煤層底板強(qiáng)含水層超前疏放分析與應(yīng)用

馬亞杰,馮 玉,章之燕,尹尚先

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北唐山 063009;2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,河北唐山 063009;3.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司,河北唐山 063000;4.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,北京 101601)

煤層底板強(qiáng)含水層超前疏放分析與應(yīng)用

馬亞杰1,2,馮 玉3,章之燕3,尹尚先4

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北唐山 063009;2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,河北唐山 063009;3.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司,河北唐山 063000;4.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,北京 101601)

為實(shí)現(xiàn)對煤系地層中裂隙強(qiáng)含水層的整體高效疏放,以開灤東歡坨煤礦12－2煤層底板強(qiáng)含水層疏放為實(shí)例開展研究。從含水層水文地質(zhì)參數(shù)空間分布、地質(zhì)構(gòu)造控制作用、含水層揭露部位的涌突水特征與含水層露頭補(bǔ)給條件方面,綜合分析了含水層特征,得出含水層于－500水平以淺富水且順層水力聯(lián)系良好,走向上劃分為3個(gè)次級(jí)富水單元。采用數(shù)值模擬方法預(yù)測了已揭露出水點(diǎn)在目標(biāo)期內(nèi)的疏放水效果與強(qiáng)徑流區(qū)。以此為依據(jù),確定了3個(gè)疏降水中心與鉆孔布設(shè)方案。通過實(shí)施疏放水方案,成功實(shí)現(xiàn)了含水層在目標(biāo)期的整體強(qiáng)烈疏放,保障了首采工作面的安全開采。

煤層;底板;強(qiáng)含水層;疏放水;東歡坨煤礦

超前疏放水是礦井防治水中最為普遍應(yīng)用的措施之一。但由于煤層充水頂?shù)装搴畬又袃?chǔ)/導(dǎo)水裂隙或溶穴系統(tǒng)發(fā)育極不均勻、不規(guī)律,甚至形成不同含水系統(tǒng)在同一空間疊置[1],含水層復(fù)雜性使得疏放水工作困難。為實(shí)現(xiàn)超前疏放水,諸多礦區(qū)開展了頂板含水層疏放研究,根據(jù)含水層沉積與地質(zhì)構(gòu)造特征,結(jié)合水位、水化學(xué)分析,劃分礦井水文地質(zhì)單元,確定地下水富集區(qū),從而指導(dǎo)疏放水鉆孔布設(shè)[2－4]。武強(qiáng)等提出了基于GIS與多種決策分析方法耦合的頂?shù)装甯凰苑謪^(qū)研究[5－8],為疏放水工作提供了依據(jù);徐德金、董東林等將Visal Modflow與Feflow等地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于煤層頂?shù)装逅牡刭|(zhì)特征研究[9－10]。綜合多種方法對煤層頂?shù)装搴畬邮璺判赃M(jìn)行研究,有助于實(shí)現(xiàn)超前疏放的優(yōu)化,提高礦井經(jīng)濟(jì)效益。

開灤東歡坨礦是我國北方著名的大水礦井,中央－北一采區(qū)12－2煤層厚度1.3～3.7 m,平均厚度2.0 m,可采儲(chǔ)量361萬t,受底板煤12－2～煤14－1含水層直接威脅,煤層下無有效隔水層。為解放中央－北一采區(qū)煤層資源,筆者對12－2煤層底板砂巖裂隙含水層疏放進(jìn)行了研究。

1 含水層特征與可疏性分析

東歡坨礦位于車軸山傾向斜構(gòu)造內(nèi),研究區(qū)則位于向斜緩傾斜的東南翼,為單斜地層,含水層于基巖露頭處接受沖積層水源補(bǔ)給。筆者從含水層參數(shù)分布、地質(zhì)構(gòu)造、含水層揭露部位的涌突水特征與含水層露頭補(bǔ)給條件等方面進(jìn)行綜合分析,確定含水層可疏性。

1.1 含水層參數(shù)分布

研究區(qū)煤系地層為向西北緩傾的單斜地層,含水層特征參數(shù)空間上分布不均勻。分析煤12－2～煤14－1含水層厚度、滲透系數(shù)、單位涌水量及脆塑性巖層厚度比值的空間變化,得出:含水砂巖層厚度為27.3～2.7 m,由淺部向深部逐漸變薄;單位涌水量0.068 7～1.031 0 L/(s·m),－500水平以淺富水性強(qiáng),向深部單位涌水量變小;滲透系數(shù)0.791～9.160 m/d,－500水平異常增大,向深部變小;含水層中脆性巖層厚度與塑性巖層厚度比值為7.5～3.5,由淺部向深部塑性巖層逐漸增加。綜合上述情況,初步確定含水層淺部較深部富水性好,在－500以淺富水,滲透性良好。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造控制作用

