疏水降壓技術在西坡煤礦水害防治中的應用

樊朋飛

(山西西山礦業管理有限公司,太原 030053)

華北型煤田的開采普遍受到煤層底板巖溶承壓水的威脅,隨著煤礦開采深度的加大,這種水患將越來越嚴重[1-2]。河東煤田太原組灰巖含水層對山西組和太原組煤層開采都有重要影響,它既是上組煤的底板充水水源,也是下組煤直接頂板充水水源[3]。疏水降壓是防治煤礦底板巖溶承壓水突水的重要措施,其目的是通過疏放降低含水層水位和作用在煤層底板的承壓水頭,實現不帶壓開采或在安全水頭壓力下開采。礦井采取疏水降壓技術必須研究含水層是否具有可疏放性,并確定疏放水量和水位降深間的關系[4-5]。西坡煤礦與中煤科工集團西安研究院合作,對受底板太原組灰巖承壓含水層威脅的5111綜采工作面采用疏水降壓技術,在查明工作面底板含水層富水性的基礎上,施工井下疏放水孔,建立水文觀測系統,并對工作面底板承壓水進行了集中疏放,實現了工作面安全開采。

1 井田地質概況

西坡井田位于山西河東煤田中段東緣,含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組。井田整體為一傾向NW的單斜構造,地層傾角5°～10°,伴有寬緩的小型褶曲和小斷層,地質構造簡單。

本井田主要可采煤層為山西組5號煤層和太原組8號、9號煤層,目前僅開采5號煤層,該煤層平均厚度3.86 m。依據以往煤田勘探資料,山西組含水層由K3、S4、S8等砂巖組成,巖性為細-粗粒砂巖,厚度變化大,單位涌水量0 L/(s·m)～0.003 5 L/(s·m),富水性極弱,所以對礦井充水影響很小。太原組灰巖含水層自下而上由L1-L5共5層灰巖

圖1 西坡煤礦主采煤層與含水層、隔水層示意圖Fig.1 Major mineable coal seams, aquifers, and aquicludes in Xipo Mine

組成,其中L1、L5灰巖分別是8號、6號煤層的直接頂板。灰巖富水性不均一,在淺部具有較強的富水性,而在深埋區,巖溶裂隙不發育,溶孔連通性差,富水性減弱。地層柱狀圖見圖1。

5號煤層底板與奧陶系峰峰組頂面間距約130 m,其中9號煤底板與奧灰頂面平均間距為50 m,巖性為泥巖、砂質泥巖、鋁土巖、砂巖及石灰巖,泥巖具有較好的隔水性,砂質泥巖、鋁土巖裂隙不發育,這種巖性組合具有較好的隔水性能。因此,奧陶系灰巖含水層對5號煤層開采影響不大,本文不做詳細討論。

2 5111綜采工作面疏水降壓

2.1 簡易水文地質觀測

2016年4月-7月,西坡煤礦在5111綜采工作面進行了太原組灰巖放水試驗,在5111工作面周圍巷道施工21個鉆孔,包括2個觀測孔(TC1孔、TC2孔)和19個放水孔,建立了水文觀測系統。觀測孔為垂直孔,終孔層位分別為L3、L1灰巖;放水孔均以33°的俯角按不同方位鉆至灰巖含水層,其中15個孔終孔層位為L2灰巖,4個孔終孔層位為L3灰巖。施工鉆孔布置見圖2。

圖2 西坡煤礦5111工作面放水試驗鉆孔分布圖Fig.2 Boreholes layout of drainage test in No.5111 working face in Xipo Mine

鉆孔施工時對石炭系太原組灰巖含水層進行了簡易水文地質觀測,各鉆孔初次見水層位不盡相同,終孔涌水量也有很大差異。單孔最大涌水量80 m3/h,最小僅為0.5 m3/h。鉆孔終孔流量及壓力如表1所示。

表1 疏放水鉆孔終孔流量及水壓Table 1 Water flow and pressure of the final ones of drainage boreholes

2.2 太原組灰巖含水層富水性分析

根據對21個鉆孔施工過程中涌水量變化觀測及巖心觀察,太原組灰巖含水層具有以下水文地質特征:

1) L5灰巖厚度薄,一般2 m～3 m,富水性差,大部分鉆孔揭露后L5灰巖無涌水,只有3個鉆孔發生涌水,涌水量1 m3/h ～6 m3/h。

2) L2、L3灰巖富水性較強,鉆孔揭露后涌水量明顯增大,單孔最大涌水量達到80 m3/h。

3) 太原組灰巖含水層在平面上水力聯系弱,徑流不太通暢。

4) 5號煤底板隔水層阻水能力較差,巖層裂隙發育,鉆探過程中,取芯率較低,巖塊破碎,泥質含量較高。

5) 1號鉆場、5號鉆場、7號鉆場在未進入太原組灰巖含水層前即發生涌水,說明在這幾個位置底板隔水層可能存在構造裂隙,工作面通過時發生底板突水的可能性大,應加強超前探查及提前進行大流量疏放。

