山西平魯后安煤礦涌水量預(yù)測分析

史永良

(山西朔州平魯區(qū)后安煤炭有限公司,山西 朔州 036800)

礦井涌水量預(yù)測方法主要包括:數(shù)值法、解析法、水均衡法、水文地質(zhì)比擬法。其中水文地質(zhì)比擬法是工程實踐中最常用的方法之一。此方法是基于穩(wěn)定流的前提下,通過一些對水文地質(zhì)環(huán)境較為相似,同時擁有相同開采工藝的礦井進(jìn)行預(yù)測。本文以平魯后安煤礦為例,通過研究分析礦區(qū)的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、充水因素等,同時結(jié)合礦區(qū)歷年涌水情況,對礦井生產(chǎn)能力核增后的涌水量進(jìn)行預(yù)測。

1 工程概況

山西朔州平魯區(qū)后安煤炭有限公司位于朔州市平魯區(qū),井田面積4.833 6 km2,開采深度為1 290～980 m。2019年8月,礦井生產(chǎn)能力核增為500萬t/a,在開采之前進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測對于礦井開采和生產(chǎn)具有重要意義[1-2]。以往礦井涌水量預(yù)測是在生產(chǎn)能力核定前進(jìn)行的,隨著生產(chǎn)能力的提升,礦井涌水量也隨之增大[3]。本文通過研究后安煤礦的地勘資料[4-7],結(jié)合礦區(qū)涌水現(xiàn)狀,進(jìn)行充水因素分析對比,發(fā)現(xiàn)水文地質(zhì)條件變化較小,故選用富水系數(shù)比擬法可更加準(zhǔn)確地反映礦井生產(chǎn)能力提升后對涌水量的實際影響[8-10]。本次預(yù)測為礦井開采時的防水工作提供了可靠的依據(jù)。

2 礦區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)

2.1 地質(zhì)條件

后安煤礦位于寧武煤田的北部東緣,地表大部分被新生界地層所覆蓋,屬典型的黃土丘陵地貌，僅在溝谷中出露二疊系下統(tǒng)下石盒子組地層。根據(jù)鉆孔資料以及地質(zhì)填圖成果可知,區(qū)內(nèi)由下至上發(fā)育有奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(O2s)、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)、二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)和下石盒子組(P1x)以及新生界中、上更新統(tǒng)(Q2+3)。

區(qū)域主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。山西組一般含煤3層,多見2層,編號為1,2,3號煤層,煤層平均總厚度0.19 m,平均含煤系數(shù)0.36%,全部為不穩(wěn)定不可采煤層。太原組為本區(qū)主要含煤地層,共含煤8層,煤層平均總厚度31.34 m,平均含煤系數(shù)29.8%,從上至下編號為4,5,6,7,8,9,10,11號。其中4,5號煤層組合為上煤組,6,7號煤層組合為中煤組,8,9,10,11號煤層組合為下煤組。4,9,11號煤層為本區(qū)主要可采煤層,可采煤層平均總厚度29.43 m,平均含煤系數(shù)28%,而其他煤層為不可采煤層。各煤層賦存情況見表1。

表1 各煤層賦存情況統(tǒng)計表Table 1 Coal seam occurrence

平朔礦區(qū)位于寧武煤田的北端,井田基本為一向西南傾斜的單斜構(gòu)造,地層走向總體多N305°—330°W,總體傾向南西,地層傾角為3°～5°。后安煤礦發(fā)育有李西溝斷層(F1)和安家?guī)X斷層(F2)兩條大斷層。李西溝斷層走向為N40°—50°E,傾向南東,傾角75°,落差為5～38 m,為一正斷層;安家?guī)X斷層走向為N35°E,傾向北西,傾角72°。綜上所述，后安煤礦地質(zhì)構(gòu)造除西北部受F1、F2斷層影響外,基本上屬簡單類。

2.2 水文地質(zhì)條件

2.2.1含水層

井田含水層從下至上劃分為奧陶系中統(tǒng)碳酸鹽巖溶裂隙含水層組、石炭系上統(tǒng)太原組碎屑巖間夾碳酸鹽巖溶裂隙含水層、二疊系碎屑巖裂隙含水層、二疊系下統(tǒng)下石盒子組碎屑巖類裂隙含水層及第四系沖積層砂孔隙潛水含水層。各個含水層的主要特征如表2所示。

