曹家滩煤矿综放开采顶板涌水机理及涌水量预测

2023-08-03马留柱

能源与环保 2023年7期

马留柱

(中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西西安 710077)

近年来,随着榆神矿区的大规模开发,矿区水文地质条件以及相关理论研究较多,主要涉及覆岩特征[1-3]、含水层富水性[4]、水化学分布规律[5],范立民[6-7]提出的保水采煤相关科学内涵及其配套采煤工艺,过沟开采两带发育规律[8],突水溃砂相关理论[9],植物根系生长所需的生态条件等[10]。

曹家滩煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆神矿区中部,煤炭资源储量大,煤质优,生态环境脆弱,水文地质条件复杂。井田面积约108.5 km2,生产能力为17 Mt/a,122 109工作面为矿井首个综放工作面,主采延安组2-2煤层,煤厚11.6～12.7 m。由于煤层厚度大,开采强度大,导水裂隙带将波及煤层顶板上覆多层含水层,水害威胁较大。鉴于矿井首次进行厚煤层综放开采,开展工作面水文地质条件研究,预测涌水量、分析涌水机理,对工作面安全回采具有重要意义。

1 工作面概况

曹家滩煤矿122109工作面采宽300 m,走向长度6 000 m,地貌为黄土梁峁、风沙滩地以及沙丘沙地,地表水系不发育。2-2煤层上覆主要含水层由新到老:萨拉乌苏组孔隙潜水含水层、风化基岩承压含水层、直罗组裂隙承压含水层、延安组第五段裂隙承压含水层。安定组和保德组红土层为相对隔水层[11-12]。

2 工作面顶板水文地质条件分析

2.1 顶板含水层特征

(1)萨拉乌苏组孔隙潜水含水层。工作面内萨拉乌苏组含水层厚度5～45 m,切眼处厚度较大,向终采线方向逐渐变薄(图1)。据抽水试验,含水层单位涌水量0.014 12～0.586 40 L/(s·m),渗透系数0.182 76～5.137 51 m/d,富水性弱—中等。

图1 萨拉乌苏组含水层厚度等值线Fig.1 Contour of aquifer thickness of Salawusu Formation

(2)风化基岩含水层。工作面内顶板风化基岩厚度为14～29 m,东薄西厚,工作面中部最厚,停采线方向最薄(图2)。含水层单位涌水量0.024 15～0.048 18 L/(s·m),渗透系数0.192 00～0.564 13 m/d,富水性总体较弱。

图2 风化岩含水层厚度等值线Fig.2 Contour of aquifer thickness of weathered rock aquifer

(3)直罗组含水层。含水层厚度11.70～90.58 m,平均42.23 m,裂隙不发育,厚度分布不均一(图3)。单位涌水量0.006 803～0.036 200 L/(s·m),渗透系数0.032 044～0.105 231 m/d,富水性弱。

图3 直罗组地层厚度等值线Fig.3 Contour of aquifer thickness of Zhiluozu Formation

(4)延安组含水层。含水层厚度为1.50～71.34 m,平均厚度32.21 m(图4)。单位涌水量0.000 212～0.006 130 L/(s·m),渗透系数0.000 51～0.046 37 m/d,富水性弱。

图4 延安组五段地层厚度等值线Fig.4 Contour of aquifer thickness of the fifth member of Yan′an Formation

2-2煤层上覆各含水层在一定程度上接受大气降水补给,造成其水质类型相近(表1)。尽管上覆保德组红土为相对隔水层,但风化基岩水质表现为低矿化度、弱碱性、重碳酸钙型水。萨拉乌苏组含水层水渗入基岩裂隙时,因Ca2+吸附于岩石裂隙表面的能力较强,Ca2+置换岩石中的Na+,使地下水中Na+增多。说明区内存在保德组红土变薄区,局部萨拉乌苏组含水层与风化基岩含水层存在微弱的水力联系。

