劉濤,李明建,曹保國(guó)

(1.棗莊市國(guó)土資源局,山東棗莊 277102;2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院,山東棗莊 277102;3.山東省武所屯生建煤礦,山東滕州 277521)

水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)

武所屯煤礦12煤老空積水區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)研究

劉濤1,李明建2,曹保國(guó)3

(1.棗莊市國(guó)土資源局,山東棗莊 277102;2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院,山東棗莊 277102;3.山東省武所屯生建煤礦,山東滕州 277521)

通過(guò)該礦12煤老空積水的疏放試驗(yàn),選取相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算了太原組12煤老空積水區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)——滲透系數(shù)、充水系數(shù);為滕北礦區(qū)類(lèi)似條件下的老空積水疏放提供了理論依據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)提出了利用集水廊道原理,擴(kuò)大鉆孔涌水量,節(jié)約工程費(fèi)用,提高疏放效率的工程設(shè)計(jì)方法。

防治;老空積水;水文地質(zhì)參數(shù);集水廊道;武所屯煤礦

武所屯煤礦位于滕縣煤田滕北礦區(qū),1976年建井,是該礦區(qū)開(kāi)發(fā)的第一對(duì)礦井,其他礦井多在其后10～20多年才開(kāi)始建設(shè)。因此對(duì)該礦井老空積水區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)的分析研究,不但可指導(dǎo)礦區(qū)探放水工作,而且對(duì)全礦區(qū)防治水工作、煤炭安全開(kāi)采具有重要的指導(dǎo)意義。該礦在八采區(qū)利用構(gòu)造帶和老巷的集水原理,僅用了2個(gè)鉆孔就疏放了12煤老空積水,解放了受其影響的14煤,實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

1 12煤水文地質(zhì)條件

滕北礦區(qū)面積445 km2,現(xiàn)有15對(duì)生產(chǎn)及在建礦井,武所屯礦位于這一平原隱伏型煤田的東南角,為埋藏最淺的礦井。其東、南兩邊界分別為莊里斷層(H>600 m)、張坡斷層(H>100 m),西、北部屬人為邊界,整體上為向NW傾斜的單斜構(gòu)造,伴有輕度褶曲起伏。井田內(nèi)主要可采煤層有12,14,16, 17煤層,現(xiàn)主采12,14煤層。根據(jù)多年水文地質(zhì)觀(guān)測(cè),12煤開(kāi)采的主要充水方式為頂板裂隙淋水,除1989年10月11日309工作面發(fā)生一次頂板突水外,生產(chǎn)中未發(fā)生大的淋涌水現(xiàn)象,水文地質(zhì)條件綜合評(píng)定為簡(jiǎn)單型,因此當(dāng)前該礦井防治水工作重點(diǎn)是老空積水[1,2]。12煤上覆第四系厚42～55 m,侏羅系砂礫巖厚0～212.5 m,其余為殘留的太原組煤系地層。12煤直接頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖,遇水后易泥化、崩解,因此12煤老空區(qū)的透水性比一般砂巖類(lèi)頂板要差些。

2 八采區(qū)積水及探放工作

2.1 八采積水區(qū)分析

八采區(qū)為該礦最淺的一個(gè)采區(qū),12煤層埋深80～115 m,煤厚平均1.17 m,于2002—2005年回采完畢,回采時(shí)頂板淋水較大。2007年布置14煤掘進(jìn)巷道,兩煤層之間為八灰,厚2.5～3.0 m。為了安全掘進(jìn),需要疏放上覆12煤層已開(kāi)采區(qū)中的老空水。根據(jù)在12煤采掘工程平面圖上標(biāo)繪的等高距為2 m的積水線(xiàn)圖分析,采區(qū)總體上為一向NW傾斜的單斜構(gòu)造、稍有起伏,采區(qū)中部有一隆起、幅度約小于10 m,軸向呈近EW向,成為采空區(qū)積水自流下泄的分水嶺。推斷積水線(xiàn)標(biāo)高-52 m,以此計(jì)算積水區(qū)面積10萬(wàn)m2?？紤]12煤頂板巖性,老空區(qū)充水系數(shù)暫取0.3,則積水量為3.51萬(wàn)m3。積水區(qū)內(nèi)12煤底板最低標(biāo)高-64.10m。

