煤矿厚层砂岩裂隙水精细疏放与综合利用技术研究

2018-03-05贺晓浪穆鹏飞闫嘉平

中国煤炭 2018年1期

贺晓浪穆鹏飞王英闫嘉平

(1. 中煤能源研究院有限责任公司，陕西省西安市，710054； 2. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710054； 3. 西安科技大学地质与环境学院，陕西省西安市，710054； 4.陕西煤业化工集团黄陵矿业公司建北煤矿，陕西省黄陵市，727304 )

对矿井水进行处理并加以利用，不但可防止水资源流失，避免对水环境造成污染，而且对于缓解矿区供水不足、改善矿区生态环境、最大限度地满足生产和生活需要具有重要意义。但现有对矿井水的综合利用技术需要多道工序，具有经济成本高、技术难度较大、水资源利用率低等不足。

建北煤矿位于黄陇侏罗纪煤田黄陵矿区南部，影响煤矿安全开采的是洛河砂岩裂隙含水层，该含水层具有厚度大、富水性好的特点，是矿井主要的充水水源。为了减小洛河组砂岩含水层水对建北煤矿中部盘区开采的威胁，需对该含水层进行疏放。目前煤层顶板水疏放主要分为地表疏放、井下疏放和联合疏放3 种基本方式。考虑到煤矿在工业广场现已布置了8口井，联合抽水后水量会很小，同时，建设地面抽水井要面临煤矿区地形复杂、林区植被茂盛及征地困难等一系列问题，因此建北煤矿需从井下进行含水层疏放。

建北煤矿生活用水匮乏，而现有矿井水净化处理后大多只能用做工业用水。为此提出了针对砂岩裂隙水进行精确定点疏放，同时隔绝不符合生活用水标准的其他含水层水方法，使得疏水孔还可以兼具生活用水井功能，较好地解决了矿区供水紧张、正常生产受到水害威胁问题。砂岩裂隙水精细钻孔疏放与高效综合利用技术路线如图1所示。

图1 砂岩裂隙水精细钻孔疏放与高效综合利用技术路线图

1 矿井水文地质条件

1.1 砂岩裂隙含水层补径排条件

洛河砂岩裂隙含水层上部(浅部)含水段风化裂隙颇为发育，为地下水赋存、径流提供了良好空间和通道。它们同时接受大气降水、上部含水层和地表水的补给，径流方向受岩层产状和地形的双重控制，分别沿孔隙裂隙向下或沿岩层倾向整体向北西径流。当遇局部隔水层阻隔或上部下渗补给量大于下部下渗量时，会形成上层滞水，并受地形切割而以下降泉的形式泄出地表。

而在建庄川以西地区，洛河砂岩孔隙裂隙含水层下部(深部)含水段因埋深加大、风化裂隙减少，并受层间局部隔水层的影响而具有承压性质，补给区位于建庄川及其以东地区。径流方向受岩层产状控制而向北西径流，排泄区位于井田以外的北部和西部地区。

1.2 砂岩裂隙含水层富水性分析

洛河砂岩含水层为河流相沉积，主要由细-粗粒砂岩组成，间夹多层凸镜状泥岩、粉砂岩和砾岩薄层。无论在横向上还是在垂向上，岩性变化复杂，胶结类型多变，岩质结构疏密程度和软硬程度差异很大，层序结构极不稳定，层内非均质性极强，从而导致不同层段、不同区域富水性和透水性变化极为复杂。

1.2.1 富水性垂向变化特征

根据主副井筒出水情况观测结果，结合主副井和风井地质编录资料得出：洛河组强富水和中等富水层段多位于具有隔水性质岩层以上透水性较好的岩层底部，向上富水性变差，有的充满整个透水层段。富水和出水层段主要集中在水位埋深30～80 m之间，最深达103.35 m。另据勘探报告描述，洛河砂岩含水层为复合含水层，由浅部至深部，比较富水的层段逐渐增多。分析主斜井井筒出水状况和X502孔测井资料得出：实际含水层段集中分布于宜君砾岩顶面以上30～100 m范围内，厚度在50～75 m左右，水位埋深10～15 m。

1.2.2 富水性横向变化特征

在以大气降水为补给来源而不考虑地表水补给的前提下，根据潜水含水层富水性随厚度增加而相对较好的基本规律，结合本区潜水含水层厚度变化特征及洛河砂岩渗透性较差的基本条件，以含水层厚度大于300 m为界，可将本区划分为东部和西部两个相对富水区域，如图2所示。西部富水区位于建庄川以西，垂向补给区为其分布区，侧向补给区为建庄川，侧向补给源为建庄川河流及其支流；东北部富水区位于建庄川和新村川分水岭区域，面积较小，垂向补给区亦为其分布区，侧向补给区为新村川及其以东地区，侧向补给源为新村川及其支沟溪流，由于新村川溪流量小，故其补给强度有限，建庄川是其主要的排泄区。

