济宁二号煤矿西部主采区涌水量解析法预测

王小凤,　赵迎春,　时　荫

(兖州煤业股份有限公司 济宁二号煤矿, 山东 济宁 272175)



济宁二号煤矿西部主采区涌水量解析法预测

王小凤,赵迎春,时荫

(兖州煤业股份有限公司 济宁二号煤矿, 山东 济宁 272175)

为解决即将开采的西部主采区涌水量预测问题,通过对三个采区地质和开采条件的分析,确定顶板砂岩水是采区的主要水源。选取相关水文地质参数,建立了涌水量预测计算模型,并以大井法对三个采区的涌水量进行预测评价。与地质条件相似的已开采采区实测涌水量的对比分析表明，十三、十五和十七采区的涌水量分别为22.85、18.76、19.37 m3/h。预测结果对三个采区的水害防治将起到重要的参考价值。

西部采区; 涌水量; 解析法

0　引　言

矿坑涌水量预测是矿区水文地质勘查阶段的主要任务之一,也是开采设计部门制订疏干措施、 确定排水设备及确保矿山安全生产的主要依据[1]。回采工作面涌水是煤矿安全生产中倍受重视的问题。为安全回采提前做好排水准备,工作面涌水量预测问题成为一项非常重要也是最不容易确定的开采难题。预采工作面涌水量计算方法较多,有比拟法、大井法、回归分析法、水均衡法、解析法和数值模拟法等,但以地下水动力学为基础上的大井法相对使用较多[2-6];从目前的研究水平和开采实践来看,大井法法仍是目前评价预测矿井涌水量最简单有效的方法[4-6]。济宁二号煤矿自1997年投产以来,主要开采矿井东部的一、二、三、四、六采区的3煤层,上述采区已接近开采完成,为矿井持续生产,目前正在积极进行西部采区巷道准备和工作面开采。目前已开采西部采区的九、十一采区,今后较长时期矿井的主要产区将转移到西部的十三、十五、十七采区。为此,根据济宁二号煤矿实际开采规划,以西部主采区为背景,采用大井法进行三个涌水量分析,并与相似已开采采区的实测结果进行对比,这将为西部采区的水害防治提供一定的参考依据。

1　西采区地质概况

济宁二号煤矿西部采区内3煤层厚1.85～2.65 m。根据井田覆岩条件济宁二号煤矿在缓倾角中硬至坚硬复杂条件下的综采工作面冒裂带高度实测研究成果,采用其全煤厚综放开采条件下,导水裂缝带最大高度Hmax与采煤厚度d的关系:Hmax=100d/(0.52d+6.34),计算了全煤厚综放开采条件下,3煤层导水裂隙带高度。根据采区内钻孔揭露情况,经计算,3煤可采厚度最厚为2.65 m,冒裂高度34.34 m,侏罗系至3煤间距与冒裂高度之差均大于100 m。采区范围内,对开采上组煤层没有直接充水影响。3煤开采直接充水含水层为3煤顶、底板砂岩。

据井田勘探阶段(精查)报告对西部采区3煤顶板砂岩水的分析评价:条件简单,开采不会有顶板涌水。近年来,九、十一采区的初步开采时,工作面顶板涌水一般达到30～100 m3/h,十一采区工作面老空放水量70万m3。说明济宁二号煤矿西部采区3煤顶板砂岩水文地质开采条件并非简单,对开采存在一定威胁,局部地段存在发生灾害性涌水的可能。

2　解析模型的建立及相关条件

2.1解析模型的建立

根据矿井相关地质和开采资料,由于矿井1997年就已经投产,矿井东部的一、二、三、四、六采区,西部的九、十一采区部分工作面已接近开采完成,疏干流场符合稳定流,且开采时顶板砂岩的水位降低到砂岩底板,即在工作面附近会出现无压水流区,变成承压—无压(承压—潜水井)完整井流,可以由此确定,为承压—无压完整稳定井流类型。因此,最终可确定选用承压—无压井流公式,式(1)分别对矿井十三、十五、十七采区的正常涌水量进行预测。

裘布依承压稳定井流方程的假定条件非常严格,现实中,当水位降低很大时,井内水位低于承压含水层的顶板时,便会出现承压水井附近水流变为无压水流,而距井较远处仍为承压水,如图1所示,当Hw

(1)

式中:Q——抽水井涌水量,m3/d;

