侏羅系煤田頂板砂巖含水層井下疏降水孔群優(yōu)化布置

李德彬

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054； 2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省西安市，710077)

我國侏羅系煤炭資源地質(zhì)儲量約占全國煤炭總儲量的60%，隨著開采強(qiáng)度加大及開采水平的延伸，在含水層富水性強(qiáng)和水位較高的區(qū)段煤層開采時(shí)，含水層水會(huì)集中涌入到工作面內(nèi)，造成明顯水害威脅，頂板水害問題日益突出。近十多年來，對于侏羅系煤田煤層頂板水害防治，在理論研究、水害形成機(jī)理、水害精準(zhǔn)防控技術(shù)等方面取得了重大進(jìn)展。但以往針對侏羅系煤田頂板水害防治工作主要集中在頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度控制方面，尚無明確的布置疏降水鉆孔的理論依據(jù)或科學(xué)方法，往往布置鉆孔較多造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)或布置鉆孔較少無法有效時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)含水層水位降低。

《煤礦防治水細(xì)則》中要求采取超前疏放措施對含水層進(jìn)行區(qū)域疏放水的，應(yīng)當(dāng)綜合分析導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和頂板含水層富水性，進(jìn)行專門水文地質(zhì)試驗(yàn)，開展可疏性評價(jià)，編制區(qū)域疏放水方案。井下疏水降壓是侏羅系煤田煤層開采時(shí)面臨頂板強(qiáng)富水砂巖含水層必不可少的防治水手段，其難點(diǎn)表現(xiàn)在含水層富水性不均一性明顯、不確定因素多，疏降水鉆孔施工一般為動(dòng)態(tài)調(diào)整的過程，鉆孔布置方案應(yīng)科學(xué)合理、安全可靠、施工方便、時(shí)效性強(qiáng)。因此，做到井下疏降水孔群的優(yōu)化布置，既可經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)礦井采掘安全，又能最大限度地保護(hù)水資源。

1 疏降水孔群優(yōu)化模型及工作流程

1.1 孔群疏降砂巖水滲流場模型

當(dāng)煤礦井下工作面回采前采取頂板預(yù)疏降水工程時(shí)，一般沿工作面巷道直線均勻布置，且延伸的距離較長，可以認(rèn)為每個(gè)鉆孔控制范圍內(nèi)含水層水位的變化情況是相同的，相當(dāng)于多個(gè)兩側(cè)均有相當(dāng)或較低水位排水渠限制的單孔所組成，見圖1(a)，疏降水時(shí)所引起的鉆孔的水位降深見圖1(b)。

圖1 井下孔群滲流場概化模型

圖1中水位降深S1為相對靜水位降深；在井下疏降水時(shí)間較長，鉆孔處水位降深大，應(yīng)考慮各鉆孔附加水位降深S2，可以按照穩(wěn)定流Dupuit公式推導(dǎo)計(jì)算，分別為：

根據(jù)以上分析，井下疏降水孔群形成的實(shí)際水位降深計(jì)算式為：

式中：S——疏降水孔群實(shí)際水位降深，m；

S1——疏降水孔群相對靜水位降深，m；

S2——疏降水孔群附加水位降深，m；

q——含水層單位涌水量，L/(m·s)；

L——鉆孔間區(qū)段長度，m；

Q——某區(qū)段疏降水強(qiáng)度，m3/h；

a——壓力傳導(dǎo)系數(shù)；

μ——含水層給水度；

T——突水系數(shù)，MPa/m；

t——疏降水時(shí)間，h；

rw——疏降水鉆孔孔徑，m。

1.2 工作面涌水量預(yù)計(jì)優(yōu)化公式

存在頂板砂巖水威脅的工作面，在采取預(yù)疏降水之前，有必要進(jìn)行工作面時(shí)空動(dòng)態(tài)涌水量預(yù)計(jì)，而非整個(gè)工作面一個(gè)涌水量預(yù)計(jì)值，實(shí)現(xiàn)從數(shù)量、空間和時(shí)間上優(yōu)化布置采前疏降水鉆孔，且為后期疏降水效果提供一定的評價(jià)依據(jù)，提高含水層的疏放效率。

