代鳳強(qiáng)

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西省西安市,710077)

巴彥高勒煤礦首采面水文地質(zhì)特征分析及涌水量預(yù)測(cè)

代鳳強(qiáng)

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西省西安市,710077)

針對(duì)蒙陜接壤區(qū)深埋煤層頂板水文地質(zhì)條件復(fù)雜、礦井涌水量不清等問(wèn)題,分析了巴彥高勒煤礦首采面頂板含隔水層結(jié)構(gòu)特征,確定3－1＃煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)的含水層,采用動(dòng)靜儲(chǔ)量法計(jì)算得到首采工作面不同回采階段涌水量,涌水量計(jì)算值與實(shí)際值較吻合,為工作面排水系統(tǒng)建設(shè)和礦井水防治提供了科學(xué)依據(jù)。

工作面 水文地質(zhì) 導(dǎo)水裂縫帶 含水層 充水通道 涌水量預(yù)測(cè) 實(shí)際涌水量

1 工作面概況

311101工作面為內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司巴彥高勒煤礦首采工作面,位于首采區(qū)最東側(cè),主采3－1＃煤層,311101工作面北以井田邊界、南以3－1＃煤層輔運(yùn)大巷(初期)、東以回風(fēng)巷、西以運(yùn)輸巷為界,工作面推采長(zhǎng)度2589.3 m,傾斜長(zhǎng)260.0 m,煤層平均厚度5.72 m,采用長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法,全部冒落法管理頂板。

根據(jù)前期勘探及礦井建設(shè)期間的揭露資料,3－1＃煤層開(kāi)采直接充水水源為延安組頂部及直羅組中下部中粗砂巖孔隙裂隙含水層組。該含水層組水壓達(dá)6.0 MPa,富水性較強(qiáng),頂板探放水鉆孔單孔涌水量達(dá)60.0 m3/h。本地區(qū)侏羅系煤層頂板含水層為復(fù)雜的河床－河漫灘相沉積,富水性極不均一,在巷道掘進(jìn)和工作面回采過(guò)程中極易造成礦井涌水異常波動(dòng),使礦井防排水系統(tǒng)遭受沖擊,威脅礦井生產(chǎn)安全。

2 首采區(qū)水文地質(zhì)特征

2.1 含隔水層特征

(1)第四系松散層潛水孔隙裂隙含水層和白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)孔隙承壓水含水層是本地區(qū)重要的供水水源地,其中白堊系含水層厚度138.50～175.05 m,單位涌水量0.2857～0.6566 L/s·m,滲透系數(shù)0.144～0.3772 m/d,含水層的富水性中等。

(2)侏羅系中統(tǒng)直羅組碎屑巖類承壓水孔隙裂隙含水層巖性為灰綠色、青灰色、黃綠色中粗粒砂巖,中間夾粉砂巖及砂質(zhì)泥,在井田范圍內(nèi)廣泛存在。含水層厚度20.72～68.78 m,單位涌水量0.00303～0.05899 L/s·m,滲透系數(shù)0.003833～0.07755 m/d。

(3)侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1－2y)碎屑巖類承壓水孔隙裂隙含水層巖性主要為淺灰色、灰白色各粒級(jí)砂巖、灰色、深灰色砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層。含水層厚度45.12～117.04 m,單位涌水量0.00495～0.0818 L/s·m,滲透系數(shù)0.0044～0.09891 m/d。

(4)侏羅系中下統(tǒng)延安組頂部隔水層的延安組頂部為粉砂巖、泥巖或砂質(zhì)泥巖隔水層,厚度21.02～23.07 m,井田內(nèi)隔水層比較連續(xù),相對(duì)比較穩(wěn)定,隔水性能良好。

2.2 主要充水通道及特征

巴彥高勒礦井巷道掘進(jìn)和工作面回采期間礦井主要充水通道為工作面頂板冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶,目前國(guó)內(nèi)針對(duì)綜放開(kāi)采頂板導(dǎo)水裂縫帶,總結(jié)出了一些經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,其中滕永海的綜放開(kāi)采導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式具備一定的安全性。

