曹家灘煤礦綜放開采頂板涌水機(jī)理及涌水量預(yù)測

馬留柱

(中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司,陜西 西安 710077)

近年來,隨著榆神礦區(qū)的大規(guī)模開發(fā),礦區(qū)水文地質(zhì)條件以及相關(guān)理論研究較多,主要涉及覆巖特征[1-3]、含水層富水性[4]、水化學(xué)分布規(guī)律[5],范立民[6-7]提出的保水采煤相關(guān)科學(xué)內(nèi)涵及其配套采煤工藝,過溝開采兩帶發(fā)育規(guī)律[8],突水潰砂相關(guān)理論[9],植物根系生長所需的生態(tài)條件等[10]。

曹家灘煤礦位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)中部,煤炭資源儲量大,煤質(zhì)優(yōu),生態(tài)環(huán)境脆弱,水文地質(zhì)條件復(fù)雜。井田面積約108.5 km2,生產(chǎn)能力為17 Mt/a,122 109工作面為礦井首個綜放工作面,主采延安組2-2煤層,煤厚11.6～12.7 m。由于煤層厚度大,開采強(qiáng)度大,導(dǎo)水裂隙帶將波及煤層頂板上覆多層含水層,水害威脅較大。鑒于礦井首次進(jìn)行厚煤層綜放開采,開展工作面水文地質(zhì)條件研究,預(yù)測涌水量、分析涌水機(jī)理,對工作面安全回采具有重要意義。

1 工作面概況

曹家灘煤礦122109工作面采寬300 m,走向長度6 000 m,地貌為黃土梁峁、風(fēng)沙灘地以及沙丘沙地,地表水系不發(fā)育。2-2煤層上覆主要含水層由新到老:薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層、風(fēng)化基巖承壓含水層、直羅組裂隙承壓含水層、延安組第五段裂隙承壓含水層。安定組和保德組紅土層為相對隔水層[11-12]。

2 工作面頂板水文地質(zhì)條件分析

2.1 頂板含水層特征

(1)薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層。工作面內(nèi)薩拉烏蘇組含水層厚度5～45 m,切眼處厚度較大,向終采線方向逐漸變薄(圖1)。據(jù)抽水試驗(yàn),含水層單位涌水量0.014 12～0.586 40 L/(s·m),滲透系數(shù)0.182 76～5.137 51 m/d,富水性弱—中等。

圖1 薩拉烏蘇組含水層厚度等值線Fig.1 Contour of aquifer thickness of Salawusu Formation

(2)風(fēng)化基巖含水層。工作面內(nèi)頂板風(fēng)化基巖厚度為14～29 m,東薄西厚,工作面中部最厚,停采線方向最薄(圖2)。含水層單位涌水量0.024 15～0.048 18 L/(s·m),滲透系數(shù)0.192 00～0.564 13 m/d,富水性總體較弱。

圖2 風(fēng)化巖含水層厚度等值線Fig.2 Contour of aquifer thickness of weathered rock aquifer

(3)直羅組含水層。含水層厚度11.70～90.58 m,平均42.23 m,裂隙不發(fā)育,厚度分布不均一(圖3)。單位涌水量0.006 803～0.036 200 L/(s·m),滲透系數(shù)0.032 044～0.105 231 m/d,富水性弱。

圖3 直羅組地層厚度等值線Fig.3 Contour of aquifer thickness of Zhiluozu Formation

(4)延安組含水層。含水層厚度為1.50～71.34 m,平均厚度32.21 m(圖4)。單位涌水量0.000 212～0.006 130 L/(s·m),滲透系數(shù)0.000 51～0.046 37 m/d,富水性弱。

圖4 延安組五段地層厚度等值線Fig.4 Contour of aquifer thickness of the fifth member of Yan′an Formation

2-2煤層上覆各含水層在一定程度上接受大氣降水補(bǔ)給,造成其水質(zhì)類型相近(表1)。盡管上覆保德組紅土為相對隔水層,但風(fēng)化基巖水質(zhì)表現(xiàn)為低礦化度、弱堿性、重碳酸鈣型水。薩拉烏蘇組含水層水滲入基巖裂隙時,因Ca2+吸附于巖石裂隙表面的能力較強(qiáng),Ca2+置換巖石中的Na+,使地下水中Na+增多。說明區(qū)內(nèi)存在保德組紅土變薄區(qū),局部薩拉烏蘇組含水層與風(fēng)化基巖含水層存在微弱的水力聯(lián)系。

表1 礦井12盤區(qū)西翼煤層頂板含水層抽水試驗(yàn)成果Tab.1 Water-pumping test results table of coal seam roof aquifer in west wing of 12 mining area

2.2 頂板含水層富水性探查

122 109工作面采掘活動的直接充水水源為風(fēng)化基巖、直羅組及延安組含水層水。探查頂板含水層富水性,可為采前預(yù)疏放提供設(shè)計依據(jù),亦能掌握充水強(qiáng)度[13-15]。