按照斷層與地層產(chǎn)狀的關(guān)系劃分,切過煤12－2～煤14－1含水層的斷層主要有與地層走向一致的縱向斷層、與地層斜交的斜向斷層及與地層走向垂直的橫向斷層[11]。

橫向斷層為位于研究區(qū)北部邊界的F′2斷層,規(guī)模大、破碎帶寬、富含斷層泥,斷層帶不導(dǎo)水,將斷層兩側(cè)分隔為兩個(gè)水文地質(zhì)單元。但斷層兩盤共伴生裂隙成為儲(chǔ)導(dǎo)水的有利場所,富水性強(qiáng),發(fā)生過多起鉆孔噴水事件。伴生裂隙延伸方向與地下水由淺向深部徑流方向一致,有利于地下水的補(bǔ)給與運(yùn)移。縱向斷層主要為F′5,位于中央－北一區(qū)12煤層－500水平,區(qū)內(nèi)延長1 035 m,最大落差18 m,井下施工5個(gè)探水鉆孔揭露該斷層帶內(nèi)不含水,斷層切割含水層阻滯地下水由淺部順層向深部徑流,形成－500水平以淺富水區(qū)域。已揭露斜向斷層較多,主要分布于中央－北一采區(qū),走向與地層走向接近者具有錯(cuò)斷局部含水層阻滯地下水向深部徑流的作用,斷層伴共生裂隙有利于地下水的富集。南部區(qū)域范圍較大,構(gòu)造簡單,無大型斷層存在。依據(jù)斷層控制的裂隙分布與其控水作用,沿地層走向可劃分北一、中央及南部3個(gè)次級(jí)富水單元。整個(gè)區(qū)域受車軸山向斜構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,向斜緩傾翼順層節(jié)理及縱向與橫向“X”節(jié)理發(fā)育,在脆性巖區(qū)形成導(dǎo)水裂隙,使各次級(jí)富水單元內(nèi)順層水力聯(lián)系條件好[12－15]。

1.3 含水層涌突水特征

東歡坨礦井巷道揭露或接近煤12－2～煤14－1富水含水層時(shí),在中央及北一區(qū)形成多個(gè)涌突水點(diǎn): 1994年－230新風(fēng)井南碼突水點(diǎn)、2000年－500水平南大巷井底車場遇煤12－2底臌放水點(diǎn)與2008年－480膠帶巷突水點(diǎn)。巷道揭露含水層時(shí)易出水,涌突水量大,各突水點(diǎn)持續(xù)多年涌水,深部出水點(diǎn)襲奪淺部水量現(xiàn)象明顯。出水點(diǎn)涌水形成了該含水層以－480水平為中心的水位降落漏斗,表明含水層具有可疏性。

1.4 含水層補(bǔ)給條件

12－2煤層～煤14－1含水層主要接受第四系沖積層底部卵礫強(qiáng)含水層在其隱伏露頭區(qū)順層補(bǔ)給。注水試驗(yàn)結(jié)果表明,在小于0.1 MPa壓力下,風(fēng)化帶流量大于15 m3/h,滲透性較好。表明該含水層易接受沖積層補(bǔ)給,但補(bǔ)給區(qū)過水段面寬度較窄。

綜合上述分析結(jié)果,12－2煤層下伏煤12－2～煤14－1含水層為富水強(qiáng)含水層,富水區(qū)位于－500水平以淺,可進(jìn)一步分為南部區(qū)、中央?yún)^(qū)以及北一區(qū)3個(gè)次級(jí)富水區(qū)。局部含水層已形成水位降落漏斗,具有可疏放性。

2 含水層疏放數(shù)值模擬預(yù)測

2008年底東歡坨礦擬對12－2底板強(qiáng)含水層進(jìn)行疏放,因此建立數(shù)值模型對含水層疏放進(jìn)行預(yù)測,以確定:

(1)現(xiàn)有出水點(diǎn)能否于2 a后(2010年底)將底板含水層疏放至安全水壓;

