疏水降壓技術(shù)在西坡煤礦水害防治中的應(yīng)用

樊朋飛

(山西西山礦業(yè)管理有限公司,太原 030053)

華北型煤田的開采普遍受到煤層底板巖溶承壓水的威脅,隨著煤礦開采深度的加大,這種水患將越來越嚴(yán)重[1-2]。河?xùn)|煤田太原組灰?guī)r含水層對山西組和太原組煤層開采都有重要影響,它既是上組煤的底板充水水源,也是下組煤直接頂板充水水源[3]。疏水降壓是防治煤礦底板巖溶承壓水突水的重要措施,其目的是通過疏放降低含水層水位和作用在煤層底板的承壓水頭,實(shí)現(xiàn)不帶壓開采或在安全水頭壓力下開采。礦井采取疏水降壓技術(shù)必須研究含水層是否具有可疏放性,并確定疏放水量和水位降深間的關(guān)系[4-5]。西坡煤礦與中煤科工集團(tuán)西安研究院合作,對受底板太原組灰?guī)r承壓含水層威脅的5111綜采工作面采用疏水降壓技術(shù),在查明工作面底板含水層富水性的基礎(chǔ)上,施工井下疏放水孔,建立水文觀測系統(tǒng),并對工作面底板承壓水進(jìn)行了集中疏放,實(shí)現(xiàn)了工作面安全開采。

1 井田地質(zhì)概況

西坡井田位于山西河?xùn)|煤田中段東緣,含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組。井田整體為一傾向NW的單斜構(gòu)造,地層傾角5°～10°,伴有寬緩的小型褶曲和小斷層,地質(zhì)構(gòu)造簡單。

本井田主要可采煤層為山西組5號煤層和太原組8號、9號煤層,目前僅開采5號煤層,該煤層平均厚度3.86 m。依據(jù)以往煤田勘探資料,山西組含水層由K3、S4、S8等砂巖組成,巖性為細(xì)-粗粒砂巖,厚度變化大,單位涌水量0 L/(s·m)～0.003 5 L/(s·m),富水性極弱,所以對礦井充水影響很小。太原組灰?guī)r含水層自下而上由L1-L5共5層灰?guī)r

圖1 西坡煤礦主采煤層與含水層、隔水層示意圖Fig.1 Major mineable coal seams, aquifers, and aquicludes in Xipo Mine

組成,其中L1、L5灰?guī)r分別是8號、6號煤層的直接頂板?；?guī)r富水性不均一,在淺部具有較強(qiáng)的富水性,而在深埋區(qū),巖溶裂隙不發(fā)育,溶孔連通性差,富水性減弱。地層柱狀圖見圖1。

5號煤層底板與奧陶系峰峰組頂面間距約130 m,其中9號煤底板與奧灰頂面平均間距為50 m,巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁土巖、砂巖及石灰?guī)r,泥巖具有較好的隔水性,砂質(zhì)泥巖、鋁土巖裂隙不發(fā)育,這種巖性組合具有較好的隔水性能。因此,奧陶系灰?guī)r含水層對5號煤層開采影響不大,本文不做詳細(xì)討論。

2 5111綜采工作面疏水降壓

2.1 簡易水文地質(zhì)觀測

2016年4月-7月,西坡煤礦在5111綜采工作面進(jìn)行了太原組灰?guī)r放水試驗(yàn),在5111工作面周圍巷道施工21個(gè)鉆孔,包括2個(gè)觀測孔(TC1孔、TC2孔)和19個(gè)放水孔,建立了水文觀測系統(tǒng)。觀測孔為垂直孔,終孔層位分別為L3、L1灰?guī)r;放水孔均以33°的俯角按不同方位鉆至灰?guī)r含水層,其中15個(gè)孔終孔層位為L2灰?guī)r,4個(gè)孔終孔層位為L3灰?guī)r。施工鉆孔布置見圖2。