回采過程中，工作面涌水量包括動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量和靜態(tài)儲存量。第Ln塊段靜態(tài)儲存量為回采冒裂帶影響范圍內(nèi)頂板含水層中的靜態(tài)儲存水量，引用承壓水井的Dupuit公式和式(3)，得第L1塊段動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量計(jì)算式(5)，第Ln(n≥2)塊段動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量計(jì)算式(6)。

式中：QJn——回采第Ln塊段時(shí)該塊段靜儲存水量，m3/h；

QDn——回采第Ln塊段時(shí)該塊段動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量，m3/h；

An——第Ln塊段的開采面積，m2；

Mn——第Ln塊段采動(dòng)冒裂帶波及的含水層厚度，m；

μ平——冒裂帶影響范圍內(nèi)含水層的平均給水度；

K——含水層滲透系數(shù)，m/d；

Rn——第Ln塊段的影響半徑，m；

rn——第Ln塊段概化的“大井”半徑，m；

s——水位降深，m；

a——“大井”中心至概化直線邊界的垂直距離，m。

工作面回采至第Ln塊段時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量包括前期開采塊段的衰減涌水量和第Ln塊段的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量，推算得：

式中：QD——回采第Ln塊段時(shí)工作面動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量，m3/h；

V——采空區(qū)動(dòng)態(tài)涌水量衰減率。

1.3 孔群優(yōu)化布置數(shù)學(xué)模型

疏降孔優(yōu)化布置即在現(xiàn)有的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件下，實(shí)現(xiàn)井下以最優(yōu)的疏降孔工程量達(dá)到最大的預(yù)期效果為原則，使布置方案既技術(shù)可靠又經(jīng)濟(jì)合理。根據(jù)公式(3)和公式(7)，建立孔群優(yōu)化布置的數(shù)學(xué)模型為：

式中：H——含水層承壓水頭高度，m；

Ha——含水層疏降水后安全水頭高度(一般取小于20 m)，m；

W——每個(gè)區(qū)段超前疏降水時(shí)長(結(jié)合工作面回采速度而定)，h。

孔群優(yōu)化布置的數(shù)學(xué)模型中的數(shù)學(xué)變量包括疏降水孔點(diǎn)的個(gè)數(shù)、孔間距(即工作面每個(gè)超前疏降水區(qū)段鉆孔布置)、放水量、放水時(shí)長。放水量和降水孔點(diǎn)個(gè)數(shù)的確定主要依據(jù)涌水量預(yù)計(jì)值確定；孔間距由工作面的形狀和孔點(diǎn)的數(shù)量確定；放水孔的參數(shù)由降深、含水層富水性及施工能力等確定。

孔群優(yōu)化布置的數(shù)學(xué)模型目標(biāo)函數(shù)包括最優(yōu)的疏降水孔數(shù)、放水總量及放水時(shí)長。

孔群優(yōu)化布置的數(shù)學(xué)模型約束條件：單純降水時(shí)滿足工作面回采期間無周期性集中涌水、控制放水及合理排水系統(tǒng)能力。

1.4 含水層水疏降可靠性反演模型及方程

侏羅系煤田頂板含水層井下疏降水鉆孔往往為上仰斜孔，主要便于井下施工，同時(shí)鉆孔能更長距離揭露充水含水層巖層段，圖2展示了頂板承壓含水層中一個(gè)仰斜鉆孔的三維概念模型。

圖2 疏降水傾斜鉆孔示意圖

由于礦井頂板含水層水文地質(zhì)條件復(fù)雜性，需在三維概念模型基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)方程，反演實(shí)施的試驗(yàn)鉆孔對含水層水有效疏降情況，驗(yàn)證孔群優(yōu)化布置的可靠性。