式中:Hli——導(dǎo)水裂縫帶高度,m;

M——煤層平均厚度,m。

取巴彥高勒首采工作面煤層平均厚度5.72 m,代入式(1)得導(dǎo)水裂縫帶高度124.4 m。

通過(guò)對(duì)311101工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)條件分析發(fā)現(xiàn),311101工作面頂板延安組含水層厚度14.46～44.38 m,距離3－1＃煤層頂板0.5～8.15 m;2－1＃煤層頂板含水層(包括直羅組底部含水層)厚度0～16.93 m,距離3－1＃煤層頂板75.02～95.35 m,這兩層含水層均在導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi);直羅組底部含水層頂板與3－1＃煤層頂板的最小距離為129.02 m,該含水層之上則為粉砂、砂質(zhì)泥巖隔水層。

3 工作面涌水量計(jì)算

煤層開(kāi)采過(guò)程中,工作面涌水量的多少對(duì)整個(gè)礦井的防治水工作非常重要,是工作面和礦井排水系統(tǒng)建設(shè)的依據(jù)。煤層頂板涌水一方面來(lái)自于頂板冒落和開(kāi)裂范圍內(nèi)巖石的裂隙水和孔隙水,此部分為靜儲(chǔ)量,其大小主要與含水層的儲(chǔ)水率、給水度、冒落和開(kāi)裂帶范圍大小、降落漏斗形態(tài)(即影響半徑)有關(guān);另一方面,由于采動(dòng)裂隙范圍內(nèi)水頭降低,導(dǎo)致周圍一定范圍內(nèi)含水層的水向采空區(qū)內(nèi)流動(dòng),即動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量,其大小與滲透系數(shù)大小、進(jìn)水邊界長(zhǎng)度有關(guān)。因此,在計(jì)算巴彥高勒煤礦礦井涌水量時(shí),靜儲(chǔ)量的計(jì)算關(guān)鍵是給水度的確定,動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量的計(jì)算關(guān)鍵是滲透系數(shù)的確定。

計(jì)算動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量時(shí)選用承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓公式:

當(dāng)?shù)V井疏干時(shí),中心位置水頭高度h＝0,故式(2)為:

式中:Qd——礦井涌水量,m3/d;

K——滲透系數(shù),m/d;

H——水柱高度,m;

M0——含水層厚度,m;

R0——引用影響半徑,m;

r0——引用半徑,m。

根據(jù)311101工作面井下疏放水鉆孔實(shí)際揭露情況及附近8個(gè)地面鉆孔的情況,確定煤層滲透系數(shù)為0.0373 m/d,水柱高度580.0 m,含水層厚度45.95 m,引用半徑181.13 m,引用影響半徑2763.5 m,把相關(guān)參數(shù)代入式(3)得到311101工作面前300 m的正常涌水量為92.0 m3/h。

根據(jù)礦井實(shí)測(cè)涌水量,目前311101工作面的涌水主要來(lái)源于切眼、工作面巷道和疏放水鉆孔三部分,其中,切眼和主運(yùn)巷涌水量在20.0 m3/h左右,疏放水鉆孔涌水量為67.0 m3/h。即311101工作面實(shí)際的涌水量為87.0 m3/h。計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差僅為5.75%,誤差較小。

根據(jù)3－1＃煤層頂板砂巖含水層的平均厚度和平均滲透系數(shù),計(jì)算311101工作面切眼附近300 m范圍內(nèi)的正常涌水量為93 m3/h。根據(jù)本段工作面3－1＃煤層頂板砂巖含水層的最大厚度和最大滲透系數(shù),計(jì)算311101工作面切眼附近300 m范圍內(nèi)的最大涌水量為331.0 m3/h。采用同樣的計(jì)算方法,分別計(jì)算得到工作面回采至600 m、1000 m、1500 m、2000 m和回采結(jié)束時(shí)(2600 m)的涌水量,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 311101工作面開(kāi)采不同階段3－1＃煤層頂板含水層涌水量計(jì)算參數(shù)

