车集煤矿28采区底板太灰疏放水试验与疏降可行性研究

张家峰 张成行 姚明豪 徐智敏

(1.河南能源化工集团永煤公司车集煤矿地测科，河南省商丘市，476600；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市,221116)

车集井田位于河南省永城市境内，井田面积61.4 km2。一直以来，车集矿根据主采二2煤层的区域底板太灰水的水文地质特征，提出了工作面底板注浆的防治水方针，并取得了较好的防治水效果，形成了一定的技术经验。但是，随着矿井开采深度逐步加大，底板太灰含水层的富水性、补径排条件与浅部差异性日渐明显，并且注浆改造经济成本大、工期长,普注后底板突水也时有发生，例如车集煤矿2311工作面底板注浆改造，经过注浆，共有117个注浆孔，注浆量共10300 t左右，工作量大且在二次补孔结束后钻孔检验部分底板太灰段仍有水涌出。在此基础上，考虑到车集矿井田水文地质条件的区块化特征，补、径、排条件深部与浅部存在不同，本文在开展水文地质区块特征分析的基础上，开展疏放水试验，评价可疏降性，做疏降预测。

1 28采区水文地质条件

车集煤矿28采区位于二2煤层，底板标高在-800～-1000 m的范围内。在11-19勘探线之间，西部基本以F5、DF023正断层保护煤柱及26采区边界为界，东部以DF082正断层保护煤柱及-1000 m二2煤层底板等高线为界；南部至矿井南部保护煤柱，北部到26采区边界，并且，26采区已经普注，截断了28采区补给通道。28采区分布图见图1。根据生产实践及区域水文地质条件分析，28采区底板太灰补给不畅，主要以静储量为主，富水性弱。开采二2煤层时，以顶板砂岩裂隙和太原组灰岩岩溶水为主要充水水源，所属水文地质单元属相对独立、封闭、补给较差的水文地质区域。

图1 28采区分布略图

2 采区疏放水试验及求参

为获取28采区主要的水文地质参数，对28采区进行放水试验，共分为两个放水阶段和水压恢复阶段，获取放水试验资料，并根据资料求得水文地质参数。

2.1 28采区放水试验

2.1.1 放水阶段

放水阶段共分为两个放水阶段。28采区共计4个水文孔，分别为14#孔、14-1#孔、底车场的2个钻孔。

14#孔和14-1#孔均施工于采区最高处，两钻孔进尺相同，均揭露二2煤层底板主要太灰含水段54 m。两钻孔平面距离为220 m。在第一放水阶段，14#孔作为观测孔，14-1#孔作为放水孔，稳定流量为50 m3/h。观测水压随时间显著衰减，并在最后达到稳定水压0.67 MPa，其水压观测变化曲线见图2。第一放水阶段后半段基本达到观测水压稳定，受井下施工等因素的影响，放水期末段观测水压出现小幅回升现象，见图3。

图2 第一放水阶段14#孔水压历时曲线图

底车场位于28采区最低处，此处施工有两个钻孔，终孔均位于二2煤层底板同一含水层中。底车场位置较低，更有利于地下水的汇集。利用底车场钻孔进行放水可取得较好的水压疏降效果。因此，在底车场两钻孔施工完毕后，即在第一放水阶段的基础上进行第二阶段的放水。根据钻孔施工资料，底车场放水孔进水段长度5 m。两钻孔平面距离仅78 m，在第二放水阶段，两钻孔同时放水，故可将其等效为一个放水孔，稳定放水流量为29 m3/h。底车场两钻孔的中心点与14#孔的平面距离为1650 m。14#观测孔观测水压在底车场钻孔放水后即表现为明显的水压衰减，并保持长时间的水压稳定状态，见图3。

同采区14#孔施工于采区最高处，在第二放水阶段中同样作为观测孔，与上述底车场两钻孔共同控制整个采区，能较好地反映采区底板含水层放水条件下的水压动态变化规律，从而揭示含水层的渗透性质。

