曹家灘煤礦綜放開采頂板涌水機理及涌水量預測

馬留柱

(中煤科工西安研究院(集團)有限公司,陜西 西安 710077)

近年來,隨著榆神礦區的大規模開發,礦區水文地質條件以及相關理論研究較多,主要涉及覆巖特征[1-3]、含水層富水性[4]、水化學分布規律[5],范立民[6-7]提出的保水采煤相關科學內涵及其配套采煤工藝,過溝開采兩帶發育規律[8],突水潰砂相關理論[9],植物根系生長所需的生態條件等[10]。

曹家灘煤礦位于陜北侏羅紀煤田榆神礦區中部,煤炭資源儲量大,煤質優,生態環境脆弱,水文地質條件復雜。井田面積約108.5 km2,生產能力為17 Mt/a,122 109工作面為礦井首個綜放工作面,主采延安組2-2煤層,煤厚11.6～12.7 m。由于煤層厚度大,開采強度大,導水裂隙帶將波及煤層頂板上覆多層含水層,水害威脅較大。鑒于礦井首次進行厚煤層綜放開采,開展工作面水文地質條件研究,預測涌水量、分析涌水機理,對工作面安全回采具有重要意義。

1 工作面概況

曹家灘煤礦122109工作面采寬300 m,走向長度6 000 m,地貌為黃土梁峁、風沙灘地以及沙丘沙地,地表水系不發育。2-2煤層上覆主要含水層由新到老:薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層、風化基巖承壓含水層、直羅組裂隙承壓含水層、延安組第五段裂隙承壓含水層。安定組和保德組紅土層為相對隔水層[11-12]。

2 工作面頂板水文地質條件分析

2.1 頂板含水層特征

(1)薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層。工作面內薩拉烏蘇組含水層厚度5～45 m,切眼處厚度較大,向終采線方向逐漸變薄(圖1)。據抽水試驗,含水層單位涌水量0.014 12～0.586 40 L/(s·m),滲透系數0.182 76～5.137 51 m/d,富水性弱—中等。

圖1 薩拉烏蘇組含水層厚度等值線Fig.1 Contour of aquifer thickness of Salawusu Formation

(2)風化基巖含水層。工作面內頂板風化基巖厚度為14～29 m,東薄西厚,工作面中部最厚,停采線方向最薄(圖2)。含水層單位涌水量0.024 15～0.048 18 L/(s·m),滲透系數0.192 00～0.564 13 m/d,富水性總體較弱。

圖2 風化巖含水層厚度等值線Fig.2 Contour of aquifer thickness of weathered rock aquifer

(3)直羅組含水層。含水層厚度11.70～90.58 m,平均42.23 m,裂隙不發育,厚度分布不均一(圖3)。單位涌水量0.006 803～0.036 200 L/(s·m),滲透系數0.032 044～0.105 231 m/d,富水性弱。

圖3 直羅組地層厚度等值線Fig.3 Contour of aquifer thickness of Zhiluozu Formation

(4)延安組含水層。含水層厚度為1.50～71.34 m,平均厚度32.21 m(圖4)。單位涌水量0.000 212～0.006 130 L/(s·m),滲透系數0.000 51～0.046 37 m/d,富水性弱。

圖4 延安組五段地層厚度等值線Fig.4 Contour of aquifer thickness of the fifth member of Yan′an Formation

2-2煤層上覆各含水層在一定程度上接受大氣降水補給,造成其水質類型相近(表1)。盡管上覆保德組紅土為相對隔水層,但風化基巖水質表現為低礦化度、弱堿性、重碳酸鈣型水。薩拉烏蘇組含水層水滲入基巖裂隙時,因Ca2+吸附于巖石裂隙表面的能力較強,Ca2+置換巖石中的Na+,使地下水中Na+增多。說明區內存在保德組紅土變薄區,局部薩拉烏蘇組含水層與風化基巖含水層存在微弱的水力聯系。

表1 礦井12盤區西翼煤層頂板含水層抽水試驗成果Tab.1 Water-pumping test results table of coal seam roof aquifer in west wing of 12 mining area

