王小鳳,　趙迎春,　時　蔭

(兗州煤業(yè)股份有限公司 濟寧二號煤礦, 山東 濟寧 272175)

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濟寧二號煤礦西部主采區(qū)涌水量解析法預測

王小鳳,趙迎春,時蔭

(兗州煤業(yè)股份有限公司 濟寧二號煤礦, 山東 濟寧 272175)

為解決即將開采的西部主采區(qū)涌水量預測問題,通過對三個采區(qū)地質(zhì)和開采條件的分析,確定頂板砂巖水是采區(qū)的主要水源。選取相關水文地質(zhì)參數(shù),建立了涌水量預測計算模型,并以大井法對三個采區(qū)的涌水量進行預測評價。與地質(zhì)條件相似的已開采采區(qū)實測涌水量的對比分析表明，十三、十五和十七采區(qū)的涌水量分別為22.85、18.76、19.37 m3/h。預測結(jié)果對三個采區(qū)的水害防治將起到重要的參考價值。

西部采區(qū); 涌水量; 解析法

0　引　言

礦坑涌水量預測是礦區(qū)水文地質(zhì)勘查階段的主要任務之一,也是開采設計部門制訂疏干措施、 確定排水設備及確保礦山安全生產(chǎn)的主要依據(jù)[1]?；夭晒ぷ髅嬗克敲旱V安全生產(chǎn)中倍受重視的問題。為安全回采提前做好排水準備,工作面涌水量預測問題成為一項非常重要也是最不容易確定的開采難題。預采工作面涌水量計算方法較多,有比擬法、大井法、回歸分析法、水均衡法、解析法和數(shù)值模擬法等,但以地下水動力學為基礎上的大井法相對使用較多[2-6];從目前的研究水平和開采實踐來看,大井法法仍是目前評價預測礦井涌水量最簡單有效的方法[4-6]。濟寧二號煤礦自1997年投產(chǎn)以來,主要開采礦井東部的一、二、三、四、六采區(qū)的3煤層,上述采區(qū)已接近開采完成,為礦井持續(xù)生產(chǎn),目前正在積極進行西部采區(qū)巷道準備和工作面開采。目前已開采西部采區(qū)的九、十一采區(qū),今后較長時期礦井的主要產(chǎn)區(qū)將轉(zhuǎn)移到西部的十三、十五、十七采區(qū)。為此,根據(jù)濟寧二號煤礦實際開采規(guī)劃,以西部主采區(qū)為背景,采用大井法進行三個涌水量分析,并與相似已開采采區(qū)的實測結(jié)果進行對比,這將為西部采區(qū)的水害防治提供一定的參考依據(jù)。

1　西采區(qū)地質(zhì)概況

濟寧二號煤礦西部采區(qū)內(nèi)3煤層厚1.85～2.65 m。根據(jù)井田覆巖條件濟寧二號煤礦在緩傾角中硬至堅硬復雜條件下的綜采工作面冒裂帶高度實測研究成果,采用其全煤厚綜放開采條件下,導水裂縫帶最大高度Hmax與采煤厚度d的關系:Hmax=100d/(0.52d+6.34),計算了全煤厚綜放開采條件下,3煤層導水裂隙帶高度。根據(jù)采區(qū)內(nèi)鉆孔揭露情況,經(jīng)計算,3煤可采厚度最厚為2.65 m,冒裂高度34.34 m,侏羅系至3煤間距與冒裂高度之差均大于100 m。采區(qū)范圍內(nèi),對開采上組煤層沒有直接充水影響。3煤開采直接充水含水層為3煤頂、底板砂巖。

據(jù)井田勘探階段(精查)報告對西部采區(qū)3煤頂板砂巖水的分析評價:條件簡單,開采不會有頂板涌水。近年來,九、十一采區(qū)的初步開采時,工作面頂板涌水一般達到30～100 m3/h,十一采區(qū)工作面老空放水量70萬m3。說明濟寧二號煤礦西部采區(qū)3煤頂板砂巖水文地質(zhì)開采條件并非簡單,對開采存在一定威脅,局部地段存在發(fā)生災害性涌水的可能。

2　解析模型的建立及相關條件

2.1解析模型的建立

根據(jù)礦井相關地質(zhì)和開采資料,由于礦井1997年就已經(jīng)投產(chǎn),礦井東部的一、二、三、四、六采區(qū),西部的九、十一采區(qū)部分工作面已接近開采完成,疏干流場符合穩(wěn)定流,且開采時頂板砂巖的水位降低到砂巖底板,即在工作面附近會出現(xiàn)無壓水流區(qū),變成承壓—無壓(承壓—潛水井)完整井流,可以由此確定,為承壓—無壓完整穩(wěn)定井流類型。因此,最終可確定選用承壓—無壓井流公式,式(1)分別對礦井十三、十五、十七采區(qū)的正常涌水量進行預測。

