窑街煤电三矿

窑街三矿煤田位于甘肃省兰州市红古区窑街镇，其地理坐标为东经102°53′03″，北纬36°24′42″。井田走向长约4.2Km，倾斜宽平均约0.8Km，井田面积为2.99Km2。窑街煤电集团公司三矿地处甘、青两省交界处甘肃侧，东距甘肃省兰州市120Km，西至青海省西宁市124Km。矿区内有专用铁路支线（海窑铁路），由铁运处集配站向南13.7Km到海石湾火车站与兰青铁路接轨；向北25Km经连城铝厂、连城电厂至西北铁合金厂；向东2.5Km到三矿选煤楼装车点。矿区公路向南17Km到海石湾与兰青公路相接；向北66Km至永登县与兰新公路衔接。铁路、公路交通运输十分便利。三矿井田位于窑街煤田中部，基本呈北东—南西向不规则的条带状展布（见图1—1）。窑街煤田交通位置图图1—11.1.2自然地理窑街三矿煤田展布于大通河河谷东侧Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级阶地上，西部及西北部地势比较平坦，东南部、东部及东北部为中山区。海拔标高在1791～2060m之间，大通河自北向南从井田西侧流过，经享堂峡汇入湟水河。窑街矿区属干旱大陆性山地气候，降雨量少，蒸发量大，气候干燥。根据气象资料，年降雨量最小值为198.6mm（1965年），最大值为573.2mm（1967年）。每年降雨多在7、8、9三个月，11、12、1月降雨较少。年蒸发量最小值为1360.9mm（1989年），最大蒸发量为2111.2mm（1965年），年蒸发量是年降雨量的4.6倍。矿区内6、7、8三个月气温较高，12、1、2三个月气温较低。月平均最高气温21.6℃（1961年7月），月平均最低气温-9.2℃（1977年1月）。气温极值：最高气温40.5℃（1956年8月2日），最低气温-22.2矿区多山谷风，根据气象资料，历年最大风速20m/s（1961年7月），历年月内最大风速一般为8～12m/s。根据气象资料，矿区最早冻结日期为11月中旬，最迟解冻日期为次年3月底，历年土壤最大冻结深度为108cm（1977年2月）。大通河为矿区内唯一的常年河流，河水最大流量为1540m3/s，最小流量为7.13m3/s，一般流量为100～200m3/s，最大流速4.74m/s，一般流速窑街在中国主要地震区和地震带上，位于祁连山褶皱系地震带内，祁连山褶皱带内的地震活动性总的来看并不很高，但在某些地段则相当强烈。1995年7月22日发生在永登七山的5.8级地震，窑街、海石湾一带震感强烈，人们至今记忆犹新。根据井田周边区域发生的地震情况（见表1—2）综合分析，本区地震烈度定为八度为宜。窑街矿区外围地震情况简表表1—2地震日期震中位置强度年.月.日历史年代地点北纬东经震级烈度138.0301东汉永和年临洮、民和间36°0′103°12′6九1125.0830宋宣和七年兰州一带36°6103°42′7九1440.1026明正统五年永登、兰州间36°12′103°24′6八1927.0523古浪36°36′102°36′8十一1976.1119天祝37°15′102°50′2.3一.五1990.0425青海共和、兴海6.91990.1020古浪、天祝、景泰6.21995.0722永登七山5.81996.0601天祝抓喜秀龙5.41.2地质特征1.2.1矿区地质地层特征本井田内地层由老到新分别为：中生界三迭系上统永坪组（T3y）；侏罗系中统延安组（J2y）、直罗组（J2z）；新生界新近系上新统保德组(N2b)、第四系中更新统离石组（Q2L）、上更新统萨拉乌苏组（Q3S）、全新统风积层（Q4eol）。