解析法预测文家坡煤矿工作面涌水量

侯恩科,龙天文,樊志刚.解析法预测文家坡煤矿工作面涌水量[J ].矿业安全与环保,2019,46(5):80-84.文章编号:1008-4495(2019)05-0080-05
解析法预测文家坡煤矿工作面涌水量
侯恩科,龙天文,樊志刚
(西安科技大学地质与环境学院,陕西西安710054)
摘要:以彬长矿区文家坡煤矿为工程背景,在掌握研究区水文地质及开采条件的基础上,采用基于
2种不同地质模型的 大井法”,以及 垂向入渗 侧向径流法”和 集水廊道法”等不同的解析方法,对文家坡煤矿4101工作面涌水量进行了预测㊂将不同方法得到的涌水量预测计算结果与工作面实测涌水量进行对比分析,得出 垂向入渗 侧向径流”模型计算结果与实测值更加吻合,能较为准确地反映研究区矿井涌水特征㊂该方法的应用对类似水文地质条件下矿井涌水量的计算具有重要参考意义㊂
关键词:煤矿;工作面涌水量;预测;解析法;水文地质模型;对比分析中图分类号:TD742 文献标志码:B
收稿日期:2018-09-12;2018-10-28修订
基金项目:国家自然科学基金面上项目(41472234);陕西省社会发展攻关项目(2014K13-03);陕西省教育厅科研计划项目(2013JK0850);陕西煤业化工集团科研计划项目(2018SMHKJ-C-56)
作者简介:侯恩科(1963 ),男,陕西扶风人,教授,博士研究生导师㊂Tel :029-********,E -mail :houek@ ㊂
Prediction of Water Inflow in Wenjiapo Coal Mine Working Face in Analytical Method
HOU Enke ,LONG Tianwen ,FAN Zhigang
(College of Geology and Environment ,Xi ’an University of Science and Technology ,Xi ’an 710054,China )
Abstract :Taking Wenjiapo Coal Mine in Binchang Mining Area as the engineering background,on the basis of mastering
the hydrogeology and mining conditions of the research area,the big well method”based on two different geological models,as well as vertical infiltration lateral runoff method”and water collection gallery method”and other different analytical methods
were adopted,the water inflow in 4101working face in Wenjiapo Coal Mine was predicted.The calculated results of water inflow obtained by different methods were compared with the measured water inflow in working face.It is concluded that the calculated results of vertical infiltration lateral runoff”method are more consistent with the measured values,which can reflect the characteristics of water inflow more accurately.The application of this method provides an important reference for the calculation
of water inflow under similar hydrogeological conditions.Keywords :coal mine;water inflow in working face;prediction;analytical method;hydrogeological model;comparative
