張家峰 張成行 姚明豪 徐智敏

(1.河南能源化工集團(tuán)永煤公司車集煤礦地測(cè)科，河南省商丘市，476600；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市,221116)

車集井田位于河南省永城市境內(nèi)，井田面積61.4 km2。一直以來，車集礦根據(jù)主采二2煤層的區(qū)域底板太灰水的水文地質(zhì)特征，提出了工作面底板注漿的防治水方針，并取得了較好的防治水效果，形成了一定的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。但是，隨著礦井開采深度逐步加大，底板太灰含水層的富水性、補(bǔ)徑排條件與淺部差異性日漸明顯，并且注漿改造經(jīng)濟(jì)成本大、工期長,普注后底板突水也時(shí)有發(fā)生，例如車集煤礦2311工作面底板注漿改造，經(jīng)過注漿，共有117個(gè)注漿孔，注漿量共10300 t左右，工作量大且在二次補(bǔ)孔結(jié)束后鉆孔檢驗(yàn)部分底板太灰段仍有水涌出。在此基礎(chǔ)上，考慮到車集礦井田水文地質(zhì)條件的區(qū)塊化特征，補(bǔ)、徑、排條件深部與淺部存在不同，本文在開展水文地質(zhì)區(qū)塊特征分析的基礎(chǔ)上，開展疏放水試驗(yàn)，評(píng)價(jià)可疏降性，做疏降預(yù)測(cè)。

1 28采區(qū)水文地質(zhì)條件

車集煤礦28采區(qū)位于二2煤層，底板標(biāo)高在-800～-1000 m的范圍內(nèi)。在11-19勘探線之間，西部基本以F5、DF023正斷層保護(hù)煤柱及26采區(qū)邊界為界，東部以DF082正斷層保護(hù)煤柱及-1000 m二2煤層底板等高線為界；南部至礦井南部保護(hù)煤柱，北部到26采區(qū)邊界，并且，26采區(qū)已經(jīng)普注，截?cái)嗔?8采區(qū)補(bǔ)給通道。28采區(qū)分布圖見圖1。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐及區(qū)域水文地質(zhì)條件分析，28采區(qū)底板太灰補(bǔ)給不暢，主要以靜儲(chǔ)量為主，富水性弱。開采二2煤層時(shí)，以頂板砂巖裂隙和太原組灰?guī)r巖溶水為主要充水水源，所屬水文地質(zhì)單元屬相對(duì)獨(dú)立、封閉、補(bǔ)給較差的水文地質(zhì)區(qū)域。

圖1 28采區(qū)分布略圖

2 采區(qū)疏放水試驗(yàn)及求參

為獲取28采區(qū)主要的水文地質(zhì)參數(shù)，對(duì)28采區(qū)進(jìn)行放水試驗(yàn)，共分為兩個(gè)放水階段和水壓恢復(fù)階段，獲取放水試驗(yàn)資料，并根據(jù)資料求得水文地質(zhì)參數(shù)。

2.1 28采區(qū)放水試驗(yàn)

2.1.1 放水階段

放水階段共分為兩個(gè)放水階段。28采區(qū)共計(jì)4個(gè)水文孔，分別為14#孔、14-1#孔、底車場(chǎng)的2個(gè)鉆孔。

14#孔和14-1#孔均施工于采區(qū)最高處，兩鉆孔進(jìn)尺相同，均揭露二2煤層底板主要太灰含水段54 m。兩鉆孔平面距離為220 m。在第一放水階段，14#孔作為觀測(cè)孔，14-1#孔作為放水孔，穩(wěn)定流量為50 m3/h。觀測(cè)水壓隨時(shí)間顯著衰減，并在最后達(dá)到穩(wěn)定水壓0.67 MPa，其水壓觀測(cè)變化曲線見圖2。第一放水階段后半段基本達(dá)到觀測(cè)水壓穩(wěn)定，受井下施工等因素的影響，放水期末段觀測(cè)水壓出現(xiàn)小幅回升現(xiàn)象，見圖3。

