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        礦井首采區(qū)涌水量預(yù)測研究

        2015-08-02 01:54:30李雪琴山西汾西煤化高級技工學校山西介休032000
        山東工業(yè)技術(shù) 2015年9期

        李雪琴(山西汾西煤化高級技工學校,山西介休032000)

        礦井首采區(qū)涌水量預(yù)測研究

        李雪琴
        (山西汾西煤化高級技工學校,山西介休032000)

        摘要:文中在以礦區(qū)實際情況和上述資料為基礎(chǔ),并參考目前計算礦井涌水量的方法,選擇穩(wěn)定流解析法、比擬法兩種適合該礦區(qū)的科學合理的礦井涌水量的計算方法[1],以起到相互驗證的作用。計算出礦區(qū)正常和最大涌水量,為找出適合礦區(qū)水文地質(zhì)條件的礦井防水和排水的最優(yōu)方法及為礦井防治水系統(tǒng)設(shè)計提供水文地質(zhì)依據(jù)。

        關(guān)鍵詞:穩(wěn)定流解析法;比擬法;用水量

        1礦井涌水量預(yù)測范圍及邊界條件

        礦井涌水量預(yù)測范圍為井田首采區(qū),煤層與它相連含水層的邊界條件,包括側(cè)向和頂?shù)装鍡l件。井田位于山前傾斜平原的斜坡地帶,為單斜儲水構(gòu)造,地層由南向北緩傾,含水層在南部隱伏露頭區(qū)接受地表水及地下水的補給,是地下水的主要來水方向,可將其露頭線概化為直線供水邊界;含水層由南向北埋深逐漸增大,含水層由于相變而變薄或尖滅,特別是在ZK3006與ZK36-5鉆孔之間,伴隨新近系的出現(xiàn),頭屯河組泥巖隔水層厚度的增大,頂?shù)装迥噘|(zhì)巖類的大量出現(xiàn)及地層產(chǎn)狀的變陡,其含水層滲透性變的更差,故北部視為弱透水邊界,因此過ZK3006與ZK3605鉆孔的中點作東西向直線,可概化為北部的隔水邊界線;沿其走向在其東西方向上,含水層厚度雖有一定變化,但分布連續(xù),巖性變化不大,可視為無限邊界;計算主采3號煤層涌水量時,將Ⅱ3含水層底板泥巖或煤視為底板直線隔水邊界,計算采5號煤層涌水量時,需對Ⅱ4含水層排水降壓,可將5號煤層底板視為直線隔水邊界。這樣水文地質(zhì)計算模型基本確定,即概化為平行隔水供水邊界類型,從而選擇計算公式及參數(shù)進行計算,其計算示意圖見圖1。

        圖1礦井涌水量預(yù)測剖面示意圖

        2礦井涌水量預(yù)測

        在首采區(qū)內(nèi),礦井擬采用6°反斜井開拓,高落式機械化首采3號煤層;未來礦山在回采階段,隨礦井排水儲存量的消耗,流場外邊界將固定而穩(wěn)定,礦井涌水量將被流場南部定水頭供水邊界的補給量所平衡,其特征除受季節(jié)變化影響外,將會出現(xiàn)相對的穩(wěn)定流;含水層以孔隙為主,裂隙次之,地下水符合層流運動;充水含水層中侏羅系含水層為承壓水,第四系孔隙水為潛水。故根據(jù)井田水文地質(zhì)資料及概化的邊界條件,采用穩(wěn)定流解析法和比擬法兩種方法而選擇公式,對礦井涌水量進行計算;在穩(wěn)定流解析法計算中,分承壓水和潛水兩部分。其中承壓水的水頭降低,以首采地段主采煤層底板最低標高ZK2204鉆孔為準,3號煤層為+905.60m,5號煤層為+852.80m。

        2.1穩(wěn)定流解析法

        2.1.1?承壓水的計算公式

        因侏羅系層間承壓含水層,在疏干過程中將轉(zhuǎn)化為無壓狀態(tài),故選用平行隔水供水邊界的承壓—無壓完整井公式進行預(yù)測[2-3]: ??

        式中:Q承——大井涌水量(m3/d)?

        K——滲透系數(shù)(m/d)?

        H——承壓水頭高度(m)?