区域地层状况如表1-1-1所示；综合柱状参见图1.1.2各地层分述如下：1）三迭系上统永坪组（T3y）本组为煤系沉积基底，本井田地表未见出露，区内钻孔揭露，最大厚度19.23m。岩性为灰绿色巨厚层状细、中粒长石石英砂岩，夹灰绿～黑色泥岩、砂质泥岩。砂岩中含有较多的黑云母、绿泥石矿场，分选与磨园度中等，泥质胶结。大型板状斜层理及槽状、楔形层理发育。泥岩中常见有巨大的枕状、球状菱铁矿结核及包裹体。表1-1-1区域地层一览地层岩性特征厚度/m分布范围界系统新生界第四系全新统(Q4)以现代风积沙为主，主要为中细沙及亚沙土，在河谷滩地地势低洼地带还有冲、洪积层。0~27.4515.49全区大面积分布风积沙；上更新统(Q3)灰黄～褐黑色粉细沙、亚沙土、砂质粘土，底部有砾石。0~67.4519.98分布于沟谷两侧及沟掌一带中更新统(Q2)浅棕黄色～黄褐色亚粘土、亚沙土，夹粉土质沙层、古土壤层、0~75.318.85下更新统(Q1)褐红色～浅肉红色亚粘土、砾石层，夹钙质结核层。0~45.7011.77新近系上新统(N2)棕红色～紫红色粘土或砂质粘土，夹钙质结核层0~69.0419.72主要分布于前石畔井田。中生界侏罗系中统(J2)紫杂～黄绿色泥岩、砂质泥岩、砂岩，底部有时有砂砾岩。0~76.1232.58沿河岸及沟谷有出露浅灰～深灰色砂岩及泥岩、砂质泥岩，含多层可采煤层，是主要含煤地层，可采煤层为2号和3号煤层96.62~243.50174.93下统(J1)紫红、灰紫、灰绿色砂质泥岩为主，夹黑色泥岩、薄煤线、油页岩、石英砂岩，底部为细～巨砾岩。0~23.0015.00三叠系上统(T3)以灰白～灰绿色巨厚层状细中粒长石石英砂岩为主，夹灰黑～蓝灰色泥岩、砂质泥岩，含薄煤线，是含油地层。80~200井田内无出露，为煤系沉积基底图1.1.2地质综合柱状2）侏罗系中统延安组（J2y）本组为含煤地层，假整合于永坪组之上，系一套陆源碎屑沉积，岩性以浅灰白色中、细粒长石砂岩、岩屑长石砂岩、灰～黑色砂质泥岩、泥岩及煤层组成、夹少量钙质砂岩、炭质泥岩及透镜状泥灰岩、枕状、球状菱铁矿结核及膨润土矿层。受直罗期河流冲刷及新生界的剥蚀，上部土层有不同程度的缺失、现存厚度变化较大，变化范围170.52~221.82m，一般平均厚度185m。3）侏罗系中统直罗组（J2z）假整合于延安组地层之上。本组因受后期剥蚀，区内仅存下部地层，仅在井田北部局部分布，厚的0～28.60m，一般厚26.47m。上部为灰绿或兰灰色砂质泥岩、粉砂岩，含菱铁结核。下部为灰白色、局部灰绿色中～粗粒长石砂岩，夹绿灰色泥岩，具大型板状斜层理，或层理不明显，含植物茎叶化石，镜煤团块及黄铁矿结核。4）新近系上新统保德组（N2b）主要分布在黄土梁峁区，厚度0～113.30m，一般厚度102.35m，出露于井田西南角。岩性为浅棕红色粘土、亚粘土，夹多层钙质结核层，结核厚一般0.40m，粘土层厚0.50～2.00m，呈互层状，结构密实，具粘滑感，塑性好。顶部有少许粉砂岩，底部有5.00m左右灰白色砾石层，砾石成分以长石、石英为主，砾石形状似椭圆形，砾石直径一般0.8～6.0㎝。1.2.2矿区生态环境特征1）生态环境的过渡性窑煤三矿位于祁吕贺“山”字型构造体系西翼的“多”字型构造部分的第二条斜列褶带—哈拉古背斜和第三条斜列褶带—马牙雪山大背斜之间的门源槽地的东南端。窑街煤田的成煤环境自始至终都受着祁吕贺“山”字型构造体系的控制.是黄土高原地貌演化的典型过渡地带，为水蚀和风蚀共同作用形成的地貌—盖沙黄土丘陵和风蚀黄土丘陵，沟谷两岸的山坡上基岩直接裸露，基本没有土壤发育。