圖2 第一放水階段14#孔水壓歷時(shí)曲線圖

底車場(chǎng)位于28采區(qū)最低處，此處施工有兩個(gè)鉆孔，終孔均位于二2煤層底板同一含水層中。底車場(chǎng)位置較低，更有利于地下水的匯集。利用底車場(chǎng)鉆孔進(jìn)行放水可取得較好的水壓疏降效果。因此，在底車場(chǎng)兩鉆孔施工完畢后，即在第一放水階段的基礎(chǔ)上進(jìn)行第二階段的放水。根據(jù)鉆孔施工資料，底車場(chǎng)放水孔進(jìn)水段長度5 m。兩鉆孔平面距離僅78 m，在第二放水階段，兩鉆孔同時(shí)放水，故可將其等效為一個(gè)放水孔，穩(wěn)定放水流量為29 m3/h。底車場(chǎng)兩鉆孔的中心點(diǎn)與14#孔的平面距離為1650 m。14#觀測(cè)孔觀測(cè)水壓在底車場(chǎng)鉆孔放水后即表現(xiàn)為明顯的水壓衰減，并保持長時(shí)間的水壓穩(wěn)定狀態(tài)，見圖3。

同采區(qū)14#孔施工于采區(qū)最高處，在第二放水階段中同樣作為觀測(cè)孔，與上述底車場(chǎng)兩鉆孔共同控制整個(gè)采區(qū)，能較好地反映采區(qū)底板含水層放水條件下的水壓動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，從而揭示含水層的滲透性質(zhì)。

圖3 第二放水階段14#孔水壓歷時(shí)曲線圖

2.1.2 恢復(fù)階段

在第二放水階段結(jié)束后，即進(jìn)入水壓恢復(fù)階段。在水壓恢復(fù)階段伊始，將底車場(chǎng)其中一鉆孔作為觀測(cè)孔(裝有水壓表)，以觀測(cè)后續(xù)底車場(chǎng)底板含水層水壓恢復(fù)情況，其觀測(cè)水位變化情況見圖4。同時(shí)，位于采區(qū)高處的14#孔作為水壓恢復(fù)階段的水壓觀測(cè)孔，其觀測(cè)水壓變化情況見圖5。

圖4 底車場(chǎng)水位恢復(fù)曲線

圖5 14#孔水壓恢復(fù)階段觀測(cè)水壓歷時(shí)曲線

另外，根據(jù)井下水溫觀測(cè)臺(tái)賬繪制出14#孔水溫-時(shí)間關(guān)系曲線，見圖6。

圖6 14#孔水溫-時(shí)間關(guān)系圖

由圖2～圖6可知：

(1)放水階段，14#孔的觀測(cè)水壓隨時(shí)間顯著衰減，最后穩(wěn)定在0.67 MPa。

(2)水壓恢復(fù)階段14#孔觀測(cè)水壓由0.6 MPa左右逐步恢復(fù)至0.9 MPa，說明位于采區(qū)高處的太灰水與采區(qū)低處水之間存在明顯的水力聯(lián)動(dòng)，根據(jù)兩鉆孔分別控制太灰上段與下段，進(jìn)一步說明了本采區(qū)范圍內(nèi)太灰下段與上段存在水力聯(lián)系，太灰上段接受下段補(bǔ)給。

(3)各鉆孔地下水溫度的合理變化也間接表明，在各鉆孔，特別是28采區(qū)14#孔所揭露的含水層，其補(bǔ)給來源不存在異常高溫地下水，如深部奧灰水的參與，說明采區(qū)太灰水與基底奧灰水之間不存在水力聯(lián)系。

(4)由圖4和圖5可知，在放水停止后，底車場(chǎng)放水孔和14#孔水壓都呈現(xiàn)明顯回升，特別是底車場(chǎng)底板含水層水壓回升迅速，表明了底板含水層滲透性良好。

2.2 水文地質(zhì)參數(shù)求解

2.2.1 放水階段求參——直線圖解法

直線圖解法的基本原理——將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)投在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)(時(shí)間t取對(duì)數(shù)尺度)紙上并做成s-lgt(同一觀測(cè)孔不同時(shí)間的降深數(shù)據(jù))曲線，此實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線在一定的區(qū)間內(nèi)呈直線，因而可以依據(jù)直線的兩個(gè)要素確定含水層的兩個(gè)參數(shù)。

(1)

式中：s——水壓降深；

T——導(dǎo)水系數(shù)；

a——導(dǎo)壓系數(shù)；

r——徑向距離；

m——直線斜率；

Q——流量。

根據(jù)上述理論，結(jié)合放水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制第二放水階段s-lgt曲線，如圖7所示。

