摘 要:礦井涌水量的準確預測是礦井防治水工作的基礎和依據(jù),針對躍進煤礦2-1煤開采時的頂板水害問題,利用水文地質(zhì)比擬法和解析法預測頂板砂礫巖的正常涌水量和最大涌水量,為水害的防治提供了可借鑒的技術保障,同時為其他類似水文地質(zhì)條件的采區(qū)工作面的涌水量預測提供科學依據(jù)。
關鍵詞:涌水量;比擬法;解析法
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.060
0 引言
河南大有能源躍進煤礦目前主要在23采區(qū)和25采區(qū)生產(chǎn),主采煤層為侏羅系2-1煤和2-3煤,最大開采深度大于900m,自2001年以來,頻繁發(fā)生了頂板砂巖的突水事故,隨著開采深度的增大,面臨著越來越嚴重的頂板砂巖裂隙水水害威脅問題,以躍進礦25110工作面為典型,利用地質(zhì)和水文地質(zhì)資料分析工作面頂板水的突水特征,估算涌水量[1-3],為工作面排水方案的制定提供了有力的科學保證。
1 工作面概況
躍進煤礦25采區(qū)主采2-1煤層,其頂板發(fā)育有大面積巨厚的侏羅系上、中統(tǒng)砂礫巖孔隙裂隙含水層,盡管接受淺部含水層和大氣降水補給微弱,加之巖性結(jié)構致密整體上屬弱含水層,但在局部構造裂隙發(fā)育地帶存在富水條帶,并且由于含水層儲水空間較大,地下水靜儲量較豐富,生產(chǎn)過程中,當采動裂隙帶溝通富水條帶時,就會發(fā)生頂板滴淋水。
25110工作面位于躍進煤礦25采區(qū)東翼,采用綜放工藝,與之相鄰且地質(zhì)和水文地質(zhì)條件相似的25080、25090工作面,在回采過程中均發(fā)生頂板砂礫巖裂隙水(以下簡稱頂板水)突水現(xiàn)象,其中25080和25090工作面總涌水量分別為260萬m3和8.8萬m3,25080工作面曾因頂板突水而被迫停產(chǎn),因此頂板水對礦井的安全生產(chǎn)威脅巨大。 25110工作面在地面瞬變電磁勘探時,已探測有4個富水異常區(qū)[4],頂板水嚴重影響和威脅礦井的安全生產(chǎn)。
2 影響涌水量的主要因素分析
2.1 頂板冒裂帶高度估算
躍進礦井2-1煤層直接頂板為泥巖,但是上覆老頂巖層屬于細紗巖和砂礫巖,抗壓強度高,頂板采用全陷落法管理。因此選用煤層覆巖為堅硬巖層類型公式進行計算頂板冒裂帶高度:
25110工作面煤層厚度約11m,計算表明,采動冒裂帶高度為81.3m,回采后將影響到上覆中侏羅系砂礫巖段含水層,預計采動過程中煤層頂板85m范圍內(nèi)的含水層中賦存水都將隨著工作面的開采而涌入礦井。
2.2 充水水源分析
排除了大氣降水、地表水和底板水后,經(jīng)過系統(tǒng)分析認為其突水水源有兩種:一是周邊的老空水,主要是指東鄰常村礦老空水;另一是頂板含水層水。根據(jù)收集及專門檢測的水質(zhì)資料并經(jīng)系統(tǒng)分析,確定常村礦老空水的水質(zhì)類型或為HCO3·SO4-Na·Mg型或為SO4·CL-Mg型,而躍進礦工作面突水的水質(zhì)類型為HCO3-Na型,由此基本排除周邊老空水的影響,又根據(jù)水文地質(zhì)鉆孔中所取的侏羅系中統(tǒng)砂礫巖含水層水樣的水質(zhì)化驗資料,發(fā)現(xiàn)工作面涌水的水質(zhì)類型與頂板含水層的相一致,所以可以確定頂板水害源自煤層老頂?shù)纳暗[巖層裂隙水。
據(jù)頂板冒裂帶發(fā)育高度的預測及充水水源分析[5],工作面頂板涌水水源應為頂板砂礫巖含水層,因此頂板涌水量僅為頂板砂礫巖含水層的涌水。
3 工作面涌水量預測過程
3.1 水文地質(zhì)比擬法
根據(jù)25090工作面水文地質(zhì)參數(shù)的礦井涌水量,通過相似比擬關系,近似地推算20110的涌水量。 25090工作面煤層頂板砂礫巖含水層存在富水條帶,且發(fā)生了較大的突水,因此可以依據(jù)砂礫巖富水區(qū)的面積預測工作面的涌水量。水文地質(zhì)比擬法預測工作面正常涌水量的公式為:
Q0——已知的工作面正常涌水量,m3/h;F——工作面富水區(qū)面積,m2;F0——已知的工作面富水區(qū)面積,m2。25090工作面富水區(qū)面積約為32040m2、正常涌水量60m3/h,25110工作面富水區(qū)面積約為73870m2,將有關參數(shù)代入計算公式,可得25110工作面的正常涌水量為138.33m3/h。
3.2 解析法
(1)數(shù)學模型的建立。根據(jù)水文地質(zhì)勘探資料,將原含水層概化為理想的均質(zhì)、等厚含水層。同時將礦井工作面概化為一個理想的“圓形大井”。據(jù)鄰區(qū)3402鉆孔抽水試驗資料:q=0.0056L/s·m,K=0.0312m/d,水位標高+439.69m,屬弱富水含水層。
當頂板砂礫巖裂隙承壓水疏水時,水位將降至含水層底板以下,含水層內(nèi)承壓水變?yōu)闊o壓水,因此采用承壓轉(zhuǎn)無壓的“大井法”公式計算頂板涌水量:
K——滲透系數(shù),m/d;H——疏降水頭高度,根據(jù)水位標高和工作面標高計算,m;M——含水層厚度,m;h——工作面內(nèi)水位標高,0m;——預測區(qū)折算半徑折算系數(shù),1.075;a——工作面設計走向長度,1200m;b——工作面設計傾向長度,150m。r0——工作面的折算半徑,362.8m;R——影響半徑,m;R0——引用半徑,m。
(2)礦井涌水量計算。將有關參數(shù)代入所建立的數(shù)學模型,可以預測25110工作面的正常涌水量為126.4m3/h。見表1
3.3 預測結(jié)果評價
以上用兩種方法對25110工作面頂板砂礫巖含水層的正常涌水量進行了預測,可以看出:兩種方法預測的工作面頂板正常涌水量差別不大,可以用來指導生產(chǎn)實際,取最大值為138.33m3/h。
根據(jù)河南省其他礦區(qū)的經(jīng)驗數(shù)據(jù),最大涌水量一般為正常涌水量的1.2~1.4倍。鑒于頂板砂礫巖含水層涌水量的難以預測性,故躍進礦井25110工作面的最大涌水量為193.66m3/h。
4 結(jié)束語
煤層頂板砂巖水是采(掘) 工作面直接充水水源,由于頂板砂巖裂隙含水層富水性弱且不均勻,具有出水時間短,水量迅速增大,儲量以靜儲量為主等特點,雖然不會造成淹井事故,但常給采煤工作面的正常生產(chǎn)帶來危害,選擇合理的水文地質(zhì)參數(shù)和數(shù)學模型預測工作面頂板水正常涌水量和最大涌水量,可為防治水措施的制定提供科學的理論依據(jù),為水害的防治提供了可靠的技術保障。
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作者簡介:陳廣強(1972-),漢族,山西芮城人,本科,助理工程師,研究方向:礦山地測防治水技術。