        M——含水層厚度(m)?

        h0——含水層底板至井中動水位的高度(m)因疏干(h0=0)?

        γ0——大井引用半徑(m)?

        b——大井至供水邊界距離(m)?

        B——隔水至供水邊界距離(m)

        2.1.2?潛水的計算??

        未來礦山擬采用崩落法開采,在南部首采地段為煤層的淺埋區(qū),由于頂板冒裂,勢必要溝通第四系孔隙水的滲透補給,而由于潛水位面平緩,當塌陷垂直下降時,會形成圓形補給邊界,故利用潛水完整井公式計算[4]:即??

        式中:Q——首采區(qū)第四系孔隙水總涌水量(m/d)?

        K——滲透系數(shù)(m/d)?H——潛水面至含水層底板距離(m)?

        R0——大井引用影響半徑(m)?

        r0——大井引用半徑(m) ?

        礦井總涌水量:Q總=Q承+Q潛

        2.2比擬法

        井田東部奶牛場煤礦(烏庫爾其老井)與本區(qū)位于同一水文地質(zhì)單元內(nèi),兩者在滲流場,地下水流場外界條件、地貌單元、氣候條件、含水層特征等方面均具有相似性,但是在開采方法和井巷規(guī)模及內(nèi)邊界條件方面無相似性,考慮到地質(zhì)條件的復(fù)雜性,故對正常比擬的數(shù)學模型進行修改,即由于開采面積和深度不同,以反映出礦井引用半徑和開采深度的變化對涌水量的影響[5]。其比擬公式為:??

        式中:Q、r、S—分別為擬建礦井涌水量,礦井引用半徑和水位降深(m)。??

        Q1、r1、S1—分別為生產(chǎn)礦井的涌水量,引用井半徑和降深(m)。

        3參數(shù)的選擇及依據(jù)

        3.1穩(wěn)定流解析法

        3.1.1?承壓水計算參數(shù)的選擇

        (1)平均滲透系數(shù)k:因開采5號煤層時,Ⅱ4含水層會充水,故計算5號煤層時承壓含水層采用ZK2403、ZK2401、ZK3004、ZK2807、ZK3602和ZK3604鉆孔Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4含水層單層或其混合抽水時最大降深K值的算術(shù)平均值為0.182m/d,計算3號煤層時利用水文孔中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3單層或混合抽水最大降深時K值的算術(shù)平均值為0.139m/d;第四系孔隙含水層:采用ZK3004和ZK3604鉆孔試驗K值的算術(shù)平均值為0.201m/d(見表1)。

        表1平均滲透系數(shù)一覽表

        (2)水頭高度H:計算3號煤層時,用ZK2401和ZK3604鉆孔平均水位標高1173.35m與3號煤層最低開采標高905.60m差值為267.75m;計算5號煤層時取ZK2401、ZK3004、ZK2807、ZK3602及ZK3604鉆孔Ⅱ4含水層的平均水位標高1210.12m與5號煤層最低底板標高852.80m的差值為357.32m(見表2)。

        表2平均水位標高一覽表

        (3)平均含水層厚度:計算采3號煤層時,取首采區(qū)內(nèi)已施工鉆孔中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3含水層厚度的算術(shù)平均值為34.77m;計算采5號煤層時根據(jù)首采區(qū)已施工的鉆孔,?、?-Ⅱ4含水層平均厚度之和為46.57m。

        (4)大井引用半徑γ0:根據(jù)首采區(qū)幾何形態(tài)按(p=2400m)