裘布依承壓穩(wěn)定井流方程的假定條件非常嚴格,現(xiàn)實中,當水位降低很大時,井內(nèi)水位低于承壓含水層的頂板時,便會出現(xiàn)承壓水井附近水流變?yōu)闊o壓水流,而距井較遠處仍為承壓水,如圖1所示,當Hw

(1)

式中:Q——抽水井涌水量,m3/d;

K——含水層滲透系數(shù),m/d;

d——承壓含水層厚度,m;

R——引用影響半徑,m;

Rw——抽水井半徑,m;H0——圓柱形含水層外側(cè)水頭(保持不變),m;

Hw——抽水井中的水頭(實指進水井壁處的水頭),m。

圖1　承壓轉(zhuǎn)無壓涌水量計算

2.2模型相關參數(shù)的分析

式(1)中,需要確定如下參數(shù):承壓含水層滲透系數(shù)K、含水層厚度d、引用影響半徑R、抽水井半徑Rw、圓柱形含水層外側(cè)水頭H0、抽水井中的水頭Hw。

2.2.1含水層厚度d和滲透系數(shù)K

根據(jù)相關地質(zhì)資料,十五采區(qū)的3上頂板砂巖平均厚度10.79 m,3下頂板砂巖平均厚度32.06 m,合計總厚度56.57 m。由于十三、十七采區(qū)關于3煤頂板砂巖厚度沒有數(shù)據(jù),且在砂巖系數(shù)分區(qū)圖中,它們與十五采區(qū)基本在同一等級,故可采用十五采區(qū)的砂巖厚度來計算。由此,可得含水層厚度:d=56.57 m。

根據(jù)I1B區(qū)內(nèi)僅補9-10孔獲得的滲透系數(shù)值為0.001 76 m/d,該值作為I1B區(qū)內(nèi)3煤頂板砂巖含水層的滲透系數(shù)值。且十三、十五、十七采區(qū)基本都屬于極弱富水區(qū),故其滲透系數(shù)值均采用該值,K=0.001 76 m/d。

2.2.2疏干“大井”引用半徑

井巷系統(tǒng)的形狀復雜、分布極不規(guī)則,范圍廣,且處于經(jīng)常變化之中,構(gòu)成了復雜的內(nèi)邊界。解析法要求將它理想化,故常將此形狀復雜的井巷系統(tǒng)看成是一個“大井”,把井巷系統(tǒng)圈定的或者以降落漏斗距井巷最近的封閉等水位線圈定的面積F看成相當該“大井”的面積。此時,整個井巷系統(tǒng)的涌水量,就相當于“大井”的涌水量,可使用各種井流公式計算礦井涌水量,稱“大井法”。近圓形“大井”的引用半徑為

(2)

根據(jù)采區(qū)布置情況及其巷道開拓情況,十三、十五、十七采區(qū)的井巷系統(tǒng)的面積分別為3.01、1.46、1.65 km2。由此,可以獲得十三采區(qū)、十五采區(qū)和十七采區(qū)形成的疏干“大井”的引用半徑如下:十三采區(qū):Rw=0.565×(3.01×106)0.5=980.24 m;十五采區(qū):Rw=0.565×(1.46×106)0.5=682.69 m;十七采區(qū):Rw=0.565×(1.65×106)0.5=725.76 m。

2.2.3圓柱形含水層外側(cè)水頭和抽水井中的水頭

根據(jù)礦井范圍內(nèi)3煤頂板砂巖水文長觀孔資料可知,在西部采區(qū)首采面開始回采之前(九采區(qū)從2005年9月回采,十一采區(qū)從2005年10月回采),GP1-3和GP1-4孔的水位標高分別為+26.63 m(2000-05-30)和+22.19 m(2000-05-30),取該兩水位的平均值作為I1B區(qū)首采面回采之前3煤頂板砂巖的水位標高為+24.41 m。

同時,由開采規(guī)劃圖可知,西部采區(qū)內(nèi)待采工作面范圍內(nèi)3煤底板標高約為-600～-800 m,選取3煤底板標高最小值(-800 m),由此可得西部采區(qū)內(nèi)工作面開采3煤頂板砂巖含水層的預期最大水位降深為S=24.41-(-800)=824.41 m,則圓柱形含水層外側(cè)水頭H0為824.41 m,抽水井中的水頭Hw為0 m。

2.2.4引用影響半徑

用大井法預測礦井涌水量時,其降落漏斗的引用影響半徑R應從大井中心算起,等于“大井”的引用半徑Rw加上排水影響半徑R0,即

R=Rw+R0。

(3)

