注漿鉆孔數據反演煤層底板灰巖含水層富水特征研究

郭之理冉德立王長申

(1.河南能源化工集團永煤公司陳四樓煤礦,河南省永城市,476600; 2.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇省徐州市,221008)

注漿鉆孔數據反演煤層底板灰巖含水層富水特征研究

郭之理1冉德立1王長申2

(1.河南能源化工集團永煤公司陳四樓煤礦,河南省永城市,476600; 2.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇省徐州市,221008)

利用工作面底板注漿鉆孔成果數據分析二2煤層底板太原組上段3層灰巖含水層充水裂隙與耗漿量的規律,反演工作面底板灰巖含水層富水特征,通過繪制鉆孔涌水量等值線圖,圈定太原組上段灰巖富水異常區和構造控水區域,對工作面底板注漿改造工程設計、施工和注漿效果評價有重要的指導意義。

注漿鉆孔 灰巖含水層 水文地質特征 反演 底板注漿

1 研究區概況

2517工作面位于陳四樓煤礦南五采區深部,開采山西組二2煤層,工作面標高－765～－696 m,工作面構造發育,外段為一個向斜構造,里段為一個寬緩的背斜構造,地層傾角5°～26°,平均12°,走向近東西向。工作面揭露50條斷層,其中逆斷層4條,其余均為正斷層,落差4～7 m的斷層6條,落差1～4 m的斷層27條,落差小于1 m的斷層17條。工作面主要充水水源為煤層底板太原組上段灰巖(L11,L10和L8)3層巖溶裂隙承壓水,L11,L10和L8灰巖厚度分別為1.4 m、4.79 m和14.4 m。煤層底板距L11灰巖43.6 m、距L10灰巖58.6 m、距L8灰巖75.8 m,太原組上段灰巖水含水層靜水壓力為5.80～6.49 MPa,水文地質條件較為復雜,為防止底板灰巖水害發生,采取了煤層底板注漿改造措施。

2 注漿鉆孔數據分析

2517工作面共施工注漿鉆孔248個,累計鉆探進尺38565 m,鉆孔揭露太原組上段灰巖含水層累計涌水量10887 m3/h,累計消耗水泥量19476.4 t。其中L8灰巖含水層單孔最大出水量為90 m3/h,注水泥728 t;L10灰巖含水層單孔最大出水量為80 m3/h,注水泥357 t,L11灰巖含水層單孔最大出水量為80 m3/h,注水泥122 t,如表1所示。表1中的數據可以表明:

表1 各含水層鉆孔出水點、涌水量、耗漿量統計

(1)各含水層鉆孔總涌水量指示含水層裂隙數量和聯通程度,含水層平均單孔涌水量反映含水層富水程度和充水強度;

(2)不同級別涌水量反映和對應不同級別裂隙尺寸和數量;

(3)水泥消耗量直接反映底板裂隙發育程度、聯通程度和可注性。

2.1 涌水量與耗漿量數據分析

(1)L8灰巖含水層鉆孔總涌水量5134 m3/h,占總涌水量47.2%;其次是L10灰巖含水層鉆孔總涌水量為4966 m3/h,占總涌水量45.66%;第三是L11灰巖含水層鉆孔總涌水量為777 m3/h,占總涌水量7.14%。從鉆孔揭露各含水層總涌水量所占比例分析,表明L10、L8灰巖含水層為工作面底板主要的充水含水層,且富水性較強。

(2)L8灰巖含水層鉆孔出水點191個,鉆孔揭露含水層出水概率為55.2%;L10灰巖含水層鉆孔出水點133個,鉆孔揭露含水層出水概率為85.3%;L11灰巖含水層鉆孔出水點23個,鉆孔揭露含水層出水概率為6.6%。鉆孔揭露各含水層出水概率分析表明,L11灰巖含水層鉆孔概率最低,僅局部富水,L8、L10灰巖含水層巖溶裂隙發育,且富水分布較均勻。由于L8灰巖含水層距二2煤約75.8 m,距煤層底板相對較遠,為L11、L10灰巖含水層的主要補給水源,L10灰巖含水層為二2煤底板主要的充水水源。L10和L8含水層鉆孔出水點及涌水量等值線圖見圖1。

圖1 L10、L8含水層鉆孔出水點及涌水量等值線圖

(3)各含水層鉆孔總耗漿量為19476.4 t,其中L11灰巖耗漿量1432 t,占總耗漿量的7.35%; L10灰巖耗漿量9229 t,占總耗漿量的47.38%;L8灰巖耗漿量8816 t,占總耗漿量的45.26%。各含水層鉆孔耗漿量分析表明,L11灰巖含水層僅局部富水,L8、L10灰巖含水層耗漿量大,巖溶裂隙普遍發育,富水性強,為煤層底板主要的突水水源,同時也是底板注漿改造的主要層位。

(4)各含水層涌水量與耗漿量的差異揭示各含水層的充水裂隙特征。L11灰巖鉆孔總耗漿量比例與總涌水量比例相當,說明涌水裂隙和耗漿量所占比例均衡,且由于該層灰巖出水鉆孔頻率較低,表明該層灰巖在構造發育塊段裂隙發育且以大裂隙為主;L10灰巖鉆孔總耗漿量比例大于總涌水量所占比例,說明L10灰巖大裂隙發育,可注性較好;L8灰巖總耗漿量比例小于總涌水量比例,說明L8灰巖小裂隙發育較多且分布較為均勻。