        計算為3821.65m。

        (5)供水邊界至隔水邊界的距離B:據(jù)概化的邊界,從平面圖上量得7400m。

        (6)大井到供水邊界的距離b:據(jù)大井所在中心位置;到南部“達拉地”礫巖出露的距離為3100m。

        (7)含水層底板到動水位高度h0:因疏干則h0=0。

        3.1.2?潛水計算參數(shù)的選擇

        (1)滲透系數(shù)K:取ZK3004、ZK3604鉆孔第四系孔隙含水層抽水時K值的平均值為0.201m/d。

        (2)大井引用半徑r0:同前為3821.65m。

        (4)平均潛水含水層厚度H:首采區(qū)地段第四系平均厚92.42m,因水位埋深一般大于50m,其底部常有粘性土,故有效含水層厚度按35m計算。

        3.2比擬法計算參數(shù)的選擇

        (1)擬建礦井引用半徑r:同前r0為3821.65m。

        (2)擬建礦井水位降深s:即水頭高度為356.35m。

        (3)生產(chǎn)礦井引用半徑r1:根據(jù)生產(chǎn)礦坑形態(tài)及采空面積F1:283500m2,按計算為300.5m。

        (4)生產(chǎn)礦井排水量Q1:根據(jù)奶牛場煤礦調(diào)查為:1000—1200m3/d。

        (5)生產(chǎn)礦井水位降深s0:由調(diào)查知平均水位標高為+1183m,平均開采標高為1160m,故s0為23m。

        4礦井涌水量預(yù)測

        將上述所確定的參數(shù)分別代入各自計算公式(1)~(3)進行計算得出礦井涌水量,對3、5號煤層首采區(qū)通過穩(wěn)定流解析法預(yù)測其礦井最大涌水量為625.61m3/h、712.74m3/h,通過比擬法預(yù)測其礦井正常涌水量為507.81m3/h,584.88m3/h。

        以上通過對井田水文地質(zhì)條件分析,認為邊界條件的確定,計算公式及參數(shù)的選擇是合理的。根據(jù)現(xiàn)有資料,本次只對主采5號煤層最低采準+852.80m水平的礦坑涌水量和3號煤層+905.60m水平的礦井涌水量進行了初步預(yù)測;通過穩(wěn)定流解析法和比擬法兩種不同方法的計算結(jié)果可以看出:二者比較接近,計算結(jié)果比較可靠。在穩(wěn)定流解析法計算中,由于含水層厚度和滲透性具有各向異性,其計算參數(shù)的選擇仍有一定偏差,特別是第四系抽水孔位于河旁,在井田尚缺乏代表性,因其底部常夾有粘性土,在計算時含水層厚度和計算范圍可能有些偏大,致使所預(yù)測松散層水量偏大。在比擬法計算中由于設(shè)計礦井與比擬礦井在開采方法、井巷規(guī)模、第四系厚度、開采深度和補給條件等方面(比擬地表水已滲入)還有一定差異,本次既使對比擬的數(shù)學模型進行了修正,但也只是概略的比較;故“解析法”法計算結(jié)果更接近實際。由于計算參數(shù)是本次豐水期的抽水資料,加之比擬法中所比擬的煤礦涌水是最大水量,故本次計算水量應(yīng)為最大水量。

        5結(jié)論

        現(xiàn)條件下所計算結(jié)果為地下水動、靜儲量兩部分組成,在開采條件下,初期涌水量較大,隨礦山排水、承壓水頭的下降,靜儲量逐漸減少,將會變?yōu)橐詣觾α繛橹?,而由于含水層補給條件較差,井巷涌水量有變小的趨勢。通過計算比較可以看出,第四系水所占比重較大,因其受季節(jié)性河水影響,若采取有效防護措施,對補給源地表水充分利用,防止溝通第四系水,其涌水量會減少。否則,在開采條件下,由反傾向由深到淺的開采及疏干排水,伴隨覆巖冒裂,斷層的揭露及塌陷的發(fā)生,地下水動力條件會發(fā)生改變,以增加新的充水水源,礦坑涌水量還有增大的趨勢,如:當遇斷層并溝通深部承壓含水層時,可使深部承壓水涌入,會造成水量增大;當溝通季節(jié)性地表水體時,水量將會隨季節(jié)變化而變化,遇洪水時會淹井。

        參考文獻:

        [1]李俊亭.地下水流數(shù)值模擬[M].北京:地質(zhì)出版社,1989:1-62.

        [2]王文科,李俊亭.地下水流數(shù)值模擬的發(fā)展與展望[J].西北地質(zhì),1995,16(04):52-56.

        [3]彭蘇萍.礦井工程地質(zhì)理論與實踐[M].北京.地質(zhì)出版社,2002(01).

        [4]許光明,張燕君.系統(tǒng)思想在礦坑涌水量預(yù)測中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程理論與實踐,1997(09).

        [5]李紅軍,王旭.基于有限元法的滑坡地下水滲流場模擬分析[J].西部探礦工程,2009(05):27-29.

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