巴彥高勒煤礦首采面水文地質特征分析及涌水量預測

代鳳強

(中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西省西安市,710077)

巴彥高勒煤礦首采面水文地質特征分析及涌水量預測

代鳳強

(中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西省西安市,710077)

針對蒙陜接壤區深埋煤層頂板水文地質條件復雜、礦井涌水量不清等問題,分析了巴彥高勒煤礦首采面頂板含隔水層結構特征,確定3－1＃煤層頂板導水裂縫帶范圍內的含水層,采用動靜儲量法計算得到首采工作面不同回采階段涌水量,涌水量計算值與實際值較吻合,為工作面排水系統建設和礦井水防治提供了科學依據。

工作面 水文地質 導水裂縫帶 含水層 充水通道 涌水量預測 實際涌水量

1 工作面概況

311101工作面為內蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責任公司巴彥高勒煤礦首采工作面,位于首采區最東側,主采3－1＃煤層,311101工作面北以井田邊界、南以3－1＃煤層輔運大巷(初期)、東以回風巷、西以運輸巷為界,工作面推采長度2589.3 m,傾斜長260.0 m,煤層平均厚度5.72 m,采用長壁綜合機械化一次采全高采煤法,全部冒落法管理頂板。

根據前期勘探及礦井建設期間的揭露資料,3－1＃煤層開采直接充水水源為延安組頂部及直羅組中下部中粗砂巖孔隙裂隙含水層組。該含水層組水壓達6.0 MPa,富水性較強,頂板探放水鉆孔單孔涌水量達60.0 m3/h。本地區侏羅系煤層頂板含水層為復雜的河床－河漫灘相沉積,富水性極不均一,在巷道掘進和工作面回采過程中極易造成礦井涌水異常波動,使礦井防排水系統遭受沖擊,威脅礦井生產安全。

2 首采區水文地質特征

2.1 含隔水層特征

(1)第四系松散層潛水孔隙裂隙含水層和白堊系下統志丹群(K1zh)孔隙承壓水含水層是本地區重要的供水水源地,其中白堊系含水層厚度138.50～175.05 m,單位涌水量0.2857～0.6566 L/s·m,滲透系數0.144～0.3772 m/d,含水層的富水性中等。

(2)侏羅系中統直羅組碎屑巖類承壓水孔隙裂隙含水層巖性為灰綠色、青灰色、黃綠色中粗粒砂巖,中間夾粉砂巖及砂質泥,在井田范圍內廣泛存在。含水層厚度20.72～68.78 m,單位涌水量0.00303～0.05899 L/s·m,滲透系數0.003833～0.07755 m/d。

(3)侏羅系中下統延安組(J1－2y)碎屑巖類承壓水孔隙裂隙含水層巖性主要為淺灰色、灰白色各粒級砂巖、灰色、深灰色砂質泥巖、泥巖及煤層。含水層厚度45.12～117.04 m,單位涌水量0.00495～0.0818 L/s·m,滲透系數0.0044～0.09891 m/d。

(4)侏羅系中下統延安組頂部隔水層的延安組頂部為粉砂巖、泥巖或砂質泥巖隔水層,厚度21.02～23.07 m,井田內隔水層比較連續,相對比較穩定,隔水性能良好。

2.2 主要充水通道及特征

巴彥高勒礦井巷道掘進和工作面回采期間礦井主要充水通道為工作面頂板冒落帶和導水裂縫帶,目前國內針對綜放開采頂板導水裂縫帶,總結出了一些經驗計算公式,其中滕永海的綜放開采導水裂縫帶高度計算公式具備一定的安全性。

式中:Hli——導水裂縫帶高度,m;

M——煤層平均厚度,m。

取巴彥高勒首采工作面煤層平均厚度5.72 m,代入式(1)得導水裂縫帶高度124.4 m。

通過對311101工作面地質及水文地質條件分析發現,311101工作面頂板延安組含水層厚度14.46～44.38 m,距離3－1＃煤層頂板0.5～8.15 m;2－1＃煤層頂板含水層(包括直羅組底部含水層)厚度0～16.93 m,距離3－1＃煤層頂板75.02～95.35 m,這兩層含水層均在導水裂縫帶范圍內;直羅組底部含水層頂板與3－1＃煤層頂板的最小距離為129.02 m,該含水層之上則為粉砂、砂質泥巖隔水層。

3 工作面涌水量計算

煤層開采過程中,工作面涌水量的多少對整個礦井的防治水工作非常重要,是工作面和礦井排水系統建設的依據。煤層頂板涌水一方面來自于頂板冒落和開裂范圍內巖石的裂隙水和孔隙水,此部分為靜儲量,其大小主要與含水層的儲水率、給水度、冒落和開裂帶范圍大小、降落漏斗形態(即影響半徑)有關;另一方面,由于采動裂隙范圍內水頭降低,導致周圍一定范圍內含水層的水向采空區內流動,即動態補給量,其大小與滲透系數大小、進水邊界長度有關。因此,在計算巴彥高勒煤礦礦井涌水量時,靜儲量的計算關鍵是給水度的確定,動態補給量的計算關鍵是滲透系數的確定。