analysis
在我国煤炭工业长期发展的过程中,水害在煤矿安全生产事故中所占的比例虽在逐年下降,但依然是仅次于瓦斯的第二大致灾因子[1]㊂因此,准确预测煤矿工作面的涌水量对煤矿安全生产至关重要[2]㊂目前,在煤矿生产中一般采用解析法㊁比拟法㊁相关分析法㊁灰色系统法㊁经验法或数值模拟等方法对矿井涌水量进行预测,这些预测方法已趋于
成熟,能够对矿井排水能力设计及抗灾能力评估提供重要的数据支撑[3-6]㊂笔者采用解析法中不同水文地质概化模型,对文家坡煤矿4101工作面涌水量进行预测,根据与实测涌水量进行对比,确定其中比较适应该地区水文地质条件的模型㊂
1　研究区概况
1.1　矿井概况
文家坡煤矿位于陕西省彬长矿区,正在开采位于延安组第一段较稳定的4#煤层,煤层结构简单㊂据钻孔资料显示4#煤层平均厚度8.00m,埋深
465.19~796.69m,上覆基岩厚度438.18~633.21m;主要表现为埋深大㊁上覆基岩厚㊁煤层厚的特点[7-8]㊂根据对该区域导水断裂带及水文地质特征研究表明,潜水㊁地表水对回采工作影响不大㊂煤矿在开采㊃
08㊃
4#煤层时地下充水含水层从上至下依次为白垩系下统洛河组砂岩孔隙 裂隙承压含水层㊁白垩系下统宜君组砾岩裂隙承压含水层㊁侏罗系中统直罗组砂岩裂隙承压含水层及其顶板砂岩裂隙承压含水层,如图1所示㊂其中白垩系下统洛河组砂岩孔隙 裂隙承压含水层是4#煤层开采时的主要充水水源,该含水层的水将通过回采形成的导水断裂带进入工作面
㊂
图1　含㊁隔水层关系示意图
该矿4101工作面于2016年8月开始生产,回采结束时,工作面正常涌水量约为187m3/h㊂由于受工作面采空区涌水波动及工作面淋水等影响,涌水量在一定范围内波动㊂总体而言,随着矿井采空区面积的不断增大,矿井涌水量呈逐渐增加的趋势㊂1.2　工作面水文地质概况
4101工作面为该煤矿的首采工作面,煤层平均厚度3.80m,工作面倾向长240m,走向长1895m㊂根据对导水断裂带的计算分析,开采该工作面时,富水性弱 中等的洛河组含水层不会被直接导通,对回采影响不大㊂因此侏罗系中统直罗组砂岩裂隙承压含水层及其顶板砂岩裂隙承压含水层是其主要充水水源㊂直罗组砂岩裂隙承压含水层平均厚度为15.09m,渗透系数为0.01650m/d;顶板直罗组砂岩裂隙承压含水层平均厚度为58.95m,渗透系数为0.00304m/d㊂根据‘煤矿防治水手册“(2016年6月版),综放开采 两带”高度按照中国矿业大学(北京)及中煤科工集团唐山研究院有限公司分别提出的经验公式计算,将计算结果与收集到的彬长矿区各煤矿导水断裂带高度实测值进行比较,经分析认为中国矿业大学(北京)提出的经验公式计算结果更接近实测值㊂结果表明:在4101工作面煤厚3.80m 的条件下,裂采比平均值为13.27,最大值为28.47,导水断裂带将发育至宜君组平均深度约20m㊂
2　工作面涌水量预测
2.1 大井法”涌水量预测
1)将导水断裂带导通的各含水层逐层进行涌水量计算,工作面正常涌水量预测结果为逐层含水层计算结果之和,但对人工采动影响下的含水层各参数变化情况没有被考虑在内㊂
4101工作面直接充水含水层直罗组砂岩含水层及延安组4#煤顶板砂岩含水层,为无限承压含水层㊂随着井巷开拓及矿坑水的疏排,承压水头降至含水层顶以下,则为承压转无压[9-10]㊂ 大井法”矿井涌水量计算公式如下:
Q=1.366K[(2H-M)M-(H-S)2]
lg R0-lg r0(1) R=10S K(2) r0=ηa+b4(3)式中:Q为正常涌水量,m3/d;K为渗透系数,m/d; H为水柱高度,m;M为含水层厚度,m;S为水位降深,m;R为影响半径,m;r0为大井引用半径,m; R0为引用影响半径,m;η为矿坑形状影响系数;a为工作面走向长,m;b为工作面倾向长,m㊂
η值的选取与矩形工作边长a/b有关,详见‘煤矿防治水手册“(2013版)表12-3㊂
各含水层涌水量预测过程中水文地质参数选择如表1所示,将参数代入公式(1)㊁(2)㊁(3)中得到预测结果,见表1㊂
表1　工作面涌水量预测水文地质参数及计算结果
充水含水层渗透系数K/
(m㊃d-1)
水柱高度
H/m
含水层
厚度M/m
水位降深
S/m
影响半径
R/m
大井引用
半径r0/m
引用影响
半径R0/m
正常涌水量
