云崗礦采煤工作面底板巨厚層涌水量預(yù)測(cè)分析

寧曉曼

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦地質(zhì)測(cè)量部，山西 大同 037000）

1 云崗礦概況

云崗礦位于山西省大同市西部，于1966年11月正式投入生產(chǎn)，核定生產(chǎn)能力為270萬t/a，服務(wù)年限為17a。云崗礦地層發(fā)育按從老到新排列依次為三疊系、侏羅系、白堊系、上第三系以及第四系。侏羅系中下統(tǒng)的延安組為含煤地層，平均厚度為65.33 m，最大厚度為110.58 m。5號(hào)煤層為可采煤層，平均厚度為11.58 m，最大厚度為23.98 m，厚度整體呈中間積薄，兩側(cè)逐漸沉積加厚。5號(hào)煤層構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷層較少，含煤地層變化較小，產(chǎn)狀傾角小，趨近于水平。云崗礦地下水補(bǔ)給主要來自地下水補(bǔ)給，以滲入補(bǔ)給為主，徑流受地形影響較大，與地形起伏一致，其水排泄主要以涌水量排泄為主，小部分向外圍移動(dòng)。

對(duì)云崗礦進(jìn)行精細(xì)探查發(fā)現(xiàn)，之前認(rèn)為研究地層以中粗砂巖為主，缺乏穩(wěn)定隔水層結(jié)論錯(cuò)誤，洛河組可進(jìn)行上段與下段分層。5號(hào)煤層大尺度結(jié)構(gòu)為“弱-硬-弱-硬”復(fù)合型，其具體厚度數(shù)值與結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大尺度頂板結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

2 覆巖破壞高度測(cè)算

覆巖破壞高度的影響因素主要包括上覆巖層巖性、地質(zhì)構(gòu)造以及煤炭開采過程三方面。其中，覆巖層巖性通?？煞譃檐浫?軟弱性、堅(jiān)硬-堅(jiān)硬型、堅(jiān)硬-軟弱型以及軟弱-堅(jiān)硬型四類。同等條件下，覆巖層的巖性硬度越高，破壞高度越大，硬度越低，破壞高度越??；地質(zhì)構(gòu)造的影響主要是對(duì)覆巖層的力學(xué)參數(shù)影響，同等開采條件下，地質(zhì)構(gòu)造越復(fù)雜，使得覆巖層力學(xué)參數(shù)越低，裂隙發(fā)展越為劇烈，裂縫帶高度越高；煤炭開采過程的影響主要是指煤炭開采厚度、方法、開采走向以及長(zhǎng)度、頂板管理方案以及持續(xù)時(shí)間等因素對(duì)破壞高度的影響。合理的煤炭開采過程可有效減少覆巖層破壞，同樣，不科學(xué)的煤炭開采會(huì)加劇導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育，增加破壞高度。煤炭開采厚度與工作面推進(jìn)速度是研究破壞高度的基礎(chǔ)指標(biāo)，煤炭開采厚度與覆巖層破壞高度呈正比關(guān)系，工作面推進(jìn)速度與覆巖層破壞高度呈反比關(guān)系。對(duì)云崗礦進(jìn)行覆巖破壞高度測(cè)算本文采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與模擬的方法[1]。分別對(duì)8409、8401工作面進(jìn)行地面鉆孔探查。

2.1 8409工作面探查

8409工作面施工TC2鉆孔，采前與采后巖性破碎以及沖洗液消耗多少結(jié)合彩色鉆孔窺視系統(tǒng)結(jié)果即可分析出導(dǎo)水裂縫高度。TC2鉆孔在224 m與233 m的孔深時(shí)進(jìn)行了彩色鉆孔窺視，其照片結(jié)果如圖2所示。

圖2 彩色鉆孔窺視照片結(jié)果示意圖

由窺視照片可知，221.9 m處發(fā)現(xiàn)較大裂隙發(fā)育，233.7與224.6處發(fā)現(xiàn)縱向與橫向裂隙。綜合沖洗液消耗量以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地情況，在221.9處鉆孔出現(xiàn)破碎，鉆孔向下裂隙發(fā)育更為明顯，在240.8 m處鉆孔發(fā)生變形，窺視系統(tǒng)被卡住。取鉆孔深度221.94 m為導(dǎo)水裂隙頂點(diǎn)，標(biāo)高為+899.94 m，頂部裂縫發(fā)育為+677.98 m，距離5號(hào)頂板為254.04 m，TC2鉆井5號(hào)煤厚度為9.2 m，裂采比數(shù)值約為28倍。因此，可得導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度數(shù)值為254.04 m[2]。

2.2 8401工作探查

8401工作面施工D1與D22個(gè)鉆孔。通過電視探測(cè)與沖洗液消耗量法結(jié)合涌水量確定導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度。運(yùn)用沖洗液消耗量法測(cè)得導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度為135.2 m，為23倍的采厚。電視探測(cè)方法測(cè)得數(shù)值為138.7 m，為23倍采厚。由于裂縫中垂直裂隙較多，部分垂直裂隙不具有導(dǎo)水性，沖洗液消耗量法運(yùn)用清水鉆進(jìn)的原理，故沖洗液消耗量法測(cè)量數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確[3]。