2.2 探放水情況

2.2.1 14802下順槽放水

根據(jù)對(duì)12煤老空積水線(xiàn)圖和14煤開(kāi)采設(shè)計(jì)的分析,確定探放水方案為在14煤最下部14802下順槽先放水,以期達(dá)到減少放水次數(shù)、擴(kuò)大放水面積、使上部其他巷道得以解放的目的。巷道掘進(jìn)至5號(hào)測(cè)點(diǎn),頂板開(kāi)始潮濕、掛汗,并出現(xiàn)少量淋滴水。實(shí)際測(cè)量巷道底板標(biāo)高-57.7 m,相應(yīng)12煤底板標(biāo)高約-53.0m。巷道前方45m處有一落差3.5m的正斷層,12煤回采時(shí)為過(guò)斷層留設(shè)了20 m保護(hù)煤柱,對(duì)盤(pán)下降,為12煤老空區(qū)。沿?cái)鄬犹蓭?2煤柱間的12806中順槽頂板垮落可能不充分,從而形成良好的集水廊道,是有利的放水位置。為此沿掘進(jìn)方向施工探水孔1個(gè),探深40 m,無(wú)水。經(jīng)研究,允許再掘進(jìn)30m,同時(shí)做好防排水措施。實(shí)際掘進(jìn)25 m時(shí)頂板出現(xiàn)淋水,停止掘進(jìn)。

在巷道迎頭設(shè)計(jì)探放水鉆孔1個(gè),孔口標(biāo)高-59 m,預(yù)計(jì)透水點(diǎn)12煤底板標(biāo)高-61.3 m。鉆孔于2007年5月18日出水,水壓0.056 M Pa,說(shuō)明積水線(xiàn)標(biāo)高為-53.4 m。為保證安全,利用閥門(mén)控制放水速度,放水量16.8 m3/h。5月24日,增加一臺(tái)水泵,按鉆孔最大排水量排水。上午9∶00將鉆孔閥門(mén)完全打開(kāi),出水量55 m3/h,11∶00水量為40 m3/h, 13∶00水量為38 m3/h。5月25日9∶00水量為32 m3/h,之后每天都系統(tǒng)測(cè)量鉆孔水量。6月17日鉆孔出水量降至3.7m3/h;7月16日后水量一直穩(wěn)定在3.0 m3/h,同時(shí)原12808溢水池水量由原來(lái)的2.5m3/h變?yōu)?.0 m3/h。說(shuō)明八采區(qū)動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量為4.0m3/h。

鉆孔出水量穩(wěn)定后說(shuō)明其疏干的積水面積也達(dá)到穩(wěn)定。經(jīng)計(jì)算疏干積水區(qū)面積為4.71萬(wàn)m2,排出總水量11 189m3,放出靜水量8 166 m3。剩余積水區(qū)面積5.2萬(wàn)m2,受12煤底板起伏和地質(zhì)構(gòu)造影響,分為2個(gè)積水區(qū)塊,西部積水線(xiàn)標(biāo)高-59 m,東部積水線(xiàn)標(biāo)高-56m。

2.2.2 14801下順槽放水

根據(jù)設(shè)計(jì)東部積水區(qū)影響14煤開(kāi)采,需要再次放水。于是在14801下順槽施工一個(gè)放水鉆孔,透入原12810中巷在14煤層位遺留的一段巷道,孔口標(biāo)高-57.2 m。8月2日鉆孔出水,初揭水量30 m3/ h,8月3日為22.5m3/h,8月12日減為5.4m3/h, 8月30日穩(wěn)定在4.0m3/h。受14801下放水影響, 14802下鉆孔出水量衰減至0.1m3/h,并逐漸干涸; 12808溢水池也逐漸干涸。此鉆孔成為八采區(qū)唯一的出水點(diǎn),再次說(shuō)明了八采區(qū)動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量為4.0 m3/h。此次放出靜水量3 554.4 m3,疏干積水面積2.03萬(wàn)m2。

