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        重復(fù)采動區(qū)域煤層頂板含水層的富水性評價

        2021-07-27 06:08:24梁少劍劉美樂
        關(guān)鍵詞:洛河導(dǎo)水采動

        樊 敏, 梁少劍, 劉美樂

        (1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司, 西安 710077;2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司, 西安 710065)

        正確評價煤層開采充水含水層富水性,對于礦井防治水工作具有重要的指導(dǎo)意義。目前含水層富水性評價主要采用“三圖雙預(yù)測”方法[1-2],它能綜合多種地學(xué)因素評價含水層富水性,應(yīng)用效果良好,對該方法中的地學(xué)因素的選取、因素權(quán)重的確定等環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化,也能獲得更適合區(qū)域地質(zhì)條件的評價結(jié)果[3-4]。

        下石節(jié)煤礦作為銅川礦務(wù)局較早開采的主力礦井之一,近年采掘工作進(jìn)入近距離煤層重復(fù)采動區(qū)域,上組煤回采過程中曾出現(xiàn)過明顯的異常涌水現(xiàn)象,下組煤回采后,導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度增加,礦井面臨更加嚴(yán)重的頂板水害威脅,對上組煤開采擾動后的含水層富水性評價,對礦井防治水安全具有重要意義。

        1 開采概況

        下石節(jié)礦井位于陜西省銅川市耀州區(qū),主采侏羅系延安組4號煤層,井田西北部區(qū)域4號煤層分岔為4-1煤和4-2煤,兩個煤層均可采,煤層間距為0.80~48.91 m,一般10~30 m,平均13.71 m。4-1煤層平均厚度4.17 m,以綜采工作面為主,4-2煤層平均厚度13.67 m,以綜放開采為主。

        近年礦井布設(shè)2301~2303、2305工作面對4-1煤層進(jìn)行開采,首個重復(fù)采動的222工作面位于4-1煤的2301工作面采空區(qū)正下方,與2301工作面兩巷道內(nèi)錯20 m布置。隨著煤層分岔區(qū)域4-1煤層資源量開采殆盡,礦井主要采掘工作將在下伏的4-2煤層布設(shè)。礦井采掘工程示意圖見圖1。

        圖1 礦井采掘工程示意Fig. 1 Schematic of mine mining engineering

        2 頂板含水層水文地質(zhì)條件

        在上覆4-1煤層已采情況下,4-2煤回采主要面臨的水害問題包括4-1煤采空區(qū)積水和頂板巨厚洛河組砂巖含水層水,采空區(qū)積水可在掘進(jìn)中施工探查,鉆孔進(jìn)行疏放,可基本排除采空區(qū)積水隱患。而洛河組含水層水在上組煤開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р扒闆r下,含水層底部裂隙發(fā)育,其富水性對于4-2煤開采影響較為嚴(yán)重。

        2.1 洛河組含水層厚度特征

        研究區(qū)范圍內(nèi)洛河組含水層一般厚度在290.0~330.0 m,局部地段厚度達(dá)到343.0 m(8944號鉆孔),平均厚度321.9 m。井田西部及西北部厚度較小,約310.0 m,由西北向東南厚度逐漸增大。洛河組底板標(biāo)高+1 070~+1 130 m,呈傾向NW的單斜構(gòu)造,在研究區(qū)西北部洛河組底板平緩,向東南部底板抬升明顯(圖2)。總體上洛河組含水層發(fā)育較為穩(wěn)定且厚度較大,為含水層儲水提供了條件。

        圖2 洛河組含水層厚度等值線Fig. 2 Isoline of aquifer thickness of Luohe formation

        2.2 洛河組含水層巖性特征

        基于礦井以往地質(zhì)資料,對洛河組含水層巖性發(fā)育及巖層組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計可得,洛河組地層巖性以中粗粒砂巖、礫巖為主,中粗粒砂巖在洛河組全段均有發(fā)育,泥質(zhì)膠結(jié)為主;礫巖主要位于洛河組中上部,泥鈣質(zhì)膠結(jié)為主,較為堅硬。根據(jù)洛河組地層礫巖主要發(fā)育在中上部的特征可以將洛河組劃分為上下兩段,上段為厚層礫巖與中粗粒砂巖互層,平均厚度170.04 m,下段為巨厚層狀中粗粒砂巖,平均厚度151.50 m。洛河組地層巖性對比見圖3洛河組砂巖以中粗砂巖為主,偶見細(xì)砂巖、粉砂巖,砂巖厚度占總厚度的68%,其中洛河組下段的巨厚層狀砂巖占總厚度的48%;礫巖主要在洛河組中上部發(fā)育,厚度占總厚度的32%,見圖4,占洛河組上段厚度的64%,上段礫巖厚度占比更大。

