礦井回采工作面上覆基巖水位變化規(guī)律研究

韓 強(qiáng) 曹祖寶 王國(guó)強(qiáng)

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

礦井回采工作面上覆基巖水位變化規(guī)律研究

韓 強(qiáng) 曹祖寶 王國(guó)強(qiáng)

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

為了分析預(yù)測(cè)頂板水對(duì)煤礦生產(chǎn)的危害，以陜北某國(guó)有煤礦為例，通過(guò)對(duì)礦區(qū)南翼水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，結(jié)合煤礦生產(chǎn)狀況，分析得出礦井正常開(kāi)采下，基巖含水層水位的變化特征，研究結(jié)果在該煤礦S1224工作面的回采過(guò)程中，起到了很好的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)作用，安全回采煤炭資源近千萬(wàn)噸。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，安全回采，水位降幅

煤層頂板突水具有突發(fā)性、水量大的特點(diǎn)，給礦井造成的災(zāi)難是極其嚴(yán)重的，近年來(lái)分布在內(nèi)蒙古、陜西、寧夏三省(區(qū))的部分煤礦一直深受著煤層頂板砂巖裂隙水突水危險(xiǎn)的嚴(yán)重影響,使煤礦基建速度明顯放緩、生產(chǎn)進(jìn)度受阻。因此在煤礦現(xiàn)代化生產(chǎn)中有必要建立突水預(yù)警系統(tǒng)，以保證工作面的安全回采。

煤層開(kāi)采后，引起頂部巖體的開(kāi)裂、垮落和移動(dòng)，形成冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲下沉帶。冒落帶的巖塊間空隙多而大，透水、透砂，故一般不允許冒落帶發(fā)展到上部地表水體或含水層底部，以免引起突水和潰砂。導(dǎo)水裂隙帶其斷裂程度、透水性能由下往上由強(qiáng)變?nèi)?。?dǎo)水裂隙帶與采空區(qū)聯(lián)系密切，若上部發(fā)展到強(qiáng)含水層和地表水體底部，礦井涌水量會(huì)急劇增加。煤礦頂板突水前，在工作面煤壁環(huán)境和頂板水壓等方面都會(huì)有一些征兆[1]，具體概況為以下四點(diǎn)：1)煤層變潮濕、松軟；煤幫出現(xiàn)滴水、淋水現(xiàn)象，且淋水由小變大。有時(shí)煤幫出現(xiàn)鐵銹色水跡；2)工作面氣溫降低，或出現(xiàn)霧氣或硫化氫氣味；3)有時(shí)可聽(tīng)到水的“嘶嘶”聲；4)礦壓增大，發(fā)生片幫、冒頂及底鼓。以上預(yù)兆是典型的情況，在實(shí)際具體的突水事故過(guò)程中，并不一定全部表現(xiàn)出來(lái)，很難形成規(guī)范的預(yù)警系統(tǒng)。因此，通過(guò)對(duì)煤層頂板上覆主要含水層的水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析其水位變化，可以直觀的掌握頂板水是否要潰入礦井，從而對(duì)突水的可能性進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文結(jié)合煤礦南翼布置的地面水位監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析南翼2-2煤上覆基巖含水層的水位變化，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的水位變化規(guī)律，得出礦井正常生產(chǎn)下基巖水位變化的規(guī)律。

1 監(jiān)測(cè)區(qū)域地質(zhì)概況

該煤礦位于陜西省神木縣境內(nèi)，井田東西寬約9.9 km，南北長(zhǎng)約19.305 km，面積約119.773 5 km2。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為12.00 Mt/年，主要開(kāi)采侏羅系延安組煤層。本區(qū)地處我國(guó)西部?jī)?nèi)陸，為典型的中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季冷熱多變，晝夜溫差懸殊。干旱少雨，蒸發(fā)量大，降雨多集中在7月～9月這三個(gè)月。井田處于黃河支流窟野河流域，區(qū)內(nèi)水系由北向南主要為廟溝、考考烏素溝及其支溝，河流流量與季節(jié)相關(guān)。井田南翼地表水系主要為考考烏素溝及其支溝肯鐵嶺河、小侯家母河溝，最南部為麻家塔溝的支溝蘆草溝。本區(qū)地表水受季節(jié)影響較大，一般規(guī)律是每年冬末(3月份)和雨季(7月份～9月份)為豐水期，而冬季和春季之交則為枯水期。