表2 含水層特征統(tǒng)計表Table 2 Aquifer characteristics

2.2.2隔水層

1)石炭系中統(tǒng)本溪組主要由泥巖、鋁土巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖等組成,最小厚度20.5 m,夾1～2層薄層灰?guī)r及不可采薄煤,可視為11號煤層與奧灰?guī)r溶水之間的隔水層。

2)石炭、二疊系砂巖含水層之間的泥質(zhì)巖類,厚6～18 m,沉積穩(wěn)定。由抽水可知，各含水層之間基本無水力聯(lián)系,這些泥質(zhì)巖類可視為阻斷太原組煤層之間的隔水層。

3)第四系中、上更新統(tǒng)離石組黃土為微紅色砂質(zhì)黏土,夾棕褐色古土壤層,厚0～13 m左右,沿溝谷邊坡出露廣泛,為隔水層。

2.2.3地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄

1)奧灰?guī)r溶水。井田內(nèi)奧灰?guī)r溶水在區(qū)域北西部的奧灰出露區(qū)接受補(bǔ)給,補(bǔ)給方式以大氣降水入滲為主,河谷滲漏次之。井田內(nèi)上覆較厚的非可溶性巖層,巖溶水具有承壓性,為徑流區(qū)。巖溶水由北西部向南東部徑流,排泄區(qū)在神頭泉一帶,主要以泉群的形式泄出,其次人工開采也是重要的排泄方式之一。

2)石炭、二疊系砂巖裂隙水。砂巖裂隙含水層與泥質(zhì)巖類隔水層相間成層,隔水性能良好,含水層間一般不發(fā)生水力聯(lián)系,屬層間裂隙承壓水。其水位與含水層層位高低有關(guān),即含水層層位高,則水位也高。其富水性隨深度的增加而減弱。大氣降水為其主要補(bǔ)給來源,補(bǔ)給方式以沿溝谷出露區(qū)及淺埋區(qū)下滲補(bǔ)給為主。受地形、蓋層等條件的限制,補(bǔ)給條件不利,下滲補(bǔ)給有限,大部分消耗于土壤的蒸發(fā)和形成地表徑流排出區(qū)外。

2.3 充水因素及充水通道分析

2.3.1充水因素

1)大氣降水。本區(qū)氣候干燥,降水量分配極不均勻,歷年降水集中在7—9月份,尤其在8月份多降暴雨,歷史上日最大降水量達(dá)153 mm,暴雨強(qiáng)度大,來勢猛,易形成集中補(bǔ)給,使礦坑積水嚴(yán)重,因此在暴雨季節(jié)開采過程中應(yīng)加以防范。

2)地表水。后安煤礦內(nèi)無大的地表水體,僅在井田西部邊界附近有馬關(guān)河流經(jīng)。馬關(guān)河發(fā)源于木瓜界、上梨園等地,流經(jīng)平朔礦區(qū)南部,至趙家口、擔(dān)水溝,匯入桑干河,全長27 km,為泉水匯集而成,匯水面積1.51 km2,屬桑干河水系,為海河流域。該河平水期流量一般為0.04～0.06 m3/s,洪水期流量可達(dá)100～200 m3/s,沿本區(qū)邊界河段一帶巖層裂隙比較發(fā)育,透水性強(qiáng),且井田西部受F1和F2斷層的破壞影響,所以在采掘活動推進(jìn)到本地段時應(yīng)采取必要的防范措施。

3)圍巖含水層。礦井開采4-1號煤層時,其直接充水因素主要是山西組砂巖含水層。開采9、11號煤層時,其直接充水因素主要以太原組砂巖含水層為主,山西組地層砂巖含水層為其間接充水因素。山西組、太原組這兩層含水層單位涌水量0.002 4～0.003 0 L/(s·m),富水性弱,補(bǔ)給條件差。

現(xiàn)本礦大力推廣煤層注水技術(shù),對4、9號煤層進(jìn)行煤層注水,9號煤層水倉內(nèi)的積水來源主要為清洗巷道、煤層除塵灑水等工業(yè)用水,可見圍巖地下水對本礦煤層開采的影響較小。

