車集煤礦28采區底板太灰疏放水試驗與疏降可行性研究

張家峰 張成行 姚明豪 徐智敏

(1.河南能源化工集團永煤公司車集煤礦地測科，河南省商丘市，476600；2.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇省徐州市,221116)

車集井田位于河南省永城市境內，井田面積61.4 km2。一直以來，車集礦根據主采二2煤層的區域底板太灰水的水文地質特征，提出了工作面底板注漿的防治水方針，并取得了較好的防治水效果，形成了一定的技術經驗。但是，隨著礦井開采深度逐步加大，底板太灰含水層的富水性、補徑排條件與淺部差異性日漸明顯，并且注漿改造經濟成本大、工期長,普注后底板突水也時有發生，例如車集煤礦2311工作面底板注漿改造，經過注漿，共有117個注漿孔，注漿量共10300 t左右，工作量大且在二次補孔結束后鉆孔檢驗部分底板太灰段仍有水涌出。在此基礎上，考慮到車集礦井田水文地質條件的區塊化特征，補、徑、排條件深部與淺部存在不同，本文在開展水文地質區塊特征分析的基礎上，開展疏放水試驗，評價可疏降性，做疏降預測。

1 28采區水文地質條件

車集煤礦28采區位于二2煤層，底板標高在-800～-1000 m的范圍內。在11-19勘探線之間，西部基本以F5、DF023正斷層保護煤柱及26采區邊界為界，東部以DF082正斷層保護煤柱及-1000 m二2煤層底板等高線為界；南部至礦井南部保護煤柱，北部到26采區邊界，并且，26采區已經普注，截斷了28采區補給通道。28采區分布圖見圖1。根據生產實踐及區域水文地質條件分析，28采區底板太灰補給不暢，主要以靜儲量為主，富水性弱。開采二2煤層時，以頂板砂巖裂隙和太原組灰巖巖溶水為主要充水水源，所屬水文地質單元屬相對獨立、封閉、補給較差的水文地質區域。

圖1 28采區分布略圖

2 采區疏放水試驗及求參

為獲取28采區主要的水文地質參數，對28采區進行放水試驗，共分為兩個放水階段和水壓恢復階段，獲取放水試驗資料，并根據資料求得水文地質參數。

2.1 28采區放水試驗

2.1.1 放水階段

放水階段共分為兩個放水階段。28采區共計4個水文孔，分別為14#孔、14-1#孔、底車場的2個鉆孔。

14#孔和14-1#孔均施工于采區最高處，兩鉆孔進尺相同，均揭露二2煤層底板主要太灰含水段54 m。兩鉆孔平面距離為220 m。在第一放水階段，14#孔作為觀測孔，14-1#孔作為放水孔，穩定流量為50 m3/h。觀測水壓隨時間顯著衰減，并在最后達到穩定水壓0.67 MPa，其水壓觀測變化曲線見圖2。第一放水階段后半段基本達到觀測水壓穩定，受井下施工等因素的影響，放水期末段觀測水壓出現小幅回升現象，見圖3。

圖2 第一放水階段14#孔水壓歷時曲線圖

底車場位于28采區最低處，此處施工有兩個鉆孔，終孔均位于二2煤層底板同一含水層中。底車場位置較低，更有利于地下水的匯集。利用底車場鉆孔進行放水可取得較好的水壓疏降效果。因此，在底車場兩鉆孔施工完畢后，即在第一放水階段的基礎上進行第二階段的放水。根據鉆孔施工資料，底車場放水孔進水段長度5 m。兩鉆孔平面距離僅78 m，在第二放水階段，兩鉆孔同時放水，故可將其等效為一個放水孔，穩定放水流量為29 m3/h。底車場兩鉆孔的中心點與14#孔的平面距離為1650 m。14#觀測孔觀測水壓在底車場鉆孔放水后即表現為明顯的水壓衰減，并保持長時間的水壓穩定狀態，見圖3。

同采區14#孔施工于采區最高處，在第二放水階段中同樣作為觀測孔，與上述底車場兩鉆孔共同控制整個采區，能較好地反映采區底板含水層放水條件下的水壓動態變化規律，從而揭示含水層的滲透性質。