依據(jù)圖2建立坐標(biāo)系統(tǒng)，以含水層的底板(傾斜鉆孔水平與豎直的中點(diǎn)位置)為坐標(biāo)系的原點(diǎn)。假設(shè)井下疏降仰斜鉆孔出水段中點(diǎn)的坐標(biāo)為(j，k)，鉆孔鉆進(jìn)方向與坐標(biāo)系x軸的夾角為γ。假定條件如下：

(1)煤層頂板砂巖含水層是均質(zhì)各向異性、等厚且側(cè)向無限水平延伸；

(2)含水層假定為彈性體，疏降水前水頭面水平；

(3)無垂向越流補(bǔ)給，滲流滿足達(dá)西定律；

(4)仰斜鉆孔既可為完整井也可為非完整井，假定含水層水沿井壁均勻進(jìn)入；

(5)隨著含水層水頭下降，其地下水儲存量瞬間釋放；

(6)鉆孔孔徑無限小，且短期內(nèi)定流量疏放水。

仰斜疏降水鉆孔流量計(jì)算的表達(dá)式為：

式中：Lw——鉆孔的長度為，m；

zw——從含水層的底板至鉆孔中點(diǎn)的距離，m；

θ——坐標(biāo)原點(diǎn)和觀測點(diǎn)連線在水平面上的投影與r軸的夾角；

θw——鉆孔與水平方向的夾角，一般取值15°～55°。

1.5 疏降水孔群優(yōu)化布置工作流程

要實(shí)現(xiàn)頂板砂巖含水層水害中安全采掘，需先進(jìn)行大量地質(zhì)探查工作，開展超前頂板水預(yù)疏放和評價(jià)工作，并嚴(yán)格按照安全規(guī)程采掘。具體疏降水孔群優(yōu)化布置工作因礦而存在一定差異，但大致可按圖3所示流程進(jìn)行。

圖3 頂板疏降水孔群優(yōu)化布置工作流程圖

2 孔群布置優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)

2.1 案例工程概況

130602工作面為麥垛山煤礦的首采工作面，走向長度2374 m，傾向長度250 m，主采煤層為侏羅系延安組6#煤層，煤層厚度約3.6 m，煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單。工作面位于于家梁周家溝背斜南翼，基本為單斜構(gòu)造，工作面切眼處標(biāo)高低于工作面停采線，為仰采，局部地段存在低洼起伏情況。

煤層直接充水含水層為延安組地層，由三角洲平原相組成，巖性為灰、灰白色中、粗粒長石石英砂巖、細(xì)粒砂巖，深灰、灰黑色粉砂巖、泥巖及煤等組成。130602工作面開采的6#煤層距延安組4～6煤間含水層7.40～74.60 m，平均距離23.53 m；該工作面上覆延安組4～6煤間含水層厚度0～66.63 m，平均厚度25.21 m，總體分布規(guī)律為工作面切眼和停采線附近較薄，中部較厚，自含水層底板承壓水頭高度為178 m左右，單位涌水量平均為0.067 L/(sm)，滲透系數(shù)平均為0.0616 m/d。前期在該工作面4條巷道掘進(jìn)過程中滴、淋水現(xiàn)象較嚴(yán)重，在風(fēng)巷掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)頭淋水量最大達(dá)到20 m3/h，說明該區(qū)域延安組含水層充水能力較強(qiáng)，為了保證煤層的安全開采，防止周期性集中涌水事故的發(fā)生，應(yīng)該對煤層頂板直接充水含水層進(jìn)行疏降。

圖4 130602工作面疏降水孔群優(yōu)化前布置方案

運(yùn)用“大井法”對130602工作面直接預(yù)計(jì)整個(gè)工作面涌水量值為1216 m3/h，該礦區(qū)以往常將所有鉆孔布置至工作面中部范圍，按照常規(guī)鉆孔疊加疏放理念(單孔出水量按照15～30 m3/h)，則估算需要疏降鉆孔64個(gè)，基本均勻分布在130602工作面內(nèi)，共布置16個(gè)井下疏降水鉆場，每個(gè)鉆場4個(gè)鉆孔，各鉆孔孔深約80 m，水位控制點(diǎn)為有效疏降水孔段的中點(diǎn)。疏降水孔和水位控制點(diǎn)位置情況見圖4，其中淡藍(lán)色圓點(diǎn)為概化的水位控制點(diǎn)。