4)奧灰水對煤層開采的影響。井田內(nèi)奧陶系巖溶含水層為間接充水含水層,該含水層富水性強(qiáng),水位標(biāo)高為1 058.5～1 059.0 m。4號煤層最低底板標(biāo)高為1 080 m,高于奧灰水水位,不受奧陶系巖溶水的影響;9,11號煤層最低底板標(biāo)高為1 000 m和990 m,將會受到奧陶系巖溶水的影響。根據(jù)2019年5月由山西地科勘察有限公司編制的《山西朔州平魯區(qū)后安煤炭有限公司生產(chǎn)地質(zhì)報告》計算,9號煤層最大突水系數(shù)為0.024 MPa/m,11號煤層最大突水系數(shù)為0.030 MPa/m,均小于構(gòu)造破壞臨界系數(shù)0.060 MPa/m。

5)采(古)空區(qū)積水。采(古)空區(qū)積水主要依據(jù)《山西朔州平魯區(qū)后安煤炭有限公司生產(chǎn)地質(zhì)報告》(2019)、《礦井水文地質(zhì)類型劃分報告》(2017)、《礦井水患補(bǔ)充調(diào)查報告》(2016),并結(jié)合近年來對積水區(qū)的探查情況進(jìn)行估算,結(jié)果如表3所示。

表3 礦井老空區(qū)積水情況估算表Table 3 Estimation of water accumulation in old mined-out areas

6)周邊煤礦積水情況。依據(jù)與周邊相鄰礦井交換的圖紙及其他調(diào)查資料,井田南、東南有生產(chǎn)煤礦茂華白蘆煤業(yè)有限公司,開采4-1號煤層。井田東南部有重組前原杏園煤礦越界開采形成的采空區(qū)積水三處,積水面積計18 138 m2,積水量約為11 600 m3。井田東部為華美奧馮西煤業(yè)有限公司,該礦與本礦相鄰部位無采掘活動。井田東北部為國興煤業(yè)有限公司,開采4-1號煤層，采空積水區(qū)距后安煤礦較遠(yuǎn),目前對礦井開采無充水影響。井田北部為東露天礦,與本礦相鄰地段尚未開采。

2.3.2充水通道

1)頂板垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶。4-1號煤層的導(dǎo)水裂縫帶最大高度為84.57 m,在井田北部溝谷附近導(dǎo)水裂隙會延伸至地表。9號煤層的導(dǎo)水裂縫帶最大高度為95.28 m,9+11號煤層的導(dǎo)水裂縫帶最大高度為110.48 m,煤礦下步開采下組煤時產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶能夠到達(dá)上組煤,進(jìn)而溝通煤層之間的水力聯(lián)系。因此,4-1號煤層的采空積水會對下組煤的開采產(chǎn)生影響。

2)封孔不良的鉆孔。個別封孔質(zhì)量不佳的鉆孔是人為導(dǎo)水通道。當(dāng)掘進(jìn)巷道或采區(qū)工作面經(jīng)過沒有封好的鉆孔時,頂、底板含水層地下水將沿著鉆孔補(bǔ)給礦層,造成涌(突)水事故。

3)斷層導(dǎo)水破碎帶。區(qū)內(nèi)發(fā)育有F1和F2兩條大斷層,成為聯(lián)系上下含水層導(dǎo)水的通道。同時在開采過程中發(fā)現(xiàn)落差較小的中小斷層,也是礦井充水及主要水害之一。

4)廢棄老窯(井筒)。本井田內(nèi)無廢棄井筒,周邊存在已關(guān)閉舊井筒,會因填埋封閉不良而成為導(dǎo)水的途徑,應(yīng)引起注意。

3 礦井涌水量預(yù)測

3.1 礦井涌水量現(xiàn)狀

本井田礦井涌水主要由工業(yè)用水、采空積水、砂巖裂隙水組成。特別是近年來在引進(jìn)煤層注水、頂板預(yù)裂注水等先進(jìn)技術(shù)的前提下,工業(yè)用水占比穩(wěn)居第一。按照礦井的長期規(guī)劃,針對采空區(qū)的一系列防治水措施的實施勢必會增加采空積水在礦井涌水量結(jié)構(gòu)中的份額。根據(jù)井下各出水點、涌水點觀測資料,同時利用水化學(xué)分析法,對礦井各類型水的化學(xué)特征差異進(jìn)行了分析對比,確定礦井涌水量構(gòu)成中工業(yè)用水占全礦井總涌水量的72%,其次是采空積水占18%、砂巖裂隙水占7%、其他包括構(gòu)造水、孔隙水等占3%,如圖1所示。

