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1、第四系底界粘土岩性对提高开采上限的影响分析 1概况 淄博矿业集团公司在济(宁)北矿区建成投产的许可厂、贷庄、葛亭煤矿,现在全部开采下二迭统山西组3(3上或3下)层煤,在矿井不同范围内,3煤层与四系底界间距较小,局部更有煤层露头直接伏于第四系之下,开采过程中,采煤工作面的导水裂隙带可达第四系之中,受到第四系水的威胁,在建井地质报告中,上级批复的基岩防水保护煤柱为60m,按此要求进行,防水煤柱总压覆资源里将达3716.5万t。 为了合理开发利用煤炭资源,延长矿井服务年限,提高经济效益,自1998年开始,各矿通过各种手段和方法,主要针对第四系底界粘土层进行补充勘探,利用第四系底界粘土层与基岩共同作用
2、作为防水煤岩柱,开展了提高开采上限研究工作。 1.1第四系沉积特点 济(宁)北矿区属于济宁煤田。第四系属冲积河,湖相沉积地层,与基岩呈不整合接触。其特点:一是厚度大,存度变化也大,在许厂、岱庄、葛亭井范围内,从127.1282.74m;二是含隔水层大多相间沉积;三是第四系沉积所处的冲积、洪积扇部位不同而富水性各有差异。济宁煤田处于泗河冲积、洪积扇前沿,第四系总厚度加厚,但砂层粒度较细,含水层变少而隔水层增多。第四系下组砂砾层含水性弱到等,砂砾层下有较稳定的厚层含水性弱到中等,砂砾层下有较稳定的厚层状粘土、砂质粘土及石膏粘土,隔离砂砾层与基岩接触,使之与基岩含水层联系不密切。 1.2第四系地质水
3、文特征 按照富水性、沉积特征及岩性组合不同,第四系可划分上、中下3组。 (1)上组:厚度58.9173.9m,平均98.06m。岩性以暗黄色砂质粘土及中、细粒砂为主,含砂量达42%49.5%,透水性好,单位涌水量仍在2.2910.33L/gm,渗透系数最大可以达到30.165m/d,本组为富水性强的孔隙含水层。 (2)中组:厚度24.5125.1m,平均68.03m,岩性以褐色粘土及粘土质砂为主,粘土层隔水性能良好,钻孔由于长期风化,含粘土量高达25%,透水性也变弱,本组为相对隔水层。 (3)下组:厚度25.192.5m,平均58.95m,又可分为上下两段。上段:厚度7.550.5m,平均27
4、.05m。岩性主要为灰白色粘土长石、石英砂砾岩,夹灰绿、灰白粘土,粘土质砂砾岩层占本段厚度的72%。含水层主要为中细砂层,单位涌水量在0.43!0.848L/sm,渗透透系数在1.00114.0514m/d,属中等含水层。下段:厚度1.463.27m,平均28.91m。岩性主要以灰绿、灰白杂色粘土岩为主,偶含固结较好的粘土质砂砾岩,底部普遍分布石膏粘土岩,粘土层占未段的90%,厚度大且分布连续,粘土层与砂质粘土的塑料性指数为17.731.8,单位涌水量在0.0008780.0139L/ sm,渗透系数在0.031250.723m/d,是良好的隔水层。下段:厚度1.463.27m,平均28.91
5、m。岩性主要以灰绿、灰白杂色粘土岩为主,偶含固结较好的粘土质砂砾岩,底部普遍分布石膏粘土岩,粘土层占本段的90%,厚度大且分布连续,粘土层与砂质粘土的塑性指数为17.731.8,单位涌出量在0.0008780.01319L/sm,渗透系数在0.031250.723m/d,是良好的隔水层。 2研究第四系底界粘土层的目的和要求 提高开采上限的关键在于研究分析第四系底界粘土层的厚度、分布状况、物理力学性质、间隔沉积特征等,从而进一步研究新生界冲积层水透入矿井的条件、途径、与基岩含水层水力联系和制约因素。 2.1粘土层的厚度 第四系底界粘土层厚度大小,直接决定了开采上限提高的程度。虽然不同的煤层开采厚
6、度、不同工艺对其有不同的要求,但只要裂隙带高度发育进入第四系时,必须按规范要求,查明其底界面起伏状态、厚度变化规律,做出等厚线图和底界面等高线图。 2.2粘土层的分布 在第四系沉积过程中,粘土层在层面或立面上,受各种因素影响,有可能出现砂层的“透镜体”或“天窗”,如果砂层的“透镜体”含水,又直接伏于基岩之上且相互之间又能连通,则对提高开采上限是不利的因素。如果砂层的“透镜体”相对独立,含水性极弱底部,还有粘土层间隔,则对提高开采上限不会造成大的影响。 2.3粘土层的物理力学性质 第四系底界粘土层的岩性组份决定了基塑性指数、膨胀率及压缩性,塑性指数、膨胀率及压缩性又决定了粘土层抗采动能力和再生隔