2.2 130602工作面井下疏降水孔群優(yōu)化布置

2.2.1 工作面涌水量預(yù)計(jì)

根據(jù)周邊工作面參數(shù)，推斷130602工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為42.15 m、塌陷角為70°左右。結(jié)合開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育波及范圍，對該工作面影響范圍涌水量進(jìn)行預(yù)計(jì)，作為疏降水孔群布置的控制因素之一。

按照130602工作面回采過程中垮落步距30 m、采空區(qū)涌水量每月衰減率20%計(jì)算(參考本礦相似工作面采空區(qū)涌水規(guī)律觀測)，按照式(7)，求得該工作面涌水量見表1。需要說明是，在工作面停采線以外將無下一階段頂板水超前預(yù)疏放水量，所以出現(xiàn)表3中最后一個(gè)月的預(yù)計(jì)涌水量會(huì)減少明顯現(xiàn)象。

表1 130602工作面分區(qū)段疊加預(yù)計(jì)涌水量成果表

2.2.2 疏降水孔群優(yōu)化布置數(shù)學(xué)模型

130602工作面傾向長度250 m，其頂板含水層為孔隙裂隙水，厚度大，埋深較大，常規(guī)鉆探無法采用也無需完全無盲區(qū)的疏放水，一般以工作面兩側(cè)巷道為施工鉆場，可向四周發(fā)散施工鉆孔，概化成有效水位控制點(diǎn)，見圖5。

圖5 130602工作面疏降水孔群水位控制點(diǎn)分布圖

根據(jù)工作面涌水量疊加預(yù)計(jì)和目標(biāo)函數(shù)法的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，依據(jù)公式(8)，該疏放水工程孔群優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為：

其中，單孔出水量QDn盡可能為25 m3/h左右。

控制條件為：鉆孔孔徑rw取75 mm，每個(gè)區(qū)段超前疏降水時(shí)間t≤720 h(結(jié)合工作面回采速度約210 m/月)，鉆場間平距1150 m≥L≥80 m。

2.2.3 工作面疏降水孔群優(yōu)化布置方案及效果

在工作面疏降水區(qū)段選擇試驗(yàn)孔點(diǎn)進(jìn)行試疏降水，通過實(shí)際觀測與反演計(jì)算值對比分析(選擇1號孔為反演計(jì)算案例)，針對不同的布孔方案和對應(yīng)的放水工期進(jìn)行試算并優(yōu)化調(diào)整方案。最終求得鉆孔數(shù)量、水位降深、放水工期及疏放水量等最優(yōu)的布孔方案。

麥垛山煤礦130602工作面1號試疏降水鉆孔放水11 d(單孔放水試驗(yàn))，最終流量穩(wěn)定在25 m3/h左右，含水層滲透系數(shù)K為0.0616 m/d，給水度μs為0.0185；疏降水段長度Lw為161.28 m，疏降水段中點(diǎn)高度zw為33.185 m，θw為24.3°，疏降水流量為25 m3/h，疏降水時(shí)間264 h。結(jié)合鉆孔位置剖面見圖6。依據(jù)承壓含水層仰斜鉆孔疏降可靠性反演方程，計(jì)算得到觀測孔降深—時(shí)間變化，如圖7所示。

圖6 疏放水孔與觀測孔剖面示意圖

圖7 試疏降鉆孔降深-時(shí)間對比曲線圖

由圖7可以看出，擬合曲線與實(shí)測曲線趨勢一致，說明擬合曲線與各個(gè)觀測數(shù)據(jù)的接近程度都較高，在130602工作面頂板施工設(shè)計(jì)參數(shù)的疏降水鉆孔，能夠使工作面內(nèi)頂板含水層控制區(qū)段得到有效疏降，反演計(jì)算為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)方程提供可靠參數(shù)。

