回采工作面頂板復(fù)合含水層涌水量時空組成及過程預(yù)測方法

李超峰,虎維岳

(1.煤炭科學(xué)研究總院,北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710077)

涌水量預(yù)測是礦井水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作之一[1～3],前人已進(jìn)行大量的礦井涌水量預(yù)測及研究工作。作者在工作中發(fā)現(xiàn),在受到煤層頂板巨厚白堊系洛河組含水層水害威脅的彬長礦區(qū),部分礦井預(yù)測涌水量與實(shí)際數(shù)值嚴(yán)重不符。分析原因,受到勘探技術(shù)方法限制,以及建井初期沒有比較充分的實(shí)際揭露水文地質(zhì)資料,可能出現(xiàn)基本概念不清、對水文地質(zhì)條件認(rèn)識不清、水文地質(zhì)模型概化有誤、計算方法自身存在缺陷、與礦井采掘計劃結(jié)合不緊密,以及對煤層采后上覆含水層水文地質(zhì)條件演變情況不明等,導(dǎo)致以往預(yù)測礦井涌水量與實(shí)測數(shù)值存在較大差異,不能作為科學(xué)指導(dǎo)礦井防治水技術(shù)工作開展的重要依據(jù),甚至有可能造成誤導(dǎo)[4～10]。

對彬長礦區(qū)而言,以往普遍認(rèn)為洛河組是內(nèi)部水力聯(lián)系密切、具有統(tǒng)一水位的一個巨厚砂巖含水層,忽略了其內(nèi)部泥巖、砂質(zhì)泥巖等地層的發(fā)育及其作用。通過近期完成的精細(xì)化勘探及研究,洛河組可按“二分法”被劃分為上段和下段[11～15]。上段主要為中、粗粒砂巖,是主要的含水層段,富水性中等—強(qiáng)；下段泥巖、砂質(zhì)泥巖地層普遍發(fā)育,呈砂泥巖互層狀分布,富水性弱；上、下段之間無穩(wěn)定隔水層發(fā)育。將這種結(jié)構(gòu)概化為巨厚復(fù)合含水層(指由其間無穩(wěn)定隔水層發(fā)育具有一定水力聯(lián)系的上、下兩段或者多段組成的含水層)。涌水量預(yù)測時,應(yīng)正確認(rèn)識洛河組“上段強(qiáng)富水、下段弱富水、其間無隔水層”的水文地質(zhì)特征,并進(jìn)行煤層采后頂板導(dǎo)水裂縫帶波及不同層段時的含水層充水模型概化,考慮頂板含水層靜儲量的釋放,以及礦井采掘計劃、煤層采后頂板覆巖破壞等[7,13～20]。

1 水文地質(zhì)概念模型

白堊系洛河組含水層是彬長礦區(qū)煤層開采的主要充水水源和水害威脅。與彬長礦區(qū)其它礦井相比較,高家堡礦井洛河組含水層水文地質(zhì)條件及工作面涌水比較典型,表現(xiàn)如下：

(1)洛河組含水層巨厚,如101面為400～440 m,201面為380～430 m(圖1)；洛河組含水層單位涌水量最大為2.248 L/(s·m),是彬長礦區(qū)目前已知唯一的洛河組含水層強(qiáng)富水區(qū)域。

(2)洛河組底界與煤層頂界之間的距離較小且變化較大,如101面為95～100 m,202面為65～102 m。

(3)煤層埋深千余米,礦壓顯現(xiàn)頻繁可誘發(fā)頂板涌水。

(4)工作面和礦井涌水量均較大。101工作面為首采工作面,最大涌水量可達(dá)1 200 m3/h,采后初期穩(wěn)定涌水量為830 m3/h。自2015年12月9日試生產(chǎn)開始,至2017年3月31日歷時16個月,目前礦井正常涌水量已經(jīng)超過3 000 m3/h且未穩(wěn)定,今后一段時間內(nèi)礦井涌水量仍將持續(xù)增加。

圖1 高家堡井田101、201工作面煤層與主要含、隔水層位置關(guān)系示意圖Fig.1 Position of the seam, aquifers and aquicludes in the range of 101 and 201 working faces in the Gaojiabu coal mine

