煤层底板强含水层超前疏放分析与应用

马亚杰,冯 玉,章之燕,尹尚先

(1.河北联合大学矿业工程学院,河北唐山 063009;2.河北省矿业开发与安全技术实验室,河北唐山 063009;3.开滦(集团)有限责任公司,河北唐山 063000;4.华北科技学院安全工程学院,北京 101601)

煤层底板强含水层超前疏放分析与应用

马亚杰1,2,冯 玉3,章之燕3,尹尚先4

(1.河北联合大学矿业工程学院,河北唐山 063009;2.河北省矿业开发与安全技术实验室,河北唐山 063009;3.开滦(集团)有限责任公司,河北唐山 063000;4.华北科技学院安全工程学院,北京 101601)

为实现对煤系地层中裂隙强含水层的整体高效疏放,以开滦东欢坨煤矿12－2煤层底板强含水层疏放为实例开展研究。从含水层水文地质参数空间分布、地质构造控制作用、含水层揭露部位的涌突水特征与含水层露头补给条件方面,综合分析了含水层特征,得出含水层于－500水平以浅富水且顺层水力联系良好,走向上划分为3个次级富水单元。采用数值模拟方法预测了已揭露出水点在目标期内的疏放水效果与强径流区。以此为依据,确定了3个疏降水中心与钻孔布设方案。通过实施疏放水方案,成功实现了含水层在目标期的整体强烈疏放,保障了首采工作面的安全开采。

煤层;底板;强含水层;疏放水;东欢坨煤矿

超前疏放水是矿井防治水中最为普遍应用的措施之一。但由于煤层充水顶底板含水层中储/导水裂隙或溶穴系统发育极不均匀、不规律,甚至形成不同含水系统在同一空间叠置[1],含水层复杂性使得疏放水工作困难。为实现超前疏放水,诸多矿区开展了顶板含水层疏放研究,根据含水层沉积与地质构造特征,结合水位、水化学分析,划分矿井水文地质单元,确定地下水富集区,从而指导疏放水钻孔布设[2－4]。武强等提出了基于GIS与多种决策分析方法耦合的顶底板富水性分区研究[5－8],为疏放水工作提供了依据;徐德金、董东林等将Visal Modflow与Feflow等地下水数值模拟技术应用于煤层顶底板水文地质特征研究[9－10]。综合多种方法对煤层顶底板含水层疏放性进行研究,有助于实现超前疏放的优化,提高矿井经济效益。

开滦东欢坨矿是我国北方著名的大水矿井,中央－北一采区12－2煤层厚度1.3～3.7 m,平均厚度2.0 m,可采储量361万t,受底板煤12－2～煤14－1含水层直接威胁,煤层下无有效隔水层。为解放中央－北一采区煤层资源,笔者对12－2煤层底板砂岩裂隙含水层疏放进行了研究。

1 含水层特征与可疏性分析

东欢坨矿位于车轴山倾向斜构造内,研究区则位于向斜缓倾斜的东南翼,为单斜地层,含水层于基岩露头处接受冲积层水源补给。笔者从含水层参数分布、地质构造、含水层揭露部位的涌突水特征与含水层露头补给条件等方面进行综合分析,确定含水层可疏性。

1.1 含水层参数分布

研究区煤系地层为向西北缓倾的单斜地层,含水层特征参数空间上分布不均匀。分析煤12－2～煤14－1含水层厚度、渗透系数、单位涌水量及脆塑性岩层厚度比值的空间变化,得出:含水砂岩层厚度为27.3～2.7 m,由浅部向深部逐渐变薄;单位涌水量0.068 7～1.031 0 L/(s·m),－500水平以浅富水性强,向深部单位涌水量变小;渗透系数0.791～9.160 m/d,－500水平异常增大,向深部变小;含水层中脆性岩层厚度与塑性岩层厚度比值为7.5～3.5,由浅部向深部塑性岩层逐渐增加。综合上述情况,初步确定含水层浅部较深部富水性好,在－500以浅富水,渗透性良好。