表1 矿井12盘区西翼煤层顶板含水层抽水试验成果Tab.1 Water-pumping test results table of coal seam roof aquifer in west wing of 12 mining area

2.2 顶板含水层富水性探查

122 109工作面采掘活动的直接充水水源为风化基岩、直罗组及延安组含水层水。探查顶板含水层富水性,可为采前预疏放提供设计依据,亦能掌握充水强度[13-15]。

2019年6月30日—7月27日,完成12盘区西翼地面瞬变电磁法勘探。风化岩底界附近低阻异常区平面分布如图5所示。从图5可知,工作面平面范围内有3处顶板风化基岩含水层富水异常区,F-2异常区靠近工作面回撤通道、F-3异常区位于工作面中部、F-4异常区位于工作面切眼附近,叠加物探异常区与风化基岩厚度等值线,发现这3个异常区均与风化基岩厚度明显呈正相关关系,即风化基岩越厚,富水性越强。

图5 风化岩底界附近低阻异常区平面分布Fig.5 Low resistivity abnormal area near the bottom boundary of weathered rocks

异常区与底界起伏形态对比如图6所示。从图6可以看出,青、蓝色的低阻异常区大体分布在南部以及东北部位置,范围较大且异常较强,对比风化岩底界的起伏形态来看,异常区大都分布在相对低洼位置处。

图6 风化岩底界异常区与底界起伏形态对比Fig.6 A comparison of the abnormal area and undulation pattern of the bottom boundary of weathered rock

直罗组底界附近低阻异常区平面分布如图7所示。从图7可以看出,工作面平面范围内有3处直罗组含水层富水异常区,均集中在工作面中部区域,编号分别为Z-2、Z-4、Z-5,叠加物探异常区与直罗组厚度等值线,亦发现同样的规律,即异常区与地层厚度明显呈正相关关系。

图7 直罗组底界附近低阻异常区平面分布Fig.7 Low resistivity abnormal area near the bottom boundary of Zhiluozu Formation

将直罗组由深至浅3个层位的低阻异常区平面分布图组合成立体展布图(图8),从图8可以看出,纵向上由浅至深异常区由青色、浅蓝色逐渐加深为蓝色,表明直罗组地层的异常区主要集中在直罗组底界以及中部附近,且据井下实际钻孔揭露情况,直罗组底界及中部砂岩含水层富水性较强。

图8 直罗组低阻异常区立体分布与水文地质剖面对比Fig.8 The stereoscopic distribution of low resistance anomaly area in Zhiluo Formation and its hydrogeological profile

工作面平面范围内有3处延安组含水层富水异常区。2M50-3号异常区在工作面中部回风巷,2M50-4号异常区位于工作面东部回风巷,2M50-5号异常区位于工作面回撤通道附近(图9),这3个异常区与地层厚度线性关系不显著,亦表明该含水层富水性弱。

图9 2-2煤顶板延安组低阻异常区平面分布Fig.9 Low resistivity abnormal area of Yan′an Formation in coal roof

3 导水裂隙带发育高度实测

根据曹家滩煤矿施工的LD-1、LD-2、LD-3、LD-4两带探查钻孔(表2、表3),结果表明122 109工作面采用综放开采工艺,导水裂隙带高度为215.01 m,裂采比取为19.88,已发育至风化基岩含水层。

表2 钻孔冲洗液漏失量测试导水裂隙带高度结果Tab.2 Result of testing leakage of drilling flushing fluid and testing height of water conducting fracture zone

表3 钻孔电视探测导水裂隙带高度结果Tab.3 The result of borehole TV detecting the height of water conducting fracture zone

4 工作面涌水量预测

122109工作面回采过程中煤层顶板直接充水含水层主要有3层:延安组砂岩孔隙承压含水层、直罗组砂岩孔隙承压含水层、风化基岩裂隙承压含水层。工作面涌水量预测需考虑这3层含水层。