根據(jù)最新的水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探成果,彬長礦區(qū)部分區(qū)域洛河組含水層可大致劃分為上、下兩段。其中上段厚度較大,約320 m；巖性主要為細(xì)粒砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖,為主要的含水層段。下段厚度較小,約70 m；巖性主要為細(xì)粒砂巖、中粒砂巖和泥質(zhì)巖類地層,幾乎不發(fā)育粗粒砂巖,主要表現(xiàn)為砂泥巖互層狀結(jié)構(gòu)；與上段相比,下段泥巖類地層累計厚度在地層厚度中的占比顯著增大。

將巨厚洛河組概化為上、下兩段含水層。上、下段在地層厚度、巖性、富水性、水文地質(zhì)參數(shù)等方面存在顯著差異；上、下段之間無穩(wěn)定隔水層發(fā)育,存在水力聯(lián)系。

煤層采后形成的導(dǎo)水裂縫帶波及上段時,上、下段含水層水均直接參與工作面涌水(圖2)。涌水量預(yù)測時應(yīng)考慮上、下段含水層的靜儲量釋放和動態(tài)補(bǔ)給水量。

圖2 導(dǎo)水裂縫帶波及上段時來水方向示意圖Fig.2 Sketch of hydrogeological structure of roof inflow when the water flowing fractured zone reaches the upper aquifer

導(dǎo)水裂縫帶僅波及下段時,下段含水層水直接參與工作面涌水,其水位下降。此時上、下段含水層水位存在水位差。其間無穩(wěn)定隔水層發(fā)育,故上段含水層通過滲流補(bǔ)給下段含水層間接參與工作面涌水(圖3)。水量預(yù)測時除計算下段靜儲量釋放和動態(tài)補(bǔ)給水量之外,還應(yīng)考慮上段含水層通過下段含水層的垂向滲流量。

圖3 導(dǎo)水裂縫帶波及下段時來水方向示意圖Fig.3 Sketch of hydrogeological structure of roof inflow when the water flowing fractured zone reach the lower aquifer

2 巨厚復(fù)合含水層水量預(yù)測方法

含水層涌水是一個消耗靜儲量和接受垂向、側(cè)向地下水補(bǔ)給的動態(tài)過程。涌水量預(yù)測時應(yīng)考慮靜儲量釋放、側(cè)向補(bǔ)給水量,以及可能存在的垂向補(bǔ)給水量。

2.1 靜儲量釋放量計算

在預(yù)測的煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶直接波及范圍內(nèi)的含水層,涌水量預(yù)測時應(yīng)進(jìn)行靜儲量釋放量的計算。工作面煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶影響范圍內(nèi)的上覆含水層靜儲存水量為：

(1)

式中：Q靜——工作面回采期間煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶影響范圍釋放的含水層靜儲存水量；

μ——導(dǎo)水裂縫帶影響范圍內(nèi)含水層的平均給水度；

H——充水含水層厚度；

Si——工作面第(i)次與第(i+1)次周期來壓期間的回采面積；

D——工作面寬度；

Li——第i次周期來壓時工作面的回采長度；

Li+1——第(i+1)次周期來壓時工作面的回采長度；

i——來壓序號,i=0,1,2,…,n；

k——“來壓周期”的序號,k=1,2,…,n-1。

一般稱第一次來壓為初次來壓,第二次及之后的為第(i-1)次周期來壓。例如第二次來壓稱為第一次周期來壓,以此類推。將初次來壓時工作面已回采距離稱為初次來壓步距,前后兩次來壓期間回采的距離稱為第k次周期來壓步距。

進(jìn)行煤層頂板覆巖含水層靜儲量計算時,工作面已回采區(qū)域作為其平面范圍。例如初次來壓時為工作面切眼與初次來壓步距圍成的矩形范圍,第i次周期來壓時取第i次與第(i-1)次周期來壓期間回采距離與切眼圍成的矩形范圍。

上覆含水層靜儲量釋放是一個復(fù)雜的動態(tài)過程。在導(dǎo)水裂縫帶初次波及時,靜儲量釋放隨即開始。隨著煤層回采和覆巖破壞的持續(xù),導(dǎo)水裂縫帶逐漸向上發(fā)育,其波及上覆含水層的厚度和范圍均逐漸增大,靜儲量釋放速率亦隨之增大。靜儲量釋放速率受導(dǎo)水通道的形態(tài)和暢通程度等影響較大,可能出現(xiàn)時大時小的波動變化,一般難以測定。涌水量預(yù)測時,可假定靜儲量釋放是在某一時間段內(nèi)均勻釋放的。這種假定可以反映隨著每次礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生覆巖破壞與變形,進(jìn)而發(fā)生水量呈波狀起伏的涌水現(xiàn)象,符合實(shí)際情況。