圖2 西坡煤礦5111工作面放水試驗(yàn)鉆孔分布圖Fig.2 Boreholes layout of drainage test in No.5111 working face in Xipo Mine

鉆孔施工時(shí)對石炭系太原組灰?guī)r含水層進(jìn)行了簡易水文地質(zhì)觀測,各鉆孔初次見水層位不盡相同,終孔涌水量也有很大差異。單孔最大涌水量80 m3/h,最小僅為0.5 m3/h。鉆孔終孔流量及壓力如表1所示。

表1 疏放水鉆孔終孔流量及水壓Table 1 Water flow and pressure of the final ones of drainage boreholes

2.2 太原組灰?guī)r含水層富水性分析

根據(jù)對21個(gè)鉆孔施工過程中涌水量變化觀測及巖心觀察,太原組灰?guī)r含水層具有以下水文地質(zhì)特征:

1) L5灰?guī)r厚度薄,一般2 m～3 m,富水性差,大部分鉆孔揭露后L5灰?guī)r無涌水,只有3個(gè)鉆孔發(fā)生涌水,涌水量1 m3/h ～6 m3/h。

2) L2、L3灰?guī)r富水性較強(qiáng),鉆孔揭露后涌水量明顯增大,單孔最大涌水量達(dá)到80 m3/h。

3) 太原組灰?guī)r含水層在平面上水力聯(lián)系弱,徑流不太通暢。

4) 5號煤底板隔水層阻水能力較差,巖層裂隙發(fā)育,鉆探過程中,取芯率較低,巖塊破碎,泥質(zhì)含量較高。

5) 1號鉆場、5號鉆場、7號鉆場在未進(jìn)入太原組灰?guī)r含水層前即發(fā)生涌水,說明在這幾個(gè)位置底板隔水層可能存在構(gòu)造裂隙,工作面通過時(shí)發(fā)生底板突水的可能性大,應(yīng)加強(qiáng)超前探查及提前進(jìn)行大流量疏放。

6) 5111工作面煤層向西傾斜,由東向西太原組灰?guī)r埋藏逐漸加深,煤層底板帶壓值也相應(yīng)增大。工作面疏水降壓前灰?guī)r含水層水壓在0.69 MPa～1.4 MPa之間。

2.3 放水試驗(yàn)

疏降鉆孔施工完成后,SF1-1、SF1-3鉆孔進(jìn)行群孔放水試驗(yàn),TC2、SF3-2及SF7-2鉆孔進(jìn)行觀測,通過放水探查太灰含水層水文地質(zhì)條件。放水時(shí)間總計(jì)47 h,以各觀測孔水壓穩(wěn)定為結(jié)束標(biāo)志,水位恢復(fù)觀測時(shí)間30 h。SF1-1鉆孔平均水量23.5 m3/h,初始水壓1.4 MPa;SF1-3鉆孔平均水量27.6 m3/h,初始水壓1.39 MPa。

現(xiàn)場非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于含水層水文地質(zhì)參數(shù)的確定[6-7]。本文應(yīng)用泰斯(Theis)公式計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù),結(jié)果見表2。含水層參數(shù)包括滲透系數(shù)(K)、導(dǎo)水系數(shù)(T)、儲水系數(shù)(S)等。

表2 太原組灰?guī)r含水層水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算成果表Table 2 Calculation results of hydrogeological parameters of the limestone aquifer in Taiyuan Formation

2.4 疏水降壓及效果評價(jià)

所有疏水降壓鉆孔施工完成之后,2016年6月22日開始正式疏水降壓。其中TC2、SF5-2和SF8-1鉆孔以及南翼軌道大巷中S2孔作為水位觀測孔觀測壓力(表3)。可以發(fā)現(xiàn),各觀測孔水壓均有明顯下降,以TC2鉆孔為例,2016年6月22日開始疏放水之前水壓為1.51 MPa,7月12日觀測水壓降為1.15 MPa,水壓下降0.36 MPa。疏水降壓開始后22 d內(nèi),累計(jì)疏放水量約60 000 m3。

