巴彦高勒煤矿首采面水文地质特征分析及涌水量预测

代凤强

(中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西省西安市,710077)

巴彦高勒煤矿首采面水文地质特征分析及涌水量预测

代凤强

(中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西省西安市,710077)

针对蒙陕接壤区深埋煤层顶板水文地质条件复杂、矿井涌水量不清等问题,分析了巴彦高勒煤矿首采面顶板含隔水层结构特征,确定3－1＃煤层顶板导水裂缝带范围内的含水层,采用动静储量法计算得到首采工作面不同回采阶段涌水量,涌水量计算值与实际值较吻合,为工作面排水系统建设和矿井水防治提供了科学依据。

工作面 水文地质 导水裂缝带 含水层 充水通道 涌水量预测 实际涌水量

1 工作面概况

311101工作面为内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司巴彦高勒煤矿首采工作面,位于首采区最东侧,主采3－1＃煤层,311101工作面北以井田边界、南以3－1＃煤层辅运大巷(初期)、东以回风巷、西以运输巷为界,工作面推采长度2589.3 m,倾斜长260.0 m,煤层平均厚度5.72 m,采用长壁综合机械化一次采全高采煤法,全部冒落法管理顶板。

根据前期勘探及矿井建设期间的揭露资料,3－1＃煤层开采直接充水水源为延安组顶部及直罗组中下部中粗砂岩孔隙裂隙含水层组。该含水层组水压达6.0 MPa,富水性较强,顶板探放水钻孔单孔涌水量达60.0 m3/h。本地区侏罗系煤层顶板含水层为复杂的河床－河漫滩相沉积,富水性极不均一,在巷道掘进和工作面回采过程中极易造成矿井涌水异常波动,使矿井防排水系统遭受冲击,威胁矿井生产安全。

2 首采区水文地质特征

2.1 含隔水层特征

(1)第四系松散层潜水孔隙裂隙含水层和白垩系下统志丹群(K1zh)孔隙承压水含水层是本地区重要的供水水源地,其中白垩系含水层厚度138.50～175.05 m,单位涌水量0.2857～0.6566 L/s·m,渗透系数0.144～0.3772 m/d,含水层的富水性中等。

(2)侏罗系中统直罗组碎屑岩类承压水孔隙裂隙含水层岩性为灰绿色、青灰色、黄绿色中粗粒砂岩,中间夹粉砂岩及砂质泥,在井田范围内广泛存在。含水层厚度20.72～68.78 m,单位涌水量0.00303～0.05899 L/s·m,渗透系数0.003833～0.07755 m/d。

(3)侏罗系中下统延安组(J1－2y)碎屑岩类承压水孔隙裂隙含水层岩性主要为浅灰色、灰白色各粒级砂岩、灰色、深灰色砂质泥岩、泥岩及煤层。含水层厚度45.12～117.04 m,单位涌水量0.00495～0.0818 L/s·m,渗透系数0.0044～0.09891 m/d。

(4)侏罗系中下统延安组顶部隔水层的延安组顶部为粉砂岩、泥岩或砂质泥岩隔水层,厚度21.02～23.07 m,井田内隔水层比较连续,相对比较稳定,隔水性能良好。

2.2 主要充水通道及特征

巴彦高勒矿井巷道掘进和工作面回采期间矿井主要充水通道为工作面顶板冒落带和导水裂缝带,目前国内针对综放开采顶板导水裂缝带,总结出了一些经验计算公式,其中滕永海的综放开采导水裂缝带高度计算公式具备一定的安全性。

式中:Hli——导水裂缝带高度,m;

M——煤层平均厚度,m。

取巴彦高勒首采工作面煤层平均厚度5.72 m,代入式(1)得导水裂缝带高度124.4 m。

通过对311101工作面地质及水文地质条件分析发现,311101工作面顶板延安组含水层厚度14.46～44.38 m,距离3－1＃煤层顶板0.5～8.15 m;2－1＃煤层顶板含水层(包括直罗组底部含水层)厚度0～16.93 m,距离3－1＃煤层顶板75.02～95.35 m,这两层含水层均在导水裂缝带范围内;直罗组底部含水层顶板与3－1＃煤层顶板的最小距离为129.02 m,该含水层之上则为粉砂、砂质泥岩隔水层。

3 工作面涌水量计算

煤层开采过程中,工作面涌水量的多少对整个矿井的防治水工作非常重要,是工作面和矿井排水系统建设的依据。煤层顶板涌水一方面来自于顶板冒落和开裂范围内岩石的裂隙水和孔隙水,此部分为静储量,其大小主要与含水层的储水率、给水度、冒落和开裂带范围大小、降落漏斗形态(即影响半径)有关;另一方面,由于采动裂隙范围内水头降低,导致周围一定范围内含水层的水向采空区内流动,即动态补给量,其大小与渗透系数大小、进水边界长度有关。因此,在计算巴彦高勒煤矿矿井涌水量时,静储量的计算关键是给水度的确定,动态补给量的计算关键是渗透系数的确定。