2.2 動態(tài)補(bǔ)給量計算

(1)側(cè)向動態(tài)補(bǔ)給水量

將工作面看作一河渠,煤層頂板含水層受煤層采后導(dǎo)水裂縫帶波及出水,可概化為上覆含水層水以導(dǎo)水裂縫帶垂向波及范圍為邊界向河渠排泄。含水層單寬流量計算公式如下[2,16～18]：

承壓含水層：

(2)

潛水含水層：

(3)

承壓轉(zhuǎn)無壓含水層：

(4)

當(dāng)H2=0時：

(5)

計算出單寬流量q,再乘以含水層側(cè)向補(bǔ)給長度,即可得動態(tài)補(bǔ)給水量：

(6)

式中：Q側(cè)動——含水層側(cè)向動態(tài)補(bǔ)給水量；

L走向——工作面沿走向長度,即工作面已回采距離；

L傾向——工作面寬度；

Li——第i次周期來壓時,頂板含水層沿工作面走向方向受導(dǎo)水裂縫帶擾動的等效長度,數(shù)值上等同于第i次和第(i-1)次周期來壓期間工作面回采長度。

與靜儲量不同,動態(tài)補(bǔ)給量計算的平面范圍取第i次周期來壓時,工作面已回采距離與切眼圍成的矩形范圍。這表明隨著煤層回采的推進(jìn),沿工作面推采方向的含水層側(cè)向補(bǔ)給長度持續(xù)增長,補(bǔ)給水量也隨之增大。

(2)垂向動態(tài)補(bǔ)給水量

當(dāng)導(dǎo)水裂縫帶部分波及上覆某一含水層時,未被波及的含水層水通過導(dǎo)水裂縫帶頂界形成的平面范圍以滲流形式參與工作面涌水。將頂板導(dǎo)水裂縫帶頂界形成的平面范圍概化為一個等效圓形過水邊界。等效圓面積越大,表明工作面煤層回采影響的范圍越大,相應(yīng)地未被波及層段(與其下部被導(dǎo)水裂縫帶波及層段為同一含水層)含水層水通過滲流作用參與工作面涌水的水量也越大。該部分水量為：

Q垂動=2πKrwsw=2πKrw(H0-H′)

(7)

式中：Q垂動——含水層垂向補(bǔ)給涌水量；

rw——將補(bǔ)給區(qū)等效為圓形時的半徑；

sw——水位降；

H0——初始水頭；

H＇——水位下降后的水頭。

同樣,垂向動態(tài)補(bǔ)給量計算范圍與工作面寬度、初次及周期來壓步距等相關(guān)。

2.3 垂向滲流量計算

在上、下段含水層之間無隔水層發(fā)育且有水位差時,存在上段通過下段的垂向滲流作用。滲流量為：

(8)

式中：Q垂?jié)B——上段含水層的垂向滲流量；

Kv——下段含水層的垂向滲透系數(shù)；

A——等效補(bǔ)給區(qū)面積；

M——下段含水層厚度；

H上——預(yù)測的煤層回采期間上段含水層水頭；

H下——預(yù)測的煤層回采期間下段含水層水頭。

2.4 動態(tài)分層涌水量預(yù)測方法

2.4.1單個工作面

(1)導(dǎo)水裂縫帶波及上段

結(jié)合預(yù)測的工作面初次和周期來壓步距,以及上、下段含水層水位降,分段(以預(yù)測的各次礦壓顯現(xiàn)時的工作面回采長度進(jìn)行分段)預(yù)測上、下段含水層靜儲量釋放量和動態(tài)補(bǔ)給量,并將其求和作為該時段的預(yù)測水量。將各分段水量預(yù)測結(jié)果按工作面回采長度由小到大的順序組合起來,即可得到動態(tài)的涌水量預(yù)測結(jié)果。

