注浆钻孔数据反演煤层底板灰岩含水层富水特征研究

郭之理冉德立王长申

(1.河南能源化工集团永煤公司陈四楼煤矿,河南省永城市,476600; 2.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏省徐州市,221008)

注浆钻孔数据反演煤层底板灰岩含水层富水特征研究

郭之理1冉德立1王长申2

(1.河南能源化工集团永煤公司陈四楼煤矿,河南省永城市,476600; 2.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏省徐州市,221008)

利用工作面底板注浆钻孔成果数据分析二2煤层底板太原组上段3层灰岩含水层充水裂隙与耗浆量的规律,反演工作面底板灰岩含水层富水特征,通过绘制钻孔涌水量等值线图,圈定太原组上段灰岩富水异常区和构造控水区域,对工作面底板注浆改造工程设计、施工和注浆效果评价有重要的指导意义。

注浆钻孔 灰岩含水层 水文地质特征 反演 底板注浆

1 研究区概况

2517工作面位于陈四楼煤矿南五采区深部,开采山西组二2煤层,工作面标高－765～－696 m,工作面构造发育,外段为一个向斜构造,里段为一个宽缓的背斜构造,地层倾角5°～26°,平均12°,走向近东西向。工作面揭露50条断层,其中逆断层4条,其余均为正断层,落差4～7 m的断层6条,落差1～4 m的断层27条,落差小于1 m的断层17条。工作面主要充水水源为煤层底板太原组上段灰岩(L11,L10和L8)3层岩溶裂隙承压水,L11,L10和L8灰岩厚度分别为1.4 m、4.79 m和14.4 m。煤层底板距L11灰岩43.6 m、距L10灰岩58.6 m、距L8灰岩75.8 m,太原组上段灰岩水含水层静水压力为5.80～6.49 MPa,水文地质条件较为复杂,为防止底板灰岩水害发生,采取了煤层底板注浆改造措施。

2 注浆钻孔数据分析

2517工作面共施工注浆钻孔248个,累计钻探进尺38565 m,钻孔揭露太原组上段灰岩含水层累计涌水量10887 m3/h,累计消耗水泥量19476.4 t。其中L8灰岩含水层单孔最大出水量为90 m3/h,注水泥728 t;L10灰岩含水层单孔最大出水量为80 m3/h,注水泥357 t,L11灰岩含水层单孔最大出水量为80 m3/h,注水泥122 t,如表1所示。表1中的数据可以表明:

表1 各含水层钻孔出水点、涌水量、耗浆量统计

(1)各含水层钻孔总涌水量指示含水层裂隙数量和联通程度,含水层平均单孔涌水量反映含水层富水程度和充水强度;

(2)不同级别涌水量反映和对应不同级别裂隙尺寸和数量;

(3)水泥消耗量直接反映底板裂隙发育程度、联通程度和可注性。

2.1 涌水量与耗浆量数据分析

(1)L8灰岩含水层钻孔总涌水量5134 m3/h,占总涌水量47.2%;其次是L10灰岩含水层钻孔总涌水量为4966 m3/h,占总涌水量45.66%;第三是L11灰岩含水层钻孔总涌水量为777 m3/h,占总涌水量7.14%。从钻孔揭露各含水层总涌水量所占比例分析,表明L10、L8灰岩含水层为工作面底板主要的充水含水层,且富水性较强。

(2)L8灰岩含水层钻孔出水点191个,钻孔揭露含水层出水概率为55.2%;L10灰岩含水层钻孔出水点133个,钻孔揭露含水层出水概率为85.3%;L11灰岩含水层钻孔出水点23个,钻孔揭露含水层出水概率为6.6%。钻孔揭露各含水层出水概率分析表明,L11灰岩含水层钻孔概率最低,仅局部富水,L8、L10灰岩含水层岩溶裂隙发育,且富水分布较均匀。由于L8灰岩含水层距二2煤约75.8 m,距煤层底板相对较远,为L11、L10灰岩含水层的主要补给水源,L10灰岩含水层为二2煤底板主要的充水水源。L10和L8含水层钻孔出水点及涌水量等值线图见图1。

图1 L10、L8含水层钻孔出水点及涌水量等值线图

(3)各含水层钻孔总耗浆量为19476.4 t,其中L11灰岩耗浆量1432 t,占总耗浆量的7.35%; L10灰岩耗浆量9229 t,占总耗浆量的47.38%;L8灰岩耗浆量8816 t,占总耗浆量的45.26%。各含水层钻孔耗浆量分析表明,L11灰岩含水层仅局部富水,L8、L10灰岩含水层耗浆量大,岩溶裂隙普遍发育,富水性强,为煤层底板主要的突水水源,同时也是底板注浆改造的主要层位。

(4)各含水层涌水量与耗浆量的差异揭示各含水层的充水裂隙特征。L11灰岩钻孔总耗浆量比例与总涌水量比例相当,说明涌水裂隙和耗浆量所占比例均衡,且由于该层灰岩出水钻孔频率较低,表明该层灰岩在构造发育块段裂隙发育且以大裂隙为主;L10灰岩钻孔总耗浆量比例大于总涌水量所占比例,说明L10灰岩大裂隙发育,可注性较好;L8灰岩总耗浆量比例小于总涌水量比例,说明L8灰岩小裂隙发育较多且分布较为均匀。