依據(jù)優(yōu)化方案的目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行限制運(yùn)算，選擇出優(yōu)化控制點(diǎn)，得130602工作面最優(yōu)鉆孔數(shù)量及位置布置情況，如圖8所示，各巷道中鉆場間距約300 m，各鉆孔孔深約120 m。

回采前對第一、二階段(工作面前420 m范圍)含水層疏放水鉆孔水量、水壓變化進(jìn)行實(shí)際觀測，各鉆孔水量10 m3/h≤QDn≤32 m3/h，穩(wěn)定水量之和為390 m3/h，自放水約16 d(378 h)，實(shí)現(xiàn)了目的水位降深，穩(wěn)定降落漏斗形態(tài)見圖9，保障了工作面安全開采不受頂板水害威脅。

圖8 130602工作面疏降水孔群優(yōu)化布置方案

圖9 井下疏降水孔群優(yōu)化布置疏水降壓效果三維圖

工作面自切眼降落漏斗低谷時(shí)空移動(dòng)性逐漸擴(kuò)展至停采線，實(shí)現(xiàn)各區(qū)段水位降深目標(biāo)，各階段穩(wěn)定水量之和為390～795 m3/h，與涌水量預(yù)測值相近，預(yù)測涌水量與實(shí)際涌水量觀測曲線如圖10所示，實(shí)現(xiàn)了疏降水鉆孔鉆進(jìn)工程量較前期設(shè)計(jì)減少15.6%左右。

圖10 預(yù)測涌水量與實(shí)際涌水量觀測曲線圖

需要說明是：優(yōu)化布置過程中，已假設(shè)煤層頂板砂巖含水層是均質(zhì)各向異性、等厚且側(cè)向無限水平延伸、無垂向越流補(bǔ)給等條件，現(xiàn)疏降水孔群布置已能進(jìn)一步滿足生產(chǎn)需求，但布置規(guī)律性較明顯，與實(shí)際條件仍存在偏差。

3 結(jié)論

(1)運(yùn)用地下水滲流方程和空間點(diǎn)源理論對井下頂板含水層疏降水孔群布置進(jìn)行優(yōu)化是可行的，計(jì)算結(jié)果能滿足疏降水要求設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)優(yōu)化預(yù)計(jì)出單孔出水量和工作面時(shí)空區(qū)段涌水量，為工作面回采條件評價(jià)和臨時(shí)排水泵選型提供了數(shù)據(jù)支撐。

(2)優(yōu)化布置過程中，假設(shè)煤層頂板砂巖含水層是均質(zhì)各向異性、等厚且側(cè)向無限水平延伸、無垂向越流補(bǔ)給等條件，使得孔群布置規(guī)律性仍較明顯，與實(shí)際條件存在偏差，有待進(jìn)一步科學(xué)修正。

(3)由于不同的水文地質(zhì)條件，孔群總排水量與各疏降孔水位降深及其互相影響情況不同，一般優(yōu)化分析過程中需進(jìn)行疏降水試驗(yàn)，獲得水位疏降落曲線，進(jìn)行反演計(jì)算，實(shí)現(xiàn)孔群布置最優(yōu)解的目的。

(4)由于孔群疏降水的優(yōu)化布置與水文地質(zhì)參數(shù)有著密切的關(guān)系，通過放水試驗(yàn)或其他方法獲得科學(xué)合理K、T、μ等水文地質(zhì)參數(shù)值是十分重要的。

(5)疏降水孔群優(yōu)化布置的目的是以最優(yōu)的鉆孔布置實(shí)現(xiàn)最大限度地減小工作面回采期間頂板水害威脅，結(jié)合工作面回采速度和垮落步距，密切觀測鉆孔水量及水壓變化，對后期的疏降水孔群布置方案及時(shí)調(diào)整是必要的，實(shí)現(xiàn)較短時(shí)間對含水層水位降深最大，減少疏放水總量，既能夠保證疏降水工作面各區(qū)段安全生產(chǎn)，又能最大限度地保護(hù)水資源。