至此14煤設(shè)計(jì)開(kāi)采范圍內(nèi)12煤老空積水已全部放出,可以實(shí)現(xiàn)14煤的安全掘進(jìn)及回采。

3 根據(jù)放水試驗(yàn)反演采空區(qū)充水參數(shù)

對(duì)采空區(qū)積水疏放前,準(zhǔn)確掌握積水標(biāo)高、預(yù)測(cè)積水量、制定合理的放水方案是成功放水的必要工作。在無(wú)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的條件下,一般采用規(guī)程或其他礦區(qū)經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算,往往誤差較大。由于采空區(qū)積水性與煤層頂?shù)装鍘r性、采厚以及開(kāi)采方式相關(guān),及時(shí)總結(jié)計(jì)算相關(guān)參數(shù),對(duì)新區(qū)防治水具有重要意義[3,4]。八采區(qū)放水過(guò)程中對(duì)全區(qū)各出水點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)觀(guān)測(cè)記錄,建立臺(tái)賬。分別在出水點(diǎn)用容積法、在排水溝上用流速法、在水倉(cāng)用電子流量計(jì)法進(jìn)行觀(guān)測(cè),還應(yīng)用了礦井水文自動(dòng)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證,較為準(zhǔn)確地獲得了流量、水位等基本數(shù)據(jù)。

3.1 流量過(guò)程線(xiàn)特征

5月24—6月24日14802下放水鉆孔自然狀態(tài)下流量過(guò)程見(jiàn)圖1。曲線(xiàn)第一段為5月24—29日,流量線(xiàn)呈拋物線(xiàn)型,衰減迅速,反映了放水點(diǎn)空間較大,透水性良好的賦水條件。曲線(xiàn)符合水桶底部放水理論,可用方程Q=KF2gh描 述。式中K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),一般取0.6～0.8,F為出水孔面積,g為重力加速度,h為水頭高度,是時(shí)間的函數(shù),為變量,因此Q隨時(shí)間的增長(zhǎng),水頭降低,水量變小。這與該孔位于斷層跳采帶并聯(lián)通有煤柱支撐的巷道位置有關(guān)。鉆探也證明煤壁處突然有0.6 m的鉆桿突然進(jìn)入,類(lèi)似掉鉆現(xiàn)象,這之后變硬,鉆孔返出煤粉、木屑等雜物。

圖1 14802下放流量變化曲線(xiàn)圖

5月30—6月1日,水量穩(wěn)定在10.5 m3/h,相當(dāng)于含水層抽水過(guò)程中出現(xiàn)的穩(wěn)定段,接近于穩(wěn)定滲流理論,說(shuō)明排水形成的“大井”與周?chē)a(bǔ)給量達(dá)到暫時(shí)平衡,其出水量與含水層透水性能有關(guān),因此可以此計(jì)算采空區(qū)這一特殊含水層的滲透性參數(shù)。6月1日以后流量開(kāi)始逐步減小,說(shuō)明含水層水位降落已接近到積水區(qū)的下邊界,補(bǔ)給量小于出水量。6月17日降為3.7m3/h,7月16日開(kāi)始穩(wěn)定在3.0 m3/h,表明疏干區(qū)擴(kuò)大并趨于穩(wěn)定。其他出水點(diǎn)水量觀(guān)測(cè)也證明這一結(jié)論,如14802中巷7號(hào)測(cè)點(diǎn)淋水5月30日干涸;12808上反水池流量6月1日開(kāi)始下降并逐步減小,7月16日后穩(wěn)定在1.06m3/h。說(shuō)明該區(qū)出水量與動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量達(dá)到平衡。

3.2 采空區(qū)富水性參數(shù)