Q/(m3㊃h-1)
宜君组含水层0.00514316.3140.25316.31226.77597.801200.4850.00直罗组砂岩裂隙含水层0.01650419.2915.09419.29538.59597.801136.3936.02延安组4#煤层顶板砂岩裂隙含水层0.00304485.3195.73485.31267.58597.80865.3850.00
㊃18㊃
采用上述大井法预测4101回采工作面涌水量,得出工作面正常涌水量约为136.02m3/h㊂2)将导水断裂带导通的各含水层通过水文地质参数换算,将涉及的含水层视为一个整体,即计算含水层叠加时工作面正常涌水量[11]㊂
引用半径:
r0=ηa+b4=1×1895m+240m
4=533.75m 含水层加权平均渗透系数:
K cp=K1y M1y+K J2z M J2z+K J2y M J2y
∑(M J2z+M J2y+M1y)=0.00557m/d 含水层影响半径:
R=10S K cp=399.45m
其他参数见表2㊂
表2　延安 直罗组含水层涌水量计算参数
参数参数值备 注
M/m74.04计算区钻孔揭露厚度平均值
H/m502.00含水层混合水位标高与平均底板标高差值S/m502.00默认最大降深,水头降到含水层底板
R0/m915.41R0=R+r0
将上述参数代入公式(1),采用该水文地质模型预测得出4101工作面正常涌水量为145.05m3/h㊂2.2　垂向入渗 侧向径流涌水量预测
该矿井涌水量预测水文地质模型由刘英锋等[12-13]首先提出,并应用于胡家河工作面涌水量的预测中,预测结果比较符合实际情况㊂该模型的原理为裘布依公式和达西定律,结合含水层的实际导通情况,导水断裂带完全导通及对较厚含水层部分波及,按裘布依公式进行计算;较厚含水层未导通部分以垂向入渗的方式补给下部含水层,该部分用达西定律计算[14-15]㊂
1)延安 直罗组含水层涌水量预测
延安组被煤层开采扰动后,含水层全部受到导水断裂带影响,属于 完整井”进水模型㊂采空区上覆含水层被直接疏干,含水层侧向径流补给断裂带区域㊂
①工作面回采后预测区形状为规则矩形,宽长比约为0.13,引用半径计算采用公式(3):
r0=ηa+b4=533.75m
②含水层加权平均渗透系数:煤层开采后含水层水为水平侧向径流进入断裂带,其渗流方向与渗透性变化方向垂直,采用平均渗透系数K cp作为延安 直罗组含水层组渗透系数进行计算:
K cp=
K J
2z
M J
2z
+K J
2y
M J
2y
∑(M J2z+M J2y)=0.00578m/d
③含水层影响半径:影响半径采用承压含水层影响半径经验公式,基哈尔特公式进行计算:
R=10S K cp=381.65m
④其他参数选择见表2㊂将所选参数代入式(1),计算得出Q=96.68m3/h㊂
2)洛河 宜君组含水层受波及段涌水量预测
通过前期抽水试验发现,洛河组下段和宜君组在受导水断裂带发育影响情况下可以作为统一含水层组进行考虑㊂煤层回采后导水断裂带波及到宜君组地层中部,尚未直接波及洛河组含水层,需采用部分波及条件下垂向入渗型涌水量预测模型分作波及段和未波及段分别进行预测㊂洛河 宜君组水位标高+860m,宜君组底板标高为+597m,导水断裂带波及白垩系宜君组含水层平均深度约20m,未波及到洛河组含水层㊂
渗透系数取值为宜君组含水层渗透系数值,即K=0.005262m/d;按照涌水量预测概念模型,含水层水位下降到导水断裂带顶部,即水位降深S= 242.00m,宜君组含水层受导高波及层位平均厚度为20m,影响半径R=175.60m㊂
采用完整井井壁进水裘布依公式对导水断裂带波及区域进行涌水量计算:
Q
波及=
2.73K2M2S2
lg R0-lg r0(4)
计算得出Q
波及=30.80m3/h㊂
3)洛河 宜君组含水层未受波及段涌水量预测
洛河 宜君组含水层未受波及段含水层水以垂向入渗的形式进入断裂带再进入采空区㊂根据水文地质概化模型,垂向入渗顶部水头为含水层水头,底部水头以含水层底界面为准㊂
当其渗流方向与渗透性变化方向垂直时,采用平均渗透系数K cp作为洛河下段 宜君组含水层组渗透系数进行计算:
K cp=M K1l+M K1y
M K
1l
K K
1l
+M K1y K
K y
=0.003696m/d
4101工作面面积454800m2;煤层回采后水头降至导水断裂带顶界面,水位降深242.00m;含水层总厚度为242m(含水层水位标高在洛河组顶板以下)㊂