2019年6月30日—7月27日,完成12盤區(qū)西翼地面瞬變電磁法勘探。風(fēng)化巖底界附近低阻異常區(qū)平面分布如圖5所示。從圖5可知,工作面平面范圍內(nèi)有3處頂板風(fēng)化基巖含水層富水異常區(qū),F-2異常區(qū)靠近工作面回撤通道、F-3異常區(qū)位于工作面中部、F-4異常區(qū)位于工作面切眼附近,疊加物探異常區(qū)與風(fēng)化基巖厚度等值線,發(fā)現(xiàn)這3個異常區(qū)均與風(fēng)化基巖厚度明顯呈正相關(guān)關(guān)系,即風(fēng)化基巖越厚,富水性越強(qiáng)。

圖5 風(fēng)化巖底界附近低阻異常區(qū)平面分布Fig.5 Low resistivity abnormal area near the bottom boundary of weathered rocks

異常區(qū)與底界起伏形態(tài)對比如圖6所示。從圖6可以看出,青、藍(lán)色的低阻異常區(qū)大體分布在南部以及東北部位置,范圍較大且異常較強(qiáng),對比風(fēng)化巖底界的起伏形態(tài)來看,異常區(qū)大都分布在相對低洼位置處。

圖6 風(fēng)化巖底界異常區(qū)與底界起伏形態(tài)對比Fig.6 A comparison of the abnormal area and undulation pattern of the bottom boundary of weathered rock

直羅組底界附近低阻異常區(qū)平面分布如圖7所示。從圖7可以看出,工作面平面范圍內(nèi)有3處直羅組含水層富水異常區(qū),均集中在工作面中部區(qū)域,編號分別為Z-2、Z-4、Z-5,疊加物探異常區(qū)與直羅組厚度等值線,亦發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律,即異常區(qū)與地層厚度明顯呈正相關(guān)關(guān)系。

圖7 直羅組底界附近低阻異常區(qū)平面分布Fig.7 Low resistivity abnormal area near the bottom boundary of Zhiluozu Formation

將直羅組由深至淺3個層位的低阻異常區(qū)平面分布圖組合成立體展布圖(圖8),從圖8可以看出,縱向上由淺至深異常區(qū)由青色、淺藍(lán)色逐漸加深為藍(lán)色,表明直羅組地層的異常區(qū)主要集中在直羅組底界以及中部附近,且據(jù)井下實(shí)際鉆孔揭露情況,直羅組底界及中部砂巖含水層富水性較強(qiáng)。

圖8 直羅組低阻異常區(qū)立體分布與水文地質(zhì)剖面對比Fig.8 The stereoscopic distribution of low resistance anomaly area in Zhiluo Formation and its hydrogeological profile

工作面平面范圍內(nèi)有3處延安組含水層富水異常區(qū)。2M50-3號異常區(qū)在工作面中部回風(fēng)巷,2M50-4號異常區(qū)位于工作面東部回風(fēng)巷,2M50-5號異常區(qū)位于工作面回撤通道附近(圖9),這3個異常區(qū)與地層厚度線性關(guān)系不顯著,亦表明該含水層富水性弱。

圖9 2-2煤頂板延安組低阻異常區(qū)平面分布Fig.9 Low resistivity abnormal area of Yan′an Formation in coal roof

3 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度實(shí)測

根據(jù)曹家灘煤礦施工的LD-1、LD-2、LD-3、LD-4兩帶探查鉆孔(表2、表3),結(jié)果表明122 109工作面采用綜放開采工藝,導(dǎo)水裂隙帶高度為215.01 m,裂采比取為19.88,已發(fā)育至風(fēng)化基巖含水層。

表2 鉆孔沖洗液漏失量測試導(dǎo)水裂隙帶高度結(jié)果Tab.2 Result of testing leakage of drilling flushing fluid and testing height of water conducting fracture zone

表3 鉆孔電視探測導(dǎo)水裂隙帶高度結(jié)果Tab.3 The result of borehole TV detecting the height of water conducting fracture zone

4 工作面涌水量預(yù)測

122109工作面回采過程中煤層頂板直接充水含水層主要有3層:延安組砂巖孔隙承壓含水層、直羅組砂巖孔隙承壓含水層、風(fēng)化基巖裂隙承壓含水層。工作面涌水量預(yù)測需考慮這3層含水層。

采用動靜態(tài)水結(jié)合法預(yù)測122109工作面涌水量。122109工作面涌水量主要由2部分組成,第1部分為頂板垮落冒裂帶發(fā)育至含水層后,導(dǎo)致冒裂帶影響范圍內(nèi)的含水層與周邊含水層被導(dǎo)水裂隙斷開,使其內(nèi)部的水通過裂隙流入到工作面內(nèi),這部分水因?yàn)榕c原來的含水層脫離,不接受側(cè)向補(bǔ)給,屬靜態(tài)水。第2部分為頂板垮落后,冒裂帶周邊未受開采影響的含水層,沿冒裂邊界側(cè)向徑流源源不斷地流入到工作面內(nèi),該部分水量主要由冒裂帶頂部含水層的垂直下滲補(bǔ)給和冒裂區(qū)四周含水層的側(cè)向徑流補(bǔ)給2部分組成,屬動態(tài)水。

