李新汶 趙國(guó)宏 原澤文

(1.新汶集團(tuán)伊犁能源公司一礦，新疆自治區(qū)伊寧市，835000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221000)

隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采重心的逐步西移，西部地區(qū)煤炭產(chǎn)量所占全國(guó)總產(chǎn)量的比重也逐年上升?！笆濉逼陂g，國(guó)家加快了陜北、黃隴、蒙東、神東、寧東、新疆等大型煤炭基地的建設(shè)。截至“十二五”末，西部礦區(qū)煤炭產(chǎn)量占全國(guó)煤炭產(chǎn)量約65%，未來(lái)我國(guó)煤炭資源的主要供給地將主要集中在內(nèi)蒙古、新疆、陜西、山西等地區(qū)。

受西部地區(qū)成煤時(shí)代及自然地理環(huán)境的控制，該區(qū)含煤地層具有形成時(shí)代晚、成巖程度差等顯著特征，與東部石炭—二疊系含煤地層相比有著非常顯著的差異。隨著我國(guó)東部礦區(qū)開(kāi)采水平不斷向深部 (部分礦井已進(jìn)入1000 m以下水平)拓展，東部礦區(qū)所面臨的底板水害不斷加劇，而西部礦區(qū)煤層普遍埋深較淺，在已有認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，一般不會(huì)受到底板水害威脅，但在煤炭開(kāi)發(fā)過(guò)程中同樣出現(xiàn)了底板水害問(wèn)題。由于地質(zhì)條件的特殊性，東部礦區(qū)總結(jié)的開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)已不能完全適用于西部，且目前針對(duì)西部礦區(qū)，尤其是新疆地區(qū)的水害問(wèn)題研究很少，研究深度不夠。因此，對(duì)于西部煤礦開(kāi)采中的防治水問(wèn)題，應(yīng)加大力度研究，對(duì)西部特殊水文地質(zhì)條件、水害形式及防治技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)研究，從而進(jìn)一步防治礦井水害的發(fā)生，保障礦井安全生產(chǎn)。

伊犁一礦位于伊南煤田，是新汶礦業(yè)集團(tuán)公司伊犁礦區(qū)建設(shè)的第一個(gè)特大型現(xiàn)代化礦井，煤層賦存條件好，資源儲(chǔ)量巨大，僅3#、5#煤層資源儲(chǔ)備就達(dá)647億t。3#、5#煤層厚度大(3#煤層平均12.4 m，5#煤層平均19.21 m)，儲(chǔ)量豐富，煤層穩(wěn)定，煤質(zhì)好。試采煤層為5#煤層，煤層厚度9.20～23.95 m，平均厚度19.21 m，資源儲(chǔ)量約8.7億t。礦井計(jì)劃生產(chǎn)能力1000萬(wàn)t/a，設(shè)計(jì)服務(wù)年限為160 a。

已有勘探資料表明，伊犁一礦開(kāi)采技術(shù)條件與我國(guó)東部煤田差異較大，礦井建設(shè)及生產(chǎn)過(guò)程存在以下水文地質(zhì)問(wèn)題：本區(qū)位于南天山山前，地下水直接接受雪融水補(bǔ)給，補(bǔ)給較充沛、徑流條件較好；地表松散的礫石層厚，覆蓋各含隔水層露頭，水文地質(zhì)條件復(fù)雜；5#煤層底板隔水層薄，承壓高、富水性好，且補(bǔ)給、徑流條件復(fù)雜，對(duì)5#煤層開(kāi)采威脅大，水文地質(zhì)參數(shù)、涌水量等有待進(jìn)一步評(píng)價(jià)和計(jì)算。

針對(duì)上述問(wèn)題，以1502W試采面為例，在水文地質(zhì)補(bǔ)勘工程的基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)行底板疏放水試驗(yàn)，利用地下水動(dòng)力學(xué)原理，獲取了該礦試采面底板含水層的滲透系數(shù)，并結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程中水壓變化及降落漏斗擴(kuò)展情況，對(duì)該含水層的可疏降性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為礦井防治水工作提供了依據(jù)。

1 試采面概況

1502W工作面位于伊犁一礦混合斜井以西。運(yùn)輸巷標(biāo)高+1124.3～+1138.8 m ，回風(fēng)巷標(biāo)高+1116.0～+1128.6 m 。工作面走向長(zhǎng)941 m，斜長(zhǎng)83 m，平均煤厚18.3 m，工作面水平面積為80368 m2。地面標(biāo)高+1259～+1269 m，平均標(biāo)高+1264.0 m，工作面平均埋深124.42 m。

據(jù)前期勘探資料，試采面直接頂為泥質(zhì)細(xì)砂巖或硅質(zhì)、碳質(zhì)泥巖，巖石強(qiáng)度低，平均抗壓強(qiáng)度為10～20 MPa，屬于軟弱覆巖類型；直接底為泥巖或粉砂巖，泥質(zhì)含量較高，有遇水泥化、崩解的特征，厚度7.5～17.5 m，平均厚度9 m；其下為細(xì)砂巖或粉砂巖，厚度5.3～25.1 m，平均厚度22.4 m，透水性和富水性較好。試采面地質(zhì)構(gòu)造條件簡(jiǎn)單，呈寬緩向斜構(gòu)造，煤層傾角為6°～8°。