圖7 第二放水階段s-lgt曲線

根據(jù)圖7，可得斜率m=30，則T=2.2 m2/d，含水層滲透系數(shù)K=T/M=0.44 m/d。其中，Q=15 m3/h，根據(jù)礦區(qū)鉆孔平均揭露情況，取該層出水含水層進(jìn)水部分厚度M=5 m。

2.2.2 恢復(fù)試驗(yàn)階段求參

按滲流疊加原理，停止抽水后的剩余降深為：

(2)

式中：W——井函數(shù)；

tp——抽放水持續(xù)時(shí)間；

t——水壓恢復(fù)延續(xù)時(shí)間。

(3)

由s=H0-H，得：

(4)

式中：H0——初始水位(壓)；

H——某時(shí)刻對(duì)應(yīng)觀測(cè)水位(壓)。

根據(jù)水壓恢復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制水壓恢復(fù)曲線如圖8所示。圖中橫坐標(biāo)，t/(tp+t)表示水壓恢復(fù)時(shí)間占整個(gè)放水+恢復(fù)試驗(yàn)時(shí)間的比例。當(dāng)t→∞時(shí)，t/(tp+t)→1，這時(shí)H→H0，表示恢復(fù)時(shí)間越久，水壓越接近初始水壓。

圖8 底車場(chǎng)觀測(cè)孔水壓恢復(fù)曲線

根據(jù)圖8，可得斜率m=110，T=0.6 m2/d，K=0.15 m/d，取放水過程中的平均流量Q=15 m3/h，根據(jù)礦區(qū)鉆孔平均揭露情況，取該層出水含水層進(jìn)水部分厚度M=5 m。

2.2.3 求參結(jié)果分析

由于放水過程初期觀測(cè)資料的實(shí)際曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線不符，與標(biāo)準(zhǔn)曲線不宜擬合，因?qū)嶋H的數(shù)據(jù)資料不夠完善，因此不考慮采用標(biāo)準(zhǔn)曲線配線法求參。而直線圖解法能夠充分利用中、后期的觀測(cè)資料，因此，根據(jù)采區(qū)實(shí)際觀測(cè)資料的特點(diǎn)，對(duì)于放水階段與水壓恢復(fù)階段本次求參均采用直線圖解法。第二放水階段14#孔滲透系數(shù)K為0.44 m/d，貯水系數(shù)為3.7×10-7；恢復(fù)試驗(yàn)階段底車場(chǎng)觀測(cè)孔滲透系數(shù)0.15 m/d，貯水系數(shù)為3.53×10-6。

由上述得出的參數(shù)可知，放水階段與恢復(fù)試驗(yàn)階段所求滲透系數(shù)均小于1.0 m/d，故滲透系數(shù)K取均值0.3 m/d。

3 采區(qū)可疏降性評(píng)價(jià)與分析

根據(jù)突水系數(shù)法，結(jié)合28采區(qū)的水文地質(zhì)資料計(jì)算求得放水前突水系數(shù)Ts=0.13 MPa/m>0.1 MPa/m。放水后突水系數(shù)Ts=0.034 MPa/m<0.06 MPa/m，說明在放水試驗(yàn)結(jié)束后突水系數(shù)小于臨界值。

由于采區(qū)西部邊界存在F5、DF023正斷層，對(duì)采區(qū)太灰水構(gòu)成了相對(duì)隔水邊界，使得28采區(qū)形成一個(gè)相對(duì)封閉的水文地質(zhì)單元，太灰上段的主要補(bǔ)給來源來自采區(qū)范圍內(nèi)相鄰含水層太灰下段的補(bǔ)給。

綜上所述，28采區(qū)底板太灰滲透性條件較好，受采區(qū)邊界的隔水控制作用，與相鄰采區(qū)的水力聯(lián)系不甚密切。太灰補(bǔ)給水源較為單一，并且恢復(fù)階段水壓恢復(fù)較慢，說明整個(gè)太灰水的補(bǔ)給條件有限，可疏降性明顯。

4 采區(qū)疏降效果預(yù)測(cè)

