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★ 煤矿安全 ★

覆岩结构下含水层开采疏放水效果评价研究

吕兆海1 潘长斌1 杨皓博2 高 雅3 林金川1 靳 华1 李德彬3

(1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司,宁夏回族自治区银川市,750011;2.陕西彬长小庄矿业有限公司,陕西省彬州市,713500;3.西北矿井水文地质研究院,内蒙古自治区乌海市,016000)

摘 要 针对覆岩结构下煤层开采顶板水量变化情况,利用数值模拟方法对上覆含水层进行了有效探查和疏放研究。结果表明:覆岩组合特性控制着含水层释放过程,通过优化疏放水钻孔设计提高疏放水效果,实现工作面回采过程中矿井涌水量“削峰平谷”,以达到经济合理的目的,垂直或平行于地层走向并朝向地层标高降低方向的钻孔疏放水效果最佳。选择从钻孔疏放水原始数据、总量变化、钻场水量变化、疏放水量与水压相关性等方面的评价途径,对上覆含水层疏放效果进行分析研判,判断工作面受水害威胁程度降低至安全阈值范围,具备安全开采条件,为后续工作面顶板疏放水方案制定及效果评价提供参考。

关键词 上覆含水层 数值模拟 覆岩组合特征 安全阈值 效果评价

随着煤矿开采规模和开采深度、强度的不断加大,工作面顶板水害威胁日益严重,煤矿安全高效开采受到制约[1]。采煤工作面上覆含水层疏放水在工作面开采扰动作用下,极易造成围岩失稳,围岩卸荷诱发采煤工作面覆岩裂隙发育、岩体大范围冒落[2],甚至导通巷道顶底板隔水层发生涌突水事故,严重制约现场安全高效开采[3-4]。据统计,地表水、大气降水、地下水等水患类型造成的矿井巷道突水事故占比95.3%[5-6]。考虑导水裂隙带高度是否触及到顶底板含水层[7-8],开挖扰动破坏范围越大,冒裂带到含水层的高度随之越高,则煤层顶底板局部富水性越强[9-10]。因此,研究工作面顶板在开采扰动作用下突水机理及防治措施,对矿井安全生产具有科学价值和借鉴意义。

1 概况

金家渠矿110301工作面,走向长约1900 m,倾向长约250 m,采高约3.8 m。该工作面位于金家渠逆断层西侧,尖儿庄背斜东北侧,总体为单斜构造,工作面中部高,切眼和停采线位置相对较低,回采初期为仰采,中部后为俯采。根据水文地质资料分析,工作面受水害威胁主要为3号煤层顶板砂岩水。工作面距直罗组下段砂岩含水层距离40.55~56.67 m,平均距离51.87 m,该含水层厚18.35~150.0 m,平均厚90.46 m;工作面距2~3号煤间含水层距离0~9.35 m,平均距离3.5 m,该含水层厚9.5~30.79 m,平均厚度22.87 m。

2 含水层疏放水设计

鉴于金家渠矿过去未开展工作面上覆含水层疏放工程,经验匮乏的情况,为更好开展疏放工作,疏放钻孔布置在工作面的回风巷道、辅运巷及主运巷内。钻场总设计23个,钻场间距100~200 m,每个钻场设计3~5个钻孔,所布置钻孔均为上仰孔15°,终孔层位为进入直罗组下段含水层40 m停止。具体钻孔施工如图1所示。

图1 工作面上覆含水层疏放钻孔布置

3 含水层疏放规律研究

笔者从含水层疏放总量及各钻场水量参数空间分布、地质构造主控作用、含水层揭露处涌水特征与含水层露头补给方面,综合分析了工作面上覆含水层疏放规律,得出各钻场上覆含水层疏放水量变化特征。