(2)導(dǎo)水裂縫帶波及下段

涌水量預(yù)測時除考慮下段含水層靜儲量釋放和動態(tài)補(bǔ)給量外,還應(yīng)考慮上段含水層通過下段含水層的垂向滲流作用而參與工作面涌水的水量。同樣,依據(jù)預(yù)測工作面初次和周期來壓步距,分段預(yù)測下段含水層靜儲量釋放量和動態(tài)補(bǔ)給量,以及上段含水層的垂向滲流量,并將三者求和作為該時段的預(yù)測水量。將各分段水量預(yù)測結(jié)果按工作面回采長度由小到大的順序組合起來,即可得到動態(tài)的涌水量預(yù)測結(jié)果。

2.4.2多個工作面

多個工作面涌水量預(yù)測時,應(yīng)結(jié)合礦井采掘規(guī)劃具體分析,分別計算各工作面覆巖不同層段靜儲量釋放、動態(tài)補(bǔ)給量,以及可能存在的垂向滲流量,最后給出動態(tài)的涌水量預(yù)測結(jié)果。

尤其注意,隨著礦井采掘不斷推進(jìn),不同工作面之間的涌水量會發(fā)生相互干擾,特別是當(dāng)相鄰工作面開采時,必然會出現(xiàn)某一側(cè)的動水補(bǔ)給量被上一個已采工作面截留。如圖4和圖5所示,當(dāng)1號工作面已經(jīng)回采完畢后,2號工作面開采時,靠近1號工作面一側(cè)的側(cè)向動態(tài)補(bǔ)給水量就不存在。在每個工作面水量預(yù)測計算時,一定要分析工作面之間的位置關(guān)系和采掘現(xiàn)狀,避免水量的重復(fù)計算[9]。

圖4 多個工作面涌水結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural sketch of inflow in the multi-mining faces

圖5 多個工作面涌水量干擾情況示意圖Fig.5 Sketch of interference of inflow in the multi-working faces

3 工作面頂板水量預(yù)測案例

以彬長礦區(qū)高家堡礦井101、201工作面為例。

3.1 水文地質(zhì)條件

井田發(fā)育的主要含水層自上而下依次有：第四系全新統(tǒng)沖、洪積含水層、第四系中更新統(tǒng)黃土含水層、新近系砂卵礫含水層、白堊系下統(tǒng)華池組、洛河組、宜君組含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組、延安組含水層等。洛河組是礦井主要充水水源之一(圖6)。洛河組全區(qū)分布,平均厚度約400 m,井田內(nèi)未見露頭；可分為上段和下段；上段厚度較大,約320 m,巖性主要為細(xì)—粗粒砂巖,單位涌水量為1.305～2.248 L/(s·m),富水性中等—強(qiáng),是主要含水段；下段厚度較小,約為70 m,泥巖和砂質(zhì)泥巖普遍發(fā)育,呈砂泥巖互層狀,單位涌水量為0.013～0.084 L/(s·m),富水性弱；上、下段之間無穩(wěn)定隔水層發(fā)育。宜君組厚度較小,僅0～2.41 m。侏羅系直羅組、延安組含水層厚度較小,富水性弱,是礦井的直接充水含水層。

圖6 開采煤層與頂板含、隔水層關(guān)系示意圖Fig.6 Relationship between the mineable seam and aquifer/aquiclude

發(fā)育的主要隔水層有：新近系中統(tǒng)小章溝組紅土隔水層段、白堊系下統(tǒng)華池組泥巖隔水層、侏羅系中統(tǒng)安定組隔水層,以及侏羅系下統(tǒng)富縣組隔水層等。其中安定組是阻隔洛河組含水層水進(jìn)入礦井的關(guān)鍵隔水層,厚度30～40 m。

3.2 主要參數(shù)的確定

(1)水文地質(zhì)參數(shù)

洛河組上段含水層滲透系數(shù)K=0.92～1.552 m/d,平均1.37 m/d；單位涌水量q= 1.305～2.248 L/(s·m),彈性給水度為3.3×10-9～0.001,平均為3.33×10-4。

洛河組下段含水層滲透系數(shù)K=0.027～0.043 m/d,單位涌水量q=0.013 L/(s·m),彈性給水度為1.48×10-6～8.86×10-5,平均為4.50×10-5。

直羅組地層厚度為21.37 m。依據(jù)抽水試驗(yàn)資料,滲透系數(shù)為0.006 9 m/d,單位涌水量為0.001 9 L/(s·m)。

延安組地層厚度為39.58 m,依據(jù)抽水試驗(yàn)資料,滲透系數(shù)為0.011 6 m/d,單位涌水量為8.5×10-4～1.87×10-2L/(s·m)。

