濟(jì)寧二號(hào)煤礦西部主采區(qū)涌水量解析法預(yù)測(cè)

王小鳳,　趙迎春,　時(shí)　蔭

(兗州煤業(yè)股份有限公司 濟(jì)寧二號(hào)煤礦, 山東 濟(jì)寧 272175)

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濟(jì)寧二號(hào)煤礦西部主采區(qū)涌水量解析法預(yù)測(cè)

王小鳳,趙迎春,時(shí)蔭

(兗州煤業(yè)股份有限公司 濟(jì)寧二號(hào)煤礦, 山東 濟(jì)寧 272175)

為解決即將開采的西部主采區(qū)涌水量預(yù)測(cè)問題,通過對(duì)三個(gè)采區(qū)地質(zhì)和開采條件的分析,確定頂板砂巖水是采區(qū)的主要水源。選取相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù),建立了涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算模型,并以大井法對(duì)三個(gè)采區(qū)的涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。與地質(zhì)條件相似的已開采采區(qū)實(shí)測(cè)涌水量的對(duì)比分析表明，十三、十五和十七采區(qū)的涌水量分別為22.85、18.76、19.37 m3/h。預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)三個(gè)采區(qū)的水害防治將起到重要的參考價(jià)值。

西部采區(qū); 涌水量; 解析法

0　引　言

礦坑涌水量預(yù)測(cè)是礦區(qū)水文地質(zhì)勘查階段的主要任務(wù)之一,也是開采設(shè)計(jì)部門制訂疏干措施、 確定排水設(shè)備及確保礦山安全生產(chǎn)的主要依據(jù)[1]。回采工作面涌水是煤礦安全生產(chǎn)中倍受重視的問題。為安全回采提前做好排水準(zhǔn)備,工作面涌水量預(yù)測(cè)問題成為一項(xiàng)非常重要也是最不容易確定的開采難題。預(yù)采工作面涌水量計(jì)算方法較多,有比擬法、大井法、回歸分析法、水均衡法、解析法和數(shù)值模擬法等,但以地下水動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)上的大井法相對(duì)使用較多[2-6];從目前的研究水平和開采實(shí)踐來(lái)看,大井法法仍是目前評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)礦井涌水量最簡(jiǎn)單有效的方法[4-6]。濟(jì)寧二號(hào)煤礦自1997年投產(chǎn)以來(lái),主要開采礦井東部的一、二、三、四、六采區(qū)的3煤層,上述采區(qū)已接近開采完成,為礦井持續(xù)生產(chǎn),目前正在積極進(jìn)行西部采區(qū)巷道準(zhǔn)備和工作面開采。目前已開采西部采區(qū)的九、十一采區(qū),今后較長(zhǎng)時(shí)期礦井的主要產(chǎn)區(qū)將轉(zhuǎn)移到西部的十三、十五、十七采區(qū)。為此,根據(jù)濟(jì)寧二號(hào)煤礦實(shí)際開采規(guī)劃,以西部主采區(qū)為背景,采用大井法進(jìn)行三個(gè)涌水量分析,并與相似已開采采區(qū)的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,這將為西部采區(qū)的水害防治提供一定的參考依據(jù)。

1　西采區(qū)地質(zhì)概況

濟(jì)寧二號(hào)煤礦西部采區(qū)內(nèi)3煤層厚1.85～2.65 m。根據(jù)井田覆巖條件濟(jì)寧二號(hào)煤礦在緩傾角中硬至堅(jiān)硬復(fù)雜條件下的綜采工作面冒裂帶高度實(shí)測(cè)研究成果,采用其全煤厚綜放開采條件下,導(dǎo)水裂縫帶最大高度Hmax與采煤厚度d的關(guān)系:Hmax=100d/(0.52d+6.34),計(jì)算了全煤厚綜放開采條件下,3煤層導(dǎo)水裂隙帶高度。根據(jù)采區(qū)內(nèi)鉆孔揭露情況,經(jīng)計(jì)算,3煤可采厚度最厚為2.65 m,冒裂高度34.34 m,侏羅系至3煤間距與冒裂高度之差均大于100 m。采區(qū)范圍內(nèi),對(duì)開采上組煤層沒有直接充水影響。3煤開采直接充水含水層為3煤頂、底板砂巖。