在采區(qū)未采取工作面普注的情況下，為避免構(gòu)造導(dǎo)水對(duì)工作面開采造成的不利影響，從偏安全角度出發(fā)，確定采區(qū)的預(yù)期疏降目標(biāo)為疏降至煤層底板。

4.1 疏降方案設(shè)計(jì)

根據(jù)采區(qū)目前已有的實(shí)際工程布置情況，結(jié)合采區(qū)水文地質(zhì)條件，并結(jié)合目前已有的放水孔，可考慮在采煤工作面以及主要工作面巷道形成前，利用已有的2801工作面底抽巷進(jìn)行鉆孔位置補(bǔ)充設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水文孔如圖9所示。共計(jì)補(bǔ)充施工4個(gè)放水孔，分別為F1～F4；觀測(cè)孔G1與放水孔F4位于同一底抽巷中，大致為采區(qū)中心，其太灰觀測(cè)水壓的變化反映了采區(qū)水壓的平均疏降效果。

圖9 鉆孔布置示意圖

4.2 疏降效果預(yù)測(cè)

根據(jù)井群干擾疊加預(yù)測(cè)降深法，設(shè)平面上有n個(gè)任意分布的井同時(shí)工作，其流量分別是Q1、Q2、……Qn，任意點(diǎn)M的水頭降深為：

(5)

式中：Q∑——n個(gè)井的總流量；

a——導(dǎo)壓系數(shù)。

經(jīng)簡化可得：

(6)

采區(qū)中心(G1)位于采區(qū)平面位置的中心區(qū)域，底車場(chǎng)為采區(qū)最低點(diǎn)，水文孔分布如圖10所示。

因此，當(dāng)單孔有效疏放量為25～60 m3/h，整體疏降強(qiáng)度達(dá)到100～240 m3/h，群孔同時(shí)放水預(yù)測(cè)如下：

圖10 水文孔分布圖

圖11 降深—時(shí)間變化趨勢(shì)曲線

(1)采區(qū)中心疏降效果預(yù)測(cè)。采區(qū)工作面中心點(diǎn)的高程值代表采區(qū)的平均高程值，因此該區(qū)域煤層底板太灰水水壓一定程度上地代表了采區(qū)平均水壓值。根據(jù)非穩(wěn)定流泰斯理論中的疊加降深計(jì)算方法，在不同疏降強(qiáng)度下的預(yù)測(cè)降深隨時(shí)間發(fā)展趨勢(shì)如圖11所示。根據(jù)圖11(a)可知，保持疏降總強(qiáng)度不小于100 m3/h的疏降強(qiáng)度下，可在一周左右時(shí)間實(shí)現(xiàn)28采區(qū)工作面底板太灰水壓的顯著疏降，甚至疏干。

(2)采區(qū)底車場(chǎng)疏降效果預(yù)測(cè)。底車場(chǎng)為采區(qū)最低點(diǎn)，因此，底板太灰水壓的疏降決定了采區(qū)的整體疏降效果。根據(jù)圖11(b)，底車場(chǎng)(采區(qū)最低點(diǎn))疏降孔在保持總疏降強(qiáng)度不小于100 m3/h的疏降強(qiáng)度下，約在35 d左右將能夠?qū)崿F(xiàn)工作面底板太灰水的疏干，以利于煤層的安全順利開采。

5 結(jié)論

(1)通過28采區(qū)放水試驗(yàn)，獲取了疏降條件下太灰水的演化特征。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行水文地質(zhì)求參，根據(jù)28采區(qū)的主要水文地質(zhì)參數(shù)，初步分析28采區(qū)具有可疏降性。

(2)根據(jù)28采區(qū)邊界的構(gòu)造及水文地質(zhì)條件以及放水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了28采區(qū)的地下水循環(huán)的規(guī)律，進(jìn)一步表明整個(gè)車集礦28采區(qū)水文地質(zhì)單元屬相對(duì)獨(dú)立，補(bǔ)給條件較差，具有較好的可疏降性。

(3)設(shè)計(jì)28采區(qū)預(yù)疏降方案，在整體等效疏降強(qiáng)度達(dá)到約100 m3/h左右的條件下，疏降周期可行、疏降效果明顯，可實(shí)現(xiàn)28采區(qū)底板水害防治及工作面安全開采，并能夠降低由于普注造成的噸煤成本過高的問題。