采用动静态水结合法预测122109工作面涌水量。122109工作面涌水量主要由2部分组成,第1部分为顶板垮落冒裂带发育至含水层后,导致冒裂带影响范围内的含水层与周边含水层被导水裂隙断开,使其内部的水通过裂隙流入到工作面内,这部分水因为与原来的含水层脱离,不接受侧向补给,属静态水。第2部分为顶板垮落后,冒裂带周边未受开采影响的含水层,沿冒裂边界侧向径流源源不断地流入到工作面内,该部分水量主要由冒裂带顶部含水层的垂直下渗补给和冒裂区四周含水层的侧向径流补给2部分组成,属动态水。

4.1 计算公式

静态水计算公式:

(1)

式中,M为含水层厚度;L为工作面斜长;B为初次沟通主要含水层垮落区宽度;μ为含水层给水度;t为最终完成溃水时间。

动态水计算公式:

(2)

式中,Q动为动态补给涌水量;K为渗透系数;M为含水层厚度;H为水头高度;R0为引用影响半径;r0为引用半径。

矿坑所在含水层均质无限分布,天然水位近似水平,因此引用影响半径R0可采用如下式计算:

(3)

式中,S为水位降深值;F为开采区面积。

将两部分水量相加,即可得出122109工作面水量计算公式:

(4)

4.2 参数选取

延安组含水层水头高度262.6 m、渗透系数0.003 114 8 m/d、含水层厚度54.4 m。直罗组含水层水头高度170.5 m、渗透系数为0.029 304 5 m/d、含水层厚度49.5 m。风化基岩含水层水头高度91.6 m、渗透系数0.193 562 5 m/d、含水层厚度16.2 m。

工作面采宽取300 m,采长取6 000 m,初次沟通含水层垮落区宽度取32 m,周期性沟通含水层垮落区宽度为18 m。含水层给水度取0.015(参照规范选取),地下水渗流时间和最终完成溃水时间均取3日(参照区内临近及条件类似矿井数据)。计算结果表明工作面正常涌水量为610 m3/h、最大涌水量为823.5 m3/h,预测结果与实际涌水量非常接近,说明此预测方法合理,可应用于其他工作面涌水量预测。

5 工作面涌水机理

122109工作面煤厚稳定,平均为12.2 m,综放开采采厚相近,煤层顶板距直罗组底界平均为76 m,距离第四系萨拉乌苏组含水层底界面超过300 m,直罗组与萨拉乌苏组之间夹114 m厚的新近系保德组红土层和离石组黄土层隔水层,距安定组底界面风化基岩含水层平均190 m。依据导水裂隙带发育高度为215.01 m,122109工作面回采过程中,工作面充分开采导水裂隙带会穿透风化基岩含水层进入隔水层,可见延安组含水层、直罗组含水层、风化基岩含水层是工作面直接充水水源,萨拉乌苏组含水层为间接充水水源。

物探探查发现122109工作面中西部直罗组底界存在强富水异常区,工作面中部风化基岩存在相对强富水异常区,工作面停采线附近存在风化基岩强富水区。工作面涌水量动态曲线如图10所示。从图10可看出,工作面推采至直罗组和风化基岩异常区时,涌水量均有大幅上升趋势,尤其是进入风化基岩富水异常区,涌水量增加幅度较为显著,可见针对风化基岩含水层富水异常区,采取提前预疏放措施可实现减小工作面涌水的效果。

图10 工作面涌水量动态曲线Fig.10 Dynamic curve of water inflow at working face

煤层埋深约320 m,按照1.2倍计算充分采动距离,即工作面推采至384 m时达到充分采动,导水裂隙带发育至最大高度,工作面推采至384～6 000 m时,风化基岩含水层、直罗组含水层、延安组含水层已全部参与工作面涌水。工作面推采至300 m以前,涌水量<200 m3/h;推采至1 200 m以前,涌水量<300 m3/h;推采至2 000 m以前,涌水量<400 m3/h;推采至2 000～6 000 m,涌水量为200～950 m3/h,总体涌水量较小。