图3 第二放水阶段14#孔水压历时曲线图

2.1.2 恢复阶段

在第二放水阶段结束后，即进入水压恢复阶段。在水压恢复阶段伊始，将底车场其中一钻孔作为观测孔(装有水压表)，以观测后续底车场底板含水层水压恢复情况，其观测水位变化情况见图4。同时，位于采区高处的14#孔作为水压恢复阶段的水压观测孔，其观测水压变化情况见图5。

图4 底车场水位恢复曲线

图5 14#孔水压恢复阶段观测水压历时曲线

另外，根据井下水温观测台账绘制出14#孔水温-时间关系曲线，见图6。

图6 14#孔水温-时间关系图

由图2～图6可知：

(1)放水阶段，14#孔的观测水压随时间显著衰减，最后稳定在0.67 MPa。

(2)水压恢复阶段14#孔观测水压由0.6 MPa左右逐步恢复至0.9 MPa，说明位于采区高处的太灰水与采区低处水之间存在明显的水力联动，根据两钻孔分别控制太灰上段与下段，进一步说明了本采区范围内太灰下段与上段存在水力联系，太灰上段接受下段补给。

(3)各钻孔地下水温度的合理变化也间接表明，在各钻孔，特别是28采区14#孔所揭露的含水层，其补给来源不存在异常高温地下水，如深部奥灰水的参与，说明采区太灰水与基底奥灰水之间不存在水力联系。

(4)由图4和图5可知，在放水停止后，底车场放水孔和14#孔水压都呈现明显回升，特别是底车场底板含水层水压回升迅速，表明了底板含水层渗透性良好。

2.2 水文地质参数求解

2.2.1 放水阶段求参——直线图解法

直线图解法的基本原理——将实测数据投在单对数坐标(时间t取对数尺度)纸上并做成s-lgt(同一观测孔不同时间的降深数据)曲线，此实测数据曲线在一定的区间内呈直线，因而可以依据直线的两个要素确定含水层的两个参数。

(1)

式中：s——水压降深；

T——导水系数；

a——导压系数；

r——径向距离；

m——直线斜率；

Q——流量。

根据上述理论，结合放水试验数据，绘制第二放水阶段s-lgt曲线，如图7所示。

图7 第二放水阶段s-lgt曲线

根据图7，可得斜率m=30，则T=2.2 m2/d，含水层渗透系数K=T/M=0.44 m/d。其中，Q=15 m3/h，根据矿区钻孔平均揭露情况，取该层出水含水层进水部分厚度M=5 m。

2.2.2 恢复试验阶段求参

按渗流叠加原理，停止抽水后的剩余降深为：

(2)

式中：W——井函数；

tp——抽放水持续时间；

t——水压恢复延续时间。

(3)

由s=H0-H，得：

(4)

式中：H0——初始水位(压)；

H——某时刻对应观测水位(压)。

根据水压恢复试验数据，绘制水压恢复曲线如图8所示。图中横坐标，t/(tp+t)表示水压恢复时间占整个放水+恢复试验时间的比例。当t→∞时，t/(tp+t)→1，这时H→H0，表示恢复时间越久，水压越接近初始水压。

图8 底车场观测孔水压恢复曲线

根据图8，可得斜率m=110，T=0.6 m2/d，K=0.15 m/d，取放水过程中的平均流量Q=15 m3/h，根据矿区钻孔平均揭露情况，取该层出水含水层进水部分厚度M=5 m。

2.2.3 求参结果分析

由于放水过程初期观测资料的实际曲线与标准曲线不符，与标准曲线不宜拟合，因实际的数据资料不够完善，因此不考虑采用标准曲线配线法求参。而直线图解法能够充分利用中、后期的观测资料，因此，根据采区实际观测资料的特点，对于放水阶段与水压恢复阶段本次求参均采用直线图解法。第二放水阶段14#孔渗透系数K为0.44 m/d，贮水系数为3.7×10-7；恢复试验阶段底车场观测孔渗透系数0.15 m/d，贮水系数为3.53×10-6。