4.1 計算公式

靜態(tài)水計算公式:

(1)

式中,M為含水層厚度;L為工作面斜長;B為初次溝通主要含水層垮落區(qū)寬度;μ為含水層給水度;t為最終完成潰水時間。

動態(tài)水計算公式:

(2)

式中,Q動為動態(tài)補(bǔ)給涌水量;K為滲透系數(shù);M為含水層厚度;H為水頭高度;R0為引用影響半徑;r0為引用半徑。

礦坑所在含水層均質(zhì)無限分布,天然水位近似水平,因此引用影響半徑R0可采用如下式計算:

(3)

式中,S為水位降深值;F為開采區(qū)面積。

將兩部分水量相加,即可得出122109工作面水量計算公式:

(4)

4.2 參數(shù)選取

延安組含水層水頭高度262.6 m、滲透系數(shù)0.003 114 8 m/d、含水層厚度54.4 m。直羅組含水層水頭高度170.5 m、滲透系數(shù)為0.029 304 5 m/d、含水層厚度49.5 m。風(fēng)化基巖含水層水頭高度91.6 m、滲透系數(shù)0.193 562 5 m/d、含水層厚度16.2 m。

工作面采寬取300 m,采長取6 000 m,初次溝通含水層垮落區(qū)寬度取32 m,周期性溝通含水層垮落區(qū)寬度為18 m。含水層給水度取0.015(參照規(guī)范選取),地下水滲流時間和最終完成潰水時間均取3日(參照區(qū)內(nèi)臨近及條件類似礦井?dāng)?shù)據(jù))。計算結(jié)果表明工作面正常涌水量為610 m3/h、最大涌水量為823.5 m3/h,預(yù)測結(jié)果與實(shí)際涌水量非常接近,說明此預(yù)測方法合理,可應(yīng)用于其他工作面涌水量預(yù)測。

5 工作面涌水機(jī)理

122109工作面煤厚穩(wěn)定,平均為12.2 m,綜放開采采厚相近,煤層頂板距直羅組底界平均為76 m,距離第四系薩拉烏蘇組含水層底界面超過300 m,直羅組與薩拉烏蘇組之間夾114 m厚的新近系保德組紅土層和離石組黃土層隔水層,距安定組底界面風(fēng)化基巖含水層平均190 m。依據(jù)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為215.01 m,122109工作面回采過程中,工作面充分開采導(dǎo)水裂隙帶會穿透風(fēng)化基巖含水層進(jìn)入隔水層,可見延安組含水層、直羅組含水層、風(fēng)化基巖含水層是工作面直接充水水源,薩拉烏蘇組含水層為間接充水水源。

物探探查發(fā)現(xiàn)122109工作面中西部直羅組底界存在強(qiáng)富水異常區(qū),工作面中部風(fēng)化基巖存在相對強(qiáng)富水異常區(qū),工作面停采線附近存在風(fēng)化基巖強(qiáng)富水區(qū)。工作面涌水量動態(tài)曲線如圖10所示。從圖10可看出,工作面推采至直羅組和風(fēng)化基巖異常區(qū)時,涌水量均有大幅上升趨勢,尤其是進(jìn)入風(fēng)化基巖富水異常區(qū),涌水量增加幅度較為顯著,可見針對風(fēng)化基巖含水層富水異常區(qū),采取提前預(yù)疏放措施可實(shí)現(xiàn)減小工作面涌水的效果。

圖10 工作面涌水量動態(tài)曲線Fig.10 Dynamic curve of water inflow at working face

煤層埋深約320 m,按照1.2倍計算充分采動距離,即工作面推采至384 m時達(dá)到充分采動,導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至最大高度,工作面推采至384～6 000 m時,風(fēng)化基巖含水層、直羅組含水層、延安組含水層已全部參與工作面涌水。工作面推采至300 m以前,涌水量<200 m3/h;推采至1 200 m以前,涌水量<300 m3/h;推采至2 000 m以前,涌水量<400 m3/h;推采至2 000～6 000 m,涌水量為200～950 m3/h,總體涌水量較小。

6 結(jié)語

(1)通過對礦井及工作面水文地質(zhì)資料分析,確定了工作面充水水源為頂板延安組、直羅組以及風(fēng)化基巖砂巖含水層。

(2)工作面回采期間應(yīng)主要關(guān)注風(fēng)化基巖含水層。采取頂板含水層富水異常區(qū)超前預(yù)疏放,釋放靜儲量,削峰平谷,可以保障工作面安全回采。

(3)工作面回采至300 m以前,呈現(xiàn)低強(qiáng)度涌水,300 m以后,導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至峰值,達(dá)到充分采動,涌水量基本處于穩(wěn)定階段,呈現(xiàn)為較高強(qiáng)度涌水。

(4)采用動靜態(tài)水結(jié)合法預(yù)測工作面涌水量結(jié)果較為準(zhǔn)確,可應(yīng)用于后期其他工作面涌水量預(yù)測。