(5)根據鉆孔出水量等值線圖圈定各灰巖含水層富水異常區域,在斷層密集發育處和褶曲區域太原組上段L11、L10、L8灰巖含水層鉆孔出水量和耗漿量均較大,鉆孔出水量和耗漿量位置與構造發育關系密切,含水層富水性受構造控制較為明顯。鉆孔涌水量和耗漿量等值線圖富水異常區局部重疊,也反映了太原組上段3層灰巖含水層在構造發育處存在水力聯系。

2.2 不同級別充水裂隙耗漿量規律

2.2.1 揭露含水層巖溶裂隙發育級別確定

研究認為可以根據鉆孔涌水量大小定義揭露含水層巖溶裂隙發育級別。鉆孔涌水量大于50 m3/h的裂隙為大型裂隙,涌水量為40～50 m3/h的充水裂隙為較大型裂隙,涌水量為30～40 m3/h的裂隙為中型裂隙,涌水量為20～30 m3/h的裂隙為中小型裂隙,涌水量為10～20 m3/h的裂隙為小型裂隙。根據2517工作面底板注漿鉆孔的涌水量和耗漿量數據分析,大型充水裂隙耗漿量最多,達6529 t,占總耗漿量的33%;較大型裂隙耗漿量為1019 t,占總耗漿量的5%;中型裂隙耗漿量2896.7 t,占總耗漿量15%;中小型裂隙耗漿量6922.9 t,占總耗漿量36%;小型裂隙耗漿量1981.8 t,占總耗漿量的10%,大型和中小型充水裂隙耗漿量最多,分析表明底板灰巖含水層充水裂隙以大型和中小型裂隙發育為主,具有總體數量多、聯通性和可注性好特征。

2.2.2 耗漿量與各含水層涌水量關系

根據鉆孔揭露各含水層涌水量與耗漿量的數據,利用線性回歸方法得出鉆孔平均單孔耗漿量與各含水層涌水量之間相關性明顯,同樣也表明充水裂隙級別與單孔耗漿量的相關性,見圖2,回歸后得出:

式中:Q漿——預測單孔耗漿量,t;

Q涌——單孔鉆孔涌水量,m3/h。

圖2 平均單孔耗漿量與各含水層涌水量之間關系

各含水層耗漿量差別較大,L10灰巖和L8灰巖的耗漿量最大(超過8000 t),是L11灰巖耗漿量的6倍多;同一含水層,不同級別充水裂隙耗漿量差異較大,各含水層不同級別充水裂隙耗漿量及比例統計見表3。

表3 各含水層不同級別充水裂隙耗漿量及比例統計表

除個別大型充水裂隙外,耗漿量以涌水量為20～30 m3/h的中小型裂隙為主;其次是涌水量大于50 m3/h的大型裂隙為主;涌水量為10～20 m3/h的小型裂隙和涌水量為30～40 m3/h中型裂隙耗漿量相差不大。L11和L8灰巖含水層鉆孔耗漿量以涌水量20～30 m3/h充水裂隙為主;L10灰巖含水層耗漿量以涌水量大于50 m3/h的充水裂隙為主,其次是10～20 m3/h的小型裂隙;涌水量小于10 m3/h的充水裂隙耗漿量以L8灰巖含水層為主,屬于裂隙發育但規模較小,耗漿量也較小。各含水層涌水量與耗漿量關系見圖3。

圖3 各含水層涌水量與耗漿量關系圖

3 結論

(1)通過注漿鉆孔出水量和耗漿量數據分析,該區域L10、L8灰巖含水層巖溶裂隙發育,并具富水性強、聯通性好和耗漿量大的特征,L8灰巖含水層為底板注漿改造的終孔層位,L10灰巖含水層為注漿改造的關鍵層位,設計時必須兼顧L10灰巖含水層注漿改造,防止存在L10灰巖含水層注漿改造盲區。

(2)注漿鉆孔涌水量大小反映充水裂隙級別,利用數值線性回歸的數學方法,判定充水裂隙級別與單孔耗漿量關系,各含水層鉆孔涌水量與其相應的耗漿量之間存在一定關聯性和規律性,對鉆孔注漿效果評價有指導意義。

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(責任編輯 張毅玲)

Research on grouting borehole data inversion analysis of water-rich characteristics of limestone aquifer in coal floor

Guo Zhili1,Ran Deli1,Wang Changshen2
(1.Chensilou Coal Mine of Yongcheng Coal Electricity Group Co.,Ltd.,Henan Energy and Chemical Industry Group Co.,Ltd.,Yongcheng,Henan 476600,China; 2.School of Resources and Geosciences,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

According to the grouting borehole data in working face floor,the author analyzed the law of water-inflow fracture and grout consumption in three layers of limestone aquifer of the upper Taiyuan Formation in the two 2 coal seam floor,and made an inversion analysis of waterrich characteristics of limestone aquifer in coal floor.By drawing the contour map of drill hole water inflow,the water-rich abnormal area and structural water-control area of limestone in the upper Taiyuan Formation were delineated,which had an important guiding significance for the grouting modification engineering design,construction and grouting effectiveness evaluation.

grouting borehole,limestone aquifer,hydrogeological feature,inversion,floor grouting

P641 TD 355

A

郭之理(1967－),男,江蘇省新沂市人,高級工程師,現從事礦井防治水工作。