劉濤,李明建,曹保國

(1.棗莊市國土資源局,山東棗莊 277102;2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院,山東棗莊 277102;3.山東省武所屯生建煤礦,山東滕州 277521)

水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)

武所屯煤礦12煤老空積水區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)研究

劉濤1,李明建2,曹保國3

(1.棗莊市國土資源局,山東棗莊 277102;2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院,山東棗莊 277102;3.山東省武所屯生建煤礦,山東滕州 277521)

通過該礦12煤老空積水的疏放試驗,選取相應的數(shù)學模型,計算了太原組12煤老空積水區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)——滲透系數(shù)、充水系數(shù);為滕北礦區(qū)類似條件下的老空積水疏放提供了理論依據(jù)。根據(jù)試驗提出了利用集水廊道原理,擴大鉆孔涌水量,節(jié)約工程費用,提高疏放效率的工程設計方法。

防治;老空積水;水文地質(zhì)參數(shù);集水廊道;武所屯煤礦

武所屯煤礦位于滕縣煤田滕北礦區(qū),1976年建井,是該礦區(qū)開發(fā)的第一對礦井,其他礦井多在其后10～20多年才開始建設。因此對該礦井老空積水區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)的分析研究,不但可指導礦區(qū)探放水工作,而且對全礦區(qū)防治水工作、煤炭安全開采具有重要的指導意義。該礦在八采區(qū)利用構(gòu)造帶和老巷的集水原理,僅用了2個鉆孔就疏放了12煤老空積水,解放了受其影響的14煤,實現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

1 12煤水文地質(zhì)條件

滕北礦區(qū)面積445 km2,現(xiàn)有15對生產(chǎn)及在建礦井,武所屯礦位于這一平原隱伏型煤田的東南角,為埋藏最淺的礦井。其東、南兩邊界分別為莊里斷層(H>600 m)、張坡斷層(H>100 m),西、北部屬人為邊界,整體上為向NW傾斜的單斜構(gòu)造,伴有輕度褶曲起伏。井田內(nèi)主要可采煤層有12,14,16, 17煤層,現(xiàn)主采12,14煤層。根據(jù)多年水文地質(zhì)觀測,12煤開采的主要充水方式為頂板裂隙淋水,除1989年10月11日309工作面發(fā)生一次頂板突水外,生產(chǎn)中未發(fā)生大的淋涌水現(xiàn)象,水文地質(zhì)條件綜合評定為簡單型,因此當前該礦井防治水工作重點是老空積水[1,2]。12煤上覆第四系厚42～55 m,侏羅系砂礫巖厚0～212.5 m,其余為殘留的太原組煤系地層。12煤直接頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖,遇水后易泥化、崩解,因此12煤老空區(qū)的透水性比一般砂巖類頂板要差些。

2 八采區(qū)積水及探放工作

2.1 八采積水區(qū)分析

八采區(qū)為該礦最淺的一個采區(qū),12煤層埋深80～115 m,煤厚平均1.17 m,于2002—2005年回采完畢,回采時頂板淋水較大。2007年布置14煤掘進巷道,兩煤層之間為八灰,厚2.5～3.0 m。為了安全掘進,需要疏放上覆12煤層已開采區(qū)中的老空水。根據(jù)在12煤采掘工程平面圖上標繪的等高距為2 m的積水線圖分析,采區(qū)總體上為一向NW傾斜的單斜構(gòu)造、稍有起伏,采區(qū)中部有一隆起、幅度約小于10 m,軸向呈近EW向,成為采空區(qū)積水自流下泄的分水嶺。推斷積水線標高-52 m,以此計算積水區(qū)面積10萬m2?？紤]12煤頂板巖性,老空區(qū)充水系數(shù)暫取0.3,則積水量為3.51萬m3。積水區(qū)內(nèi)12煤底板最低標高-64.10m。