        圖3 洛河組地層巖性對比 Fig. 3 Stratigraphic lithologic correlation of Luohe formation

        圖4 洛河組各巖性占比Fig. 4 Lithologic proportion of Luohe formation

        2.3 涌水特征

        下石節(jié)煤礦在進(jìn)入深部工作面回采后各工作面涌水現(xiàn)象逐漸突顯,涌水水源主要為頂板洛河組含水層水。4-1、4-2煤各工作面在回采過程中均出現(xiàn)不同程度的涌水量異常波動現(xiàn)象,類似于“離層涌水”情況,4-1煤各工作面在回采前期涌水量相對較小且穩(wěn)定,在回采中后期開始出現(xiàn)涌水量波動,單次出水持續(xù)數(shù)天,涌水量Q整體較大,回采末期涌水持續(xù)且較為穩(wěn)定。以2301工作面為例,在回采至0~1 200 m時,工作面涌水量保持在50 m3/h以內(nèi);1 200 m以后出現(xiàn)多次異常涌水現(xiàn)象,最大涌水量可達(dá)250 m3/h以上,回采結(jié)束后水量逐漸下降穩(wěn)定在50~60 m3/h。2301工作面涌水量變化曲線見圖5。

        圖5 2301工作面涌水量變化曲線 Fig. 5 Variation curve of water inflow in 2301 working face

        2.4 采后導(dǎo)水裂隙變化規(guī)律

        長期的開采經(jīng)驗及相關(guān)研究表明,煤層覆巖中的采動裂隙隨與煤層距離的增加而擾動破壞程度降低,從研究初期定性認(rèn)識到后期學(xué)者對碎脹系數(shù)及滲透性的定量描述,目前已經(jīng)明確采空區(qū)垂向上的滲透系數(shù)隨著與煤層距離的增大而逐漸減小,并且服從對數(shù)遞減分布,滲透系數(shù)最終在導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы敳口吔谠瓗r滲透系數(shù)[5]。

        另外,采后裂隙受應(yīng)力恢復(fù)影響逐漸閉合也已經(jīng)得到廣泛認(rèn)知,趙永樹等[6]對采動過程中松散含水層水位進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測指出,風(fēng)化基巖的隔水性在采動后期將逐漸恢復(fù)。王文學(xué)等[7]對采動15 a后的采空區(qū)覆巖裂隙進(jìn)行了重新觀測,多種觀測方法表明,導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨缺乳_采初期降低40%,從定量方面反映出裂隙巖體滲透性的后期演化。

        以往勘探時期XK6孔抽水試驗說明,滲透系數(shù)K=0.012 1 m/d,單位涌水量q=0.036 3 L/(s·m);礦井在2303工作面施工的TC3采后探查孔說明下石節(jié)煤礦4-1煤采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞б呀?jīng)波及洛河組砂巖含水層底部,波及厚度約45 m,在回采后洛河組含水層水位逐漸上升并穩(wěn)定,抽水試驗獲取的K=0.072 78 m/d,q=0.071 0 L/(s·m),遠(yuǎn)大于原始情況下含水層的滲透系數(shù)及單位涌水量,采動導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц淖兞寺搴咏M含水層的富水性,也使含水層內(nèi)孔隙水更多變?yōu)榱严端?。隨著采空區(qū)覆巖應(yīng)力的恢復(fù),裂隙逐漸趨于閉合,垂向滲流更加微弱,最終現(xiàn)象是采空區(qū)涌水量衰減以及受破壞的含水層滲透系數(shù)逐漸恢復(fù)至接近破壞前。距2301工作面回采結(jié)束約7 a,回采結(jié)束時涌水量達(dá)50~60 m3/h,目前涌水量已經(jīng)衰減為15 m3/h,導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р暗穆搴咏M含水層對于2301采空區(qū)涌水的貢獻(xiàn)量已經(jīng)非常小。但已受開采擾動的含水層裂隙水豐富,在重復(fù)開采下組煤時,導(dǎo)水?dāng)嗔褞г俅尾奥搴咏M含水層,含水層靜儲量釋放將遠(yuǎn)大于上組煤初次擾動時的涌水,即下組煤開采波及洛河組時,可能形成突水。