(2)初次垮落及來壓步距

隨著初次及周期來壓顯現(xiàn),覆巖被破壞后產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶向上發(fā)育,受到波及后的上覆含水層水進(jìn)入工作面。初次及周期來壓步距的準(zhǔn)確預(yù)測,是進(jìn)行工作面動態(tài)涌水量預(yù)測的重要前提之一。

101工作面和201工作面已回采結(jié)束,來壓步距均采用實(shí)際監(jiān)測數(shù)值。

(3)靜儲量釋放時間

靜儲量釋放受過水通道的形態(tài)和暢通程度等影響。煤層采后覆巖破壞與變形是隨時間逐漸發(fā)展的動態(tài)過程。在無法明確導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育形態(tài)及暢通情況時,假定靜儲量在某一時段內(nèi)是均勻涌出的。

(4)含水層水位降深

水位降是含水層水參與工作面涌水的直接證據(jù)。在含水層水參與工作面涌水時,其水位一般提前數(shù)小時或1～2 d開始出現(xiàn)持續(xù)下降趨勢。水位降幅可顯示含水層水參與工作面涌水的程度。

高家堡礦井目前有8個地下水位長觀鉆孔(圖7)。

圖7 水文長觀鉆孔分布示意圖Fig.7 Schematic diagram of hydrological drilling distribution

其中G2、G3、G4、G5鉆孔監(jiān)測洛河組全段水位,T2鉆孔監(jiān)測洛河組上段水位,T1、JT1、JT2鉆孔監(jiān)測洛河組下段水位。由于洛河組全段的地下水位與上段相近,故將G2、G3、G4、G5鉆孔水位均視作洛河組上段地下水位。

101工作面和201工作面涌水量預(yù)測時采用實(shí)際觀測的水位標(biāo)高。利用地下水位標(biāo)高可計算出水位降深。

3.3 工作面基本概況

高家堡礦井為新建礦井,工作面回采順序?yàn)?01工作面→201工作面。

101工作面回采時間為2015年12月9日—2016年4月30日?；夭砷L度345 m,傾向長度120 m,煤層采高3.50～8.36 m,煤層頂界至洛河組底界間距為 95～100 m。預(yù)測導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度為168.79 m(在101工作面停采線附近實(shí)測的最大裂采比為20.19倍),已波及洛河組上段含水層。結(jié)合地下含水層水位變化、工作面涌水量、水質(zhì)、礦壓顯現(xiàn)等資料綜合分析,洛河組上段含水層水已充分參與101工作面涌水。

201工作面回采時間為2016年4月26日—2016年12月16日?；夭砷L度1 080 m,傾向長度120 m,煤層采高3.50～5.90 m,煤層頂界至洛河組底界間距為65 ～ 102 m。預(yù)測導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度為119.12 m(同上,裂采比取20.19倍),已波及洛河組下段含水層,未波及洛河組上段含水層。綜合分析201工作面回采期間的涌水量變化規(guī)律及其影響因素,認(rèn)為洛河組上、下段含水層水是工作面涌水的主要構(gòu)成部分。

3.4 工作面水量預(yù)測結(jié)果

(1)101工作面涌水量預(yù)測

實(shí)測101工作面初次來壓和周期來壓步距,見表1。

表1 101工作面來壓步距統(tǒng)計表Table 1 Roof weighting steps of the 101 face

101工作面回采期間洛河組不同層段水位降,見表2和表3。

101工作面回采期間,煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶直接波及洛河組上段含水層,上段含水層水已進(jìn)入工作面。101工作面涌水量預(yù)測時,主要考慮洛河組下段的靜儲量釋放和側(cè)向動態(tài)補(bǔ)給水量,以及上段的靜儲量釋放和側(cè)向、垂向動態(tài)補(bǔ)給水量。

T1、JT1、JT2鉆孔至101工作面中心的距離分別為590.30 m、566.98 m、564.72 m。計算洛河組下段含水層水力梯度時,距離L取為T1、JT1、JT2鉆孔至101工作面中心距離(圖7)的平均值,為574.00 m。