圖3 第二放水階段14#孔水壓歷時曲線圖

2.1.2 恢復階段

在第二放水階段結束后，即進入水壓恢復階段。在水壓恢復階段伊始，將底車場其中一鉆孔作為觀測孔(裝有水壓表)，以觀測后續底車場底板含水層水壓恢復情況，其觀測水位變化情況見圖4。同時，位于采區高處的14#孔作為水壓恢復階段的水壓觀測孔，其觀測水壓變化情況見圖5。

圖4 底車場水位恢復曲線

圖5 14#孔水壓恢復階段觀測水壓歷時曲線

另外，根據井下水溫觀測臺賬繪制出14#孔水溫-時間關系曲線，見圖6。

圖6 14#孔水溫-時間關系圖

由圖2～圖6可知：

(1)放水階段，14#孔的觀測水壓隨時間顯著衰減，最后穩定在0.67 MPa。

(2)水壓恢復階段14#孔觀測水壓由0.6 MPa左右逐步恢復至0.9 MPa，說明位于采區高處的太灰水與采區低處水之間存在明顯的水力聯動，根據兩鉆孔分別控制太灰上段與下段，進一步說明了本采區范圍內太灰下段與上段存在水力聯系，太灰上段接受下段補給。

(3)各鉆孔地下水溫度的合理變化也間接表明，在各鉆孔，特別是28采區14#孔所揭露的含水層，其補給來源不存在異常高溫地下水，如深部奧灰水的參與，說明采區太灰水與基底奧灰水之間不存在水力聯系。

(4)由圖4和圖5可知，在放水停止后，底車場放水孔和14#孔水壓都呈現明顯回升，特別是底車場底板含水層水壓回升迅速，表明了底板含水層滲透性良好。

2.2 水文地質參數求解

2.2.1 放水階段求參——直線圖解法

直線圖解法的基本原理——將實測數據投在單對數坐標(時間t取對數尺度)紙上并做成s-lgt(同一觀測孔不同時間的降深數據)曲線，此實測數據曲線在一定的區間內呈直線，因而可以依據直線的兩個要素確定含水層的兩個參數。

(1)

式中：s——水壓降深；

T——導水系數；

a——導壓系數；

r——徑向距離；

m——直線斜率；

Q——流量。

根據上述理論，結合放水試驗數據，繪制第二放水階段s-lgt曲線，如圖7所示。

圖7 第二放水階段s-lgt曲線

根據圖7，可得斜率m=30，則T=2.2 m2/d，含水層滲透系數K=T/M=0.44 m/d。其中，Q=15 m3/h，根據礦區鉆孔平均揭露情況，取該層出水含水層進水部分厚度M=5 m。

2.2.2 恢復試驗階段求參

按滲流疊加原理，停止抽水后的剩余降深為：

(2)

式中：W——井函數；

tp——抽放水持續時間；

t——水壓恢復延續時間。

(3)

由s=H0-H，得：

(4)

式中：H0——初始水位(壓)；

H——某時刻對應觀測水位(壓)。

根據水壓恢復試驗數據，繪制水壓恢復曲線如圖8所示。圖中橫坐標，t/(tp+t)表示水壓恢復時間占整個放水+恢復試驗時間的比例。當t→∞時，t/(tp+t)→1，這時H→H0，表示恢復時間越久，水壓越接近初始水壓。

圖8 底車場觀測孔水壓恢復曲線

根據圖8，可得斜率m=110，T=0.6 m2/d，K=0.15 m/d，取放水過程中的平均流量Q=15 m3/h，根據礦區鉆孔平均揭露情況，取該層出水含水層進水部分厚度M=5 m。

2.2.3 求參結果分析

由于放水過程初期觀測資料的實際曲線與標準曲線不符，與標準曲線不宜擬合，因實際的數據資料不夠完善，因此不考慮采用標準曲線配線法求參。而直線圖解法能夠充分利用中、后期的觀測資料，因此，根據采區實際觀測資料的特點，對于放水階段與水壓恢復階段本次求參均采用直線圖解法。第二放水階段14#孔滲透系數K為0.44 m/d，貯水系數為3.7×10-7；恢復試驗階段底車場觀測孔滲透系數0.15 m/d，貯水系數為3.53×10-6。