6) 5111工作面煤層向西傾斜,由東向西太原組灰巖埋藏逐漸加深,煤層底板帶壓值也相應增大。工作面疏水降壓前灰巖含水層水壓在0.69 MPa～1.4 MPa之間。

2.3 放水試驗

疏降鉆孔施工完成后,SF1-1、SF1-3鉆孔進行群孔放水試驗,TC2、SF3-2及SF7-2鉆孔進行觀測,通過放水探查太灰含水層水文地質條件。放水時間總計47 h,以各觀測孔水壓穩定為結束標志,水位恢復觀測時間30 h。SF1-1鉆孔平均水量23.5 m3/h,初始水壓1.4 MPa;SF1-3鉆孔平均水量27.6 m3/h,初始水壓1.39 MPa。

現場非穩定流抽水試驗被廣泛應用于含水層水文地質參數的確定[6-7]。本文應用泰斯(Theis)公式計算水文地質參數,結果見表2。含水層參數包括滲透系數(K)、導水系數(T)、儲水系數(S)等。

表2 太原組灰巖含水層水文地質參數計算成果表Table 2 Calculation results of hydrogeological parameters of the limestone aquifer in Taiyuan Formation

2.4 疏水降壓及效果評價

所有疏水降壓鉆孔施工完成之后,2016年6月22日開始正式疏水降壓。其中TC2、SF5-2和SF8-1鉆孔以及南翼軌道大巷中S2孔作為水位觀測孔觀測壓力(表3)。可以發現,各觀測孔水壓均有明顯下降,以TC2鉆孔為例,2016年6月22日開始疏放水之前水壓為1.51 MPa,7月12日觀測水壓降為1.15 MPa,水壓下降0.36 MPa。疏水降壓開始后22 d內,累計疏放水量約60 000 m3。

表3 各觀測孔疏放前后水壓統計表Table 3 Water pressure of observation holes before and after drainage

根據表1中各鉆孔壓力計算太原組灰巖含水層水位標高,繪制5111工作面太原組灰巖含水層疏水前水位等值線,根據表3繪制疏水后水位等值線(見圖3)。從圖3可以發現,經過疏水試驗,5111工作面太原組灰巖含水層水位發生了明顯變化,疏水前水位標高為+550 m～+580 m,疏水后水位標高為+525 m～+555 m,整體下降約25 m。同時,以放水點為中心,形成了幾個小規模降落漏斗,疏水降壓效果明顯。

3 5111工作面帶壓開采安全性評價

突水系數法是評價煤層底板含水層突水危險性的通用方法,本文采用該方法評價5111工作面帶壓開采安全性。突水系數的計算公式為:

式中:T為突水系數,MPa/m;P為底板隔水層承受水壓,MPa;M為底板隔水層厚度,m。底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06 MPa/m,正常塊段不大于0.1 MPa/m。

1)確定煤層底板隔水層厚度。根據本次施工的TC2孔及5111工作面附近的3個煤田勘探鉆孔(128孔、362孔、129孔)的鉆探資料,5號煤層與L5灰巖平均間距為25.5 m,其間地層巖性主要為泥巖、炭質泥巖、砂質泥巖及粉砂巖,即以泥質巖為主,結構致密,具塑性,均為不透水的隔水層,隔水性能良好。

2)突水系數計算和分析。根據本次疏降工程施工的21個鉆孔以及礦井原有觀測孔的水壓觀測資料,計算5111工作面的突水系數。其中突水系數大于規程規定臨界值0.06 MPa/m的鉆孔10處,最大為SF1-1、SF3-1、SF3-2鉆孔,突水系數均為0.065 MPa/m;突水系數小于0.06 MPa/m的鉆孔11處,最小為SF9-1、SF4-2鉆孔,突水系數均為0.037 MPa/m。工作面西部部分區域帶壓值高于臨界值,突水危險性較高。

疏降工程開始一段時間后,整個工作面水壓有了明顯變化,產生一定的降幅,突水系數有明顯的減小。由于疏降工程正在進行,放水孔無法觀測水壓,只保留了TC2、SF8-1和SF5-2觀測孔進行水壓觀測,其突水系數分別為0.055 MPa/m、0.031 MPa/m、0.033 MPa/m。通過一段時間的疏放水后,5111工作面底板太灰水壓有了較大幅度的下降,工作面西部的TC2鉆孔水壓下降0.36 MPa,突水系數最大值降至0.055 MPa/m,小于臨界值,具備了帶壓開采的基本條件。目前5111工作面已經開采完畢,工作面涌水量未受太原組含水層的影響。

4 結論

通過疏放水試驗,基本查明了5號煤層充水條件,有效隔水層厚度以及太原組灰巖含水層水文地質參數,為礦井防治水工作提供了依據。5111工作面疏水降壓后,太原組灰巖含水層水位有了明顯的變化,突水系數最大值降為0.055 MPa/m,小于臨界值,具備安全帶壓開采的基本條件。

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