2.2 頂板含水層富水性探查

122 109工作面采掘活動的直接充水水源為風化基巖、直羅組及延安組含水層水。探查頂板含水層富水性,可為采前預疏放提供設計依據,亦能掌握充水強度[13-15]。

2019年6月30日—7月27日,完成12盤區西翼地面瞬變電磁法勘探。風化巖底界附近低阻異常區平面分布如圖5所示。從圖5可知,工作面平面范圍內有3處頂板風化基巖含水層富水異常區,F-2異常區靠近工作面回撤通道、F-3異常區位于工作面中部、F-4異常區位于工作面切眼附近,疊加物探異常區與風化基巖厚度等值線,發現這3個異常區均與風化基巖厚度明顯呈正相關關系,即風化基巖越厚,富水性越強。

圖5 風化巖底界附近低阻異常區平面分布Fig.5 Low resistivity abnormal area near the bottom boundary of weathered rocks

異常區與底界起伏形態對比如圖6所示。從圖6可以看出,青、藍色的低阻異常區大體分布在南部以及東北部位置,范圍較大且異常較強,對比風化巖底界的起伏形態來看,異常區大都分布在相對低洼位置處。

圖6 風化巖底界異常區與底界起伏形態對比Fig.6 A comparison of the abnormal area and undulation pattern of the bottom boundary of weathered rock

直羅組底界附近低阻異常區平面分布如圖7所示。從圖7可以看出,工作面平面范圍內有3處直羅組含水層富水異常區,均集中在工作面中部區域,編號分別為Z-2、Z-4、Z-5,疊加物探異常區與直羅組厚度等值線,亦發現同樣的規律,即異常區與地層厚度明顯呈正相關關系。

圖7 直羅組底界附近低阻異常區平面分布Fig.7 Low resistivity abnormal area near the bottom boundary of Zhiluozu Formation

將直羅組由深至淺3個層位的低阻異常區平面分布圖組合成立體展布圖(圖8),從圖8可以看出,縱向上由淺至深異常區由青色、淺藍色逐漸加深為藍色,表明直羅組地層的異常區主要集中在直羅組底界以及中部附近,且據井下實際鉆孔揭露情況,直羅組底界及中部砂巖含水層富水性較強。

圖8 直羅組低阻異常區立體分布與水文地質剖面對比Fig.8 The stereoscopic distribution of low resistance anomaly area in Zhiluo Formation and its hydrogeological profile

工作面平面范圍內有3處延安組含水層富水異常區。2M50-3號異常區在工作面中部回風巷,2M50-4號異常區位于工作面東部回風巷,2M50-5號異常區位于工作面回撤通道附近(圖9),這3個異常區與地層厚度線性關系不顯著,亦表明該含水層富水性弱。

圖9 2-2煤頂板延安組低阻異常區平面分布Fig.9 Low resistivity abnormal area of Yan′an Formation in coal roof

3 導水裂隙帶發育高度實測

根據曹家灘煤礦施工的LD-1、LD-2、LD-3、LD-4兩帶探查鉆孔(表2、表3),結果表明122 109工作面采用綜放開采工藝,導水裂隙帶高度為215.01 m,裂采比取為19.88,已發育至風化基巖含水層。

表2 鉆孔沖洗液漏失量測試導水裂隙帶高度結果Tab.2 Result of testing leakage of drilling flushing fluid and testing height of water conducting fracture zone

表3 鉆孔電視探測導水裂隙帶高度結果Tab.3 The result of borehole TV detecting the height of water conducting fracture zone

4 工作面涌水量預測

122109工作面回采過程中煤層頂板直接充水含水層主要有3層:延安組砂巖孔隙承壓含水層、直羅組砂巖孔隙承壓含水層、風化基巖裂隙承壓含水層。工作面涌水量預測需考慮這3層含水層。

采用動靜態水結合法預測122109工作面涌水量。122109工作面涌水量主要由2部分組成,第1部分為頂板垮落冒裂帶發育至含水層后,導致冒裂帶影響范圍內的含水層與周邊含水層被導水裂隙斷開,使其內部的水通過裂隙流入到工作面內,這部分水因為與原來的含水層脫離,不接受側向補給,屬靜態水。第2部分為頂板垮落后,冒裂帶周邊未受開采影響的含水層,沿冒裂邊界側向徑流源源不斷地流入到工作面內,該部分水量主要由冒裂帶頂部含水層的垂直下滲補給和冒裂區四周含水層的側向徑流補給2部分組成,屬動態水。