(2)確定加強(qiáng)疏放水的最佳位置。

2.1 水文地質(zhì)條件概化與建模

將研究區(qū)含隔水層概化為6層:Layer 1,第四系卵礫層到煤12－2底,概化為弱透水層;Layer 2,煤12－2底到煤14－1頂,概化為強(qiáng)含水層;Layer 3,煤14及其頂部泥巖和粉砂巖互層,概化為弱透水層; Layer 4,煤14底以下到G層鋁土頂板,概化為強(qiáng)含水層;Layer 5,G層鋁土質(zhì)黏土巖,概化為弱透水層; Layer 6,奧陶系石灰?guī)r含水層,概化為極強(qiáng)含水層。應(yīng)用FEFLOW軟件建立三維模型。

初始水頭為2005年1月水頭。設(shè)北部隔水?dāng)鄬舆吔鐬?流量邊界,其他邊界均為流量邊界。2008年底該含水層已有出水點(diǎn)位于－230水平南碼、－480膠帶巷(北一～北二)和－500南大巷,將各點(diǎn)涌水量平均分配至概化的抽水井,－230水平設(shè)3口抽水井,－480膠帶巷設(shè)3口抽水井、－500南大巷設(shè)7口抽水井。對12－2煤層～煤14－1含水層的2005—2008年出水點(diǎn)涌水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與回歸分析,得出出水點(diǎn)水量的擬合曲線方程為:Q=6 605－64.47t,其中,Q為涌水量,m3/d;t為時(shí)間,m。該方程用于預(yù)測2009年及2010年出水點(diǎn)水量。2009之前抽水井涌水量采用實(shí)際觀測值,2009—2010年采用回歸方程預(yù)測值。

以2005年1月到2007年12月作為模型的識(shí)別期;2008年1月到2008年12月作為模型的驗(yàn)證期; 2009年1月到2010年12月作為模型的預(yù)測期。將鉆孔觀測水位與計(jì)算水位進(jìn)行擬合驗(yàn)證,對各含水層參數(shù)加以識(shí)別、調(diào)整。

2.2 含水層疏放效果預(yù)測結(jié)果

通過模擬預(yù)測,在現(xiàn)有出水點(diǎn)疏放情況下,預(yù)測2010年12月含水層水壓與地下水徑流強(qiáng)度,如圖1所示。預(yù)測結(jié)果表明,2010年12月含水層在－500水平中央?yún)^(qū)形成降落漏斗,－500水平承壓170 m,達(dá)不到含水層疏干要求。－480水平北一區(qū)呈現(xiàn)地下水強(qiáng)徑流特征。應(yīng)用Fluid flux analyzer模塊,對2010年煤12－2底板區(qū)域內(nèi)水量進(jìn)行分區(qū)預(yù)測,分區(qū)如圖2所示,預(yù)測結(jié)果如圖3所示。

至2010年底,C區(qū)為－230以上,水位降至底板以下,涌水量為0;A,B區(qū)已強(qiáng)烈疏降,水量較小;D, E區(qū)水量大,為需重點(diǎn)加強(qiáng)的疏放區(qū)。

圖1 預(yù)測2010年12月含水層水頭和流速矢量圖Fig.1 The water head distribution and flow rate chart of aquifer in November,2010

圖2 水量預(yù)測分區(qū)Fig.2 Zones for flow amount prediction

3 含水層疏干方案

東歡坨煤礦12－2煤層與底板含水層間無有效隔水底板,需要對底板含水層進(jìn)行疏干。按照次級(jí)富水集中區(qū)布置疏放水中心,形成3個(gè)集中疏降區(qū)。

(1)北一疏降區(qū):利用－480膠帶巷(北一～北二)實(shí)施6個(gè)疏放水孔,預(yù)計(jì)單孔放水量為1.0 m3/min,總放水量為1.0×5×0.5=2.50 m3/min。

圖3 水量分區(qū)預(yù)測結(jié)果Fig.3 Prediction results of flow amount in every zone

(2)中央疏降區(qū):充分利用－500南大巷車場繞道,每50 m布置1個(gè)疏水鉆孔(共計(jì)4個(gè)),布置2個(gè)井下長期水文觀測鉆孔監(jiān)測水壓。原疏放鉆孔2個(gè),新設(shè)置疏放鉆孔2個(gè)。預(yù)計(jì)單孔放水量為1.0 m3/min,總放水量為1.0×4×0.5=2.0 m3/min。