3.2.1 充水系數(shù) K

這是評(píng)價(jià)采空區(qū)富水性的基本參數(shù)。放水前根據(jù)該礦12煤頂板巖性,選用了規(guī)程推薦系數(shù)(0.3～0.5)的下限0.3,預(yù)算了積水區(qū)水量。14802下放水量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)排出總水量11 189 m3,其中靜水量8 166m3,疏干面積4.71萬(wàn)m2。取平均煤厚1.17 m,根據(jù)Q=K·F·M計(jì)算(Q為積水量;K為充水系數(shù);F為采空區(qū)面積m2;M為采煤厚度m),K= 0.15。同樣計(jì)算14801下放水孔資料可得,K= 0.152,二者比較一致。二次放水平均充水系數(shù)0.15。

三采區(qū)12煤老空積水區(qū)2001年施工9個(gè)放水鉆孔,放水11個(gè)月,累計(jì)放水量13.4萬(wàn)m3,最后出水點(diǎn)流量穩(wěn)定在6.5m3/h。減去11個(gè)月的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給,則放出靜水量8.16萬(wàn) m3。該采區(qū)煤厚平均1.30m,疏干水平-132.3～-153.0 m,水壓 0.21 M Pa,面積327 606m2,則 K值為0.192。

由此可知,對(duì)于該礦12煤采空區(qū)充水系數(shù)為0.15～0.20之間,遠(yuǎn)小于一般的經(jīng)驗(yàn)值。分析原因認(rèn)為,該礦12煤實(shí)測(cè)冒裂帶高度為采厚的20倍,一般在20～30m之間,而該區(qū)積水高度最大為10.5 m,小于礦區(qū)冒裂帶高度,但已經(jīng)大于垮落帶高度。隨著積水高度增加,積水系數(shù)略增大。綜合分析認(rèn)為滕北礦區(qū)12煤沉積環(huán)境相同,頂板巖性變化不大,在緩傾斜、炮采、全冒法頂板管理?xiàng)l件下采空區(qū)充水系數(shù)確定為0.15～0.30較為恰當(dāng)[5]。當(dāng)積水水頭高度小于10m時(shí)取0.15,高度10～20 m時(shí)取0.20,高度大于20 m時(shí)取0.3。

3.2.2 采空區(qū)滲透系數(shù) K1

采空區(qū)頂板垮落充水后相當(dāng)于形成一個(gè)人工含水層,其透水性能可用含水層滲透系數(shù) K1表示,這是水文地質(zhì)計(jì)算的重要參數(shù)。根據(jù)14802下放水曲線(xiàn)分析,其穩(wěn)定段可用含水層穩(wěn)定流理論公式進(jìn)行描述。根據(jù)放水孔位置和采區(qū)構(gòu)造分析,其邊界開(kāi)采條件為,鉆孔放水點(diǎn)位于積水線(xiàn)(可視為隔水邊界)南側(cè)48m處,對(duì)于5月30日監(jiān)測(cè)的影響范圍而言,其他方位相當(dāng)于無(wú)限邊界;14802中巷7號(hào)測(cè)點(diǎn)淋水相當(dāng)于一個(gè)水位觀(guān)測(cè)點(diǎn)。鉆孔聯(lián)通的巷道長(zhǎng)度L為20m,概化為引用半徑 r0=L/4=5 m,選用地下水直線(xiàn)隔水邊界,潛水(無(wú)壓)含水層計(jì)算模型,則

Q—5月30日上午9點(diǎn)穩(wěn)定流量為10.5 m3/h;R—影響半徑;H—放水點(diǎn)12煤底板以上積水水頭高度7.9m;S—水位降深,分別取放水孔處 S0=5.6 m, 14802中降深 S1=1 m;d—放水點(diǎn)中心到積水線(xiàn)(隔水邊界)距離48 m;r—引用半徑(分別取放水巷道r0=5m,放水點(diǎn)到14802中觀(guān)測(cè)點(diǎn)距離r1=115 m,由將5月30日同一時(shí)間的 r0,r1,S0,S1代入上式可聯(lián)解得