K——含水层渗透系数,m/d;

d——承压含水层厚度,m;

R——引用影响半径,m;

Rw——抽水井半径,m;H0——圆柱形含水层外侧水头(保持不变),m;

Hw——抽水井中的水头(实指进水井壁处的水头),m。

图1　承压转无压涌水量计算

2.2模型相关参数的分析

式(1)中,需要确定如下参数:承压含水层渗透系数K、含水层厚度d、引用影响半径R、抽水井半径Rw、圆柱形含水层外侧水头H0、抽水井中的水头Hw。

2.2.1含水层厚度d和渗透系数K

根据相关地质资料,十五采区的3上顶板砂岩平均厚度10.79 m,3下顶板砂岩平均厚度32.06 m,合计总厚度56.57 m。由于十三、十七采区关于3煤顶板砂岩厚度没有数据,且在砂岩系数分区图中,它们与十五采区基本在同一等级,故可采用十五采区的砂岩厚度来计算。由此,可得含水层厚度:d=56.57 m。

根据I1B区内仅补9-10孔获得的渗透系数值为0.001 76 m/d,该值作为I1B区内3煤顶板砂岩含水层的渗透系数值。且十三、十五、十七采区基本都属于极弱富水区,故其渗透系数值均采用该值,K=0.001 76 m/d。

2.2.2疏干“大井”引用半径

井巷系统的形状复杂、分布极不规则,范围广,且处于经常变化之中,构成了复杂的内边界。解析法要求将它理想化,故常将此形状复杂的井巷系统看成是一个“大井”,把井巷系统圈定的或者以降落漏斗距井巷最近的封闭等水位线圈定的面积F看成相当该“大井”的面积。此时,整个井巷系统的涌水量,就相当于“大井”的涌水量,可使用各种井流公式计算矿井涌水量,称“大井法”。近圆形“大井”的引用半径为

(2)

根据采区布置情况及其巷道开拓情况,十三、十五、十七采区的井巷系统的面积分别为3.01、1.46、1.65 km2。由此,可以获得十三采区、十五采区和十七采区形成的疏干“大井”的引用半径如下:十三采区:Rw=0.565×(3.01×106)0.5=980.24 m;十五采区:Rw=0.565×(1.46×106)0.5=682.69 m;十七采区:Rw=0.565×(1.65×106)0.5=725.76 m。

2.2.3圆柱形含水层外侧水头和抽水井中的水头

根据矿井范围内3煤顶板砂岩水文长观孔资料可知,在西部采区首采面开始回采之前(九采区从2005年9月回采,十一采区从2005年10月回采),GP1-3和GP1-4孔的水位标高分别为+26.63 m(2000-05-30)和+22.19 m(2000-05-30),取该两水位的平均值作为I1B区首采面回采之前3煤顶板砂岩的水位标高为+24.41 m。

同时,由开采规划图可知,西部采区内待采工作面范围内3煤底板标高约为-600～-800 m,选取3煤底板标高最小值(-800 m),由此可得西部采区内工作面开采3煤顶板砂岩含水层的预期最大水位降深为S=24.41-(-800)=824.41 m,则圆柱形含水层外侧水头H0为824.41 m,抽水井中的水头Hw为0 m。

2.2.4引用影响半径

用大井法预测矿井涌水量时,其降落漏斗的引用影响半径R应从大井中心算起,等于“大井”的引用半径Rw加上排水影响半径R0,即

R=Rw+R0。

(3)

确定排水影响半径的方法很多,在矿井涌水量计算中常用库萨金和吉哈尔特经验公式作近似计算。库萨金公式:

(4)

吉哈尔特公式:

(5)

式中:S——抽水时的水位降深,m。

矿井疏干排水影响半径应根据大降深群孔抽水或坑道放水试验实测资料,用图解法确定影响半径。但矿井内的水文观测孔都已受到开采影响,无法确定矿井排水引起的最大的影响范围,因此本报告采用式(4)、(5)确定的影响半径平均值乘以一修正系数(η)的方法来确定,即

(6)

由此,可得库萨金公式:

(7)

吉哈尔特公式:

(8)

由此,可以最终获得十三、十五、十七采区形成的疏干“大井”的引用影响半径,十三采区:R=Rw+R0=980.24+2 395.97=3 376.21 m;十五采区:R=Rw+R0=682.69+2 395.97=3 078.67 m;十七采区:R=Rw+R0=725.76+2 395.97=3 121.73 m。