表3 各觀測孔疏放前后水壓統(tǒng)計(jì)表Table 3 Water pressure of observation holes before and after drainage

根據(jù)表1中各鉆孔壓力計(jì)算太原組灰?guī)r含水層水位標(biāo)高,繪制5111工作面太原組灰?guī)r含水層疏水前水位等值線,根據(jù)表3繪制疏水后水位等值線(見圖3)。從圖3可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過疏水試驗(yàn),5111工作面太原組灰?guī)r含水層水位發(fā)生了明顯變化,疏水前水位標(biāo)高為+550 m～+580 m,疏水后水位標(biāo)高為+525 m～+555 m,整體下降約25 m。同時(shí),以放水點(diǎn)為中心,形成了幾個(gè)小規(guī)模降落漏斗,疏水降壓效果明顯。

3 5111工作面帶壓開采安全性評價(jià)

突水系數(shù)法是評價(jià)煤層底板含水層突水危險(xiǎn)性的通用方法,本文采用該方法評價(jià)5111工作面帶壓開采安全性。突水系數(shù)的計(jì)算公式為:

式中:T為突水系數(shù),MPa/m;P為底板隔水層承受水壓,MPa;M為底板隔水層厚度,m。底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m,正常塊段不大于0.1 MPa/m。

1)確定煤層底板隔水層厚度。根據(jù)本次施工的TC2孔及5111工作面附近的3個(gè)煤田勘探鉆孔(128孔、362孔、129孔)的鉆探資料,5號煤層與L5灰?guī)r平均間距為25.5 m,其間地層巖性主要為泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖,即以泥質(zhì)巖為主,結(jié)構(gòu)致密,具塑性,均為不透水的隔水層,隔水性能良好。

2)突水系數(shù)計(jì)算和分析。根據(jù)本次疏降工程施工的21個(gè)鉆孔以及礦井原有觀測孔的水壓觀測資料,計(jì)算5111工作面的突水系數(shù)。其中突水系數(shù)大于規(guī)程規(guī)定臨界值0.06 MPa/m的鉆孔10處,最大為SF1-1、SF3-1、SF3-2鉆孔,突水系數(shù)均為0.065 MPa/m;突水系數(shù)小于0.06 MPa/m的鉆孔11處,最小為SF9-1、SF4-2鉆孔,突水系數(shù)均為0.037 MPa/m。工作面西部部分區(qū)域帶壓值高于臨界值,突水危險(xiǎn)性較高。

疏降工程開始一段時(shí)間后,整個(gè)工作面水壓有了明顯變化,產(chǎn)生一定的降幅,突水系數(shù)有明顯的減小。由于疏降工程正在進(jìn)行,放水孔無法觀測水壓,只保留了TC2、SF8-1和SF5-2觀測孔進(jìn)行水壓觀測,其突水系數(shù)分別為0.055 MPa/m、0.031 MPa/m、0.033 MPa/m。通過一段時(shí)間的疏放水后,5111工作面底板太灰水壓有了較大幅度的下降,工作面西部的TC2鉆孔水壓下降0.36 MPa,突水系數(shù)最大值降至0.055 MPa/m,小于臨界值,具備了帶壓開采的基本條件。目前5111工作面已經(jīng)開采完畢,工作面涌水量未受太原組含水層的影響。

4 結(jié)論

通過疏放水試驗(yàn),基本查明了5號煤層充水條件,有效隔水層厚度以及太原組灰?guī)r含水層水文地質(zhì)參數(shù),為礦井防治水工作提供了依據(jù)。5111工作面疏水降壓后,太原組灰?guī)r含水層水位有了明顯的變化,突水系數(shù)最大值降為0.055 MPa/m,小于臨界值,具備安全帶壓開采的基本條件。

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