㊃28㊃
根据达西定律,含水层内部受水头差影响,在含水层内部存在垂向流㊂得出未受到导水断裂带波及段水量渗透公式:
Q 未波及=K V 1A H 1-H 2
M 1
(5)
计算得Q 未波及=70.04m 3
/h㊂
4)计算结果
综合以上各部分涌水量计算结果,4101工作面回
采后其总涌水量为:Q 总=Q +Q 波及+Q 未波及=197.52m 3/h㊂
2.3　集水廊道法涌水量预测
以已开采地段开采边界为集水廊道进水断面,
当水位降至隔水层顶板以下时,充水含水层由承压转为无压,故选用承压转无压公式计算,即:
Q =BK
(2H -M )M -h 20
R (6)R =
2S HK +10S K
2
(7)
式中:Q 为先期开采地段矿井涌水量,m 3/h;H 为潜水含水层厚度或承压水头高度,m;M 为承压含水层厚度,m;B 为集水廊道边帮总长,m;h 0为剩余水柱高度,当水位降至含水层底板时h 0=0m㊂
其他计算参数见表3㊂
表3　集水廊道法计算矿井涌水量结果
充水含水层影响半径R /m 廊道边帮总长B /m
剩余水柱高度h 0/m
计算涌水量/(m 3㊃h -1)
洛河组砂岩含水层　671.851895058.23宜君组含水层516.711895018.73直罗组砂岩裂隙含水层1372.141895011.80延安组4#煤层顶板砂岩裂隙含水层
723.27
1895
27.80
备注:渗透系数K ㊁水柱高度H ㊁承压含水层厚度M ㊁水位降深S 参数值同表1㊂
将表3中的参数代入公式(6)㊁(7)中得出4101
工作面涌水量为116.56m 3/h㊂
3　涌水量预测成果分析
4101工作面在回采过程中正常涌水量保持在
100~200m 3/h 内㊂在工作面推采后期采取滞后临巷疏放水措施,工作面涌水总体较为平稳,回采结束时工作面正常涌水量约为187.00m 3/h㊂
将上述不同水文地质模型预测的涌水量结果与
工作面实测涌水量进行对比分析,见表4㊂
表4　工作面正常涌水量计算结果比较分析
计算方法计算公式
预测涌水量/(m 3㊃h -1)
实测涌水量/(m 3㊃h -1)
大井法(模型1)
Q =
1.366K [(2H -M )M -(H -S )2]
lg R 0-lg r 0136.02大井法(模型2)Q =
1.366K [(2H -M )M -(H -S )2]
lg R 0-lg r 0145.05垂向入渗 侧向径流法
Q 波及=
2.73K 2M 2S 2lg R 0-lg r 0;Q 未波及=K V 1A
H 1-H 2
M 1
197.52集水廊道法
Q =BK
(2H -M )M -h 20R
116.56
187.00
由已开采的4101工作面实测涌水量验证上述不同水文地质模型预测结果可知,上述4种水文地质模型预测结果中 大井法”与 集水廊道法”预测结果较为接近,但均小于实测涌水量,其中集水廊道法预测结果最小,偏差也最大;大井法次之; 垂向入渗 侧向径流”法预测结果大于实测值,同时该模型预测结果也最接近工作面实测涌水量㊂其原因在于解析法所采用的参数是根据抽水试验资料求得的,
在计算过程中出现以点带面的情况,由于水文地质概化模型的不同,涌水量预测结果也相对存在一定差异㊂就 垂向入渗 侧向径流”模型来说,不但考虑了导水断裂带波及的含水层,也包含了对下部含水层有补给作用的上部含水层;同时当导水断裂带未能波及到的含水层,其上部不存在稳定隔水层时,采用达西定律和裘布依公式合理概化模型,比较符合该区域水文地质条件,能相对比较准确地预测该区域
㊃
38㊃
煤矿工作面涌水量㊂
4摇结论
1)文家坡煤矿4101工作面由于煤层厚度较薄,
导水断裂带发育高度未波及洛河组巨厚含水层,其主要涌水水源包括宜君组㊁直罗组和煤系延安组承压水含水层㊂
2)经过对预测结果分析对比,在该工作面水文地质条件下, 垂向入渗 侧向径流”模型预测的工作面正常涌水量与实测值最为接近㊂因此该模型可以作为文家坡煤矿后续工作面涌水量预测模型,也可为相似水文地质条件下的煤矿工作面涌水量预测提供指导㊂
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(责任编辑:李　琴)
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