4 首采工作面涌水量與預(yù)測(cè)涌水量對(duì)比分析

將工作面采前涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果與工作面采后實(shí)際出水情況進(jìn)行對(duì)比,評(píng)價(jià)涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果與方法。311101工作面預(yù)測(cè)涌水量與實(shí)際涌水量對(duì)比如圖1所示。

圖1 311101工作面預(yù)測(cè)涌水量與實(shí)際涌水量對(duì)比圖

從圖1可以看出,工作面采前預(yù)測(cè)的正常涌水量與工作面采后實(shí)際涌水量差別較大,但工作面采前預(yù)測(cè)的最大涌水量與工作面采后實(shí)際涌水量之間差別較小,誤差率不超過(guò)10%,例如:

(1)工作面回采至338 m時(shí),出水量327 m3/h,而回采前預(yù)測(cè)300 m段最大涌水量為331 m3/h。預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果誤差率僅為1%。

(2)工作面回采至1074 m時(shí),出水量398 m3/h,而回采前預(yù)測(cè)1000 m段最大涌水量為439 m3/h。預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果誤差率為10%。

(3)工作面回采至2036 m時(shí),出水量464 m3/h,而回采前預(yù)測(cè)2000 m段最大涌水量為499 m3/h。預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果誤差率為7.7%。

(4)工作面整個(gè)回采過(guò)程中,最大涌水量492 m3/h,而回采前預(yù)測(cè)工作面推采結(jié)束時(shí)涌水量達(dá)到最大,為529 m3/h。預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果誤差率為7.5%。

5 結(jié)論

(1)分析了巴彥高勒首采區(qū)水文地質(zhì)特征, 311101工作面主要充水通道為煤層開(kāi)采形成的導(dǎo)水裂縫帶,計(jì)算了導(dǎo)水裂縫帶高度為124.4 m,主要充水水源為延安組及直羅組底部砂巖孔隙裂隙含水層。

(2)通過(guò)對(duì)首采區(qū)水文地質(zhì) 特征及充水因素的分析,預(yù)測(cè)了正常涌水量與最大涌水量,在整個(gè)工作面回采過(guò)程中,預(yù)測(cè)涌水量與實(shí)際涌水量誤差率不超過(guò)10%,預(yù)測(cè)涌水量較為準(zhǔn)確,在工作面回采過(guò)程中未受到較大的沖擊,保證了首采工作面的安全回采。

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Analysis of hydrology characteristics and water inflow prediction of first mining face at Bayangaole Coal Mine

Dai Fengqiang
(China Coal Technology&Engineering Group Xi＇an Research Institute,Xi＇an,Shaanxi 710077,China)

Aiming at the complex hydrology condition and uncertain mine water inflow of deep buried coal seam roof of contiguous area,this paper analyzed the structural characteristics of aquifer and aquifuge of first mining face roof at Bayangaole Coal Mine and determined aquifer in scope of water-conducted fractured zone of 3-1＃coal seam roof.Static and dynamic reserve method was used to calculate the amount of water inflow during each back-mining period at first mining face.The calculated water inflow magnitude was fabricated with the actual value and provided drainage system establishment of mining face and mine water safety with scientific evidence.

working face,hydrology,water-conducted fractured zone,aquifer,water filling channel,predicted water inflow,actual water inflow

P641 TD742.1

A

代鳳強(qiáng)(1982－),男,漢族,安徽碭山人,本科學(xué)歷,工程師,主要從事煤田水文物探方面的研究。

(責(zé)任編輯 張艷華)

代鳳強(qiáng).巴彥高勒煤礦首采面水文地質(zhì)特征分析及涌水量預(yù)測(cè)[J].中國(guó)煤炭,2017,43(1):108－110,115. Dai Fengqiang.Analysis of hydrology characteristics and water inflow prediction of first mining face at Bayangaole Coal Mine[J].China Coal,2017,43(1):108－110,115.