3.1 含水层疏放量变化特征

3.1.1 含水层疏放水量变化

110301工作面在2018年4月11日疏放水量为382 m3/h,工作面疏放水量总体呈增长趋势,各疏放钻孔存在不同程度堵孔、塌孔现象,造成工作面疏放水量呈现波动变化。4月28日,新施工FY2-3孔(130 m3/h),工作面疏放水量达492.2 m3/h,随后平缓下降;至6月3日,施工FY3-4钻孔(100 m3/h),工作面疏放水量又增加至335 m3/h;后续FY4-2和FY4-3钻孔相继施工,造成工作面疏放水量于7月8日达到509.4 m3/h;在8月2日到12月6日期间陆续对FY3-7、FY3-9、FY3-11、FY3-12、FY4-2、FY4-12钻孔进行控制性放水,造成工作面疏放水量整体呈波动式下降;12月23日达到最大值596 m3/h,工作面疏放水量呈快速增长趋势。此后,随着疏放时间延续,顶板砂岩含水层内静储量被逐渐疏放,工作面疏放水量继续降低并趋于稳定,至2019年4月9日,工作面疏放水量保持在176.4 m3/h。工作面上覆含水层疏放水量变化趋势如图2所示。

图2 工作面上覆含水层疏放水量变化趋势

3.1.2 工作面累计疏放水量分析

110301工作面累计施工可疏放钻孔86个,疏放水总量达321.33万m3。其中,2016年累计疏放水15.78万m3;2017年累计疏放水25.8万m3;2018年累计疏放水209.34万m3;2019年累计疏放水71.51万m3

3.2 各钻场上覆含水层疏放水量变化特征

110301工作面各钻场上覆含水层疏放水量变化见表1。由表1可知回风巷道、辅运巷各钻场疏放水量基本呈现:随着钻场内钻孔施工,短期内水量快速增大,水量达到最大值后,再呈波动式减小趋于稳定的变化规律,且各钻场疏放水量总体表现为距离切眼越近,早期施工的钻场最大水量较大。回风巷道钻场疏放周期较长,疏放水量降至0 m3/h,回风巷道F旧1+F1+ F2+F3+F4-2+F5-2钻场水量0 m3/h;辅运巷FY1+FY2+FY3+FY4+FY5+FY6+FY7钻场水量为176.4 m3/h,占工作面疏放水量的100%,达到稳定状态,呈现出明显的先快速增大,到最大值后,呈先快速下降、后缓慢下降并趋于稳定的变化规律,各钻场疏放水量波动变化明显。总体而言,各钻场的疏放水量变化规律与回风巷道各钻场相似,基本趋于稳定,钻孔涌水量衰减良好。

表1 工作面各钻场上覆含水层疏放水量变化

钻场初始水量/(m3·h-1)最大水量/(m3·h-1)最终水量/(m3·h-1)F旧11302150F112900F240720F32190F4-210100F5-2220FY1050800FY189897.5FY2130139.464.2FY3100309.124.3FY440292.222.2FY550907.7FY6301188FY74515142.5

3.3 含水层疏放钻孔水量稳定性分析

在工作面所施工的钻孔中,最大水量与最终水量的差值和最大水量之比为衰减率。工作面切眼附近1000 m范围内疏放水钻孔水量衰减率比例见表2。

表2 工作面试验段疏放水钻孔水量衰减率比例

试验段疏放水钻孔80%的钻孔14%的钻孔5%的钻孔0%的钻孔1%的钻孔钻孔衰减率90%

对工作面切眼1000 m范围内上覆含水层疏放钻孔涌水量分析,疏放钻孔按照方位角可归为平行于巷道、垂直于巷道、斜交于巷道、平行地层走向、垂直地层走向5类。工作面切眼1000 m范围内已施工的74个可疏放钻孔中,40个处于稳定状态,占54%;33个处于基本稳定状态,占45%;剩余1个处于不稳定状态,占1%,说明静储量已基本疏放完毕。经统计,工作面切眼附近1000 m范围内最大疏放水量>50 m3/h的可疏放钻孔21个,回风巷道内5个;辅运巷内分布16个。经过近一年的集中疏放,顶板砂岩含水层静储量得到了有效疏放。回风巷道内最大涌水量大于50 m3/h的5个钻孔都分布在切眼处,且此类钻孔的最大涌水量值较大;辅运巷中钻孔最大涌水量>50 m3/h的FY1-6、FY2-9也分布在切眼处,进一步说明了切眼处煤层底板标高低,顶板含水层涌水量较大,说明采前预疏放工作的必要性。本次统计的最大涌水量>50 m3/h的21个钻孔中,4个(F1-4、F旧1-3、FY3-5、FY4-3)平行于地层走向分布,6个(FY3-4、FY3-6、FY3-7、FY3-8、FY3-9、FY4-2)垂直地层走向分布;3个(F1-2、F旧1-1、FY3-11)垂直巷道分布,2个(FY2-3、FY2-9)平行巷道分布,剩余6个(F1-3、FY1-6、FY3-12、FY4-12、FY6-2、FY6-4)钻孔方位介于垂直与平行巷道之间区域。最大疏放水量钻孔及其分布方位见表3。

