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        松散含水層長距離大采面工作面開采對(duì)策研究

        2021-01-28 08:12:10王麗靜
        江西煤炭科技 2021年1期
        關(guān)鍵詞:松散層導(dǎo)水含水層

        王麗靜

        (同煤集團(tuán)地質(zhì)勘測處,山西 大同 037003)

        1 概述

        馬道頭礦井屬于同煤集團(tuán)新建千萬噸級(jí)特大型礦井,于2012年投產(chǎn),設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為10.00 Mt/a,現(xiàn)已開拓四盤區(qū)、二盤區(qū)和一盤區(qū),即將開采四盤區(qū)8404 工作面。馬道頭礦8404 工作面開采長度4 155 m,寬度220 m,煤厚7.8~27.4 m,平均18.6 m。煤層埋深約290 m。通過該礦以往工作面開采觀測,采后地表將出現(xiàn)大面積塌陷。因工作面地表臨近元子河,距離主河道不足1 000 m,開采過程中若頂部發(fā)生變形、垮塌,且影響到地面,勢必造成元子河松散含水層水灌入井下,造成嚴(yán)重水害。為查明8404 工作面至元子河西側(cè)范圍內(nèi)第四系松散層的巖性、厚度、底板埋深以及第四系松散層地下水位埋深和地下水流向等影響因素,特制定各種勘查手段,施工地面水位觀測孔,為進(jìn)一步論證元子河第四系松散含水層對(duì)8404 工作面回采可能造成的危害提供有力依據(jù)。

        2 區(qū)域地形地貌

        馬道頭煤礦位于大同煤田西南部,為低山丘陵

        地形,東、南、西三面為低山區(qū),西為西石山、南為洪濤山、東南為口泉山脈。地勢東南部高,西北部低,黃土梁及“V”字型溝谷發(fā)育。地形最高點(diǎn)+1 709 m,位于井田東南部;在元子河河床,標(biāo)高+1 412 m,相對(duì)高差297 m,一般地形標(biāo)高+1 450~+1 600 m。

        本區(qū)域河流屬海河流域永定河水系桑干河支系。元子河為桑干河一級(jí)支流,發(fā)源于左云縣馬道頭、郭家坪、坡屋村一帶,由東北向西南經(jīng)李石匠、增子坊、大馬營等地,向南經(jīng)蘭花口、朔州平原匯入桑干河。河流長28 km,匯水面積290 km2,為樹枝狀水系。在小京莊一帶河床呈“U”字型,河寬200~300 m,往下游至增子房河床變窄呈“V”字型,河寬為100~300 m。該河屬季節(jié)性河流,夏季暴雨時(shí)有短暫洪流,流量很大,局部地段有泉水出露呈細(xì)流。另外8404 工作面地面有一溝谷大沙溝,走向東西,流向由東向西,溝寬200 m左右,深2~3 m,在夏季有洪水泄流。

        3 研究區(qū)地表松散含水層探測方法

        3.1 勘查鉆孔的布設(shè)

        在8404 工作面至元子河西側(cè)范圍內(nèi)共布設(shè)9個(gè)勘查鉆孔。其中沿元子河現(xiàn)代河床方向布設(shè)3個(gè),臨近8404 工作面范圍布設(shè)3 個(gè);8404 工作面至元子河西側(cè)布設(shè)3 個(gè)。

        所有鉆孔開孔直徑153 mm,終孔直徑153 mm,井壁管直徑110 mm,全孔下管,含水層部位下入濾水管。預(yù)計(jì)鉆孔深度20~50 m,終孔以穿過第四系松散層進(jìn)入白堊系泥巖為原則,全孔取芯,并進(jìn)行抽放水試驗(yàn)。

        3.2 松散層勘探成果

        (1)含水層與隔水層

        勘查區(qū)第四系松散含水層巖性為上更新統(tǒng)砂礫石、園礫和粗砂。有1~3 層含水層,厚度6.0~12.4 m;有3~4 層隔水層,厚度1.1~24.1 m。白堊系泥巖為主要隔水層,該層區(qū)域最大厚度85 m,平均厚度40 m。靠近元子河附近含水層單層厚度和總厚度都變大,反之變小,見圖1。

        圖1 松散層厚度等值線

        勘查區(qū)第四系松散含水層水位埋深隨地形變化,東部埋深大,西部埋深小。東部(靠近8404 工作面)地形略高,地下水位埋深3.0~6.8 m;西部元子河附近地形略低,地下水位埋深1.4~1.8 m。據(jù)調(diào)查及鉆孔抽放水試驗(yàn),該區(qū)域松散含水層涌水量約30~40 t/h。

        (2)地下水位情況

        勘查區(qū)第四系松散含水層底板最低處埋深46 m(水井1 調(diào)查資料),標(biāo)高+1 377.1 m。含水層巖性為砂礫石、園礫及粗砂,顆粒較粗,孔隙率較大。地下含水層與地表水及大氣降水的聯(lián)系較密切,地下水位的動(dòng)態(tài)變化亦與大氣降水聯(lián)系較密切。每年的冬、春枯水季地下水位低,夏、秋豐水季地下水位較高見表1。

        表1 各鉆孔地下水位統(tǒng)計(jì)