由于地貌、土壤的过渡性特征，原始植被种类单调。2）生态环境的波动性由于矿区处于高原的交接地带，生态环境波动性十分明显，主要表现在以下几个方面：一是年际间与年内降水分配极不均匀，年平均降水量362mm，主要集中在6～9月，7～8月约占全年降水量的55%，6月和9月约占全年的20%，6～9月约占全年降水量的3/4；二是降水常以暴雨的形式出现，一场暴雨占全年降水量的1/3～1/7，且突发性强；三是热量指标变化剧烈，年平均气温7.3℃，极端最高温度38.9℃，最低温度－30.7℃，年平均气温差较大，一般13.2～14.9℃,极端可达69.6℃；四是大风为矿区常见灾害，年平均风速3.2m/s，最大风速24m/s，年大风日数13～15d，最多37d，大于3）生态环境的脆弱性生态脆弱性是指生态系统在受到干扰时，容易从一种状态转变为另一种状态，而且一旦改变很难恢复到初始状态。独特的土壤理化性质，土壤颗粒组成较粗，疏松无结构，储水保肥能力差，一遇水流，土体迅速崩解，土粒易分散。加之矿区的暴雨、大风等气候因素，土壤的理化性质与这些因素相互作用，必然导致严重的土壤侵蚀。4）生态环境的敏感性生态环境的敏感性突出表现形式是主导因素的改变而使环境发生变化。矿区的生态敏感性表现在两个方面，一是由于自然气候条件改变导致的环境变化，如由于矿区降水集中，无雨持续时间长，土壤抗旱能力差，特别容易发生灾难性的干旱，导致植被的死亡；二是由于矿区开发引起的自然条件，如地下水位、地表状态的改变和废渣、废水排弃等导致的环境污染所引发的生态环境变化。5）生态环境潜在危险区从以上的分析不难看出，矿区是典型的生态脆弱带，由于生态环境具有很高的波动性、脆弱性、敏感性和很低的抗可逆性、承受能力和自我恢复能力，因此是生态环境的潜在危险区。矿区开发建设过程中一旦生态环境遭到破坏，靠自身的能力需要相当长的时间才能恢复，甚至有可能永远都不能恢复，导致环境的逆向演变与恶性循环，从而使生态系统彻底破坏。这是多种自然条件和矿区开发建设导致的环境变化特点决定的。窑街矿区若按传统的采煤方法、走传统的矿区建设路子，势必造成：(1)区域性地下水位下降，致使部分地表植被难以汲水而死亡，并进一步引起沼泽和湿地干涸、土壤沙化、水土流失等一系列问题；(2)当地原本脆弱的生态环境可能因此而遭到毁灭性的破坏；(3)水资源供应将会出现杯水车薪的严重不足状况；据预计，到2020年，窑街矿区对水资源的需求量高达112.26～153.06万m3／d，相当于2～3个百万人口规模的特大城市的全部需水量。总之，如果不研发新型的开采方法和环境建设技术，在生态环境十分脆弱的窑街矿区进行大规模的煤炭开采，必将会造成生态环境恶化及矿区综合经济效益降低等一系列后果。具体特性见表1-1-2。表1-1-2含水层特征地下水类型水质岩性含水层厚度（m）矿化度(g/L)富水性第四系河谷冲积层潜水HCO3-Ca或Ca，Na泥砂、中粗砂砾石1-100.25-0.35富水性中等到弱第四系上更新统萨拉乌苏组潜水HCO3-Ca或Ca，Mg粉细砂、中粗砂，局部底部含砾石10-200.16-0.30弱-中等富水性第四系下更新统三门组沙砾层潜水HCO3-Ca上部局部为浅红色土，含水层为下部的砂砾石层0.10-27.48小于0.30富水性中等-强侏罗系中统直罗组裂隙潜水-承压水HCO3-Ca或Ca，Mg中粗粒长石砂岩10-300.21-0.37富水性弱窑街矿区降水一般为富含氧和二氧化碳的重碳酸水，具有较强的溶蚀能力，水质以HCO3-Ca型为主，矿化度较低，碳酸盐类含量较高；降水渗入砂层后，主要溶蚀砂层中的碳酸盐类矿物；在渗入基岩裂隙时，因Ca2+吸附于岩石裂隙面的能力较强，水中的Ca2+置换岩石的Na+，使地下水中的Na+增多。