·试验研究·
从事水文地质工作,(E-mail)sxjmzyb@163.com
贺西矿底抽巷放水试验及矿井防治水技术探讨
刘德旺1,2
(1.中国矿业大学 地球科学与测绘工程学院,北京100083;2.山西焦煤集团公司,山西太原030024)
摘要为查明贺西矿山西组4`#煤层开采受底板高承压太灰含水层的威胁,基于地下水径流理论,对太灰含水层进行了单孔放水试验,得出4`#煤底板太灰含水层的富水性和补给排泄条件。结果表明,太灰含水层岩溶发育且存在一定程度的不均一性,富水性差,地下水径流不畅,且地下水交替和循环条件滞缓,但有较高的水位,位于3`#、4`#煤层之上,有一定的危险性。在此基础上提出了该矿深部开采以疏水降压为主、注浆为辅的底板防治水技术措施,为保障山西组4`#煤安全开采提供了合理依据。
关键词深部开采;单孔放水试验;太灰水;防治水
收稿日期:2014-12-13
作者简介:刘德旺(1972—),男,山西平遥人,1996年毕业于山西矿业学院,2012级中国矿业大学(北京)在读硕士研究生,高级工程师,主要
中图分类号:TD745
文献标识码:B
文章编号:1672-0652(2015)01-0004-04
AbstractIn order to find out the threat of No.4 coal seam mining by high pressure the Archaean era limestone aquifer in Shanxi formation of Hexi coal mine, bases on the theory of groundwater flow, single hole drainage experiment on the Archaean era limestone aquifer is carried out, obtains the water abundance and the replenishment and drainage conditions of the Archaean era limestone aquifer in No.4 coal seam floor. The results show that the Archaean era limestone aquifer karst development has a certain degree of heterogeneity and the water abundance is poor, groundwater flow is slow, groundwater and cycling conditions are attenuate, but there is a high water level of which is above the coal seam of No.3 and No.4, there is a certain danger. On the basis puts forward the technical measures of floor water prevention and control, it provides the reasonable basis for guarantee safe mining of Shanxi formation No.4 coal seam.
贺西矿是山西焦煤汾西矿业(集团)有限责任公司的生产矿井,位于山西省河东煤田中段,离柳矿区西南部,离柳林县城12 km左右,矿区面积18.909 km2,属带压开采矿井。该矿主采二叠系山西组 3#、4#煤层,基本构造形态为一走向北西、倾向南西的单斜构造。随着矿井开采深度的增加,4#煤层底板承受水压加大,工作面底板最大承受水压为0.48~4.28 MPa,相应突水系数为0.017~0.151 MPa/m,井田内部分区域突水系数大于安全开采的临界值,当太灰水在遇到陷落柱以及其他地质构造与工作面导通时,有可能随采掘活动扰动进入工作面。同时,奥陶系灰岩水也存在通过大的导水构造(如隐伏陷落柱、基底断裂等)突破煤层底板进入采场的可能。按照《煤矿防治水规定》,该矿需进行井下放水试验或水文地质勘探试验。井下放水试验是水文地质工作中应用最多的方法。
1矿区地质及水文地质背景