確定排水影響半徑的方法很多,在礦井涌水量計算中常用庫薩金和吉哈爾特經(jīng)驗公式作近似計算。庫薩金公式:

(4)

吉哈爾特公式:

(5)

式中:S——抽水時的水位降深,m。

礦井疏干排水影響半徑應根據(jù)大降深群孔抽水或坑道放水試驗實測資料,用圖解法確定影響半徑。但礦井內(nèi)的水文觀測孔都已受到開采影響,無法確定礦井排水引起的最大的影響范圍,因此本報告采用式(4)、(5)確定的影響半徑平均值乘以一修正系數(shù)(η)的方法來確定,即

(6)

由此,可得庫薩金公式:

(7)

吉哈爾特公式:

(8)

由此,可以最終獲得十三、十五、十七采區(qū)形成的疏干“大井”的引用影響半徑,十三采區(qū):R=Rw+R0=980.24+2 395.97=3 376.21 m;十五采區(qū):R=Rw+R0=682.69+2 395.97=3 078.67 m;十七采區(qū):R=Rw+R0=725.76+2 395.97=3 121.73 m。

3　涌水量預測結(jié)果與分析

3.1預測計算結(jié)果

采用的穩(wěn)定井流式(1)對礦井涌水量進行預測,將其參數(shù)代入式(1),可以得到礦井十三采區(qū)、十五采區(qū)和十七采區(qū)3煤開采的正常涌水量Qz。

16.80 m3/h,

十五采區(qū):

13.79 m3/h,

十七采區(qū):

14.24 m3/h。

根據(jù)歷年礦井涌水量變化系數(shù),最大為1.36,可得十三、十五、十七采區(qū)3煤開采的最大涌水量:

十三采區(qū)Qmax=16.80×1.36=22.85 m3/h;

十五采區(qū)Qmax=13.79×1.36=18.76 m3/h;

十七采區(qū)Qmax=14.24×1.36=19.37 m3/h。

3.2預測計算結(jié)果對比分析

綜合以上分析結(jié)果可知,濟寧二號礦井西部采區(qū)3煤開采分采區(qū)最大涌水量Qmax和正常涌水量Qz見表1。

表1西部采區(qū)3煤開采分采區(qū)涌水量預計結(jié)果

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

在用大井法預測涌水量時,主要考慮3煤頂板砂巖為十三、十五、十七采區(qū)3煤開采的主要充水含水層,且該含水層的水文地質(zhì)參數(shù)是由礦井水文地質(zhì)觀測孔和抽水孔得來,較為可信。

在計算中用到了3煤頂板砂巖厚度,由礦井鉆孔數(shù)據(jù)可知,礦井內(nèi)巖性變化大,鉆孔之間揭露的砂巖厚度變化也較大;目前,僅有1個孔的砂巖厚度值,顯然會使得礦井涌水量計算結(jié)果誤差增大。且十三、十七采區(qū)砂巖厚度的具體數(shù)值沒有,參照十五采區(qū)的砂巖厚度,可能導致最后計算出的結(jié)果有一定偏差。

西采區(qū)的九采區(qū)和十一采區(qū)已進行了部分工作面的回采,九采區(qū)2005年7月開始回采,紅層水～三灰水對采掘未造成影響,采區(qū)主要充水水源為3煤頂?shù)装迳皫r水。由于3煤頂?shù)装迳皫r賦水性弱,因而在工作面準備過程中涌水量也較小,未發(fā)生突水事故,沒有對生產(chǎn)造成影響。十一采區(qū)在開拓過程中,僅在局部裂隙發(fā)育地段和斷層處有淋水,正常涌水量在15 m3/h左右。十一采區(qū)于2005年10月開始回采,上侏羅統(tǒng)紅層砂巖水和三層灰?guī)r水對采掘未造成影響,采區(qū)主要充水水源為3煤頂?shù)装迳皫r水。由于3煤頂?shù)装迳皫r賦水性弱,因而工作面生產(chǎn)過程中涌水量也較小,沒有對生產(chǎn)造成影響。

4　結(jié)束語

利用礦井西部主采區(qū)相關資料,確定了采區(qū)涌水量的主要來源,并建立了涌水量計算模型,通過水文地質(zhì)參數(shù)的選取,采用大井法對三個采區(qū)的涌水量進行了預測計算。預計值與地質(zhì)條件相似的已回采的采區(qū)涌水量進行對比,兩者相差不大。

[1]鄭世書, 陳江中, 劉漢湖, 等. 專門水文地質(zhì)學[M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學出版社, 1999.

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(編輯李德根)

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

王小鳳(1983-),女,江蘇省新沂人,工程師, 研究方向:礦井地質(zhì)探測,E-mail:13853731580@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.04.016

TD745

1671-0118(2013)04-0378-04

A