1.2 地质构造控制作用

按照断层与地层产状的关系划分,切过煤12－2～煤14－1含水层的断层主要有与地层走向一致的纵向断层、与地层斜交的斜向断层及与地层走向垂直的横向断层[11]。

横向断层为位于研究区北部边界的F′2断层,规模大、破碎带宽、富含断层泥,断层带不导水,将断层两侧分隔为两个水文地质单元。但断层两盘共伴生裂隙成为储导水的有利场所,富水性强,发生过多起钻孔喷水事件。伴生裂隙延伸方向与地下水由浅向深部径流方向一致,有利于地下水的补给与运移。纵向断层主要为F′5,位于中央－北一区12煤层－500水平,区内延长1 035 m,最大落差18 m,井下施工5个探水钻孔揭露该断层带内不含水,断层切割含水层阻滞地下水由浅部顺层向深部径流,形成－500水平以浅富水区域。已揭露斜向断层较多,主要分布于中央－北一采区,走向与地层走向接近者具有错断局部含水层阻滞地下水向深部径流的作用,断层伴共生裂隙有利于地下水的富集。南部区域范围较大,构造简单,无大型断层存在。依据断层控制的裂隙分布与其控水作用,沿地层走向可划分北一、中央及南部3个次级富水单元。整个区域受车轴山向斜构造运动影响,向斜缓倾翼顺层节理及纵向与横向“X”节理发育,在脆性岩区形成导水裂隙,使各次级富水单元内顺层水力联系条件好[12－15]。

1.3 含水层涌突水特征

东欢坨矿井巷道揭露或接近煤12－2～煤14－1富水含水层时,在中央及北一区形成多个涌突水点: 1994年－230新风井南码突水点、2000年－500水平南大巷井底车场遇煤12－2底臌放水点与2008年－480胶带巷突水点。巷道揭露含水层时易出水,涌突水量大,各突水点持续多年涌水,深部出水点袭夺浅部水量现象明显。出水点涌水形成了该含水层以－480水平为中心的水位降落漏斗,表明含水层具有可疏性。

1.4 含水层补给条件

12－2煤层～煤14－1含水层主要接受第四系冲积层底部卵砾强含水层在其隐伏露头区顺层补给。注水试验结果表明,在小于0.1 MPa压力下,风化带流量大于15 m3/h,渗透性较好。表明该含水层易接受冲积层补给,但补给区过水段面宽度较窄。

综合上述分析结果,12－2煤层下伏煤12－2～煤14－1含水层为富水强含水层,富水区位于－500水平以浅,可进一步分为南部区、中央区以及北一区3个次级富水区。局部含水层已形成水位降落漏斗,具有可疏放性。

2 含水层疏放数值模拟预测

2008年底东欢坨矿拟对12－2底板强含水层进行疏放,因此建立数值模型对含水层疏放进行预测,以确定:

(1)现有出水点能否于2 a后(2010年底)将底板含水层疏放至安全水压;

(2)确定加强疏放水的最佳位置。

2.1 水文地质条件概化与建模

将研究区含隔水层概化为6层:Layer 1,第四系卵砾层到煤12－2底,概化为弱透水层;Layer 2,煤12－2底到煤14－1顶,概化为强含水层;Layer 3,煤14及其顶部泥岩和粉砂岩互层,概化为弱透水层; Layer 4,煤14底以下到G层铝土顶板,概化为强含水层;Layer 5,G层铝土质黏土岩,概化为弱透水层; Layer 6,奥陶系石灰岩含水层,概化为极强含水层。应用FEFLOW软件建立三维模型。

初始水头为2005年1月水头。设北部隔水断层边界为0流量边界,其他边界均为流量边界。2008年底该含水层已有出水点位于－230水平南码、－480胶带巷(北一～北二)和－500南大巷,将各点涌水量平均分配至概化的抽水井,－230水平设3口抽水井,－480胶带巷设3口抽水井、－500南大巷设7口抽水井。对12－2煤层～煤14－1含水层的2005—2008年出水点涌水量进行统计与回归分析,得出出水点水量的拟合曲线方程为:Q=6 605－64.47t,其中,Q为涌水量,m3/d;t为时间,m。该方程用于预测2009年及2010年出水点水量。2009之前抽水井涌水量采用实际观测值,2009—2010年采用回归方程预测值。

以2005年1月到2007年12月作为模型的识别期;2008年1月到2008年12月作为模型的验证期; 2009年1月到2010年12月作为模型的预测期。将钻孔观测水位与计算水位进行拟合验证,对各含水层参数加以识别、调整。

2.2 含水层疏放效果预测结果

通过模拟预测,在现有出水点疏放情况下,预测2010年12月含水层水压与地下水径流强度,如图1所示。预测结果表明,2010年12月含水层在－500水平中央区形成降落漏斗,－500水平承压170 m,达不到含水层疏干要求。－480水平北一区呈现地下水强径流特征。应用Fluid flux analyzer模块,对2010年煤12－2底板区域内水量进行分区预测,分区如图2所示,预测结果如图3所示。