井田位于鄂尔多斯盆地东缘,河东煤田中段,新生界松散层所覆盖于各时代基岩之上,经钻孔揭露地层有奥陶系、 石炭系、 二叠系、 第三和第四系,地层厚度>1 500 m. 该矿处于王家会背斜西翼,基本构造形态为一走向北西,倾向南西的单斜构造,地层倾角一般在 3°~11°,受构造影响局部倾角变化较大。根据生产实际揭露可知,井田内小断层较发育,其规模不大,均为小的正断层,一般走向北北西、北西西,落差0.4~4 m,一般2 m左右。井下仅发现1条较大的切穿4#煤层的正断层,落差9 m,走向北北西,倾向南西西,倾角36°.井下还发现小型褶曲,走向与地层倾向一致,起伏不大,延伸较短。层间小断层、小型褶曲发育部位,常易形成煤层的局部增厚变薄,对开采造成一定的困难。
该矿矿井水文地质条件相对复杂,矿井主要的直接充水水源为山西组、石盒子组砂岩水和3#煤采空区积水。间接充水水源为奥陶系灰岩水、太原组灰岩水、地表水。4#煤安全开采存在较大威胁的含水层主要有:煤系砂岩裂隙水含水层组、太灰岩溶水含水层组和奥灰岩溶水含水层组。该矿位于太灰地下水的径流区内,4#煤上下砂岩裂隙含水层是开采4#煤层时矿井直接充水含水层。主要含水层为L1~L5薄层石灰岩,单层厚度2~10 m,累计厚度30 m左右。该含水层富水性差,地下水径流不通畅,循环条件缓滞,但有较高的水位,位于3#、4#煤层之上,所以,开采4#煤层的间接含水层,有一定的危险性。
2放水试验
结合贺西矿的实际水文地质条件, 并为今后三采深部高承压水上的安全开采防治水方案的制定做准备,需进行放水试验。
2.1 放水孔与观测孔布设
为了控制巷道放水期间的地下水流场形态特征,在314底抽巷平台施工3个孔,在轨道巷施工3个孔,共施工6个孔,并利用矿井原有的3个观测孔,共计9个孔。鉴于4#煤层底板太灰含水层富水性不均一性,利用地球物理探测技术划分富水区域,选择钻孔。
2.2放水试验
本次单孔放水试验采用一次降深的非稳定流观测的方法。为保证放水试验安全,协调了放水试验时间、排水能力、瓦斯检测等工作。规定放水延续时间不少于36~73.5 h,稳定时间不小于8~23 h,满足规范放水延续时间不少于24 h,稳定时间不小于8 h.每个钻孔放水过程中进行流量观测,每次观测时间为:1 min、2 min、5 min、10 min、20 min、30 min,以后每隔30 min观测一次,采用堰箱观测流量,读数到毫米。流量误差标准按《煤炭资源地质勘探抽水试验规程》(煤地字638号,1980年6月)执行,即流量应保持常量,单位涌水量小于0.1 L/s·m,误差不大于5%.本次放水9个钻孔,相对误差0~5%,平均1.68%,满足规范要求。每次放水前均进行静水压(位)的观测,放水结束进行恢复水压(位)的观测。观测精度为0.001 MPa(cm).为了进行放水水质监测,9个放水孔分别在放水试验临近结束前,在出水管口采取有代表性的水样进行全分析。取样采用塑料桶,取样时用所取水样冲洗塑料桶和桶盖3次以上,每个水样5 L,并及时封存、标识清晰。按照设计要求,对照有关规程、标准对各次放水试验进行了综合评级验收,完成单孔放水试验,单孔放水试验合格9次,合格率100%.放水孔数据统计表见表1.
表1 放水孔数据统计表
3放水试验结果分析
本次共进行了9个钻孔的单孔放水试验,其中利用了3个原有井下钻孔(G1、 G2、 G3).
3.1初始和稳定涌水量
普洱市地处低纬度、高海拔地区,茶树具有萌发较早、采摘期长、芽叶肥壮等特点。普洱市旅游环线内森林覆盖率达94.5%,内有植物2014种,其中有药用植物野砂仁,花卉植物山海棠、兰花等,被称为“天然花园”。温度较为适宜,降雨量充沛,这使得普洱拥有怡人的康乐气候。旅游环线内水体资源,融“山、林、水、人”四大主题为一体,呈现出不同的水体形态。由于区内热量丰富,气候湿润,森林茂密,食物丰富,为野生动物的生息繁衍提供了十分优越的环境条件。普洱市拥有35个少数民族,不同民族,以茶待客、以茶联姻等,把茶文化发挥得淋漓尽致,成为一种文化标杆。
钻孔的初始最大涌水量差别较大,其中G1和 GC2孔最大,分别为40.4 m3/h 和30.7 m3/h,一般15 m3/h左右,G3孔最小仅0.288 m3/h.
稳定涌水量一般为3~5 m3/h,GC3孔最大达7.3 m3/h,G3孔最小仅0.14 m3/h.