        另據(jù)調(diào)查,勘查區(qū)北部、南部現(xiàn)有機(jī)井深度多為40 m左右,水井1 松散層厚度46 m,北部ZK509地質(zhì)鉆孔顯示松散層厚度89 m。8404 工作面采位790 m處ZK703 鉆孔顯示松散層厚度9 m。說明元子河床、大沙溝中部第四系含水層厚度大,賦存的地下水量也較大。

        (3)8404 工作面防治水對(duì)策分析

        ①8404 工作面概況

        馬道頭礦8404 工作面開采長度4 155 m,寬度220 m,煤厚7.8~27.4 m,平均達(dá)18.6 m,煤層埋深約290 m。白堊系泥巖是上部松散含水層的直接隔水底板,該層區(qū)域最大厚度85 m,平均厚度40 m,厚度較大,隔水效果較好,且可塑性較強(qiáng)。若8404 工作面頂板發(fā)生垮塌,導(dǎo)水裂隙帶波及到此層位,破壞其隔水性能,將導(dǎo)致松散含水層中的地下水沿導(dǎo)水裂隙帶向下流,若此處地面塌陷大于4.5 m,將使白堊系泥巖頂面低洼處地下水倒流至塌陷區(qū),沿塌陷裂縫灌入井下工作面,造成大量地表水下泄,嚴(yán)重威脅礦井生產(chǎn)。因此有效控制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度,準(zhǔn)確掌握地表水動(dòng)態(tài)變化,方能有效解除地表水威脅,保證安全生產(chǎn)。

        ②限高開采的決策分析

        據(jù)調(diào)查8404 工作面上覆巖層巖性以粉砂巖、細(xì)粒砂巖為主,次為中粒砂巖及含礫砂巖,呈互層結(jié)構(gòu)。砂巖多膠結(jié)致密,巖石飽和抗壓強(qiáng)度介于20~40 MPa 之間,所以采用《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB12719-91)附錄F的中硬巖類巖石冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶最大高度的計(jì)算公式:

        式中:Hm為冒落帶最大高度,m; H為導(dǎo)水裂隙帶最大高度,m;M為煤層累計(jì)采厚,m;n為煤層分層層數(shù)。

        經(jīng)計(jì)算8404 工作面開采厚度平均為18.6 m,帶入公式可得,冒落帶最大高度為74.4 m,導(dǎo)水裂隙帶最大高度267 m; 當(dāng)開采最大煤厚27.4 m時(shí),冒落帶最大高度為109.6 m,導(dǎo)水裂隙帶最大高度391 m。而煤層埋深約290 m,若按全煤厚開采必然破壞地表松散層,造成地表水下泄,故須有效控制開采高度,以降低導(dǎo)水裂隙帶高度。

        綜合以上松散層勘探結(jié)果,松散層厚度最大約45 m,故為保證白堊系泥巖隔水層不被破壞、地表塌陷小于4.5 m,必須將導(dǎo)水裂隙帶控制在240 m以下(以上公式計(jì)算可得),又考慮到計(jì)算數(shù)值與實(shí)際數(shù)值存在偏差,同時(shí)結(jié)合以往馬道頭礦開采情況分析,導(dǎo)水裂隙帶至少應(yīng)控制在200 m以下,方可保證隔水層不受破壞,故經(jīng)以上公式計(jì)算得開采高度應(yīng)控制在13.8 m以下。

        4 建立地表松散層水文動(dòng)態(tài)觀測系統(tǒng)

        經(jīng)上述公式計(jì)算及實(shí)際觀測得,工作面正?;夭?,導(dǎo)水裂隙帶高度約390 m,能夠?qū)ǖ乇恚式⒌乇硭缮铀膭?dòng)態(tài)觀測系統(tǒng),可有效監(jiān)測工作面回采期間地表水下泄情況。

        本次共施工9 個(gè)勘探孔,并將K3、K8、K9鉆孔留設(shè)為水文長觀孔,并做孔口保護(hù),定期監(jiān)測水位變化,建立地表松散層水文動(dòng)態(tài)觀測系統(tǒng)。水文孔動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果見圖2。

        8404 工作面回采時(shí),同時(shí)對(duì)地面進(jìn)行沉降觀測,對(duì)K3、K8、K9鉆孔之地下水位進(jìn)行觀測,觀測頻次為24 h。若發(fā)現(xiàn)地面沉降、地下水位下降和井下涌水量增大,應(yīng)立即啟動(dòng)應(yīng)急措施。

        圖2 水文孔動(dòng)態(tài)監(jiān)測成果

        5 結(jié)語

        通過回采期間地表水及工作面老塘涌水量觀測結(jié)果顯示,地表水水位在工作面開采前后無明顯變化,變化規(guī)律符合前期勘探結(jié)果,無明顯地表沉陷,且工作面采后老塘未發(fā)現(xiàn)涌水現(xiàn)象。綜合判斷工作面回采后雖地表產(chǎn)生塌陷,但地表松散層水位未發(fā)生下降,判斷白堊系泥巖隔水層可塑性較強(qiáng),地表塌陷時(shí)只發(fā)生彎曲變形,未產(chǎn)生大面積斷裂破壞,仍保持良好的隔水能力,故地表松散層水未下泄至8404工作面,有效地保證了特厚煤層的安全開采。

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