385.84米;
R0=1288.12米
代入公式
=1.366×
0.0265
=994.60米3/日
三、预算结果评述
通过上述两种方法对矿坑涌水量的预算可知:
大井法的预算结果为994.60立方米/日,此预算结果说明井田煤系地层富水性不丰富。
在今后的设计、开发阶段,建议采用大井法的预算结果作为矿坑排水的参考依据。
第三节供水水源
为解决未来矿井生产、生活用水的问题,需选择合理的水源(地),并对供水水源进行生活用水、锅炉用水的水质评价,最终指出可为井田提供服务的供水方向。
一、水源(地)的选择
位于井田东部4千米的头道河子河,其河水来自于区域南部雪融水。
该河是一条常年性河流,据八音沟河喇嘛庙水文站1980—1987年的资料,该河7、8月为丰水期,最大流量达143米3/秒;
每年3—5月及10、11月为枯水期,最小流量0—1.15米3/秒。
年径流量为2.61—3.45亿立方米,水量充沛,为理想的供水水源。
二、水质评价
(一)生活用水水质评价
头道河子河水化学类型为HCO3·
SO4—Ca型。
溶解性总固体(矿化度)为191.6毫克/升,pH值8.12。
依照《生活饮用水卫生标准》中的相关规定,这条河水的感官、化学指标等规定项目的测试结果(见附表)符合标准要求,水质好,为良好的供水水源。
(二)锅炉用水水质评价
据水质分析成果(见附表),锅炉用水水质评价结果见表Ⅴ—1。
锅炉用水水质评价成果表表Ⅴ—1
取样
地点
锅垢总量(H0)
(mg/L)
硬锅垢
重量
(Hn)
锅垢
系数
(Kn)
起泡
(F)
腐蚀作用
腐蚀系数
(Kk)
Kk+0.0503
Ca2+
头道河子河
128
70.52
0.55
31.94
-1.1592
0.86
按锅炉用水水质评价指标(见《水文地质手册》771页),头道河子河水为锅垢少、具中等—硬沉淀物、不起泡、半腐蚀性的水。
第四节环境地质
一、工作区环境地质现状及预测
工作区地形属低中山,产状北倾,岩层露头裸露,第四系覆盖分布不规则,通过调查,工作区内未发生过如滑坡、崩塌和泥石流之类的物理地质现象,自然因素对地质环境的影响很少。
在未来开发过程中,人为因素可能对未来地质环境带来一定影响和破坏,如矿坑水的不合理排放、采空区放顶后未及时回填形成的塌陷坑、煤尘对空气的污染等,这些因素若发生势必会改变工作区地质环境,甚至会严重影响自然生态环境。
二、地下水及煤的有害组份质量评述
由立井所采矿井水的水质分析结果可知:
氯离子含量为748.0毫克/升,硫酸根离子含量1013.4毫克/升,pH值7.90。
按照GB3838—88《地面环境质量标准》中有关规定,氯离子、硫酸根离子含量均超出规定的标准(Clˉ≤250毫克/升、SO2-4≤250毫克/升)。
按标准中第V类水的要求,未来矿井的矿坑水不宜随意排放到地面,避免造成对农业灌溉、草场等用水区的环境污染。
通过对A4煤层采样分析,有害组份综合评价的结果为:
硫的测试结果除QJ—2浅井中一个样点大于1%为1.24%,属低硫煤之外,其它均未超过1%,总体属特低硫煤;
磷的测试结果在0.0023%—0.053%之间,个别点达到中磷,属低磷—中磷。
三、工作区地质环境质量评价
通过对工作区地质环境的调查,区内无大的地质隐患如滑坡、崩塌等物理地质现象。
工作区内无地表水流,属缺水区。
地下水中氯、硫酸根离子含量均超出标准要求,矿坑水的排放对未来的地质环境将带来一定的影响。
煤的有害组份中硫的测试结果大多未超过1%,属特低硫煤;
磷的测试结果在0.003%—0.053%之间,总体为低—中磷煤。
在上述现存的环境地质条件中,无其它环境地质隐患,工作区地质环境综合评价为质量中等。
第五节小结
一、井田水文地质类型
井田地形属低中山地形,基岩裸露,第四系覆盖较少,地势总体南高北低,西高东低,地形有利于自然排水。
井田内无常年流动的地表水流,气候干燥,蒸发强于降水。
第一开拓水平(1400米)矿床位于当地侵蚀基准面(东界外头道河子河1200—1350米)之上,矿床充水主要源于第V含水层孔隙裂隙弱含水层。
充水方式为顶底板间接进水。
据ZK3—1孔抽水试验资料:
单位涌水量(q)为0.0198升/秒·
米(q<
0.1升/秒·
米),渗透系数(K)为0.0265米/日。
利用大井法预算的矿井涌水量值为994.60立方米/日。
由此可知:
第V含水层透水性差,富水性较弱,井田属水文地质条件简单、顶底板间接进水为主的矿床。
二、工作建议及注意事项
井田即将营运并投入生产,通过本次水文地质工作以下对今后的工作提几点建议及注意事项:
(一)在巷道、采空区等地应保留足够的保安煤柱,以预防突水、冒顶、片帮等现象的发生,同时采空区放顶后应及时回填,避免地表陷落,洪水侵入。
(二)井田位于沙湾地区,根据建筑抗震设计规范(GB50011—2001)。
沙湾地区的抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.15g。
(三)A4煤层在井田东部火烧,矿业权益人应特别注意火烧积水对正常开采带来的影响,做到“有疑必探,先探后采”。
三、存在的不足
(一)仅采用大井法进行了矿井涌水量的预算,方法单一。
矿井投入生产之后,应加强矿井疏干排水的观测及记录,以便于今后工作时使用。
(二)文中所用气象、水文资料年代较早,为了能更客观地说明井田及邻区的气象、水文情况,在今后的工作中,应加强搜集近期井田邻区的气象、水文资料。
第六章其它开采技术条件
第一节岩组工程地质特征
一、工程地质岩组的划分
井田内主要有第四系松散岩类和侏罗系沉积碎屑岩类两大类。
按岩石坚固性,前者为松散岩组,后者为软质岩组。
各工程地质岩组分布与厚度因与地层划分一致。
其分布、厚度详见第三章,在此不再赘述。
二、工程地质岩组的特征
据上述岩组的划分,现将井田内各岩组的工程地质特征综合于表Ⅵ—1。
第二节A4煤层顶底板稳固性评价
一、煤层顶底板岩性特征
A4煤层的顶板岩石为泥岩、含炭泥岩、粉砂岩。
泥岩、含炭泥岩、粉砂岩,为泥质、粉砂质结构,含钙质、炭质,薄层~中厚层状构造,常见有水平层理、缓波状层理,岩石较软。
A4煤层的底板岩性为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、含炭泥岩、炭质泥岩、泥岩、粉砂岩。
粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、含炭泥岩、炭质泥岩、泥岩、粉砂岩,泥质、粉砂质结构,含炭质,薄层~中厚层状构造,见水平层理,岩石较软。
泥岩、泥质粉砂岩是组成井田A4煤层底板岩石的主要岩性。
二、A4煤层顶底板稳固性评价
为了查明井田内的A4煤层顶底板岩石的工程地质特征,本次工作分别在ZK202、ZK301孔中采集了A4煤层顶底板岩石物理力学试验样,其物理力学试验成果见表Ⅵ—2。
奎屯红山煤矿四号井岩石物理力学试验成果表表Ⅵ-2
采样位置
岩石
名称
比重
(g/cm3)
天然容重
孔隙率
(%)
吸水率
单向抗压强度(Mpa)
天然状态抗拉强度
(Mpa)
天然状态直剪切强度
软化系数
工程
深度
(m)
层位
天然状态
饱和状态
干燥状态
ZK202
200.5-
220.42
A4煤顶板
粉砂岩
2.80
2.50
2.49
16.2
45.7
2.5
3.5
0.35
228.00-
231.00
A4煤底板
粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩
2.60
2.09
6.8
51.7
3.6
65
0.13
ZK301
327-
332
粉砂质泥岩
2.94
11.56
1.63
8.2
47.1
3.9
9.3
0.17
由表Ⅵ~2可知:
当粉砂岩作为A4煤层的顶板时,在饱和状态下,抗压强度值为16.2Mpa,属次软质岩石(5—30Mpa),其软化系数为0.35,小于0.75,属易软化的岩石;
而其底板在此状态下的抗压强度为6.8—8.2Mpa,亦属次软质岩石,软化系数为0.13—0.17,属极易软化的岩石。
A4煤层顶底板的抗拉强度为2.5—3.9Mpa,符合经验值1.4~5.2Mpa。
直剪切强度3.5—9.3Mpa,说明A4煤层顶底板岩石抗折断的能力一般。
通过上述对A4煤层顶底板岩石力学性质的定量、定性分析,按《岩石地下建筑技术措施》“围岩分类表”,井田内A4煤层顶底板稳固性较差。
因此,在今后开采此煤层的过程中,应加强对A4煤层顶板的管理力度,同时还特别强调防止A4煤层底板底鼓现象的发生,特别在采区跨度大于10米时,应及时进行支护,严防顶板坍塌冒顶。
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