由計(jì)算可知,該區(qū)12煤采空區(qū)正常塌落區(qū)的透水能力僅相當(dāng)于細(xì)砂—中砂的經(jīng)驗(yàn)值(5～20 m/d)。說(shuō)明采空區(qū)經(jīng)壓實(shí)后的透水能力較弱,遠(yuǎn)非想象中的大裂隙或巖溶通道,這也是在進(jìn)行采空區(qū)放水時(shí)鉆孔流量變異性很大的原因。如果鉆孔處在正常采空區(qū)放水,因有效鉆孔孔徑 r0很小(一般孔徑<0.1 m),則鉆孔涌水量也很小,產(chǎn)生所謂“有壓無(wú)水、高壓少水”現(xiàn)象。如果要擴(kuò)大單孔放水量,必須充分利用巷道系統(tǒng)或孤島煤柱、構(gòu)造、跳采帶等支撐形成的未充分垮落區(qū)來(lái)擴(kuò)大透水能力,加大有效集水工程(巷道、鉆孔等)斷面,事實(shí)上是利用“集水廊道”原理擴(kuò)大放水效果。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)八采區(qū)老空積水疏放的實(shí)踐,為其下伏14煤層的安全掘進(jìn)和開(kāi)采創(chuàng)造了條件。

(2)該礦七采區(qū)上部煤層受四采區(qū)老孔積水的影響,需要得到疏放,通過(guò)研究總結(jié),為解放受采空區(qū)積水影響的七采區(qū)煤層提供經(jīng)驗(yàn)和參數(shù),對(duì)其研究和制定綜合防治水方案具有重要意義。

(3)通過(guò)放水觀(guān)測(cè),首次獲得了滕北礦區(qū)12煤采空區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)“充水系數(shù) K和滲透系數(shù)K1”,為礦區(qū)及其他類(lèi)似條件下采空區(qū)積水疏放、鉆孔設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

(4)從理論上說(shuō)明了老空區(qū)放水常出現(xiàn)的“有壓無(wú)水、高壓少水”現(xiàn)象的原因,提出了用“集水廊道”原理充分利用原巷道和構(gòu)造條件擴(kuò)大單孔放水量,提高疏干效率的方法。

[1] 柴登榜.礦井地質(zhì)工作手冊(cè)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1984.

[2] 淮南煤炭學(xué)院.礦井地質(zhì)及礦井水文地質(zhì)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1985.

[3] 馮家元,孫震,焉德斌,等.淺談大隆礦區(qū)老空水綜合防治[J].煤礦安全,2007,(4):23-25.

[4] 王書(shū)榮,崔偉宏,張民.滕州郭莊煤礦十二采區(qū)第十下層灰?guī)r水賦存規(guī)律及涌水量預(yù)測(cè)[J].山東國(guó)土資源,2009,25(8):34-36.

[5] 國(guó)家煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2009.

Study on Hydrogeological Parameters in Working-out Section of No.12 Coal Setion in Wusuotun Coal M ine

L IU Tao1,L IM ingjian2,CAO Baoguo3
(1.Zaozhuang Bureau of Land and Resources,Shandong Zaozhuang 277102,China;2.Shandong Provincial Planning and Surveying Institute of Coal Geology,Shandong Zaozhuang 277102,China;3.Wusuotun Production and Construction Coal M ine,Shandong Tengzhou 277521,China)

Through draining water p ractice of No.12 coal section in W usuotun coalmine,choosing relative mathematicalmodel,hydrogeological parameters including hydraulic conductivity and water filling coefficient of working-out section of No.12 coal seam were calculated in this paper.The research results can p rovide theoretical foundation for draining water from the working-out section to the coal mine w ith the same condition in Tengbei mining area.By using the theory of drainage galleries,an engineering design method wasput forward in thispaper.It can imp rove the flow rate of well,the efficiency of water drainage and save engineering cost.

Water management;w ater in goaf;hydrogeological parameters;drainage galleries;W usuotun coalmine

book=23,ebook=199

TD742+.2

A

2009-09-16;

2010-05-25;編輯:陶衛(wèi)衛(wèi)

作者簡(jiǎn)介:劉濤(1983—),男,山東棗莊人,工程師,主要從事煤礦水文地質(zhì)工作;E-mail:zzkckfk@126.com。