1.1 地質(zhì)概況

1.2 水文地質(zhì)概況

總體上，本區(qū)域地下水主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給，區(qū)域內(nèi)多年平均降水量為436.6 mm，并多以暴雨形式集中于7月～9月，沙漠灘地區(qū)地形平緩，透水性好，入滲系數(shù)0.3～0.6；黃土丘陵區(qū),地形破碎，溝谷坡度大，入滲系數(shù)一般小于0.1。礦井主要包括四個(gè)含水層[2]，其中潛水含水層包括河谷沖積層潛水和薩拉烏蘇組潛水?；鶐r含水層包括侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)含水層和侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)含水層。J2z含水層分布普遍，零星出露于考考烏素溝一帶。巖石受到不同程度的風(fēng)化，一般表現(xiàn)為上強(qiáng)下弱，巖石結(jié)構(gòu)雜亂，松軟易碎，孔隙度增大，巖石透水性增強(qiáng)。含水層厚度一般為14.7 m～49 m，平均厚26 m。其巖性由一套黃綠色、紫雜色泥巖、粉砂層和灰白色砂巖組成。J2y含水層厚度21.75 m～114.13 m，平均66.5 m。本組地層為一套灰白色中細(xì)粒砂巖，青灰色粉砂巖及砂質(zhì)泥巖為主。本組地層含水微弱，以裂隙承壓水為主，局部為潛水。據(jù)以往資料，該組地層單位涌水量為0.000 065 2 L/(s·m)～0.000 58 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.000 269 m/d～0.004 356 m/d。

2 水文監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

對(duì)該礦井來(lái)說(shuō)，水害主要來(lái)自于煤層頂板砂巖裂隙水，只要是煤層回采導(dǎo)致頂板垮落破壞形成導(dǎo)水裂隙帶波及至侏羅紀(jì)中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙含水層，才會(huì)造成頂板涌水。因此在礦井整個(gè)南翼采區(qū)共布設(shè)了28個(gè)水文長(zhǎng)觀孔，24個(gè)2-2煤上覆基巖J2z含水層監(jiān)測(cè)孔，4個(gè)第四系薩拉烏蘇松散砂層含水層監(jiān)測(cè)孔，重點(diǎn)對(duì)回采工作面區(qū)域附近的地面水文監(jiān)測(cè)孔加強(qiáng)、加密監(jiān)測(cè)，并且每天對(duì)這些監(jiān)測(cè)孔的水位監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行分析、解讀，以起到水害預(yù)報(bào)的作用[4]。目前礦井南翼正在回采S1224工作面，在S1224工作面附近布置有J2，J4和J5三個(gè)重點(diǎn)水位監(jiān)測(cè)孔。每小時(shí)進(jìn)行1次水位監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)站采集15條數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送回主站(礦區(qū)地測(cè)科辦公室)，可以隨時(shí)觀察這三個(gè)重點(diǎn)觀測(cè)孔水位有無(wú)異常變化，以達(dá)到水情水害預(yù)報(bào)的目的。其余監(jiān)測(cè)孔附近沒(méi)有采掘活動(dòng)，每月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示其水位沒(méi)有異常變化。

對(duì)于S1224工作面，提前對(duì)工作面進(jìn)行疏放水，降低采面上覆基巖含水層的水頭高度，減弱工作面回采時(shí)頂板垮落導(dǎo)致的峰值涌水量，消峰平谷，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)J2孔，J4孔和J5孔的水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，加密監(jiān)測(cè)頻率、認(rèn)真分析各孔有無(wú)水位變幅過(guò)大等異常現(xiàn)象。各監(jiān)測(cè)孔的參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 水文監(jiān)測(cè)孔參數(shù)一覽表

3 回采工作面附近監(jiān)測(cè)孔水位變化規(guī)律

3.1 一年內(nèi)監(jiān)測(cè)孔水位變化和礦井生產(chǎn)情況

2014年3月～2015年2月期間，項(xiàng)目監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)水位監(jiān)測(cè)情況匯總見(jiàn)表2。

表2 一年內(nèi)各監(jiān)測(cè)孔監(jiān)測(cè)情況匯總表(2014年—2015年) m

由各監(jiān)測(cè)孔的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，各監(jiān)測(cè)孔整體水位呈下降趨勢(shì)，其中J5和J2號(hào)孔水位一直呈緩慢下降趨勢(shì)，且每月降幅較小。J4號(hào)監(jiān)測(cè)孔從3月～6月孔水位一直在1 252 m上下波動(dòng)，每月最大變化幅度不超過(guò)2 m，在6月下旬水位有下降趨勢(shì)，在7月份水位緩慢下降，最低降到1 250.01 m，比上月最高水位下降了3.22 m。因此為了更好的分析出S1224工作面生產(chǎn)情況下，基巖含水層水位變化規(guī)律，以7月份獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)情況為依據(jù)，進(jìn)行分析。7月份中旬，項(xiàng)目檢測(cè)區(qū)域的S1224工作面開(kāi)始回采，截至月底回采至80 m處，在工作面回采前礦方對(duì)S1224工作面施工了50個(gè)放水孔，并進(jìn)行放水，降低采面上覆基巖含水層的水頭高度，減弱工作面回采時(shí)頂板垮落導(dǎo)致的峰值涌水量，消峰平谷。從6月下旬開(kāi)始水位的下降是由于S1224工作面頂板疏放水導(dǎo)致水位變化異常。