        3 含水層富水性評價

        含水層富水性的影響因素眾多,目前能綜合多種因素評價含水層富水性且應(yīng)用成熟的就是多源地學(xué)信息融合方法,該方法選取多個含水層主控因素并確定其權(quán)重,以權(quán)重及各因素量化值建立富水性評價模型,經(jīng)多源信息疊加得到含水層富水性的量化值[8]。

        分析下石節(jié)重復(fù)采動區(qū)域洛河組含水層巖性及充水特征,選擇含水層砂巖厚度、含水層砂巖厚度與地層厚度之比(砂地比)、巖心采取率、褶皺分維值作為洛河組含水層富水性評價的主控因素,下石節(jié)井田洛河組含水層富水性評價與以往不同之處在于,洛河組含水層下段已受上組煤開采擾動,導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р糠植奥搴咏M下段。在上組煤采后該段裂隙逐漸閉合,含水層垂向滲流減弱,裂隙發(fā)育導(dǎo)致含水層靜儲量增大,富水性增強(qiáng),因此在評價下組煤開采時的洛河組含水層水害時,加入上組煤開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р奥搴咏M含水層厚度,作為重復(fù)采動條件下洛河組含水層富水性評價的重要控制因素之一。

        選取主控因素的單因素專題圖見圖6,將主控因素分類、分層次建立層次分析評價模型,如圖7所示。

        圖6 單因素專題圖Fig. 6 Single factor thematic map

        圖7 層次分析評價模型Fig. 7 Analytic hierarchy process evaluation model

        采用標(biāo)度評分方法對各主控因素進(jìn)行打分[9-11],得出的各因素權(quán)重見表1。

        表1 主控因素權(quán)重值

        將權(quán)重值賦給各主控因素形成富水性評價模型:

        CI=0.15f1(x,y)+0.05f2(x,y)+0.111 7f3(x,y)+

        0.266 0f4(x,y)+0.422 3f5(x,y),

        式中:CI——富水性指數(shù);

        fk(x,y)——第k個主控因素歸一化后的值,其中(x,y)是該值所在地理坐標(biāo)點。

        根據(jù)富水性指數(shù)法建立的富水性評價模型,在Surfer中將多個主控因素的單因素專題圖進(jìn)行疊加計算,多源地學(xué)信息融合得出受導(dǎo)高部分波及的洛河組含水層富水性分區(qū)圖,按照研究區(qū)內(nèi)的富水性指數(shù)值進(jìn)行自然間斷點分級,將區(qū)內(nèi)洛河組含水層富水性劃分為弱富水區(qū)(CI<0.23)、中等富水區(qū)(0.230.41)這3個等級,如圖8所示。

        圖8 洛河組含水層富水性分區(qū) Fig. 8 Water-rich zoning of aquifer of Luohe formation

        將富水性分區(qū)結(jié)果與礦井4-1煤工作面開采時工作面異常涌水位置疊加,如圖9所示,礦井多個工作面的異常涌水位置均位于強(qiáng)富水區(qū)及其周邊,評價結(jié)果與實際情況相符。

        圖9 強(qiáng)富水區(qū)與工作面異常涌水位置的關(guān)系Fig. 9 Relationship between strong water-rich area and water gushing position of working face

        在構(gòu)造裂隙及開采裂隙等因素的綜合影響下,研究區(qū)內(nèi)富水性較強(qiáng)的區(qū)域主要分布在中部及西部局部區(qū)域,中等富水區(qū)主要分布在研究區(qū)東西兩側(cè),弱富水區(qū)分布面積較小,說明在已受開采擾動情況下,研究區(qū)內(nèi)洛河組含水層富水區(qū)域相對廣泛,在重復(fù)采動至對應(yīng)區(qū)域且導(dǎo)高能波及洛河組時,存在涌水量增大的可能。

        4 結(jié) 論

        (1)礦井4-1煤采后波及洛河組含水層底部,使洛河組砂巖孔隙含水層向裂隙含水層變化,下伏4-2煤開采仍然受頂板洛河組含水層的威脅。

        (2)4-1煤采動導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р奥搴咏M含水層厚度可作為主控因素之一,以多元信息融合方法進(jìn)行含水層富水性評價,將重復(fù)采動區(qū)域洛河組含水層劃分為弱富水區(qū)、中等富水區(qū)、強(qiáng)富水區(qū),以指導(dǎo)礦井防治水工作的開展。

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