據(jù)井田勘探階段(精查)報(bào)告對(duì)西部采區(qū)3煤頂板砂巖水的分析評(píng)價(jià):條件簡(jiǎn)單,開采不會(huì)有頂板涌水。近年來(lái),九、十一采區(qū)的初步開采時(shí),工作面頂板涌水一般達(dá)到30～100 m3/h,十一采區(qū)工作面老空放水量70萬(wàn)m3。說(shuō)明濟(jì)寧二號(hào)煤礦西部采區(qū)3煤頂板砂巖水文地質(zhì)開采條件并非簡(jiǎn)單,對(duì)開采存在一定威脅,局部地段存在發(fā)生災(zāi)害性涌水的可能。

2　解析模型的建立及相關(guān)條件

2.1解析模型的建立

根據(jù)礦井相關(guān)地質(zhì)和開采資料,由于礦井1997年就已經(jīng)投產(chǎn),礦井東部的一、二、三、四、六采區(qū),西部的九、十一采區(qū)部分工作面已接近開采完成,疏干流場(chǎng)符合穩(wěn)定流,且開采時(shí)頂板砂巖的水位降低到砂巖底板,即在工作面附近會(huì)出現(xiàn)無(wú)壓水流區(qū),變成承壓—無(wú)壓(承壓—潛水井)完整井流,可以由此確定,為承壓—無(wú)壓完整穩(wěn)定井流類型。因此,最終可確定選用承壓—無(wú)壓井流公式,式(1)分別對(duì)礦井十三、十五、十七采區(qū)的正常涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

裘布依承壓穩(wěn)定井流方程的假定條件非常嚴(yán)格,現(xiàn)實(shí)中,當(dāng)水位降低很大時(shí),井內(nèi)水位低于承壓含水層的頂板時(shí),便會(huì)出現(xiàn)承壓水井附近水流變?yōu)闊o(wú)壓水流,而距井較遠(yuǎn)處仍為承壓水,如圖1所示,當(dāng)Hw

(1)

式中:Q——抽水井涌水量,m3/d;

K——含水層滲透系數(shù),m/d;

d——承壓含水層厚度,m;

R——引用影響半徑,m;

Rw——抽水井半徑,m;H0——圓柱形含水層外側(cè)水頭(保持不變),m;

Hw——抽水井中的水頭(實(shí)指進(jìn)水井壁處的水頭),m。

圖1　承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓涌水量計(jì)算

2.2模型相關(guān)參數(shù)的分析

式(1)中,需要確定如下參數(shù):承壓含水層滲透系數(shù)K、含水層厚度d、引用影響半徑R、抽水井半徑Rw、圓柱形含水層外側(cè)水頭H0、抽水井中的水頭Hw。

2.2.1含水層厚度d和滲透系數(shù)K

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料,十五采區(qū)的3上頂板砂巖平均厚度10.79 m,3下頂板砂巖平均厚度32.06 m,合計(jì)總厚度56.57 m。由于十三、十七采區(qū)關(guān)于3煤頂板砂巖厚度沒有數(shù)據(jù),且在砂巖系數(shù)分區(qū)圖中,它們與十五采區(qū)基本在同一等級(jí),故可采用十五采區(qū)的砂巖厚度來(lái)計(jì)算。由此,可得含水層厚度:d=56.57 m。

根據(jù)I1B區(qū)內(nèi)僅補(bǔ)9-10孔獲得的滲透系數(shù)值為0.001 76 m/d,該值作為I1B區(qū)內(nèi)3煤頂板砂巖含水層的滲透系數(shù)值。且十三、十五、十七采區(qū)基本都屬于極弱富水區(qū),故其滲透系數(shù)值均采用該值,K=0.001 76 m/d。

2.2.2疏干“大井”引用半徑

井巷系統(tǒng)的形狀復(fù)雜、分布極不規(guī)則,范圍廣,且處于經(jīng)常變化之中,構(gòu)成了復(fù)雜的內(nèi)邊界。解析法要求將它理想化,故常將此形狀復(fù)雜的井巷系統(tǒng)看成是一個(gè)“大井”,把井巷系統(tǒng)圈定的或者以降落漏斗距井巷最近的封閉等水位線圈定的面積F看成相當(dāng)該“大井”的面積。此時(shí),整個(gè)井巷系統(tǒng)的涌水量,就相當(dāng)于“大井”的涌水量,可使用各種井流公式計(jì)算礦井涌水量,稱“大井法”。近圓形“大井”的引用半徑為

(2)