3.2 工作面附近基巖含水層降落漏斗半徑預(yù)測(cè)

位于S1224工作面附近共有J2，J5及J4三個(gè)水位觀測(cè)孔，結(jié)合井下疏放水資料可知，J2孔附近井下的出水點(diǎn)主要為NW2，NW3和NW4號(hào)疏放水孔，其流量在1 m3/h～3 m3/h，最近放水孔距J2孔的平距約500 m，其水位一直穩(wěn)定在1 235.4 m左右，后期有下降趨勢(shì)，但降幅很小。J5孔附近井下的出水點(diǎn)主要為JF45和JF46號(hào)疏放水孔，其初始流量在24 m3/h左右，衰減較快，最近放水孔距J5孔的平距約510 m，其水位一直穩(wěn)定在1 226 m左右，

且并無(wú)下降趨勢(shì)。從這兩個(gè)孔的觀測(cè)結(jié)果可推出，此處降水漏斗的影響半徑約510 m，J4孔距井下最近放水孔距離約150 m，在降水漏斗內(nèi)，因此水位下降3.22 m屬于正常情況。測(cè)區(qū)域內(nèi)基巖含水層的影響半徑?jīng)]有考慮各個(gè)疏放水孔的疊加效應(yīng)，可能會(huì)使預(yù)測(cè)值有些偏差。各放水孔、監(jiān)測(cè)孔及工作面位置如圖1所示。

3.3 在生產(chǎn)中的應(yīng)用

通過(guò)工作面頂板疏放水時(shí)，水位的變化幅度，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)規(guī)律定性的分析出了礦區(qū)S1224工作面附近基巖含水層的降落漏斗半徑約為510 m，在工作面回采的過(guò)程中一直對(duì)J2，J4和J5孔進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)2015年2月份工作面回采至距J4孔500 m時(shí)，如圖1所示，J4孔的水位出現(xiàn)了明顯下降，這是由于采空區(qū)頂板冒落后，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至基巖含水層，造成基巖含水層水位下降，這與此處工作面疏放水時(shí)確定的基巖含水層降落漏斗接近。

4 結(jié)語(yǔ)

在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)采區(qū)含水層水位的觀測(cè)，分析采煤過(guò)程中水位的合理變幅，可以對(duì)煤礦水害起到預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)作用。

1)對(duì)于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的回采工作面，應(yīng)提前進(jìn)行頂板水疏放，降低采面上覆基巖含水層的水頭高度，減弱工作面回采時(shí)頂板垮落導(dǎo)致的峰值涌水量，消峰平谷，同時(shí)密切監(jiān)測(cè)采面附近的水位監(jiān)測(cè)孔，水位出現(xiàn)突變應(yīng)及時(shí)預(yù)警；2)對(duì)于項(xiàng)目監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的巷道掘進(jìn)頭，應(yīng)堅(jiān)持“有掘必探、先探后掘”的原則，密切監(jiān)測(cè)采面附近的水位監(jiān)測(cè)孔，如水位出現(xiàn)下降趨勢(shì)，應(yīng)加強(qiáng)巷道迎頭煤幫出現(xiàn)滴水、淋水、掛紅等透水征兆的觀測(cè)工作；3)通過(guò)疏放水時(shí)數(shù)據(jù)的收集，結(jié)合各觀測(cè)孔的水位變化情況，統(tǒng)計(jì)得出該工作面降水漏斗的影響半徑約為510 m，如在影響半徑外的觀測(cè)孔水位降幅過(guò)大，應(yīng)加強(qiáng)防治水措施。

[1] 楊海軍，王廣才.煤礦突水水源判別與水量預(yù)測(cè)方法綜述[J].煤田地質(zhì)與勘探，2012，40(3)：70-71.

[2] 曹祖寶.檸條塔礦南翼西大巷以南2-2煤水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告[R].西安：中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，2012.

[3] 國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

[4] 劉中寬，周 歡.礦井水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2013，32(9)：23-24.

The mine’s bedrock water level variation law research on the working face

Han Qiang Cao Zubao Wang Guoqiang

(Xi’anResearchInstituteCo.,LtdofChinaCoalTechnology&EngineeringGroupCrop.,Xi’an710077，China)

Analysis and prediction of roof water hazards of coal mine production, taking a state-owned coal mine in North Shaanxi as an example. Through analysis the South Wing of the mining area of hydrological monitoring system’s data.Combined with coal production situation analysis that when the working face is normal mining, the bedrock aquifer water level changes. Results of this study in the S1224 coal mine working face of mining process played a very good role in forecasting, safety ming millions of tons of coal resources.

real-time monitoring， prediction and forecast， safety mining， water level decline

2015-04-06

韓 強(qiáng)(1987- )，男，碩士，助理工程師

1009-6825(2015)17-0046-02

P641

A