2.2 探放水情況

2.2.1 14802下順槽放水

根據(jù)對12煤老空積水線圖和14煤開采設計的分析,確定探放水方案為在14煤最下部14802下順槽先放水,以期達到減少放水次數(shù)、擴大放水面積、使上部其他巷道得以解放的目的。巷道掘進至5號測點,頂板開始潮濕、掛汗,并出現(xiàn)少量淋滴水。實際測量巷道底板標高-57.7 m,相應12煤底板標高約-53.0m。巷道前方45m處有一落差3.5m的正斷層,12煤回采時為過斷層留設了20 m保護煤柱,對盤下降,為12煤老空區(qū)。沿斷層跳采帶12煤柱間的12806中順槽頂板垮落可能不充分,從而形成良好的集水廊道,是有利的放水位置。為此沿掘進方向施工探水孔1個,探深40 m,無水。經(jīng)研究,允許再掘進30m,同時做好防排水措施。實際掘進25 m時頂板出現(xiàn)淋水,停止掘進。

在巷道迎頭設計探放水鉆孔1個,孔口標高-59 m,預計透水點12煤底板標高-61.3 m。鉆孔于2007年5月18日出水,水壓0.056 M Pa,說明積水線標高為-53.4 m。為保證安全,利用閥門控制放水速度,放水量16.8 m3/h。5月24日,增加一臺水泵,按鉆孔最大排水量排水。上午9∶00將鉆孔閥門完全打開,出水量55 m3/h,11∶00水量為40 m3/h, 13∶00水量為38 m3/h。5月25日9∶00水量為32 m3/h,之后每天都系統(tǒng)測量鉆孔水量。6月17日鉆孔出水量降至3.7m3/h;7月16日后水量一直穩(wěn)定在3.0 m3/h,同時原12808溢水池水量由原來的2.5m3/h變?yōu)?.0 m3/h。說明八采區(qū)動態(tài)補給水量為4.0m3/h。

鉆孔出水量穩(wěn)定后說明其疏干的積水面積也達到穩(wěn)定。經(jīng)計算疏干積水區(qū)面積為4.71萬m2,排出總水量11 189m3,放出靜水量8 166 m3。剩余積水區(qū)面積5.2萬m2,受12煤底板起伏和地質(zhì)構(gòu)造影響,分為2個積水區(qū)塊,西部積水線標高-59 m,東部積水線標高-56m。

2.2.2 14801下順槽放水

根據(jù)設計東部積水區(qū)影響14煤開采,需要再次放水。于是在14801下順槽施工一個放水鉆孔,透入原12810中巷在14煤層位遺留的一段巷道,孔口標高-57.2 m。8月2日鉆孔出水,初揭水量30 m3/ h,8月3日為22.5m3/h,8月12日減為5.4m3/h, 8月30日穩(wěn)定在4.0m3/h。受14801下放水影響, 14802下鉆孔出水量衰減至0.1m3/h,并逐漸干涸; 12808溢水池也逐漸干涸。此鉆孔成為八采區(qū)唯一的出水點,再次說明了八采區(qū)動態(tài)補給水量為4.0 m3/h。此次放出靜水量3 554.4 m3,疏干積水面積2.03萬m2。

至此14煤設計開采范圍內(nèi)12煤老空積水已全部放出,可以實現(xiàn)14煤的安全掘進及回采。

3 根據(jù)放水試驗反演采空區(qū)充水參數(shù)

對采空區(qū)積水疏放前,準確掌握積水標高、預測積水量、制定合理的放水方案是成功放水的必要工作。在無經(jīng)驗參數(shù)的條件下,一般采用規(guī)程或其他礦區(qū)經(jīng)驗法計算,往往誤差較大。由于采空區(qū)積水性與煤層頂?shù)装鍘r性、采厚以及開采方式相關,及時總結(jié)計算相關參數(shù),對新區(qū)防治水具有重要意義[3,4]。八采區(qū)放水過程中對全區(qū)各出水點進行了系統(tǒng)觀測記錄,建立臺賬。分別在出水點用容積法、在排水溝上用流速法、在水倉用電子流量計法進行觀測,還應用了礦井水文自動觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)相互驗證,較為準確地獲得了流量、水位等基本數(shù)據(jù)。

3.1 流量過程線特征

5月24—6月24日14802下放水鉆孔自然狀態(tài)下流量過程見圖1。曲線第一段為5月24—29日,流量線呈拋物線型,衰減迅速,反映了放水點空間較大,透水性良好的賦水條件。曲線符合水桶底部放水理論,可用方程Q=KF2gh描 述。式中K為經(jīng)驗系數(shù),一般取0.6～0.8,F為出水孔面積,g為重力加速度,h為水頭高度,是時間的函數(shù),為變量,因此Q隨時間的增長,水頭降低,水量變小。這與該孔位于斷層跳采帶并聯(lián)通有煤柱支撐的巷道位置有關。鉆探也證明煤壁處突然有0.6 m的鉆桿突然進入,類似掉鉆現(xiàn)象,這之后變硬,鉆孔返出煤粉、木屑等雜物。