根據(jù)采區(qū)布置情況及其巷道開拓情況,十三、十五、十七采區(qū)的井巷系統(tǒng)的面積分別為3.01、1.46、1.65 km2。由此,可以獲得十三采區(qū)、十五采區(qū)和十七采區(qū)形成的疏干“大井”的引用半徑如下:十三采區(qū):Rw=0.565×(3.01×106)0.5=980.24 m;十五采區(qū):Rw=0.565×(1.46×106)0.5=682.69 m;十七采區(qū):Rw=0.565×(1.65×106)0.5=725.76 m。

2.2.3圓柱形含水層外側(cè)水頭和抽水井中的水頭

根據(jù)礦井范圍內(nèi)3煤頂板砂巖水文長(zhǎng)觀孔資料可知,在西部采區(qū)首采面開始回采之前(九采區(qū)從2005年9月回采,十一采區(qū)從2005年10月回采),GP1-3和GP1-4孔的水位標(biāo)高分別為+26.63 m(2000-05-30)和+22.19 m(2000-05-30),取該兩水位的平均值作為I1B區(qū)首采面回采之前3煤頂板砂巖的水位標(biāo)高為+24.41 m。

同時(shí),由開采規(guī)劃圖可知,西部采區(qū)內(nèi)待采工作面范圍內(nèi)3煤底板標(biāo)高約為-600～-800 m,選取3煤底板標(biāo)高最小值(-800 m),由此可得西部采區(qū)內(nèi)工作面開采3煤頂板砂巖含水層的預(yù)期最大水位降深為S=24.41-(-800)=824.41 m,則圓柱形含水層外側(cè)水頭H0為824.41 m,抽水井中的水頭Hw為0 m。

2.2.4引用影響半徑

用大井法預(yù)測(cè)礦井涌水量時(shí),其降落漏斗的引用影響半徑R應(yīng)從大井中心算起,等于“大井”的引用半徑Rw加上排水影響半徑R0,即

R=Rw+R0。

(3)

確定排水影響半徑的方法很多,在礦井涌水量計(jì)算中常用庫(kù)薩金和吉哈爾特經(jīng)驗(yàn)公式作近似計(jì)算。庫(kù)薩金公式:

(4)

吉哈爾特公式:

(5)

式中:S——抽水時(shí)的水位降深,m。

礦井疏干排水影響半徑應(yīng)根據(jù)大降深群孔抽水或坑道放水試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料,用圖解法確定影響半徑。但礦井內(nèi)的水文觀測(cè)孔都已受到開采影響,無(wú)法確定礦井排水引起的最大的影響范圍,因此本報(bào)告采用式(4)、(5)確定的影響半徑平均值乘以一修正系數(shù)(η)的方法來(lái)確定,即

(6)

由此,可得庫(kù)薩金公式:

(7)

吉哈爾特公式:

(8)

由此,可以最終獲得十三、十五、十七采區(qū)形成的疏干“大井”的引用影響半徑,十三采區(qū):R=Rw+R0=980.24+2 395.97=3 376.21 m;十五采區(qū):R=Rw+R0=682.69+2 395.97=3 078.67 m;十七采區(qū):R=Rw+R0=725.76+2 395.97=3 121.73 m。

3　涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果與分析

3.1預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果

采用的穩(wěn)定井流式(1)對(duì)礦井涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè),將其參數(shù)代入式(1),可以得到礦井十三采區(qū)、十五采區(qū)和十七采區(qū)3煤開采的正常涌水量Qz。

16.80 m3/h,

十五采區(qū):

13.79 m3/h,

十七采區(qū):

14.24 m3/h。

根據(jù)歷年礦井涌水量變化系數(shù),最大為1.36,可得十三、十五、十七采區(qū)3煤開采的最大涌水量:

十三采區(qū)Qmax=16.80×1.36=22.85 m3/h;

十五采區(qū)Qmax=13.79×1.36=18.76 m3/h;

十七采區(qū)Qmax=14.24×1.36=19.37 m3/h。

3.2預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

綜合以上分析結(jié)果可知,濟(jì)寧二號(hào)礦井西部采區(qū)3煤開采分采區(qū)最大涌水量Qmax和正常涌水量Qz見表1。

表1西部采區(qū)3煤開采分采區(qū)涌水量預(yù)計(jì)結(jié)果

Table 13 coal seam mining area west of mining area water inflow is expected to result

