基于顶板水预疏放的首采工作面涌水规律_李永涛.pdf

第 47 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.4 2019 年 8 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China Abstract In order to establish water control technology system in Inner Mongolia-Shaanxi contiguous area, we carried out some researchese.g. overburden failure law, hydrogeological conditions, prediction of water inflow and pre-drainage of roof water in Nalinhe No.2 coal mine. The results showed that three si.e. coring, drilling fluid leakage observation and borehole color TV detection were used to explore water-conducting fracture zone103.23 m, and the ratio of the height of the fractured zone to the mining height was 18.8. Water-conducting fracture zone could connect three aquifers, and the Zhiluo ation bottom aquifer was the main aquifer threatening safety mining. Water inflow and pressure of borehole were 92.0-136.0 m3/h and 4.0-5.6 MPa respectively. There were ob- vious characteristics with large amount of inflow, high pressure and uneven distribution. The static storage capacity and dynamic supply capacity were calculated with dynamic and static reserve combination , and the values were 2.596106 m3 and 417.6 m3/h respectively. Subsection of roof water pre-draining was used to dis- charge static storage capacity. There was a positive correlation between water inflow in goaf and mining interval in ChaoXing 第 4 期 李永涛等 基于顶板水预疏放的首采工作面涌水规律 105 the whole working face during mining process. With the periodic lag collapse of roof, the water-conducting fracture zone also developed periodically to the highest point. Water inflow in goaf increased stepwise too. The total inflow of pre-draining was 4.235106 m3, and water inflow of working face goaf was 5.313106 m3. The error was 4.2 be- tween actual drainage622.8 m3/h and calculated drainage596.9 m3/h in the first coal mining face. Accurate calcula- tion of the inflow and upfront roof water pre-draining were key steps for roof water safety of the first coal mining face, and the technology could be used in other coal mines of Inner Mongolia-Shaanxi contiguous area. Keywords water inflow law; first coal mining face；roof water pre-draining；water-conducting fracture zone; Nalinhe No.2 coal mine; Inner Mongolia-Shaanxi contiguous area 西部是我国煤炭资源富集区和重点开发区， 2017 年西部煤炭资源开采量已占全国的 74.9，神 东等侏罗纪浅埋煤田区是当前开发的重点，蒙陕接 壤区等中深埋煤田区则是未来的主产区，目前已开 工建设十几座特大型现代化矿井，其中纳林河二号 矿井是最早建设的煤矿。蒙陕接壤区位于毛乌素沙 漠区，煤层顶板直接充水含水层呈“水压高、富水性 强”特征，对煤炭开采具有较严重的水害隐患，尤其 是首采工作面，回采过程中涌水量波动较大，会影 响综采面正常生产，造成工作面排水系统瘫痪、工 作面被淹等水害问题。