圖1 礦井涌水組成圖Fig.1 Composition of mine water inflow

近年來在煤產(chǎn)量達(dá)產(chǎn)的條件下,根據(jù)歷年氣象觀測資料分析,礦井涌水量基本進(jìn)入穩(wěn)定期,大氣降水對礦井涌水量產(chǎn)生一定的影響,11月至次年4月涌水量較小,5月至10月涌水量較大。一般而言,礦井涌水量峰值滯后豐水期3個月,且隨著降水量的增加礦井涌水量也隨之增大。礦井涌水量波動有時相對遲緩,可能受其他因素影響所致。由此可知大氣降水和地表水對礦井水有補(bǔ)給作用,礦井涌水量與降水量有較強(qiáng)的相關(guān)性,如圖2所示。

圖2 礦井涌水量與降水量動態(tài)相關(guān)曲線Fig.2 Dynamic correlation of mine water inflow and precipitation

本礦2013年9月開始對9號煤層進(jìn)行回采。自2012年以來,逐月對礦井涌水量進(jìn)行了統(tǒng)計,本次預(yù)測僅參考近3年統(tǒng)計資料進(jìn)行分析,統(tǒng)計情況見表4。

表4 2017—2019年礦井涌水量統(tǒng)計表(后安煤礦)Table 4 Mine water inflow 2017—2019

3.2 礦井涌水量預(yù)測

根據(jù)以上分析可知,該區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)條件中等,本礦井主要涌水量由工業(yè)用水、采空積水和砂巖裂隙水組成。本次預(yù)算采用富水系數(shù)比擬法對礦井生產(chǎn)能力核增為500萬t/a后的礦井涌水量進(jìn)行預(yù)測分析。

礦井涌水量預(yù)測公式如下:

Q=Kp×P=Q0×P/P0.

式中:Kp為富水系數(shù)，Kp=Qo/P0,m3/t;Q為設(shè)計礦井涌水量,m3/h;Q0為煤礦實際涌水量,m3/h;P0為煤礦實際開采量,萬t/a;P為設(shè)計礦井生產(chǎn)能力,萬t/a。

計算參數(shù)的確定:本次預(yù)測實際涌水量采用正常涌水量為30.48 m3/h(取2017年1月—2019年12月的均值),最大涌水量為47.93 m3/h(取2017年6月統(tǒng)計值),煤礦實際開采量采用近三年產(chǎn)量均值293.39萬t/a。預(yù)計礦井生產(chǎn)能力達(dá)到500萬t/a時,帶入公式計算可知,礦井正常涌水量Q1為51.94 m3/h,最大涌水量Qmax為81.68 m3/h。

Q1=30.48×500/293.39=51.94 .

Qmax=47.93×500/293.39=81.68 .

4 結(jié)論

1)本次涌水量預(yù)測中,未將針對采空區(qū)進(jìn)行的探放水活動考慮在內(nèi),勢必造成預(yù)測結(jié)果偏小。

2)由于本次預(yù)測結(jié)果是基于地質(zhì)及水文地質(zhì)條件相似的前提下進(jìn)行的,受采掘活動的影響,特別是受開采區(qū)域含水層不確定性的影響,當(dāng)生產(chǎn)條件發(fā)生變化時,需及時對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行修正。

3)通過觀測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)大氣降水對礦井水有補(bǔ)給作用,礦井涌水量與降水量有較強(qiáng)的相關(guān)性。

4)本次礦井涌水量預(yù)測是在礦井年產(chǎn)量為300萬t的基礎(chǔ)上,預(yù)測生產(chǎn)能力核增為500萬t/a后的涌水量。在地質(zhì)和水文地質(zhì)條件以及充水因素相似的前提下,利用大量真實數(shù)據(jù),選擇富水系數(shù)比擬法進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測結(jié)果可信度高。

鑒于礦井涌水量影響因素較多,今后進(jìn)行礦井涌水量計算時,應(yīng)對各種影響因素仔細(xì)分析。可通過多種方法進(jìn)行預(yù)測,再加以分析比較,最后采用適宜的方法或者多種方法耦合,來提高礦井涌水量預(yù)測的適應(yīng)性及精確性。