在用大井法預(yù)測(cè)涌水量時(shí),主要考慮3煤頂板砂巖為十三、十五、十七采區(qū)3煤開采的主要充水含水層,且該含水層的水文地質(zhì)參數(shù)是由礦井水文地質(zhì)觀測(cè)孔和抽水孔得來(lái),較為可信。

在計(jì)算中用到了3煤頂板砂巖厚度,由礦井鉆孔數(shù)據(jù)可知,礦井內(nèi)巖性變化大,鉆孔之間揭露的砂巖厚度變化也較大;目前,僅有1個(gè)孔的砂巖厚度值,顯然會(huì)使得礦井涌水量計(jì)算結(jié)果誤差增大。且十三、十七采區(qū)砂巖厚度的具體數(shù)值沒有,參照十五采區(qū)的砂巖厚度,可能導(dǎo)致最后計(jì)算出的結(jié)果有一定偏差。

西采區(qū)的九采區(qū)和十一采區(qū)已進(jìn)行了部分工作面的回采,九采區(qū)2005年7月開始回采,紅層水～三灰水對(duì)采掘未造成影響,采區(qū)主要充水水源為3煤頂?shù)装迳皫r水。由于3煤頂?shù)装迳皫r賦水性弱,因而在工作面準(zhǔn)備過程中涌水量也較小,未發(fā)生突水事故,沒有對(duì)生產(chǎn)造成影響。十一采區(qū)在開拓過程中,僅在局部裂隙發(fā)育地段和斷層處有淋水,正常涌水量在15 m3/h左右。十一采區(qū)于2005年10月開始回采,上侏羅統(tǒng)紅層砂巖水和三層灰?guī)r水對(duì)采掘未造成影響,采區(qū)主要充水水源為3煤頂?shù)装迳皫r水。由于3煤頂?shù)装迳皫r賦水性弱,因而工作面生產(chǎn)過程中涌水量也較小,沒有對(duì)生產(chǎn)造成影響。

4　結(jié)束語(yǔ)

利用礦井西部主采區(qū)相關(guān)資料,確定了采區(qū)涌水量的主要來(lái)源,并建立了涌水量計(jì)算模型,通過水文地質(zhì)參數(shù)的選取,采用大井法對(duì)三個(gè)采區(qū)的涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)計(jì)算。預(yù)計(jì)值與地質(zhì)條件相似的已回采的采區(qū)涌水量進(jìn)行對(duì)比,兩者相差不大。

[1]鄭世書, 陳江中, 劉漢湖, 等. 專門水文地質(zhì)學(xué)[M]. 徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 1999.

[2]薛禹群. 地下水動(dòng)力學(xué)[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 1997.

[3]武強(qiáng), 江中云, 孫東云, 等. 東歡坨礦頂板涌水條件與工作面水量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探, 2000, 28(6): 32-35.

[4]樂建, 李文平, 喬偉, 等. 采動(dòng)影響下多工作面頂板涌水量預(yù)計(jì)方法[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2009, 36(3): 22-24.

[5]官云章, 馬慶福. 利用地下水動(dòng)力學(xué)解析法計(jì)算回采工作面涌水量[J]. 煤田地質(zhì)與勘探, 2005, 33(2): 162-164.

[6]華解明. “大井法”預(yù)測(cè)礦井涌水量問題探討[J]. 中國(guó)煤炭地質(zhì), 2009, 21(6): 45-47.

(編輯李德根)

Analytical method estimate of water inflow in western main mining area of Jining No.2 coal mine

WANGXiaofeng,ZHAOYingchun,SHIYin

(Yanzhou Coal Mining Co. Ltd., Jining II Coal Mine, Jining 272175, China)

Aimed at the prediction of water inflow of western main mining area, this paper describes the roof sandstone water determined as a major source of water by analyzing geological and mining conditions of the three mining areas. The determination comes from the development of the water inflow forecasting model, the selection of the relevant hydrogeological parameters, forecast and evaluation of the water inflow of three mining areas by the “Virtual large diameter well” method, and comparative analysis of the water inflow occurring in mined areas with a similar geological condition.The thirteenth, fifteenth and seventeenth mining area are found to give the mine water inflow of 22.85、18.76、19.73 m3/h respectively. The prediction would be of reference value for the prevention and control of water disaster in the three mining areas.

western mining area; water inflow; analytical method

2013-05-30

王小鳳(1983-),女,江蘇省新沂人,工程師, 研究方向:礦井地質(zhì)探測(cè),E-mail:13853731580@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.04.016

TD745

1671-0118(2013)04-0378-04

A