初始最大涌水量 与稳定涌水量的差异较大,其中G1孔的瞬时最大涌水量是稳定涌水量的10.6倍,一般钻孔为3.9倍。说明井田内揭露太灰的初见水量将远大于稳定水量,因此,在设防时必须考虑这一因素。
9个放水孔的Q-t曲线见图1~图9. 从图1~9可以看出,水量的衰减幅度较大,初始水量和稳定水量相差较大。
图1 JF1孔Q-t曲线图
图2 JF2孔Q-t曲线图
图3 JF3孔Q-t曲线图
图4 G1孔Q-t曲线图
图5 G2孔Q-t曲线图
图6 G3孔Q-t曲线图
图7 GC1孔Q-t曲线图
图8 GC2孔Q-t曲线图
图9 GC3孔Q-t曲线图
3.2单位涌水量
本井田先后施工了9个水文钻孔,其中4个钻孔进行了稳定流抽水试验,取得了渗透系数资料:0.010 13~0.000 2474 m/d,平均0.003 479 m/d,另有5个钻孔进行了单孔放水试验,合计取得了9个井上下钻孔的太灰含水层单位涌水量观测资料。
由于各次施工的钻孔孔径和降深有较大的差异,需要计算为91 mm口径的单位涌水量,单位涌水量0.018 22~0.000 065 77 L/s·m,平均 0.004 24 L/s·m.
1) 太灰含水层单位涌水量较小,属于弱富水的含水层。
2) 含水层的富水性差别极大,最大单位涌水量高出最小单位涌水量达277倍之多。
44#煤带压开采的防治水技术措施及探讨
通过放水试验中的水位、水量观测资料分析,认为矿区太灰含水层 L1~L5 具有弱富水、高承压的特点,水文地质参数存在非均一性,但其静储量较小,侧向补给强度有限,因此,区域内太灰含水层是可疏降的,4#煤层开采的防治水技术措施是结合物探方法以疏水降压为主,辅以底板注浆加固。
1) 工作面疏水降压。工作面采取预先疏降作为贺西矿深部带压开采的重要防治水措施,主要是在受太灰底板水害威胁较大的开采区域经济合理疏降太灰水头,确保带压系数在煤层底板可承受的范围内。根据以往带压开采经验,矿区临界突水系数为 0.06 MPa/m,放水试验放水孔及其附近观测孔水位已达到安全水头之下,疏水钻孔布置应在采区主要巷道中布置。在采区巷道掘进过程中进行物探,查找太灰富水异常区,并用钻探验证。根据现场实际情况选择水量较大且排水较方便的钻孔作为疏水孔进行保留。通过水量预测,合理地布置疏放水孔并进行疏放水孔设计,实现疏放孔的最优化布置,以达到最有效、最经济的疏降效果。
2) 底板注浆加固。底板注浆加固措施作为带压开采的辅助方法配合使用,当疏干降压工程不能完全满足矿井生产的需要(如安全保证、环境影响等)时,可在疏干降压的同时,在底板富水异常区或裂隙发育带辅助采用底板注浆加固的技术措施,以提高煤层底板岩层的强度和隔水性能,确保贺西矿深部高承压水上安全开采。为达到最佳效果,在注浆改造前可采用瞬变电磁勘探、直流电法或其他物探手段进行工作面底板富水性异常区的探查工作,为合理布置注浆工程提供依据。
3) 需针对隐伏陷落柱、大断层进行地面、井下全方位探查。对井田中西部生产未揭露的地区进行地面三维地震探查,对补充勘探中查出的疑似构造进行进一步精细探查,提高物探、钻探技术水平,应重点对东部临近金家庄矿的工作面巷道严格执行“预测预报,有疑必探,先探后掘,先治后采” 的方针,提高物探方法在超前探测中的预测预报作用。
4) 井田内以前的地质孔、水文孔部分可能已被破坏或者出现封孔质量问题,可能会形成联系奥灰与太灰含水层的人为导水通道,可进行专项排查治理。
参考文献
[1]国家安全生产监督局,国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定[M].北京:煤炭工业出版社,2009:69-72.
[2]魏大勇.优化疏降方案在刘桥二矿工作面水害防治中的应用[J].华北科技学院学报,2006,3(2):5-8.
Discussion on Drainage Experiment of Bottom Drainage Roadway and
Water Prevention and Control Technology in Hexi Coal Mine
LIU Dewang
Key wordsDeep mining; Single hole drainage experiment; Limestone water in Taiyuan formation; Water prevention and control
·试验研究·