至2010年底,C区为－230以上,水位降至底板以下,涌水量为0;A,B区已强烈疏降,水量较小;D, E区水量大,为需重点加强的疏放区。

图1 预测2010年12月含水层水头和流速矢量图Fig.1 The water head distribution and flow rate chart of aquifer in November,2010

图2 水量预测分区Fig.2 Zones for flow amount prediction

3 含水层疏干方案

东欢坨煤矿12－2煤层与底板含水层间无有效隔水底板,需要对底板含水层进行疏干。按照次级富水集中区布置疏放水中心,形成3个集中疏降区。

(1)北一疏降区:利用－480胶带巷(北一～北二)实施6个疏放水孔,预计单孔放水量为1.0 m3/min,总放水量为1.0×5×0.5=2.50 m3/min。

图3 水量分区预测结果Fig.3 Prediction results of flow amount in every zone

(2)中央疏降区:充分利用－500南大巷车场绕道,每50 m布置1个疏水钻孔(共计4个),布置2个井下长期水文观测钻孔监测水压。原疏放钻孔2个,新设置疏放钻孔2个。预计单孔放水量为1.0 m3/min,总放水量为1.0×4×0.5=2.0 m3/min。

(3)南部疏降区:－500南大巷320 m段布置疏水钻孔,原有6个、新增4个疏放钻孔。预计单孔放水量为1.0 m3/min,总放水量为1.0×10×0.5= 5 m3/min。

4 疏放水效果评价

2009年4月开始陆续施工疏放水钻孔,含水层水位整体平稳下降。2011年底12－2底板强含水层水位监测孔中央至北一区32孔、42孔及南翼区11孔水位均下降至含水层底板,形成了以－480水平为中心的巨大强降水漏斗,中心区水位疏降至－460 m,为煤层开采提供了条件。2012年东欢坨煤矿对12－2煤层首采工作面进行了回采,在巷道施工与采煤工作面回采中均未出现大的水害事故。

5 结 论

(1)通过含水层多参数分析确定富水区为－500以浅,节理发育特征与历史涌突水事件反映出含水层顺层水力联系良好,因此将疏水钻孔设于含水层富水区偏深部位置,即－500附近区域。

(2)受断层分隔作用影响,含水层沿走向划分为3个次级富水单元,在每个单元内均设置疏降中心,以保证含水层水位整体疏降。

(3)实施了3个疏降中心、24个钻孔组成的加强疏放水工程,实现了对富水强含水层水位快速、整体疏降,保障了12－2煤层按照预定时间安全开采。

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Analysis and application on the advanced discharge of water-rich aquifer of coal floor

(1.School of Mining Engineering,Hebei United University,Tangshan 063009,China;2.Hebei Key Laboratory for Mining Development and Safety Technology,Tangshan 063009,China;3.Kailuan Group Co.,Ltd.,Tangshan 063009,China;4.College of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology,Beijing 101601,China)

Seam floor 12－2 in Kailuan Donghuantuo Mine was an example to investigate the discharge of water-rich aquifer for fulfilling entire and efficient drainage in coal-bearing strata.The aquifer features were comprehensively analyzed according to its spatial distribution of hydrogeological parameter,control effect of geological structure,water burst features of exposed spots of aquifer and its supply conditions of aquifer.It is concluded that water-rich zone is upper－500 level and there is a good hydraulic connection along bedding,and three sub-water-rich units are zoned along the strike.Numerical simulation method was used to have predicted out discharge effect of exposed water burst spots and strong run-off area in the target time period.According this,three centers of discharge of water and drilling layout were determined.After practicing the layout of discharge of water,successfully,the aquifer was whole intensively drained in the target time period;it ensured that the first mining face of seam floor 12－2 was normally mined.

coal seam;floor;water-rich aquifer;discharge;Donghuantuo Coal Mine

P641.4;TD74

A

0253－9993(2014)04－0731－05

马亚杰,冯 玉,章之燕,等.煤层底板强含水层超前疏放分析与应用[J].煤炭学报,2014,39(4):731－735.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1649

Ma Yajie,Feng Yu,Zhang Zhiyan,et al.Analysis and application on the advanced discharge of water-rich aquifer of coal floor[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):731－735.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1649

2013－11－11 责任编辑:韩晋平

国家自然科学基金资助项目(51174071/E0409);“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAK04B04);河北省科技支撑指导资助项目(13275412)

马亚杰(1975—),女,山西吕梁人,副教授。E－mail:caiqinma@sina.com

MA Ya-jie1,2,FENG Yu3,ZHANG Zhi-yan3,YIN Shang-xian4