4.1 計算公式

靜態水計算公式:

(1)

式中,M為含水層厚度;L為工作面斜長;B為初次溝通主要含水層垮落區寬度;μ為含水層給水度;t為最終完成潰水時間。

動態水計算公式:

(2)

式中,Q動為動態補給涌水量;K為滲透系數;M為含水層厚度;H為水頭高度;R0為引用影響半徑;r0為引用半徑。

礦坑所在含水層均質無限分布,天然水位近似水平,因此引用影響半徑R0可采用如下式計算:

(3)

式中,S為水位降深值;F為開采區面積。

將兩部分水量相加,即可得出122109工作面水量計算公式:

(4)

4.2 參數選取

延安組含水層水頭高度262.6 m、滲透系數0.003 114 8 m/d、含水層厚度54.4 m。直羅組含水層水頭高度170.5 m、滲透系數為0.029 304 5 m/d、含水層厚度49.5 m。風化基巖含水層水頭高度91.6 m、滲透系數0.193 562 5 m/d、含水層厚度16.2 m。

工作面采寬取300 m,采長取6 000 m,初次溝通含水層垮落區寬度取32 m,周期性溝通含水層垮落區寬度為18 m。含水層給水度取0.015(參照規范選取),地下水滲流時間和最終完成潰水時間均取3日(參照區內臨近及條件類似礦井數據)。計算結果表明工作面正常涌水量為610 m3/h、最大涌水量為823.5 m3/h,預測結果與實際涌水量非常接近,說明此預測方法合理,可應用于其他工作面涌水量預測。

5 工作面涌水機理

122109工作面煤厚穩定,平均為12.2 m,綜放開采采厚相近,煤層頂板距直羅組底界平均為76 m,距離第四系薩拉烏蘇組含水層底界面超過300 m,直羅組與薩拉烏蘇組之間夾114 m厚的新近系保德組紅土層和離石組黃土層隔水層,距安定組底界面風化基巖含水層平均190 m。依據導水裂隙帶發育高度為215.01 m,122109工作面回采過程中,工作面充分開采導水裂隙帶會穿透風化基巖含水層進入隔水層,可見延安組含水層、直羅組含水層、風化基巖含水層是工作面直接充水水源,薩拉烏蘇組含水層為間接充水水源。

物探探查發現122109工作面中西部直羅組底界存在強富水異常區,工作面中部風化基巖存在相對強富水異常區,工作面停采線附近存在風化基巖強富水區。工作面涌水量動態曲線如圖10所示。從圖10可看出,工作面推采至直羅組和風化基巖異常區時,涌水量均有大幅上升趨勢,尤其是進入風化基巖富水異常區,涌水量增加幅度較為顯著,可見針對風化基巖含水層富水異常區,采取提前預疏放措施可實現減小工作面涌水的效果。

圖10 工作面涌水量動態曲線Fig.10 Dynamic curve of water inflow at working face

煤層埋深約320 m,按照1.2倍計算充分采動距離,即工作面推采至384 m時達到充分采動,導水裂隙帶發育至最大高度,工作面推采至384～6 000 m時,風化基巖含水層、直羅組含水層、延安組含水層已全部參與工作面涌水。工作面推采至300 m以前,涌水量<200 m3/h;推采至1 200 m以前,涌水量<300 m3/h;推采至2 000 m以前,涌水量<400 m3/h;推采至2 000～6 000 m,涌水量為200～950 m3/h,總體涌水量較小。

6 結語

(1)通過對礦井及工作面水文地質資料分析,確定了工作面充水水源為頂板延安組、直羅組以及風化基巖砂巖含水層。

(2)工作面回采期間應主要關注風化基巖含水層。采取頂板含水層富水異常區超前預疏放,釋放靜儲量,削峰平谷,可以保障工作面安全回采。

(3)工作面回采至300 m以前,呈現低強度涌水,300 m以后,導水裂隙帶發育至峰值,達到充分采動,涌水量基本處于穩定階段,呈現為較高強度涌水。

(4)采用動靜態水結合法預測工作面涌水量結果較為準確,可應用于后期其他工作面涌水量預測。