而基岩裂隙水因其流动性较差，长期溶解岩石后，使基岩裂隙水中溶解盐类含量明显增高（矿化度增高），以中性和弱碱性为主。由地下水水质化学特征可知：（1）矿井水的主要超标项是浊度、悬浮物、油类等，其PH值、矿化度、硫酸根和氯化物等指标与地下水水质分析相应指标略有升高，但不超标；（2）矿井水在形成过程中酸浓度变化不大，不会导致矿井水化学性质发生大变化；（3）矿区矿井水应划为一般悬浮物矿井水，可通过过滤或吸附过程得到处理。（4）降水一般为富含氧和二氧化碳的重碳酸水，具有较强的溶蚀能力。表1-1-3地下水的水质化学特征分析项目单位第四系松散层潜水基岩水地表沟流水(K+Na+)mg·L-11.84～39.3320.01～425.9614.69～36.65(Ca2+)mg·L-135.27～56.9134.47～55.3134.83～51.67(Mg2+)mg·L-18.26～14.582.43～23.8110.69～15.78(Cl-)mg·L-14.00～20.004.00～555.004.00～25.00(SO42-)mg·L-10.00～24.0014.00～100.0013.99～30.00(HCO3-)mg·L-1159.80～249.56165.97～268.47165.97～233.4总硬度德国度7.40～9.085.38～11.107.87～10.07永久硬度德国度0.00～0.220.000.00～1.96侵蚀性(CO2)mg·L-10.00～6.894.61～6.920.00PH值7.28～7.897.40～11.667.7～8.28样品数量111141.2.3矿区水文地质特征1)地表水系区内水系发育，地表水主要为大通河流域。大通河分布于井田北部边界，区内流长1km左右；湟水河分布于井田中东部，区内流长1.2km左右。两河分水岭横贯井田东西部。大通河和湟水河自西北向东南分别在井田东约2)含（隔）水层(1)上更新统河、湖积层潜水（Q3s）岩性为黄褐色中粗砂、粗砂、含粉砂及粘土透镜体。底部含小砾石。一般在古沟槽中心厚，向两侧逐渐变薄。据前石畔钻孔资料，钻孔涌水量0.114L/s，单位涌水量0.00527L/s.m。渗透系数0.01955m/α。富水性弱。水质为HCO3－Ca·Mg型，矿化度212mg/L。(2)中更新统离石黄土（Q2L）及新近系上新统保德红土（N2b）隔水层基本全区分布，在沟谷渠被冲刷殆尽，厚0～113.30m，一般厚50m左右。岩性为浅红、棕红色粘土及亚粘土，含钙质结构，大部分与基岩直接接触，是井田内良好的隔水层。(3)新近系上统保德组（N2b）砂砾石含水层该层不整合于基岩之上，离石黄土或保德红土之下，局部与第四系松散砂层直接接触。区内大部地段分布，厚0～16.80m。岩性上部为中粗砂并含有小量砾石，下部以卵石为主，中粗砂、砾砂充填，卵砾径0.8～6cm。砾石成分以石英、长石、燧石和火山岩矿物为主，次园状，磨园度好，分选差至中等。据本次勘察S12钻孔抽水资料，单位涌水量1.346L/s.m，渗透系数9.994m/α。富水性中等到强，水质类型为HCO3－Ca型，矿化度340mg/L。(4)直罗组裂隙承压水（J2z）局部分布。岩性为浅绿色、灰白色中细粒砂岩、粉砂岩及泥岩组成，厚26.47m。含水层为中、细粒砂岩及粗砂岩，泥质胶结。上部泥岩、砂质泥岩风化后易软化，与新近系红土一起形成隔水层。