表2 101工作面回采期間洛河組上段水位標(biāo)高及降幅統(tǒng)計表Table 2 Elevations and drawdowns of the upper Lo-Ho formation in holes in the 101 working face

表3 101工作面回采期間洛河組下段水位標(biāo)高及降幅統(tǒng)計表Table 3 Elevations and drawdowns of the lower Lo-Ho formation in holes in the 101 working face

在101工作面回采結(jié)束后55 d(2016年6月25日),監(jiān)測洛河組上段水位的鉆孔中,G3鉆孔水位降幅最大。計算洛河組上段含水層水力梯度時,距離取為G3鉆孔至101工作面中心的距離為408.41 m。

通過試算,確定洛河組下段靜儲量釋放時間按1 h計,洛河組上段靜儲量釋放時間按6 h計。

101面涌水量預(yù)測過程及結(jié)果,見表4和圖8。

表4 101工作面涌水量預(yù)測結(jié)果Table 4 Prediction results of inflow in the 101 face

圖8 101工作面預(yù)測與實(shí)測涌水量曲線圖Fig.8 Predicted and observed water inflow of the 101 face

洛河組下段靜儲量計算。2016年1月19日101工作面已回采長度為105 m,傾斜長度120 m,洛河組下段厚度70 m,洛河組下段的給水度為4.504×10-5,各數(shù)值相乘得到洛河組下段的靜儲量為39.73 m3/h。2016年1月19日—29日期間,101工作面回采27.70 m,其余參數(shù)相同,計算2016年1月29日的靜儲量為10.48 m3/h。利用計算的靜儲量除以釋放時間(洛河組下段按1 h,洛河組上段按6 h計),即可得到靜儲量釋放速率。

洛河組下段動態(tài)補(bǔ)給量計算。2016年1月19日,洛河組下段含水層沿工作面走向方向受影響的長度等效為101工作面已回采長度,為105 m；工作面寬度為120 m,洛河組下段厚度為70 m,水柱高度為635.81 m,滲透系數(shù)為0.04 m/d,地下水滲流路徑長度取T1、JT1、JT2鉆孔至101工作面中心的平均距離,為574.00 m。采用式(5)、(6)計算洛河組下段含水層沿101工作面走向方向的動態(tài)補(bǔ)給量為12.08 m3/h,沿101工作面傾斜方向的動態(tài)補(bǔ)給量為13.80 m3/h。

同理可計算洛河組上段的靜儲量及其釋放水量,以及動態(tài)補(bǔ)給水量。

(2)201工作面涌水量預(yù)測

201工作面回采期間共計發(fā)生41次礦壓顯現(xiàn)(見表5)。并不是每次礦壓顯現(xiàn)之后201工作面涌水量均出現(xiàn)顯著增大的趨勢。表5中“是否利用”一欄中的“是”表示礦壓顯著之后水量有增大的趨勢,以該“回采距離”作為201工作面涌水量預(yù)測區(qū)段劃分的依據(jù)。

201工作面回采期間洛河組下段水位降，見表6。

表5 201工作面來壓步距統(tǒng)計表Table 5 Roof weighting steps of the 201 face

表6 201工作面回采期間洛河組下段水位標(biāo)高及降幅統(tǒng)計表Table 6 Elevations and drawdowns of the lower Lo-Ho formation in holes in the 201 working face

2016年11月9日開始,101工作面北側(cè)的103工作面開始回采。11月17日開始,103工作面開始出水,涌水量為3.3 m3/h。12月2—10日,103工作面涌水量由13 m3/h快速增大至195 m3/h。T1孔水位相應(yīng)地出現(xiàn)急劇下降趨勢。表6中2016年12月4日之后的T1鉆孔水位受到103工作面回采影響較大,不能直接利用,采用的水位標(biāo)高等數(shù)值為預(yù)測數(shù)值。

由于T2、T1鉆孔距離較近(約80 m),且分別觀測洛河組上段和下段水位,其水位差值具有可比性；且T1、T2鉆孔距離201工作面較近,約1 150 m。因此將T2、T1鉆孔監(jiān)測的洛河組上、下段水位作為201工作面涌水量預(yù)測時洛河組上段垂向滲流量計算的依據(jù)(表7)。

表7 201面回采期間洛河組上、下段水位標(biāo)高及差值統(tǒng)計表Table 7 Elevations and drawdowns of the upper and lower Lo-Ho formation in holes in the 201 working face