計算動態補給量時選用承壓轉無壓公式:

當礦井疏干時,中心位置水頭高度h＝0,故式(2)為:

式中:Qd——礦井涌水量,m3/d;

K——滲透系數,m/d;

H——水柱高度,m;

M0——含水層厚度,m;

R0——引用影響半徑,m;

r0——引用半徑,m。

根據311101工作面井下疏放水鉆孔實際揭露情況及附近8個地面鉆孔的情況,確定煤層滲透系數為0.0373 m/d,水柱高度580.0 m,含水層厚度45.95 m,引用半徑181.13 m,引用影響半徑2763.5 m,把相關參數代入式(3)得到311101工作面前300 m的正常涌水量為92.0 m3/h。

根據礦井實測涌水量,目前311101工作面的涌水主要來源于切眼、工作面巷道和疏放水鉆孔三部分,其中,切眼和主運巷涌水量在20.0 m3/h左右,疏放水鉆孔涌水量為67.0 m3/h。即311101工作面實際的涌水量為87.0 m3/h。計算值與實測值誤差僅為5.75%,誤差較小。

根據3－1＃煤層頂板砂巖含水層的平均厚度和平均滲透系數,計算311101工作面切眼附近300 m范圍內的正常涌水量為93 m3/h。根據本段工作面3－1＃煤層頂板砂巖含水層的最大厚度和最大滲透系數,計算311101工作面切眼附近300 m范圍內的最大涌水量為331.0 m3/h。采用同樣的計算方法,分別計算得到工作面回采至600 m、1000 m、1500 m、2000 m和回采結束時(2600 m)的涌水量,計算結果見表1。

表1 311101工作面開采不同階段3－1＃煤層頂板含水層涌水量計算參數

4 首采工作面涌水量與預測涌水量對比分析

將工作面采前涌水量預測結果與工作面采后實際出水情況進行對比,評價涌水量預測結果與方法。311101工作面預測涌水量與實際涌水量對比如圖1所示。

圖1 311101工作面預測涌水量與實際涌水量對比圖

從圖1可以看出,工作面采前預測的正常涌水量與工作面采后實際涌水量差別較大,但工作面采前預測的最大涌水量與工作面采后實際涌水量之間差別較小,誤差率不超過10%,例如:

(1)工作面回采至338 m時,出水量327 m3/h,而回采前預測300 m段最大涌水量為331 m3/h。預測結果與實際結果誤差率僅為1%。

(2)工作面回采至1074 m時,出水量398 m3/h,而回采前預測1000 m段最大涌水量為439 m3/h。預測結果與實際結果誤差率為10%。

(3)工作面回采至2036 m時,出水量464 m3/h,而回采前預測2000 m段最大涌水量為499 m3/h。預測結果與實際結果誤差率為7.7%。

(4)工作面整個回采過程中,最大涌水量492 m3/h,而回采前預測工作面推采結束時涌水量達到最大,為529 m3/h。預測結果與實際結果誤差率為7.5%。

5 結論

(1)分析了巴彥高勒首采區水文地質特征, 311101工作面主要充水通道為煤層開采形成的導水裂縫帶,計算了導水裂縫帶高度為124.4 m,主要充水水源為延安組及直羅組底部砂巖孔隙裂隙含水層。

(2)通過對首采區水文地質 特征及充水因素的分析,預測了正常涌水量與最大涌水量,在整個工作面回采過程中,預測涌水量與實際涌水量誤差率不超過10%,預測涌水量較為準確,在工作面回采過程中未受到較大的沖擊,保證了首采工作面的安全回采。

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Analysis of hydrology characteristics and water inflow prediction of first mining face at Bayangaole Coal Mine

Dai Fengqiang
(China Coal Technology&Engineering Group Xi＇an Research Institute,Xi＇an,Shaanxi 710077,China)

Aiming at the complex hydrology condition and uncertain mine water inflow of deep buried coal seam roof of contiguous area,this paper analyzed the structural characteristics of aquifer and aquifuge of first mining face roof at Bayangaole Coal Mine and determined aquifer in scope of water-conducted fractured zone of 3-1＃coal seam roof.Static and dynamic reserve method was used to calculate the amount of water inflow during each back-mining period at first mining face.The calculated water inflow magnitude was fabricated with the actual value and provided drainage system establishment of mining face and mine water safety with scientific evidence.

working face,hydrology,water-conducted fractured zone,aquifer,water filling channel,predicted water inflow,actual water inflow

P641 TD742.1

A

代鳳強(1982－),男,漢族,安徽碭山人,本科學歷,工程師,主要從事煤田水文物探方面的研究。

(責任編輯 張艷華)

代鳳強.巴彥高勒煤礦首采面水文地質特征分析及涌水量預測[J].中國煤炭,2017,43(1):108－110,115. Dai Fengqiang.Analysis of hydrology characteristics and water inflow prediction of first mining face at Bayangaole Coal Mine[J].China Coal,2017,43(1):108－110,115.