(3)南部疏降區(qū):－500南大巷320 m段布置疏水鉆孔,原有6個(gè)、新增4個(gè)疏放鉆孔。預(yù)計(jì)單孔放水量為1.0 m3/min,總放水量為1.0×10×0.5= 5 m3/min。

4 疏放水效果評價(jià)

2009年4月開始陸續(xù)施工疏放水鉆孔,含水層水位整體平穩(wěn)下降。2011年底12－2底板強(qiáng)含水層水位監(jiān)測孔中央至北一區(qū)32孔、42孔及南翼區(qū)11孔水位均下降至含水層底板,形成了以－480水平為中心的巨大強(qiáng)降水漏斗,中心區(qū)水位疏降至－460 m,為煤層開采提供了條件。2012年東歡坨煤礦對12－2煤層首采工作面進(jìn)行了回采,在巷道施工與采煤工作面回采中均未出現(xiàn)大的水害事故。

5 結(jié) 論

(1)通過含水層多參數(shù)分析確定富水區(qū)為－500以淺,節(jié)理發(fā)育特征與歷史涌突水事件反映出含水層順層水力聯(lián)系良好,因此將疏水鉆孔設(shè)于含水層富水區(qū)偏深部位置,即－500附近區(qū)域。

(2)受斷層分隔作用影響,含水層沿走向劃分為3個(gè)次級(jí)富水單元,在每個(gè)單元內(nèi)均設(shè)置疏降中心,以保證含水層水位整體疏降。

(3)實(shí)施了3個(gè)疏降中心、24個(gè)鉆孔組成的加強(qiáng)疏放水工程,實(shí)現(xiàn)了對富水強(qiáng)含水層水位快速、整體疏降,保障了12－2煤層按照預(yù)定時(shí)間安全開采。

[1] 馬亞杰,左文喆,劉 伯,等.隱伏向斜揚(yáng)起端構(gòu)造控水規(guī)律分析——以開灤東歡坨礦為例[J].煤炭學(xué)報(bào),2012,37(S1):157－160.

Ma Yajie,Zuo Wenzhe,Liu Bo,et al.Analysis on law of geological structures controlling groundwater in buried syncline nose:A case in the Donghuantuo Coal Mine,Kailuan[J].Journal of China Coal Society,2012,37(S1):157－160.

[2] 陳善成.潘三煤礦西翼8煤水文地質(zhì)特征研究[D].淮南:安徽理工大學(xué),2010.

[3] 桂和榮,陳陸望.皖北礦區(qū)主要突水水源水文地質(zhì)特征研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2004,29(3):323－327.

Gui Herong,Chen Luwang.Study on hydrogeological feature of the main pouring water aquifers within the mining area in Northern Anhui[J].Journal of China Coal Society,2004,29(3):323－327.

[4] 邱國良.桃園煤礦八采區(qū)太灰水可疏放性評價(jià)[D].淮南:安徽理工大學(xué),2012.

[5] 武 強(qiáng),張志龍,馬積福.煤層底板突水評價(jià)的新型實(shí)用方法I——主控指標(biāo)體系的建設(shè)[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32(1):42－47.

Wu Qiang,Zhang Zhilong,Ma Jifu.A new practical methodology of the coal floor water bursting evaluatingⅠ—The master controlling index system construction[J].Journal of China Coal Society,2007, 32(1):42－47.

[6] 武 強(qiáng),黃曉玲,董東林,等.評價(jià)煤層頂板涌(突)水條件的“三圖－雙預(yù)測法”[J].煤炭學(xué)報(bào),2000,25(1):60－65.

Wu Qiang,Huang Xiaoling,Dong Donglin,et al.“Three maps two predictions”method to evaluate water bursting conditions on roof coal[J].Journal of China Coal Society,2000,25(1):60－65.

[7] 武 強(qiáng),樊振麗,劉守強(qiáng),等.基于GIS的信息融合型含水層富水性評價(jià)方法——富水性指數(shù)法[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(7):1124－1128.

Wu Qiang,Fan Zhenli,Liu Shouqiang,et al.Water-richness evaluation method of water-filled aquifer based on the principle of information fusion with GIS:Water-richness index method[J].Journal of China Coal Society,2011,36(7):1124－1128.

[8] 張和生,薛光武,石秀偉,等.基于地學(xué)信息復(fù)合疊置分析對煤層底板突水的預(yù)測[J].煤炭學(xué)報(bào),2009,34(8):1100－1104.