3　涌水量预测结果与分析

3.1预测计算结果

采用的稳定井流式(1)对矿井涌水量进行预测,将其参数代入式(1),可以得到矿井十三采区、十五采区和十七采区3煤开采的正常涌水量Qz。

16.80 m3/h,

十五采区:

13.79 m3/h,

十七采区:

14.24 m3/h。

根据历年矿井涌水量变化系数,最大为1.36,可得十三、十五、十七采区3煤开采的最大涌水量:

十三采区Qmax=16.80×1.36=22.85 m3/h;

十五采区Qmax=13.79×1.36=18.76 m3/h;

十七采区Qmax=14.24×1.36=19.37 m3/h。

3.2预测计算结果对比分析

综合以上分析结果可知,济宁二号矿井西部采区3煤开采分采区最大涌水量Qmax和正常涌水量Qz见表1。

表1西部采区3煤开采分采区涌水量预计结果

Table 13 coal seam mining area west of mining area water inflow is expected to result

在用大井法预测涌水量时,主要考虑3煤顶板砂岩为十三、十五、十七采区3煤开采的主要充水含水层,且该含水层的水文地质参数是由矿井水文地质观测孔和抽水孔得来,较为可信。

在计算中用到了3煤顶板砂岩厚度,由矿井钻孔数据可知,矿井内岩性变化大,钻孔之间揭露的砂岩厚度变化也较大;目前,仅有1个孔的砂岩厚度值,显然会使得矿井涌水量计算结果误差增大。且十三、十七采区砂岩厚度的具体数值没有,参照十五采区的砂岩厚度,可能导致最后计算出的结果有一定偏差。

西采区的九采区和十一采区已进行了部分工作面的回采,九采区2005年7月开始回采,红层水～三灰水对采掘未造成影响,采区主要充水水源为3煤顶底板砂岩水。由于3煤顶底板砂岩赋水性弱,因而在工作面准备过程中涌水量也较小,未发生突水事故,没有对生产造成影响。十一采区在开拓过程中,仅在局部裂隙发育地段和断层处有淋水,正常涌水量在15 m3/h左右。十一采区于2005年10月开始回采,上侏罗统红层砂岩水和三层灰岩水对采掘未造成影响,采区主要充水水源为3煤顶底板砂岩水。由于3煤顶底板砂岩赋水性弱,因而工作面生产过程中涌水量也较小,没有对生产造成影响。

4　结束语

利用矿井西部主采区相关资料,确定了采区涌水量的主要来源,并建立了涌水量计算模型,通过水文地质参数的选取,采用大井法对三个采区的涌水量进行了预测计算。预计值与地质条件相似的已回采的采区涌水量进行对比,两者相差不大。

[1]郑世书, 陈江中, 刘汉湖, 等. 专门水文地质学[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1999.

[2]薛禹群. 地下水动力学[M]. 北京: 地质出版社, 1997.

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[5]官云章, 马庆福. 利用地下水动力学解析法计算回采工作面涌水量[J]. 煤田地质与勘探, 2005, 33(2): 162-164.

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(编辑李德根)

Analytical method estimate of water inflow in western main mining area of Jining No.2 coal mine

WANGXiaofeng,ZHAOYingchun,SHIYin

(Yanzhou Coal Mining Co. Ltd., Jining II Coal Mine, Jining 272175, China)

Aimed at the prediction of water inflow of western main mining area, this paper describes the roof sandstone water determined as a major source of water by analyzing geological and mining conditions of the three mining areas. The determination comes from the development of the water inflow forecasting model, the selection of the relevant hydrogeological parameters, forecast and evaluation of the water inflow of three mining areas by the “Virtual large diameter well” method, and comparative analysis of the water inflow occurring in mined areas with a similar geological condition.The thirteenth, fifteenth and seventeenth mining area are found to give the mine water inflow of 22.85、18.76、19.73 m3/h respectively. The prediction would be of reference value for the prevention and control of water disaster in the three mining areas.

western mining area; water inflow; analytical method

2013-05-30

王小凤(1983-),女,江苏省新沂人,工程师, 研究方向:矿井地质探测,E-mail:13853731580@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.04.016

TD745

1671-0118(2013)04-0378-04

A