對(duì)上述2個(gè)工作面測(cè)算數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，8401工作面TC2鉆孔處采厚為9.2 m，導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度為254.04 m，裂采比數(shù)值約為28倍。8401工作面采厚為6 m，導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度為135.2 m，裂采比數(shù)值約為23倍。

2.3 覆巖破壞高度模擬

本文采用的覆巖破壞高度模擬方法為相似材料模擬以及數(shù)值模擬。其中，相似材料模擬主要是通過研究對(duì)象的具體力學(xué)參數(shù)以及相關(guān)地層數(shù)據(jù)按照幾何相似、等比縮小的方法進(jìn)行模型建立，并通過模擬實(shí)際開采過程從而研究破壞高度。經(jīng)分析，2 800 mm×1 400 mm×200 mm模型較為適合；數(shù)值模擬采用UDEC離散單元法程序依據(jù)地質(zhì)條件、水文條件進(jìn)行覆巖層數(shù)值分析。模擬成果見表1，表中模擬成果為導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度/裂采比。

表1 覆巖破壞高度模擬成果

由表可知，不同的預(yù)測(cè)方法所得的導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度也不同，主要原因3種方法都存在一定的實(shí)驗(yàn)誤差；云崗礦所屬的“軟弱-堅(jiān)硬-軟弱-堅(jiān)硬”覆巖結(jié)構(gòu)使煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育較高，且裂縫帶發(fā)育程度與采厚呈正比；當(dāng)煤層采厚為6、9 m時(shí)，洛河組下段會(huì)受影響，使采煤工作面受洛河組水害。

3 多種方法涌水量預(yù)測(cè)分析

3.1 傳統(tǒng)大井法涌水量預(yù)測(cè)

傳統(tǒng)大井法是涌水量預(yù)測(cè)較為常用的一種方法，具有方便、快捷、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。傳統(tǒng)大井法是將礦井排水系統(tǒng)類似的看成以巷道系統(tǒng)為中心的降落漏斗，將其分布范圍假設(shè)為大井，利用水動(dòng)力公式進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)。8409工作面長(zhǎng)度為1 485 m，寬度為204 m，5號(hào)煤層到洛河組含水層厚度為112 m，采厚為7.3 m，裂采比為19.3～28倍，裂縫帶高度為202.8 m。5號(hào)煤層中直接充水含水層、直羅組砂巖含水層、延安組砂巖含水層為無線承壓含水層，當(dāng)承壓水頭隨著巷道開拓以及水的疏排下降到含水層頂下后，承壓則會(huì)轉(zhuǎn)為無壓，故傳統(tǒng)大井法涌水量預(yù)測(cè)選用承壓轉(zhuǎn)無壓公式進(jìn)行計(jì)算，其具體計(jì)算公式為：

其中，Q為涌水量（m3/d）；k為滲透系數(shù)（m/d）;M為含水層厚度（m）；S為水位降深（m）；H為水頭高度（m）；R為引用影響半徑（m）；r為引用半徑（m）。

實(shí)際計(jì)算過程中，需對(duì)侏羅系與洛河組下段進(jìn)行分別涌水量預(yù)測(cè)，各參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 涌水量預(yù)測(cè)各參數(shù)及計(jì)算結(jié)果表

因此，傳統(tǒng)大井法預(yù)測(cè)涌水量為197 m3/d。

3.2 倒置非完整大井法涌水量預(yù)測(cè)

3.2.1 地質(zhì)概化模型建立

云崗礦大井頂部存在進(jìn)水現(xiàn)象發(fā)生，故傳統(tǒng)的大井法無法適用，需進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。云崗礦隨著開采活動(dòng)的進(jìn)行，覆巖會(huì)發(fā)生移動(dòng)和變化，導(dǎo)水裂縫會(huì)向上發(fā)育形成“馬鞍狀”形態(tài)。頂部雖有凹陷，但可忽略，近似為平面。覆巖的破壞使得導(dǎo)水裂縫滲透系數(shù)大增，故需將大井法改進(jìn)為將導(dǎo)水裂縫概化為非完整井，大井應(yīng)倒置，且進(jìn)水部位為頂部[4]。運(yùn)用倒置非完整大井法進(jìn)行地質(zhì)概化模型建立如圖3所示。其中，巨厚洛河組含水層的頂部與底部為隔水邊界，左右兩邊為定水頭邊界。導(dǎo)水裂縫帶會(huì)對(duì)水流方向造成影響，水流會(huì)向大井匯流。由于垂直向大井的滲透系數(shù)相比于其他位置的滲透系數(shù)相差較多，故可近似看作水是由大井邊界直接流向工作面采空區(qū)，邊界兩側(cè)的地下水可忽略不計(jì)。模型中兩側(cè)的邊界可看作為定水頭邊界，整個(gè)水流場(chǎng)看作以大井軸線為中心的軸對(duì)稱坡面流。