Zhang Hesheng,Xue Guangwu,Shi Xiuwei,et al.Prediction of water inrush fram coal seam floor confined based on geo-information composite overlay analysis[J].Journal of China Coal Society,2009,34 (8):1100－1104.

[9] 徐德金.基于Visal Modflow煤層底板灰?guī)r水疏放性研究[D].淮南:安徽理工大學(xué),2009.

[10] 董東林,王存社,陳書客,等.典型煤礦地下水運(yùn)動(dòng)及污染數(shù)值模擬:Feflow及Modflow應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社,2010.

[11] 馬亞杰,武 強(qiáng),章之燕,等.煤層開采頂板導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008,42(5):59－63.

Ma Yajie,Wu Qiang,Zhang Zhiyan,et al.Research on prediction of water conducted fissure height in roof of coal mining seam[J].Coal Science and Technology,2008,42(5):59－63.

[12] 馬亞杰,李建民,郭立穩(wěn),等.基于ANN煤層開采頂板導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32(9):926－929.

Ma Yajie,Li Jianmin,Guo Liwen,et al.Height prediction of water fractured zone based on ANN[J].Journal of China Coal Society, 2007,32(9):926－929.

[13] 馬亞杰,王 東,孫海威.ANN采煤工作面最大涌水量預(yù)測與指標(biāo)優(yōu)化[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,32 (7):869－873.

Ma Yajie,Wang Dong,Sun Haiwei.ANN-based mining face maximum inflow forecasting and predicting index optimization[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2013,32 (7):869－873.

[14] 董東林,王煥忠,武彩霞,等.斷層及滑動(dòng)構(gòu)造復(fù)合構(gòu)造區(qū)煤層頂板含水層滲流特征及突水危險(xiǎn)性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(2):373－379.

Dong Donglin,Wang Huanzhong,Wu Caixia,et al.Seepage characters of roof aquifers in faults and sliding structure and risk analysis of water inrush[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(2):373－379.

[15] 尹尚先,徐 斌,徐 慧,等.化學(xué)示蹤連通試驗(yàn)在礦井充水條件探查中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(1):129－134.

Yin Shangxian,Xu Bin,Xu Hui,et al.The application of chemical tracer experiments on exploring the mine water filling conditions [J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):129－134.

Analysis and application on the advanced discharge of water-rich aquifer of coal floor

(1.School of Mining Engineering,Hebei United University,Tangshan 063009,China;2.Hebei Key Laboratory for Mining Development and Safety Technology,Tangshan 063009,China;3.Kailuan Group Co.,Ltd.,Tangshan 063009,China;4.College of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology,Beijing 101601,China)

Seam floor 12－2 in Kailuan Donghuantuo Mine was an example to investigate the discharge of water-rich aquifer for fulfilling entire and efficient drainage in coal-bearing strata.The aquifer features were comprehensively analyzed according to its spatial distribution of hydrogeological parameter,control effect of geological structure,water burst features of exposed spots of aquifer and its supply conditions of aquifer.It is concluded that water-rich zone is upper－500 level and there is a good hydraulic connection along bedding,and three sub-water-rich units are zoned along the strike.Numerical simulation method was used to have predicted out discharge effect of exposed water burst spots and strong run-off area in the target time period.According this,three centers of discharge of water and drilling layout were determined.After practicing the layout of discharge of water,successfully,the aquifer was whole intensively drained in the target time period;it ensured that the first mining face of seam floor 12－2 was normally mined.

coal seam;floor;water-rich aquifer;discharge;Donghuantuo Coal Mine

P641.4;TD74

A

0253－9993(2014)04－0731－05

馬亞杰,馮 玉,章之燕,等.煤層底板強(qiáng)含水層超前疏放分析與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(4):731－735.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1649

Ma Yajie,Feng Yu,Zhang Zhiyan,et al.Analysis and application on the advanced discharge of water-rich aquifer of coal floor[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):731－735.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1649

2013－11－11 責(zé)任編輯:韓晉平

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174071/E0409);“十二五”國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAK04B04);河北省科技支撐指導(dǎo)資助項(xiàng)目(13275412)

馬亞杰(1975—),女,山西呂梁人,副教授。E－mail:caiqinma@sina.com

MA Ya-jie1,2,FENG Yu3,ZHANG Zhi-yan3,YIN Shang-xian4