7、水能力,因此,应对粘土层的物理力学性质进取样分析。 2.4粘土层与砂层间隔沉积条件 在第四系底界层中,要分析是以粘土为主,夹有不同厚度砂层,还是以砂层为主,夹有不同厚度粘土层。同时,分析砂层的含水性如何,以便确定开采上限是防水煤柱为主,带是以防砂或防塌煤柱为主。另外,煤层顶板砂岩含水层及其补给条件也应该一并考虑,虽然3煤顶板含水层以静储量为主,经过一段时间释放对工作面的影响大大减弱,但应分析有无受第四系含水层补给的途径和条件。 3分析研究第四系底界粘土层的手段和方法 为了达到相述目的和要求,必须通过综合措施来实现。在实际生产过程中,我们结合原来已有的地质资料,再通过井上下钻孔许工、抽水实验;二
8、维地震非线性反演、二维三分量、物理力学性质分析等,查明了第四系底界粘土层的特性和分布规律。 3.1地面钻探水文补充勘探 以往的矿井勘探钻孔对现分阶段水文分析而言,密度相对较小。在实际开采试验过程中,许厂、葛亭两矿又在地面专门施工了6个钻孔,钻进工程量达1592.77m,先后单孔、群孔抽水12次。补勘以后,基本查明了钻孔控制区域的第四系底界粘土层的厚度、含砂情况及砂层含水情况。许厂煤矿第四系底界粘土层最度在2.7734.22m,而粘土层较薄的区域,基岩的厚度又相对较厚,砂层含水层通过8次抽水,其单位涌水量为0.0023170.002626L/sm,属弱含水层。葛亭煤矿第四系底界粘土层厚度在425
9、5m,砂层含水层经过4次抽水,单位涌水量一般在0.0021580.002636L/sm,也属弱含水层。该巨厚粘土层,为葛亭煤矿提到防塌煤柱创造了条件。 3.2井下钻孔补充勘探 在这3个矿所有涉及提高开采上限的工作面中,均在井下布置了不同数量的仰上孔,以探明基岩的厚度、含中性、第四系底界粘土层的厚度、含砂情况等,总共施工了43个孔,总进尺达2453m,总体达到了200m200m钻孔网度。摸清了第四系底界面的起伏状态、基岩的厚度变化规律。 3.3非线性二维地震反演 第四系底界多为砂、粘土相同沉积的地质结构,由于两者密度与速度的差异波阻抗则不同,其分界面上能形成反射波。非线性反演的目的是控制井间地层
10、地质构造几何形态的细微变化,利用测井资料,通过小波奇数、时频、神经元和分形分析,对非线性地震演参数进行非线性标定,结合岩层地震剖面特征,求出物性参数分布信息。许厂煤矿委托山东物探队,通过对6条地质剖面,结合21条地震测线,1711个物理点,对控制区域的速度、密度、波阻抗进行了3种剖面反演,从面上解释了4工作面区域的第四系底界粘土层的分布沉积规律、厚度变化规律。 3.4二维三分量地震补勘 葛亭煤矿在牵扯提高开采上限的首采区曾经做过三维地震,通过三维地震对浅表土层的高保真处理,提高信噪比,初步确定了第四系底界粘土层是连续分布的。但为了实现对粘土层的精细解释和粘土层内的富水性定性解释,又进行了二维三
11、分量地震勘探工作,完成4条溅线,266个物理点。综合查明了第四系底界粘土层未见“天窗”现象,厚度在4255m,整体形态为一马鞍型,粘土层内富水性较弱。 3.5粘土层物理力学鉴定 为了掌握第四系底界粘土层的物理力学性能,在地面钻孔施工过程中,对底界粘土层先后取了16个岩芯进行送鉴,对密度、孔隙比、液限、塑限、塑性指数、液性指数、凝聚力、膨胀率等10几项指标进行了鉴定,总体主伙底界粘土层属半固结膨胀饱和粘土、液性指数及膨胀率大,有良好的隔水性和再生性。 4实施效果 利用上述方法和手段,济(宁)北矿区的3个矿,自1999年开始已经先后有13个工作面进行了提高开采上限的开采,采出压覆煤量约558万t。许厂煤矿在5m厚煤层综放工作面,已经将开采上限提高到35m左右;葛亭煤矿在煤厚8m的1307综放工作面,利用4255m巨厚粘土层,已经将开采上限提高到2.89m,取得了良好的经济效益和社会效益。 (孙希奎 马光军 徐新启)