圖1 14802下放流量變化曲線圖

5月30—6月1日,水量穩(wěn)定在10.5 m3/h,相當于含水層抽水過程中出現(xiàn)的穩(wěn)定段,接近于穩(wěn)定滲流理論,說明排水形成的“大井”與周圍補給量達到暫時平衡,其出水量與含水層透水性能有關,因此可以此計算采空區(qū)這一特殊含水層的滲透性參數(shù)。6月1日以后流量開始逐步減小,說明含水層水位降落已接近到積水區(qū)的下邊界,補給量小于出水量。6月17日降為3.7m3/h,7月16日開始穩(wěn)定在3.0 m3/h,表明疏干區(qū)擴大并趨于穩(wěn)定。其他出水點水量觀測也證明這一結(jié)論,如14802中巷7號測點淋水5月30日干涸;12808上反水池流量6月1日開始下降并逐步減小,7月16日后穩(wěn)定在1.06m3/h。說明該區(qū)出水量與動態(tài)補給量達到平衡。

3.2 采空區(qū)富水性參數(shù)

3.2.1 充水系數(shù) K

這是評價采空區(qū)富水性的基本參數(shù)。放水前根據(jù)該礦12煤頂板巖性,選用了規(guī)程推薦系數(shù)(0.3～0.5)的下限0.3,預算了積水區(qū)水量。14802下放水量達到穩(wěn)定時排出總水量11 189 m3,其中靜水量8 166m3,疏干面積4.71萬m2。取平均煤厚1.17 m,根據(jù)Q=K·F·M計算(Q為積水量;K為充水系數(shù);F為采空區(qū)面積m2;M為采煤厚度m),K= 0.15。同樣計算14801下放水孔資料可得,K= 0.152,二者比較一致。二次放水平均充水系數(shù)0.15。

三采區(qū)12煤老空積水區(qū)2001年施工9個放水鉆孔,放水11個月,累計放水量13.4萬m3,最后出水點流量穩(wěn)定在6.5m3/h。減去11個月的動態(tài)補給,則放出靜水量8.16萬 m3。該采區(qū)煤厚平均1.30m,疏干水平-132.3～-153.0 m,水壓 0.21 M Pa,面積327 606m2,則 K值為0.192。

由此可知,對于該礦12煤采空區(qū)充水系數(shù)為0.15～0.20之間,遠小于一般的經(jīng)驗值。分析原因認為,該礦12煤實測冒裂帶高度為采厚的20倍,一般在20～30m之間,而該區(qū)積水高度最大為10.5 m,小于礦區(qū)冒裂帶高度,但已經(jīng)大于垮落帶高度。隨著積水高度增加,積水系數(shù)略增大。綜合分析認為滕北礦區(qū)12煤沉積環(huán)境相同,頂板巖性變化不大,在緩傾斜、炮采、全冒法頂板管理條件下采空區(qū)充水系數(shù)確定為0.15～0.30較為恰當[5]。當積水水頭高度小于10m時取0.15,高度10～20 m時取0.20,高度大于20 m時取0.3。

3.2.2 采空區(qū)滲透系數(shù) K1

采空區(qū)頂板垮落充水后相當于形成一個人工含水層,其透水性能可用含水層滲透系數(shù) K1表示,這是水文地質(zhì)計算的重要參數(shù)。根據(jù)14802下放水曲線分析,其穩(wěn)定段可用含水層穩(wěn)定流理論公式進行描述。根據(jù)放水孔位置和采區(qū)構(gòu)造分析,其邊界開采條件為,鉆孔放水點位于積水線(可視為隔水邊界)南側(cè)48m處,對于5月30日監(jiān)測的影響范圍而言,其他方位相當于無限邊界;14802中巷7號測點淋水相當于一個水位觀測點。鉆孔聯(lián)通的巷道長度L為20m,概化為引用半徑 r0=L/4=5 m,選用地下水直線隔水邊界,潛水(無壓)含水層計算模型,則