計算洛河組下段的垂向動態(tài)補(bǔ)給水量時,需將201工作面已開采區(qū)域(為矩形狀)的洛河組下段頂界面進(jìn)水范圍等效為圓形,其引用半徑計算公式如下[18]：

(9)

其中,η取值見表8。

表8 b/a與η的關(guān)系表Table 8 Relationship between b/a and η

同前,洛河組下段含水層靜儲量釋放時間按1 h計。201工作面涌水量預(yù)測結(jié)果,見表9和圖9。

洛河組上段垂向滲流水量計算。2016年6月30日,201工作面已回采238.00 m,201工作面傾斜長度為120 m,滲透系數(shù)為0.043 m/d,洛河組上、下段的水位差為146.14 m,洛河組下段厚度為70 m,采用式(8)計算洛河組上段的垂向滲流水量為99.38 m3/h。

其它項水量計算方法與101工作面相同。

(3)預(yù)測結(jié)果評價

預(yù)測的101工作面和201工作面水量變化趨勢與實(shí)際情況基本符合。在洛河組地下水初次參與時工作面水量急劇增大,之后呈齒狀上升,回采結(jié)束后水量有一定幅度的衰減。若無其它鄰近工作面回采等影響,采空區(qū)水量將趨于穩(wěn)定。

預(yù)測的洛河組水初次大量參與工作面涌水、工作面采后初期穩(wěn)定涌水,以及工作面期間最大涌水量和實(shí)測數(shù)值相差-130.49～20.64 m3/h(表10),誤差率為-21.05% ～8.39%。

預(yù)測2016年3月26日—4月30日期間101工作面涌水量與實(shí)測數(shù)值相差較大(圖5),其原因是隨著覆巖持續(xù)破壞與變形,由于過水通道被堵塞使其有效過水能力降低,涌水量減小,部分涌水在頂板離層空間、裂隙中匯聚；過水通道暢通之后其過水能力恢復(fù),涌水量在較短時間內(nèi)突增所致。

圖9 201工作面預(yù)測與實(shí)測涌水量曲線圖Fig.9 Predicted and observed water inflow of the 201 face

表10 101、201工作面預(yù)測涌水量誤差分析Table 10 Inflow forecast error analysis of the 101 and 201 faces

4 結(jié)論

(1)以彬長礦區(qū)高家堡井田為例,將垂向水文地質(zhì)條件存在顯著差異的巨厚洛河組分為上段和下段。上、下段含水層在受到煤層回采破壞與影響后將形成不同的穩(wěn)定水位,涌水量預(yù)測時應(yīng)區(qū)別對待。

建立了巨厚復(fù)合含水層涌水量預(yù)測的水文地質(zhì)概念模型,其中將受到煤層采后頂板導(dǎo)水裂縫帶波及的含水層涌水概化為考慮垂向滲流的向河渠排泄模型,稱之為“含水層水向工作面涌水模型”,簡稱“工作面模型”。

(2)給出頂板巨厚復(fù)合含水層涌水量預(yù)測方法,稱之為“結(jié)合工作面回采進(jìn)尺考慮含水層靜儲量釋放、垂向滲流和側(cè)向補(bǔ)給的工作面時空動態(tài)涌水量預(yù)測方法”,簡稱“工作面時空動態(tài)涌水量預(yù)測方法”。該方法與礦井采掘計劃相結(jié)合,依據(jù)預(yù)測的工作面初次及周期來壓步距,分別對上覆含水層靜儲量釋放水量、動態(tài)補(bǔ)給量和可能存在的垂向滲流量進(jìn)行計算,最后將預(yù)測結(jié)果按工作面回采距離(也可轉(zhuǎn)化為預(yù)計的回采時間)排列即可得到動態(tài)的涌水量結(jié)果。

涌水量預(yù)測時,應(yīng)正確認(rèn)識各充水含水層的水文地質(zhì)條件、建立與實(shí)際相符合的充水模型、選擇恰當(dāng)?shù)挠嬎惴椒ǎ贿€應(yīng)對煤層開采條件與水文地質(zhì)條件演化進(jìn)行合理預(yù)測,如工作面初次和周期來壓步距、煤層采后頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度、受影響含水層給出水的能力、水文地質(zhì)參數(shù)(如滲透系數(shù)等)和水位變化等。

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