表3 最大疏放水量钻孔及其分布方位一览表

钻场孔号最大水量/(m3·h-1)钻孔方位F1F1-2154垂直巷道向内90°F1-3170与巷道相交向内向停采线方向 F1-4120平行地层走向向内向停采线方向 F旧1F旧1-1130垂直巷道向内90°F旧1-3130平行地层走向向内向停采线方向 FY1FY1-689与巷道相交向外向停采线方向FY2FY2-3130平行巷道向停采线方向FY2-960平行巷道向切眼方向FY3FY3-4129垂直地层走向向外向切眼方向FY3-5100平行地层走向向外向停采线方向FY3-6104垂直地层走向向外向切眼方向FY3-770垂直地层走向向外向切眼方向FY3-870垂直地层走向向外向切眼方向FY3-9131垂直地层走向向外向切眼方向FY3-1180垂直巷道及地层走向向外90°FY3-1280与巷道相交向外向切眼方向FY4FY4-2116垂直地层走向向外向切眼方向FY4-392.6平行地层走向向外向停采线方向FY4-1280与巷道相交向外向停采线方向FY6FY6-270与巷道相交向外向切眼方向FY6-460与巷道相交向外向停采线方向

综合分析,对后续疏放水段钻孔优化设计,实现工作面回采过程中矿井涌水量“削峰平谷”。建议在后续施工疏放水钻孔时,多在下巷施工垂直或平行于地层走向并朝向地层标高降低方向的钻孔。

3.4 含水层疏放水量与水压作用关系

3.4.1 疏放水量和水压相关性

根据工作面上覆含水层疏放钻孔的水压及钻孔涌水量观测数据,绘制了钻孔涌水量和水压的关系曲线,如图3所示,钻孔疏放水量和水压之间具有一定的相关性,随着疏放周期的延长,二者的变化趋势基本一致,随着钻孔疏放水量减小,水压也随之减小。

3.4.2 疏放前后水压疏降情况

顶板砂岩含水层疏放前后的等水压线图见图4。得出疏放前地下水流向大致为自西向东,工作面回风巷水压为0~0.6 MPa,辅运巷为1~1.6 MPa,回风巷水压低于辅运巷1 MPa。针对工作面切眼近1000 m范围开展上覆含水层疏放工程后,地下水大致流向基本和疏放前保持一致,回风巷水压介于0~0.2 MPa,疏放范围内回风巷水压基本降为0 MPa,水压平均降低0.4 MPa;辅运巷水压疏放后为0.3~0.65 MPa间,水压平均降低0.9 MPa,整个工作面水压介于0~0.65 MPa。

根据各测压孔平均见水点孔深约为60 m,钻孔内水柱影响高度平均约35 m,即0.35 MPa。考虑到钻孔水柱的影响,已疏降至0.3 MPa以下,疏放效果整体良好。

图3 疏放水量和水压关系

图4 3号煤层顶板砂岩水疏放前后等水压线

3.5 疏放钻孔水量与预测涌水量分析

通过对上覆含水层疏放水量与静储量的分析得出,疏放水量介于预测的正常静储量值与最大值之间,各钻孔水位降深明显,顶板含水层静储量已得到有效疏放;对上覆含水层疏放水量与动态补给量分析得出,工作面切眼1000 m范围内上覆含水层疏放钻孔总水量呈缓慢下降趋于稳定。基于解析法对工作面涌水量预测,在距离切眼1000 m范围的正常动态补给量的预测值为225 m3/h(包括顶板砂岩含水层197 m3/h、风氧化带28 m3/h)。钻孔残余总水量小于动态补给量,所以本次工作面上覆含水层疏放工作基本达到疏放效果。