由上述得出的參數可知，放水階段與恢復試驗階段所求滲透系數均小于1.0 m/d，故滲透系數K取均值0.3 m/d。

3 采區可疏降性評價與分析

根據突水系數法，結合28采區的水文地質資料計算求得放水前突水系數Ts=0.13 MPa/m>0.1 MPa/m。放水后突水系數Ts=0.034 MPa/m<0.06 MPa/m，說明在放水試驗結束后突水系數小于臨界值。

由于采區西部邊界存在F5、DF023正斷層，對采區太灰水構成了相對隔水邊界，使得28采區形成一個相對封閉的水文地質單元，太灰上段的主要補給來源來自采區范圍內相鄰含水層太灰下段的補給。

綜上所述，28采區底板太灰滲透性條件較好，受采區邊界的隔水控制作用，與相鄰采區的水力聯系不甚密切。太灰補給水源較為單一，并且恢復階段水壓恢復較慢，說明整個太灰水的補給條件有限，可疏降性明顯。

4 采區疏降效果預測

在采區未采取工作面普注的情況下，為避免構造導水對工作面開采造成的不利影響，從偏安全角度出發，確定采區的預期疏降目標為疏降至煤層底板。

4.1 疏降方案設計

根據采區目前已有的實際工程布置情況，結合采區水文地質條件，并結合目前已有的放水孔，可考慮在采煤工作面以及主要工作面巷道形成前，利用已有的2801工作面底抽巷進行鉆孔位置補充設計，設計水文孔如圖9所示。共計補充施工4個放水孔，分別為F1～F4；觀測孔G1與放水孔F4位于同一底抽巷中，大致為采區中心，其太灰觀測水壓的變化反映了采區水壓的平均疏降效果。

圖9 鉆孔布置示意圖

4.2 疏降效果預測

根據井群干擾疊加預測降深法，設平面上有n個任意分布的井同時工作，其流量分別是Q1、Q2、……Qn，任意點M的水頭降深為：

(5)

式中：Q∑——n個井的總流量；

a——導壓系數。

經簡化可得：

(6)

采區中心(G1)位于采區平面位置的中心區域，底車場為采區最低點，水文孔分布如圖10所示。

因此，當單孔有效疏放量為25～60 m3/h，整體疏降強度達到100～240 m3/h，群孔同時放水預測如下：

圖10 水文孔分布圖

圖11 降深—時間變化趨勢曲線

(1)采區中心疏降效果預測。采區工作面中心點的高程值代表采區的平均高程值，因此該區域煤層底板太灰水水壓一定程度上地代表了采區平均水壓值。根據非穩定流泰斯理論中的疊加降深計算方法，在不同疏降強度下的預測降深隨時間發展趨勢如圖11所示。根據圖11(a)可知，保持疏降總強度不小于100 m3/h的疏降強度下，可在一周左右時間實現28采區工作面底板太灰水壓的顯著疏降，甚至疏干。

(2)采區底車場疏降效果預測。底車場為采區最低點，因此，底板太灰水壓的疏降決定了采區的整體疏降效果。根據圖11(b)，底車場(采區最低點)疏降孔在保持總疏降強度不小于100 m3/h的疏降強度下，約在35 d左右將能夠實現工作面底板太灰水的疏干，以利于煤層的安全順利開采。

5 結論

(1)通過28采區放水試驗，獲取了疏降條件下太灰水的演化特征。在此基礎上，進行水文地質求參，根據28采區的主要水文地質參數，初步分析28采區具有可疏降性。

(2)根據28采區邊界的構造及水文地質條件以及放水試驗數據，分析了28采區的地下水循環的規律，進一步表明整個車集礦28采區水文地質單元屬相對獨立，補給條件較差，具有較好的可疏降性。

(3)設計28采區預疏降方案，在整體等效疏降強度達到約100 m3/h左右的條件下，疏降周期可行、疏降效果明顯，可實現28采區底板水害防治及工作面安全開采，并能夠降低由于普注造成的噸煤成本過高的問題。