2 研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)條件

本礦區(qū)位于伊南煤田，地層由老至新為：古生界石炭系、二疊系，中生界三疊系、侏羅系、白堊系，新生界第三系、第四系。地層簡(jiǎn)述如下：

(1)第四系。第四系厚度39.50～82.60 m，平均厚度62.62 m，由南向北略有增厚。巖性由砂碎石和礫石組成，礫石礫徑不一，成分多為火山噴發(fā)巖類和花崗巖類、石灰?guī)r礫石等，上部有風(fēng)成黃土，下部有冰水堆積物。第四系和下伏地層呈角度不整合接觸。

(2)新近系。新近系厚度0.70～25.70 m，平均厚度11.88 m。巖性為棕紅、褐紅、土黃色及灰白色中粗砂巖、砂礫巖夾粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，底部為厚度5 m左右的粉砂巖或粘土巖，具有良好的隔水性能。新近系和下伏地層呈角度不整合接觸。

(3)侏羅系。侏羅系厚度平均為230 m左右。巖性為灰黃色、灰綠色、灰色砂礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖和煤層。共含煤12層，自上而下分別為1#煤層、2#煤層、3#煤層、4-1#煤層、4-2#煤層、5#煤層、6#煤層、8#煤層、9-1#煤層、9#煤層、10#煤層和12#煤層。其中3#煤層、5#煤層全區(qū)分布穩(wěn)定，為主要可采煤層。侏羅系底部發(fā)育有一層礫巖，前人稱之為“達(dá)拉地礫巖”，是區(qū)域性標(biāo)志層。

礦區(qū)總體上為一走向近東西、向北傾的單斜構(gòu)造。地層沿走向、傾向較為穩(wěn)定。走向上等高線略有起伏，呈現(xiàn)出寬緩的向、背斜構(gòu)造。三維地震在試采區(qū)共發(fā)現(xiàn)斷層7條，落差多在5 m以下，只有DF20落差達(dá)到8 m，對(duì)礦井生產(chǎn)影響不大。

2.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)主要含水層有第四系及新近系孔隙含水層(Ⅰ)和侏羅系裂隙—孔隙承壓含水層(Ⅱ)，侏羅系裂隙-孔隙承壓含水層自上而下又分為Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3和Ⅱ4含水層，其中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3均位于5#煤層頂板，滲透性差，富水性弱，對(duì)5#煤層開(kāi)采影響較小。Ⅱ4含水層(以下簡(jiǎn)稱“5底砂”)位于5#煤層底板，距離5#煤層僅0～16.22 m(其間巖性主要為泥巖及粉砂巖)，平均距離6.07 m，含水層厚度5.32～20.64 m，平均厚度15.22 m，巖性以含礫粗砂巖為主，其次為細(xì)砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)疏松。據(jù)補(bǔ)充勘探資料，該含水層承壓水位+1130.73 m，工作面巷道內(nèi)平均水壓1.01 MPa，為試采面開(kāi)采時(shí)的主要底板充水含水層。

3 試采面疏放水試驗(yàn)

針對(duì)5底砂含水層，礦區(qū)前期勘探已進(jìn)行過(guò)單孔抽水試驗(yàn)及群孔放水試驗(yàn)，但由于放水流量小、持續(xù)時(shí)間短，且觀測(cè)孔數(shù)量偏少，試驗(yàn)取得的水文地質(zhì)參數(shù)精度較低。為此，特別在試采面內(nèi)進(jìn)行了一次群孔疏放水試驗(yàn)，進(jìn)一步查明5底砂含水層的主要水文地質(zhì)參數(shù)，以更好地指導(dǎo)礦井防治水工作。

本次試驗(yàn)利用補(bǔ)充勘探施工的4個(gè)放水孔、2個(gè)觀測(cè)孔，結(jié)合前期施工的5底砂sy-9孔及5底砂x-2孔，共計(jì)8個(gè)孔進(jìn)行井下放水試驗(yàn)。由于試放水階段，原計(jì)劃作為放水孔的FS2孔流量較小，臨時(shí)改作觀測(cè)孔，將GC1孔作為放水孔。放水階段，F(xiàn)S1孔、GC1孔、FS3孔、FS4孔和5底砂sy-9孔共計(jì)5個(gè)孔同時(shí)放水，歷時(shí)96 h，穩(wěn)定總流量80 m3/h，累計(jì)放水總量為8200 m3；FS2孔、GC2孔和5底砂x-2孔觀測(cè)，其中觀測(cè)到的水位最大降深為GC2孔的降深68 m。各鉆孔平面布置如圖1所示。