4 含水层疏放效果评价

通过对工作面上覆含水层集中疏放,煤层顶板直罗组砂岩含水层及延安组2~3号煤层间砂岩含水层和风氧化带水得到有效疏放。上覆含水层及风氧化带疏放探测,各钻孔均可有效疏放“两带”高度所能波及的含水层范围,疏放总水量基本稳定,含水层水疏放效果明显。各钻孔衰减率均匀变化,疏放钻孔对顶板砂岩含水层静储量的疏放效果良好。静储量已基本疏放完毕,目前所疏放的水量大部分由动态补给量组成。基于测压数据和疏放水量变化趋势特征,得出含水层水压随上覆含水层疏放而逐渐降低,判断经疏放后顶板含水层水压已小于0.3 MPa,工作面基本无水患威胁。综上所述,工作面切眼附近1000 m范围内已施工的74个钻孔经过近12个月的疏放对顶板砂岩水疏放效果良好。

5 结论

(1)工作面切眼1000 m范围内正常动态补给量预测约225 m3/h;目前工作面钻孔的残余总水量176.4 m3/h,小于预测的动态补给量,判断各钻孔控制范围内顶板含水层静储量已得到有效疏放。

(2)覆岩组合特征控制着煤层采动含水层释放过程,对上覆含水层疏放效果进行分析研判,判断工作面受水害威胁程度降低至安全阈值范围,具备安全开采条件,评价途径为后续工作面顶板疏放水方案的制定及效果评价提供参考。

(3)疏放水段钻孔优化疏放水效果,实现工作面回采过程中矿井涌水量“削峰平谷”,以达到经济合理的目的,垂直或平行于地层走向并朝向地层标高降低方向的钻孔疏放水效果最佳。

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Evaluation study on water drainage effect of aquifer mining under overburden structure

Lv Zhaohai1, Pan Changbin1, Yang Haobo2, Gao Ya3, Lin Jinchuan1, Jin Hua1, Li Debin3

(1. Ningxia Coal Industry Co., Ltd., China Energy Investment Corporation, Yinchuan, Ningxia 750011, China; 2. Xiaozhuang Mining Co., Ltd., Shaanxi Binchang Mining Group Co., Ltd., Binzhou, Shaanxi 713500, China; 3. Northwest Mine Hydrogeology Research Institute, Wuhai, Inner Mongolia 016000, China)

Abstract In view of the roof water change in coal mining under overburden structure, the effective exploration and drainage of overlying aquifer were studied by using numerical simulation method. The results showed that the combination characteristics of overburden controlled the release process of aquifer. The drainage effect could be improved by optimizing the design of drainage boreholes, realizing the smooth change of the mine water inflow in the mining process of working face, so as to achieve the economy and rationality. The best drainage effect of boreholes perpendicular to or parallel to the stratum strike and toward the direction of lowering the formation elevation was the best. The drainage effect of overlying aquifer was analyzed and judged from the aspects of original data, total amount change of borehole drainage, drilling field water quantity change, correlation between drainage water quantity and water pressure, etc., and the threat degree of water disaster on working face was reduced to the safety threshold range and the working face had the conditions for safe mining, the results provided reference for the subsequent roof drainage scheme formulation and effect evaluation.

Key words overlying aquifer, numerical simulation, overburden combination characteristics, safety threshold, effect evaluation

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引用格式:吕兆海,潘长斌,杨皓博,等. 覆岩结构下含水层开采疏放水效果评价研究[J].中国煤炭,2020,46(8)∶79-84.

Lv Zhaohai, Pan Changbin, Yang Haobo,et al. Evaluation study on water drainage effect of aquifer mining under overburden structure [J].China Coal, 2020,46(8)∶79-84.

中图分类号 TD745.2

文献标识码 A

作者简介:吕兆海(1980-),男,安徽界首人,高级工程师,博士,主要从事煤矿安全生产管理、采场稳定性评价方面的研究。E-mail:280151265@qq.com。

(责任编辑 张艳华)