故直罗组地下水在井田内为承压水。下部岩石完整，裂隙不发育。据《窑街井田勘探地质报告》Q43号水文孔资料，含水层厚16.42m,水柱高度48.15m,抽水降深33.44m,钻孔涌水量0.221L/s，单位涌水量0.00681L/s.m，渗透系数0.0367m/d。富水系数弱至极弱。水质为HCO3－Mg·Ca型，矿化程度170mg/L。(5)延安组裂隙承压水（J2y）本组厚度170.52～221.82m，一般185.00m。含水层为浅灰色、灰白色中粗粒砂岩、细砂岩。厚度变化大，层间夹有浅灰色粉砂岩。泥岩、炭质泥岩隔水层，形成复合型互层状含水组段。含水层水位标高1121.87～1229.50m。钻孔涌水量1.555～30.154m3/α，单位涌水量0.00108～0.02183L/s.m，渗透系数0.001321～0.01573m/α，属富水性弱～极弱含水层组。浅层水质为HCO3－N2型，向深层水质逐渐变差，成为HCO3·CL－N2或CL－N2型，矿化度大于1000mg/L。(6)烧变岩孔洞裂隙潜水2号煤层自燃使围岩形成烧变岩，呈带状分布。厚2.7～56.98m，一般厚30.01m,分布宽度最大800m，一般300m。烧变岩裂隙孔洞发育，地下水径流通畅，易于接受大气降水及沙层水的转化径流补给。其底板为相对隔水的粉砂岩、泥岩。在地形坡向与地层倾向相反的地段，或烧变岩底板位于当地侵蚀基准面以下时，即使烧变岩分布范围不大，也长形成富水区。据窑街三矿Q79号孔抽水一层次资料，水柱高度1.67m，涌水量3.82L/s.m，单位涌水量4.6146L/s.m，渗透系数281.05m/α，富水性强。水质为HCO3—Ca·3)地下水的补给、径流、排泄条件(1)第四系松散岩类孔隙潜水补径排条件本区地表为松散沙层，孔隙度大，极易接受渗水补给。大气降水渗入系数0.40～0.70。大气降水渗入沙层后，沿沙层底界（基岩面古地形）侧向运移。流向具多向性。以井田西南部保德红土出露地区为分水岭，分别向乌兰木伦河、土概沟方向运移。两流域又有多个层级分水岭，从而造成地下水的多向性流动，最终以泉流形式排入乌兰木伦河和土概沟。雨季大气降水补给地下水。地下水位逐渐升高，但一般要滞后1～2个月；枯水季节地下水逐渐排泄。水位达到最低值时，雨季来临，又得到降水补给。如此地下水周期性升降。(2)中生界碎屑岩类裂隙承压水的补径排条件主要接受区域侧向补给和部分浅层水的渗透补给。中生界碎屑岩在各大沟谷及分水岭地区均有出露，接受大气补给后，沿裂隙向含水层内部移动，在下游露头处，以下降泉的形式补给地表水。(3)烧变岩裂隙孔洞潜水的补径排条件受大气降水及上覆砂层水补给。渗入后沿其孔洞、裂隙向下运移，并在其底部富集，在沟谷沿岸以下降泉形式排泄补给地表水。井田内泉流量0.08～7.428L/S，平均单泉流量1.667L/s，富水性中～强。4)充水因素分析根据本区水文地质条件及煤层覆岩结构类型，矿井充水方式又直接与间接两种，它们分别受大气降水、地表水和地下水等因素控制；且相互间又一定的水力联系，对未来矿井开采有不同程度的影响。(1)充水水源煤层基岩含水岩组含水微弱，渗透系数很小，对矿井安全不构成威胁。第四系松散层孔隙潜水、烧变岩裂隙孔洞潜水是威胁矿井开采的主要水源。此外，大气降水通过渗入补给地下水，构成间接充水水源。(2)充水通道5）导水裂隙带高度的计算依据《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB12719—91），勘查区煤层倾角较小，近似水平，其顶板岩石主要为层状结构的粉砂岩、泥岩和块状结构的中、细粒砂岩。