(5)根据钻孔出水量等值线图圈定各灰岩含水层富水异常区域,在断层密集发育处和褶曲区域太原组上段L11、L10、L8灰岩含水层钻孔出水量和耗浆量均较大,钻孔出水量和耗浆量位置与构造发育关系密切,含水层富水性受构造控制较为明显。钻孔涌水量和耗浆量等值线图富水异常区局部重叠,也反映了太原组上段3层灰岩含水层在构造发育处存在水力联系。

2.2 不同级别充水裂隙耗浆量规律

2.2.1 揭露含水层岩溶裂隙发育级别确定

研究认为可以根据钻孔涌水量大小定义揭露含水层岩溶裂隙发育级别。钻孔涌水量大于50 m3/h的裂隙为大型裂隙,涌水量为40～50 m3/h的充水裂隙为较大型裂隙,涌水量为30～40 m3/h的裂隙为中型裂隙,涌水量为20～30 m3/h的裂隙为中小型裂隙,涌水量为10～20 m3/h的裂隙为小型裂隙。根据2517工作面底板注浆钻孔的涌水量和耗浆量数据分析,大型充水裂隙耗浆量最多,达6529 t,占总耗浆量的33%;较大型裂隙耗浆量为1019 t,占总耗浆量的5%;中型裂隙耗浆量2896.7 t,占总耗浆量15%;中小型裂隙耗浆量6922.9 t,占总耗浆量36%;小型裂隙耗浆量1981.8 t,占总耗浆量的10%,大型和中小型充水裂隙耗浆量最多,分析表明底板灰岩含水层充水裂隙以大型和中小型裂隙发育为主,具有总体数量多、联通性和可注性好特征。

2.2.2 耗浆量与各含水层涌水量关系

根据钻孔揭露各含水层涌水量与耗浆量的数据,利用线性回归方法得出钻孔平均单孔耗浆量与各含水层涌水量之间相关性明显,同样也表明充水裂隙级别与单孔耗浆量的相关性,见图2,回归后得出:

式中:Q浆——预测单孔耗浆量,t;

Q涌——单孔钻孔涌水量,m3/h。

图2 平均单孔耗浆量与各含水层涌水量之间关系

各含水层耗浆量差别较大,L10灰岩和L8灰岩的耗浆量最大(超过8000 t),是L11灰岩耗浆量的6倍多;同一含水层,不同级别充水裂隙耗浆量差异较大,各含水层不同级别充水裂隙耗浆量及比例统计见表3。

表3 各含水层不同级别充水裂隙耗浆量及比例统计表

除个别大型充水裂隙外,耗浆量以涌水量为20～30 m3/h的中小型裂隙为主;其次是涌水量大于50 m3/h的大型裂隙为主;涌水量为10～20 m3/h的小型裂隙和涌水量为30～40 m3/h中型裂隙耗浆量相差不大。L11和L8灰岩含水层钻孔耗浆量以涌水量20～30 m3/h充水裂隙为主;L10灰岩含水层耗浆量以涌水量大于50 m3/h的充水裂隙为主,其次是10～20 m3/h的小型裂隙;涌水量小于10 m3/h的充水裂隙耗浆量以L8灰岩含水层为主,属于裂隙发育但规模较小,耗浆量也较小。各含水层涌水量与耗浆量关系见图3。

图3 各含水层涌水量与耗浆量关系图

3 结论

(1)通过注浆钻孔出水量和耗浆量数据分析,该区域L10、L8灰岩含水层岩溶裂隙发育,并具富水性强、联通性好和耗浆量大的特征,L8灰岩含水层为底板注浆改造的终孔层位,L10灰岩含水层为注浆改造的关键层位,设计时必须兼顾L10灰岩含水层注浆改造,防止存在L10灰岩含水层注浆改造盲区。

(2)注浆钻孔涌水量大小反映充水裂隙级别,利用数值线性回归的数学方法,判定充水裂隙级别与单孔耗浆量关系,各含水层钻孔涌水量与其相应的耗浆量之间存在一定关联性和规律性,对钻孔注浆效果评价有指导意义。

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(责任编辑 张毅玲)

Research on grouting borehole data inversion analysis of water-rich characteristics of limestone aquifer in coal floor

Guo Zhili1,Ran Deli1,Wang Changshen2
(1.Chensilou Coal Mine of Yongcheng Coal Electricity Group Co.,Ltd.,Henan Energy and Chemical Industry Group Co.,Ltd.,Yongcheng,Henan 476600,China; 2.School of Resources and Geosciences,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

According to the grouting borehole data in working face floor,the author analyzed the law of water-inflow fracture and grout consumption in three layers of limestone aquifer of the upper Taiyuan Formation in the two 2 coal seam floor,and made an inversion analysis of waterrich characteristics of limestone aquifer in coal floor.By drawing the contour map of drill hole water inflow,the water-rich abnormal area and structural water-control area of limestone in the upper Taiyuan Formation were delineated,which had an important guiding significance for the grouting modification engineering design,construction and grouting effectiveness evaluation.

grouting borehole,limestone aquifer,hydrogeological feature,inversion,floor grouting

P641 TD 355

A

郭之理(1967－),男,江苏省新沂市人,高级工程师,现从事矿井防治水工作。