Q—5月30日上午9點穩(wěn)定流量為10.5 m3/h;R—影響半徑;H—放水點12煤底板以上積水水頭高度7.9m;S—水位降深,分別取放水孔處 S0=5.6 m, 14802中降深 S1=1 m;d—放水點中心到積水線(隔水邊界)距離48 m;r—引用半徑(分別取放水巷道r0=5m,放水點到14802中觀測點距離r1=115 m,由將5月30日同一時間的 r0,r1,S0,S1代入上式可聯(lián)解得

由計算可知,該區(qū)12煤采空區(qū)正常塌落區(qū)的透水能力僅相當于細砂—中砂的經(jīng)驗值(5～20 m/d)。說明采空區(qū)經(jīng)壓實后的透水能力較弱,遠非想象中的大裂隙或巖溶通道,這也是在進行采空區(qū)放水時鉆孔流量變異性很大的原因。如果鉆孔處在正常采空區(qū)放水,因有效鉆孔孔徑 r0很小(一般孔徑<0.1 m),則鉆孔涌水量也很小,產(chǎn)生所謂“有壓無水、高壓少水”現(xiàn)象。如果要擴大單孔放水量,必須充分利用巷道系統(tǒng)或孤島煤柱、構(gòu)造、跳采帶等支撐形成的未充分垮落區(qū)來擴大透水能力,加大有效集水工程(巷道、鉆孔等)斷面,事實上是利用“集水廊道”原理擴大放水效果。

4 結(jié)論

(1)通過八采區(qū)老空積水疏放的實踐,為其下伏14煤層的安全掘進和開采創(chuàng)造了條件。

(2)該礦七采區(qū)上部煤層受四采區(qū)老孔積水的影響,需要得到疏放,通過研究總結(jié),為解放受采空區(qū)積水影響的七采區(qū)煤層提供經(jīng)驗和參數(shù),對其研究和制定綜合防治水方案具有重要意義。

(3)通過放水觀測,首次獲得了滕北礦區(qū)12煤采空區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)“充水系數(shù) K和滲透系數(shù)K1”,為礦區(qū)及其他類似條件下采空區(qū)積水疏放、鉆孔設計提供了理論依據(jù)。

(4)從理論上說明了老空區(qū)放水常出現(xiàn)的“有壓無水、高壓少水”現(xiàn)象的原因,提出了用“集水廊道”原理充分利用原巷道和構(gòu)造條件擴大單孔放水量,提高疏干效率的方法。

[1] 柴登榜.礦井地質(zhì)工作手冊[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1984.

[2] 淮南煤炭學院.礦井地質(zhì)及礦井水文地質(zhì)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1985.

[3] 馮家元,孫震,焉德斌,等.淺談大隆礦區(qū)老空水綜合防治[J].煤礦安全,2007,(4):23-25.

[4] 王書榮,崔偉宏,張民.滕州郭莊煤礦十二采區(qū)第十下層灰?guī)r水賦存規(guī)律及涌水量預測[J].山東國土資源,2009,25(8):34-36.

[5] 國家煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2009.

Study on Hydrogeological Parameters in Working-out Section of No.12 Coal Setion in Wusuotun Coal M ine

L IU Tao1,L IM ingjian2,CAO Baoguo3
(1.Zaozhuang Bureau of Land and Resources,Shandong Zaozhuang 277102,China;2.Shandong Provincial Planning and Surveying Institute of Coal Geology,Shandong Zaozhuang 277102,China;3.Wusuotun Production and Construction Coal M ine,Shandong Tengzhou 277521,China)

Through draining water p ractice of No.12 coal section in W usuotun coalmine,choosing relative mathematicalmodel,hydrogeological parameters including hydraulic conductivity and water filling coefficient of working-out section of No.12 coal seam were calculated in this paper.The research results can p rovide theoretical foundation for draining water from the working-out section to the coal mine w ith the same condition in Tengbei mining area.By using the theory of drainage galleries,an engineering design method wasput forward in thispaper.It can imp rove the flow rate of well,the efficiency of water drainage and save engineering cost.

Water management;w ater in goaf;hydrogeological parameters;drainage galleries;W usuotun coalmine

book=23,ebook=199

TD742+.2

A

2009-09-16;

2010-05-25;編輯:陶衛(wèi)衛(wèi)

作者簡介:劉濤(1983—),男,山東棗莊人,工程師,主要從事煤礦水文地質(zhì)工作;E-mail:zzkckfk@126.com。