根据岩石测试成果，属中硬类岩石，故采用规范中岩石抗压强度（20＜Rc＜40MPa）的适用公式计算如下：Hm=4M式1.1.1HL=100M/(3.3n+3.8)+5.1式中：Hm——冒落带最大高度m；HL——导水裂隙带最大高度（包括冒落带）m；M——煤层累计采厚m；n——煤层分层开采层数（最大单层开采厚度取4.5m）。煤层采厚采用区内煤层平均厚度，2号煤层平均厚度6.0m；3煤层平均厚度5.4m。计算结果见表1-1-4。 表1-1-4冒落带、导水裂隙带计算结果煤层编号煤层开采厚度/m上覆基岩厚度/m冒落带高度/m导水裂隙高度/m26.05.29－40.1818.0092.1435.47.8432.71从以上计算结果可以看出，2号煤层上覆基岩厚度5.29～40.18m，平均厚度6.0m，2号煤层开采后，导水裂隙带将全部导通上部基岩段及松散层段地下水。6）底板岩层涌水特征在采掘过程中，由于煤层底板受到不同程度的破坏，会产生一些破坏性裂隙，但在本区特殊的水文地质条件下，含煤地层含水层富水性极弱，补给条件差，且有较厚的粉砂岩、泥岩隔水层存在，不会造成矿井底鼓突水，对安全生产影响甚微。充水通道主要为煤层采空后顶板冒落形成的导水裂隙带。2号煤层顶板岩石主要为层状结构的粉砂岩、泥岩、块状结构的中、细砂岩，岩石抗压强度20<Rc<40MPa。2号煤层开采厚度6.18m，上覆岩厚度5.29～40.18m，平均厚度19.18m，冒落带高度18m，导水裂隙带高度30～60m，故2号煤层开采后导水裂隙将全部导通上部基岩段及松散层段地下水。7)矿井涌水量对矿井涌水量，以大口井法进行预算,结果为146.34m3/h，取矿井正常涌水量150m3/h，最大涌水量1.3构造特征本井田位于海石湾窑街地台向斜东翼，地层产状平缓，总体表现走向NW~SE，倾向SW的单斜构造，倾角1°左右。矿区没有岩浆活动，断层稀少，延伸小于16km，断距10～80m，走向NW-SE或NWW-SEE，倾角55～80°，为张性断层。从2号煤层底板等高线看出：在井田西中部有一鼻状隆起，呈NW—SE向，西翼在井田范围内宽460m，坡降一般为59‰，东翼比较平缓，宽约650m，坡降一般为25‰。5-2煤层表现为一大型宽缓波状起伏。井田中北部高，西南部稍低。1.4煤层及煤质1.4.1煤层本井田含煤地层为侏罗系中统延安组，共含有对比意义的煤3层，其中主要可采煤层2层，不可采煤层1层。2号煤层基本全井田可采，1号煤层大部分不可采，3号煤层全井田可采；各煤层情况参见表1-3所示。表1-3各煤层赋存特征一览段号煤层煤层厚度特征结构特征可采类型稳定类型极小值～极大值/平均值标准差变异系数三2（3.93～6.3）/6.00.630.10局部1～3层夹矸厚0.12～0.37m。基本全区可采稳定二3（4.38～5.62）/5.40.090.16无夹矸全部可采稳定本矿井2号煤层属延安组第四段。该煤层除东部后期煤层自然无保留外，基本全区可采。煤层厚度3.93～6.3m,平均厚6.0m,为厚煤层。煤层结构简单，含矸一般１层，局部1～3层，夹矸厚度0.12～0.37m，岩性多为泥岩，部分炭质泥岩。该煤层属稳定煤层。1.4.2煤质1)煤的物理性质及宏观煤岩特性。2号煤层黑色，条痕褐黑色，弱沥青一沥青光泽，阶梯状断口为主，部分棱角状、参差状断口。镜煤中内生裂隙不甚发育，10～15条／5cm，裂隙被方解石脉或薄膜填充，裂面见黄铁矿星散状斑点及薄膜分布。煤层以中细条带状结构为主，部分线理状结构，