由上述得出的参数可知，放水阶段与恢复试验阶段所求渗透系数均小于1.0 m/d，故渗透系数K取均值0.3 m/d。

3 采区可疏降性评价与分析

根据突水系数法，结合28采区的水文地质资料计算求得放水前突水系数Ts=0.13 MPa/m>0.1 MPa/m。放水后突水系数Ts=0.034 MPa/m<0.06 MPa/m，说明在放水试验结束后突水系数小于临界值。

由于采区西部边界存在F5、DF023正断层，对采区太灰水构成了相对隔水边界，使得28采区形成一个相对封闭的水文地质单元，太灰上段的主要补给来源来自采区范围内相邻含水层太灰下段的补给。

综上所述，28采区底板太灰渗透性条件较好，受采区边界的隔水控制作用，与相邻采区的水力联系不甚密切。太灰补给水源较为单一，并且恢复阶段水压恢复较慢，说明整个太灰水的补给条件有限，可疏降性明显。

4 采区疏降效果预测

在采区未采取工作面普注的情况下，为避免构造导水对工作面开采造成的不利影响，从偏安全角度出发，确定采区的预期疏降目标为疏降至煤层底板。

4.1 疏降方案设计

根据采区目前已有的实际工程布置情况，结合采区水文地质条件，并结合目前已有的放水孔，可考虑在采煤工作面以及主要工作面巷道形成前，利用已有的2801工作面底抽巷进行钻孔位置补充设计，设计水文孔如图9所示。共计补充施工4个放水孔，分别为F1～F4；观测孔G1与放水孔F4位于同一底抽巷中，大致为采区中心，其太灰观测水压的变化反映了采区水压的平均疏降效果。

图9 钻孔布置示意图

4.2 疏降效果预测

根据井群干扰叠加预测降深法，设平面上有n个任意分布的井同时工作，其流量分别是Q1、Q2、……Qn，任意点M的水头降深为：

(5)

式中：Q∑——n个井的总流量；

a——导压系数。

经简化可得：

(6)

采区中心(G1)位于采区平面位置的中心区域，底车场为采区最低点，水文孔分布如图10所示。

因此，当单孔有效疏放量为25～60 m3/h，整体疏降强度达到100～240 m3/h，群孔同时放水预测如下：

图10 水文孔分布图

图11 降深—时间变化趋势曲线

(1)采区中心疏降效果预测。采区工作面中心点的高程值代表采区的平均高程值，因此该区域煤层底板太灰水水压一定程度上地代表了采区平均水压值。根据非稳定流泰斯理论中的叠加降深计算方法，在不同疏降强度下的预测降深随时间发展趋势如图11所示。根据图11(a)可知，保持疏降总强度不小于100 m3/h的疏降强度下，可在一周左右时间实现28采区工作面底板太灰水压的显著疏降，甚至疏干。

(2)采区底车场疏降效果预测。底车场为采区最低点，因此，底板太灰水压的疏降决定了采区的整体疏降效果。根据图11(b)，底车场(采区最低点)疏降孔在保持总疏降强度不小于100 m3/h的疏降强度下，约在35 d左右将能够实现工作面底板太灰水的疏干，以利于煤层的安全顺利开采。

5 结论

(1)通过28采区放水试验，获取了疏降条件下太灰水的演化特征。在此基础上，进行水文地质求参，根据28采区的主要水文地质参数，初步分析28采区具有可疏降性。

(2)根据28采区边界的构造及水文地质条件以及放水试验数据，分析了28采区的地下水循环的规律，进一步表明整个车集矿28采区水文地质单元属相对独立，补给条件较差，具有较好的可疏降性。

(3)设计28采区预疏降方案，在整体等效疏降强度达到约100 m3/h左右的条件下，疏降周期可行、疏降效果明显，可实现28采区底板水害防治及工作面安全开采，并能够降低由于普注造成的吨煤成本过高的问题。