圖3 倒置非完整大井法地質(zhì)概化模型示意圖

3.2.2 涌水量預(yù)測(cè)分析

由圖3可知，巨厚洛河組含水層可分為上段與下段2段導(dǎo)水裂縫帶。上段的導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)水量計(jì)算公式[5]為：

式中：Q為倒置非完整大井法頂部進(jìn)水量（m3/h）；K為滲透系數(shù)（m/h）；S為過水?dāng)嗝婷娣e（m2）；H1為半徑外圍定水頭高度（m）；H2為大井邊界定水頭高度（m）；R為流線半徑（m）；r為非完整大井引用半徑（m）；M為含水層未波及厚度（m）。

下段井壁進(jìn)水量計(jì)算公式為：

式中：Q為倒置非完整大井法井壁進(jìn)水量（m3/h）；K為滲透系數(shù)（m/h）；M為含水層波及厚度（m）；H1為半徑外圍定水頭高度（m）；H2為大井邊界定水頭高度（m）；R為流線半徑（m）；r為非完整大井引用半徑（m）。

云崗礦巨厚洛河組含水層上段平均厚度為112 m，采厚平均約為7 m，滲透系數(shù)具體為0.017 8 m/h，下段平均厚度為100 m，水位降深為101.1 m。由覆巖破壞高度測(cè)算可知，巨厚洛河組含水層裂采比取最大值為28倍，導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度為254.04 m，洛河組進(jìn)入為91 m，未完全貫穿，含水層未波及厚度為8.81 m。將數(shù)據(jù)代入上述公式，并將上段導(dǎo)水裂縫帶涌水量與下段導(dǎo)水裂縫帶涌水量相加可得，涌水量為320 m3/h。

3.3 數(shù)值法涌水量預(yù)測(cè)

通過數(shù)值法是利用EFLOW軟件進(jìn)行云崗礦地下水三維模型數(shù)值模擬預(yù)測(cè)，數(shù)值法采用的是離散化的方法進(jìn)行數(shù)學(xué)模型求解，預(yù)測(cè)結(jié)果為近似值。數(shù)值法是將研究區(qū)域分割為幾乎均質(zhì)的規(guī)則單元體，然后運(yùn)用地下水測(cè)流表達(dá)式進(jìn)行均質(zhì)問題求解。運(yùn)用EFLOW軟件對(duì)工作面進(jìn)行抽水井與最小水頭限制設(shè)置，模擬疏干排水過程，當(dāng)含水層水位下降到實(shí)際監(jiān)測(cè)水位后，利用水均衡模塊進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)，其流場(chǎng)圖如圖4所示。

圖4 數(shù)值法涌水量預(yù)測(cè)流場(chǎng)圖

經(jīng)水均衡計(jì)算分析可得，地下水預(yù)測(cè)涌水量為331 m3/h。

4 預(yù)測(cè)涌水量與實(shí)際涌水量對(duì)比分析

經(jīng)測(cè)算，實(shí)際涌水量為290 m3/h，與預(yù)測(cè)涌水量較為相近，其誤差率大約為10.34 %，較為符合涌水量預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。為證明該方法較為準(zhǔn)確，本文對(duì)運(yùn)用傳統(tǒng)大井法和數(shù)值法的涌水量預(yù)測(cè)與本方法進(jìn)行了對(duì)比分析，其具體數(shù)值見表3。通過表格數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)大井法和數(shù)值法涌水量預(yù)測(cè)與本方法數(shù)值相近，但其相對(duì)誤差比本方法高，本方法最為適合云崗礦涌水量預(yù)測(cè)分析。

表3 多方法涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

云崗礦頂板水害事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響企業(yè)安全高效生產(chǎn)。經(jīng)分析，水害發(fā)生的主要原因在于云崗礦進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)時(shí)，將含水層視為一個(gè)整體進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)分析，未考慮到上段與下段具有分層特性，使得涌水量預(yù)測(cè)分析數(shù)值與實(shí)際數(shù)值相差較大。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文進(jìn)行了針對(duì)性分析研究并得出以下結(jié)論：

1）云崗礦5號(hào)礦井大尺度結(jié)構(gòu)為“弱-硬-弱-硬”復(fù)合型，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行覆巖破壞高度測(cè)算，8409工作面TC2鉆孔處采厚為9.2 m，導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度為254.04 m，裂采比數(shù)值約為28倍。8401工作面采厚為6 m，導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度為135.2 m，裂采比數(shù)值約為23倍。

2）運(yùn)用多種方法進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，倒置非完整大井法對(duì)云崗礦涌水量預(yù)測(cè)最為準(zhǔn)確，預(yù)測(cè)涌水量為320 m3/h，與實(shí)際測(cè)算的290 m3/h相差30 m3/h，誤差率為10.34%，符合涌水量預(yù)測(cè)要求。