计算动态补给量时选用承压转无压公式:

当矿井疏干时,中心位置水头高度h＝0,故式(2)为:

式中:Qd——矿井涌水量,m3/d;

K——渗透系数,m/d;

H——水柱高度,m;

M0——含水层厚度,m;

R0——引用影响半径,m;

r0——引用半径,m。

根据311101工作面井下疏放水钻孔实际揭露情况及附近8个地面钻孔的情况,确定煤层渗透系数为0.0373 m/d,水柱高度580.0 m,含水层厚度45.95 m,引用半径181.13 m,引用影响半径2763.5 m,把相关参数代入式(3)得到311101工作面前300 m的正常涌水量为92.0 m3/h。

根据矿井实测涌水量,目前311101工作面的涌水主要来源于切眼、工作面巷道和疏放水钻孔三部分,其中,切眼和主运巷涌水量在20.0 m3/h左右,疏放水钻孔涌水量为67.0 m3/h。即311101工作面实际的涌水量为87.0 m3/h。计算值与实测值误差仅为5.75%,误差较小。

根据3－1＃煤层顶板砂岩含水层的平均厚度和平均渗透系数,计算311101工作面切眼附近300 m范围内的正常涌水量为93 m3/h。根据本段工作面3－1＃煤层顶板砂岩含水层的最大厚度和最大渗透系数,计算311101工作面切眼附近300 m范围内的最大涌水量为331.0 m3/h。采用同样的计算方法,分别计算得到工作面回采至600 m、1000 m、1500 m、2000 m和回采结束时(2600 m)的涌水量,计算结果见表1。

表1 311101工作面开采不同阶段3－1＃煤层顶板含水层涌水量计算参数

4 首采工作面涌水量与预测涌水量对比分析

将工作面采前涌水量预测结果与工作面采后实际出水情况进行对比,评价涌水量预测结果与方法。311101工作面预测涌水量与实际涌水量对比如图1所示。

图1 311101工作面预测涌水量与实际涌水量对比图

从图1可以看出,工作面采前预测的正常涌水量与工作面采后实际涌水量差别较大,但工作面采前预测的最大涌水量与工作面采后实际涌水量之间差别较小,误差率不超过10%,例如:

(1)工作面回采至338 m时,出水量327 m3/h,而回采前预测300 m段最大涌水量为331 m3/h。预测结果与实际结果误差率仅为1%。

(2)工作面回采至1074 m时,出水量398 m3/h,而回采前预测1000 m段最大涌水量为439 m3/h。预测结果与实际结果误差率为10%。

(3)工作面回采至2036 m时,出水量464 m3/h,而回采前预测2000 m段最大涌水量为499 m3/h。预测结果与实际结果误差率为7.7%。

(4)工作面整个回采过程中,最大涌水量492 m3/h,而回采前预测工作面推采结束时涌水量达到最大,为529 m3/h。预测结果与实际结果误差率为7.5%。

5 结论

(1)分析了巴彦高勒首采区水文地质特征, 311101工作面主要充水通道为煤层开采形成的导水裂缝带,计算了导水裂缝带高度为124.4 m,主要充水水源为延安组及直罗组底部砂岩孔隙裂隙含水层。

(2)通过对首采区水文地质 特征及充水因素的分析,预测了正常涌水量与最大涌水量,在整个工作面回采过程中,预测涌水量与实际涌水量误差率不超过10%,预测涌水量较为准确,在工作面回采过程中未受到较大的冲击,保证了首采工作面的安全回采。

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Analysis of hydrology characteristics and water inflow prediction of first mining face at Bayangaole Coal Mine

Dai Fengqiang
(China Coal Technology&Engineering Group Xi＇an Research Institute,Xi＇an,Shaanxi 710077,China)

Aiming at the complex hydrology condition and uncertain mine water inflow of deep buried coal seam roof of contiguous area,this paper analyzed the structural characteristics of aquifer and aquifuge of first mining face roof at Bayangaole Coal Mine and determined aquifer in scope of water-conducted fractured zone of 3-1＃coal seam roof.Static and dynamic reserve method was used to calculate the amount of water inflow during each back-mining period at first mining face.The calculated water inflow magnitude was fabricated with the actual value and provided drainage system establishment of mining face and mine water safety with scientific evidence.

working face,hydrology,water-conducted fractured zone,aquifer,water filling channel,predicted water inflow,actual water inflow

P641 TD742.1

A

代凤强(1982－),男,汉族,安徽砀山人,本科学历,工程师,主要从事煤田水文物探方面的研究。

(责任编辑 张艳华)

代凤强.巴彦高勒煤矿首采面水文地质特征分析及涌水量预测[J].中国煤炭,2017,43(1):108－110,115. Dai Fengqiang.Analysis of hydrology characteristics and water inflow prediction of first mining face at Bayangaole Coal Mine[J].China Coal,2017,43(1):108－110,115.