图2 洛河砂岩含水层相对富水区分布图

1.3 矿井充水条件及含水层水质情况

矿井直接充水水源中富水性最好的是洛河组砂岩裂隙含水层，其单位涌水量为0.06121～0.1864 L/s·m，该含水层是建北煤矿矿井充水最主要直接充水水源，也是威胁建北煤矿安全生产的重大水害隐患之一。

另依照《中华人民共和国生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)，对地质勘探过程中采自洛河砂岩含水层中的水样水质分析检测结果和矿井建设过程中施工于洛河砂岩含水层中的水源井水质分析检测结果进行对比后发现，绝大部分水样水质符合国家标准，个别水样的部分指标不符合国家标准。

2 洛河砂岩含水层疏放单孔涌水量

为确定疏水孔的数量以及为后续排水管路的敷设提供依据，需预测疏放单孔的涌水量。而洛河砂岩含水层为潜水含水层，局部具有承压性质，由于疏放水钻孔一般不会打穿洛河砂岩，因此分别采用潜水不完整井、承压不完整井和承压转潜水公式进行试算，见表1。

综合不同公式的计算结果，更为合理和接近实际的流量在15～30 m3/h之间，平均流量为20 m3/h。施工后，1#疏水孔出水量稳定后实测值约为15.8 m3/h，与预测值相差不大。

表1 疏放单孔涌水量计算表

3 砂岩裂隙含水层疏放孔设计

(1)疏水孔的数量。考虑到设计各个钻孔的涌水量约为20 m3/h，当前建北矿的生活用水缺口约为40 m3/h，设计3个疏放水孔。

(2)钻窝的位置。根据井田补径排条件、洛河砂岩裂隙含水层的富水情况，综合考虑威胁建北煤矿中部盘区安全生产的主要是东部富水区，再结合疏水孔单孔影响半径计算结果，选择在辅助运输大巷附近对洛河砂岩水进行预疏放，钻窝位置如图3所示。

图3 钻窝位置示意图

为保证兼做生活用水井的疏放钻孔有一定的使用寿命和足够的补给流量，设计把疏放水孔的孔位位于在未来一段时间内不进行动采的区域，并与已采动影响区至少保持300 m(疏放水孔最小影响半径)以上距离。

(3)疏放孔参数。疏放钻孔为上仰孔，开孔高度2 m，开孔层位于4-2煤层上部，终孔层位于洛河砂岩实际含水层段顶面。前述洛河砂岩实际含水层段集中分布于宜君砾岩顶面以上30～100 m范围内，故疏放孔进入洛河砂岩段的长度按100 m设计。根据钻孔资料，1#疏放孔煤层顶面距宜君砾岩顶面(洛河组底面)的垂直距离为137.8 m，故终孔高度应为237 m，按75°仰角计算，则终孔深度为246.19 m。其他设计参数见图4。

(4)疏放孔结构。由于疏放孔兼做水源孔，需要对不符合饮用标准的直罗砂岩水进行封隔，故疏放孔结构由孔口管段、封隔管段和裸孔段组成，疏放水钻孔单孔结构设计示意图如图5所示。

1#疏放孔孔口距宜君砾岩底面斜距为138.3 m，故封隔套管(技术套管)长度设计为138.3 m。裸孔段(进水段)按钻孔进入洛河砂岩下段100 m考虑，设计孔深103.5 m。根据《煤矿防治水规定》第九十七条“探水钻孔终孔孔径一般不得大于75 mm”。故裸孔段设计孔径为75 mm，为了防止局部塌孔对流量的影响和为以后扩孔、提高单孔流量留有余地，故以ø133 mm开孔，孔口管径取127 mm，封隔管径取108 mm。

图4 疏放水钻孔参数设计

图5 疏放水钻孔单孔结构设计示意图

4 煤矿实际应用效果

经排水系统优化设计，现煤矿在总回延伸巷与6#联络巷交界处布置有1个疏放水孔(1#)和与之配套的环形水仓，安装了2台多级离心泵，疏放水经由敷设在回风大巷和副斜井中的排水管直接排至地面日用水泵房，疏放水直排地面管路布置如图6所示。

图6 疏放水直排地面管路布置图

疏放水经陕西省饮用水产品质量监督检验站检验，符合GB5749-2006要求。相比于一般对影响矿井正常生产含水层的井下疏放，对砂岩裂隙含水层的精细疏放水技术免去了进行一系列繁杂的净化工艺，可以直接饮用。此外，通过对洛河砂岩裂隙水的持续疏放，有效降低了该含水层对矿井正常开采的威胁，实现了井田水资源的高效综合利用，创造了较高的经济价值。