圖1 鉆孔平面布置圖

4 水文地質(zhì)參數(shù)的確定

根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)原理，群孔抽水試驗(yàn)任一點(diǎn)的降深由承壓完整井非穩(wěn)定流抽水的Theis公式計(jì)算得出:

(1)

式中：s——觀測(cè)孔水位降深，m；

Q——抽水井的流量，m3/h；

T——導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；

t——自抽水開(kāi)始到計(jì)算時(shí)刻的時(shí)間，h；

W(u)——井函數(shù)，與a、t、r有關(guān)；

r——觀測(cè)孔據(jù)抽(放)水孔的距離，m；

a——壓力傳導(dǎo)系數(shù)，m2/d；

*——貯水系數(shù)。

根據(jù)3個(gè)觀測(cè)孔的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用配線法原理進(jìn)行求參，具體步驟如下：

(1)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪制W(u)-1/u標(biāo)準(zhǔn)曲線。

(2)在另一張模數(shù)相同的透明雙對(duì)數(shù)紙上繪制實(shí)測(cè)的s-t/r2曲線。

(3)將實(shí)際曲線置于標(biāo)準(zhǔn)曲線上，在保持對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸彼此平行的條件下相對(duì)平移，直至兩曲線重合為止。

(4)任取一匹配點(diǎn)(在曲線上或曲線外均可)，讀出匹配點(diǎn)的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)值:W(u)，1/u，s和t/r2，帶入式(1)計(jì)算參數(shù)。

上述求參過(guò)程可在EXCLE中編寫成計(jì)算機(jī)程序，將抽(放)水試驗(yàn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)輸入EXCLE中即可得到求參結(jié)果，具體求參過(guò)程見(jiàn)圖2～圖4，求參結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 FS2觀測(cè)孔Theis配線圖

圖3 GC2觀測(cè)孔Theis配線圖

圖4 5底砂x-2觀測(cè)孔Theis配線圖

表1 配線法求參結(jié)果

因此，將配線法得出的5底砂含水層滲透系數(shù)的平均值K=0.65 m/d作為推薦選用參數(shù)。

5 底板可疏降性評(píng)價(jià)

疏干降壓(簡(jiǎn)稱“疏降”)是借助專門的工程(如疏水巷道、抽水鉆孔、防水鉆孔、吸水鉆孔等)及相應(yīng)的排水設(shè)備，積極地、有計(jì)劃、有步驟地影響采掘安全的含水層降低水位(水壓)或造成不同規(guī)模的降落漏斗，使之局部或全部疏干，在調(diào)節(jié)水量及水壓、保證采掘安全等方面起著積極作用。前已述及，5底砂總體上滲透性較好，富水性中等，由于其具有承壓性，對(duì)5#煤層開(kāi)采具有威脅，若5底砂可被疏干降壓，則會(huì)大大降低開(kāi)采成本。

在放水試驗(yàn)過(guò)程中，5個(gè)放水孔穩(wěn)定總流量只有80 m3/h，但3個(gè)觀測(cè)孔均在較短的時(shí)間水壓急劇下降，如圖5～圖7所示，降深明顯，表明放水試驗(yàn)所形成的降落漏斗明顯，含水層疏降效果較好。另外，放水過(guò)程共計(jì)96 h，在關(guān)閉閥門128 h后，近距離的2個(gè)觀測(cè)孔的水位與初始水位仍有一定差距(128 h后未進(jìn)行觀測(cè))，表明5底砂含水層雖接受天山雪融水補(bǔ)給，但其補(bǔ)給條件較差，補(bǔ)給強(qiáng)度不高，具有可疏降性，因此在開(kāi)采前可對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)疏降。

圖5 FS2水壓變化曲線圖

圖6 GC2水壓變化曲線圖

圖7 5底砂x-2水壓變化曲線

綜上，1502W試采面雖距離天山較近，5底砂含水層接受雪融水補(bǔ)給，滲透性較好，但其補(bǔ)給量有限，試采面較易被疏降，可在回采前于適當(dāng)位置放水鉆孔，將底板水壓降至安全水壓以下，消除試采面的底板水害威脅。

6 結(jié)論

(1)在補(bǔ)勘工程基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)伊犁一礦試采面5底砂放水試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)，運(yùn)用配線法對(duì)5底砂含水層進(jìn)行水文地質(zhì)求參，并利用Boulton模型進(jìn)行矯正，求參結(jié)果為K=0.65 m/d。

(2)放水試驗(yàn)及水位恢復(fù)試驗(yàn)過(guò)程中各觀測(cè)孔的水壓變化情況，表明5底砂含水層補(bǔ)給量有限，具有良好的可疏降性，在試采面回采前可通過(guò)布置疏降工程消除底板水害威脅。

(3)研究表明，西部礦區(qū)地層條件特殊，同樣存在底板水害的問(wèn)題。在明確其水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，亦可通過(guò)疏降工程等措施消除底板水害威脅，對(duì)西部礦區(qū)底板防治水工作的開(kāi)展有一定的借鑒意義。