从防治水角度，前人已经开 展的研究发现，受控于印支运动向燕山运动转折， 在总体沉降的构造背景下，在中生代延安组形成了 厚而连续的煤层[1-2]；煤层顶板以中粗砂岩、砂质泥 岩为主，硬度大，脆性好[3]，且厚煤层多采用大跨 度大采高开采，导水裂缝带发育较高[4]；受河流相 和多旋回沉积作用，导水裂缝带范围内发育有多层 含水层主要包括真武洞砂岩、七里镇砂岩[5]，呈高 压富水、富水性不均一等特征[6-7]，工作面回采过程 中涌水量起伏较大，一旦超过工作面排水能力，就 会造成工作面被淹等水害事故。为了保障工作面回 采安全，非常有必要以首采工作面为对象，开展顶 板水预疏放和回采过程中涌水规律研究，以期为蒙 陕接壤区深埋煤田区的煤炭开发提供防治水方面的 科学依据。 1 研究区概况 纳林河二号矿井位于毛乌素沙漠东南缘图 1， 地形总体上南北高、 中间低， 地表均被第四系风积沙 覆盖，多为新月形或波状沙丘，厚度一般小于 30 m， 整个第四系厚度则在 9.16174.57 m，角度不整合于 一切下伏地层之上，没有基岩出露；无定河及其支 流纳林河从井田内流过，其中无定河是黄河一级支 流。本矿井主采延安组 3-1 煤，受控于鄂尔多斯盆 地单斜构造，在所有已开工建设的矿井中，煤层标 高最低；煤层顶板发育延安组三段、直罗组、安定 组、志丹群等地层，均属于河流相沉积，呈含、隔 水层互层状展布， 顶板侏罗纪含水层属于区域性地下 水系统的滞流区，水中矿化度普遍在 10 000 mg/L[8] 左右， 是呼吉尔特、 榆横、 榆神等矿区的 25 倍[9-10]。 图 1 纳林河二号矿井位置图 Fig.1 Location of Nalinhe No.2 coal mine 首采工作面位于纳林河二号矿井首采区中东部井 田边界附近，工作面回采煤层为侏罗系延安组 3-1 煤， 平均厚度 5.5 m，可采指数为 1.0，可采储量 448.0 万 t， 直接顶底板均为厚层状粉砂岩。工作面长 241.25 m、 推进长度 2 600 m。采用大采高综采工艺，全部垮落法 管理顶板。工作面整体呈一向西倾斜的单斜构造，倾 角 03；两顺槽在施工过程中共揭露断层 5 条，最大 落差 1.5 m，大部发育在停采线附近；工作面内仅揭露 1 条落差 1 m 的正断层，对工作面回采工作影响很小。 2 顶板水文地质特征 2.1 覆岩破坏规律 根据勘探期间施工的首采工作面内 5 个钻孔资 料分别是 NL32、MD20、NL43、MD27、NL50， 3-1 煤层厚度 3.975.83 m平均 5.5 m；2-1 煤与 3-1 煤距离 45.6657.52 m，厚度小于 1.0 m；3-1 煤直接 顶岩性为砂质泥岩和粉砂岩，延安组三段和直罗组 一段为砂泥岩互层结构，包括 3 层岩性为中砂和粗 砂的含水层，分别是 3-1 煤顶板含水层、2-1 煤顶板 含水层真武洞砂岩和直罗组底部含水层七里镇砂 ChaoXing 106 煤田地质与勘探 第 47 卷 岩， 距离 3-1 煤顶板分别为 4.916.2 m、 48.783.2 m 和 77.4109.4 m图 2。在已查清煤层顶板含水层分 布特征的条件下，煤层开采的覆岩破坏高度和采动 裂隙分布特征，决定了工作面回采过程中涌水量大 小和变化规律。为了研究纳林河二号矿井 3-1 煤开 采的覆岩破坏规律，在首采工作面范围内施工了 CQ01 和 CH01 覆岩破坏观测钻孔， 其中采前对比孔 CQ01 布置在距离切眼 603 m、距下顺槽 68.7 m 的 位置， CH01 距离下顺槽 46.8 m， 距离切眼 610.3 m； 分别采用钻探取心、钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔 彩色电视探测手段，实测得到导水裂缝带高度为 103.23 m，裂高导水裂缝带高度采厚比为 18.8，表 明首采工作面 3-1 煤层开采过程中导水裂缝带可发 育至直罗组底部含水层七里镇砂岩。 图 2 纳林河二号矿井首采工作面煤层顶板柱状示意图 Fig.2 Sketch of coal seam roof columnar of the first working face in Nalinhe No.2 coal mine 2.2 水文地质特征 为了查清导水裂缝带范围内各含水层的水文地 质条件，分别在中央大巷、永久煤仓和工作面施工探 放水钻孔，结果表明① 3-1 煤顶板含水层富水性不 均一，在地面瞬变电磁圈定的富水区，钻孔涌水量 8.010.0 m3/h、水压 1.13.4 MPa，在非富水区大部分 钻孔不出水；② 2-1 煤顶板含水层钻孔涌水量 32.042.0 m3/h、水压 4.15.0 MPa；③ 直罗组底部含 水层钻孔涌水量 92.0136.0 m3/h、水压 4.05.6 MPa。 2-1 煤顶板含水层和直罗组底部含水层呈区域性稳定 展布，是工作面回采过程中的主要充水含水层。当工 作面开始回采时，一方面顶板导水裂缝带范围内含水 层赋存的地下水会直接进入采空区， 属于静态储存量； 另一方面采空区及其冒裂带共同构成一巨型疏放水 井，由于对顶板各含水层水的持续疏降，形成了以采 空区为中心的降落漏斗，在水力梯度作用下，各含水 层水侧向运移流入采空区，属于动态补给量[11]。 静态储存量Qj计算采用式1 QjsFM1 1 根据首采工作面顶板含水层展布条件，单位贮 水系数 s0.043 3，影响范围 F7.45105 m2，工作 面范围内含水层厚度 M180.47 m将所有含水砂体 和含水层厚度之和作为计算厚度，计算得到 Qj 2.596106 m3。 随着采空区面积的不断扩大，整个降落漏斗的 影响范围也逐渐增大，且在采空区附近形成了低于 含水层顶板的水位即非承压， 因此动态补给量Qd 计算采用承压转无压公式 2 d 00 2 1.366 lglg HM Mh QK Rr   2 式中 引用影响半径 R010SK；引用半径 r0 4 a b 。 根据实测和收集数据，渗透系数 K0.087 m/d； 水柱高度 H320 m；含水层剩余水柱高度 h0；区域 性含水层厚度 M50.0 m以含、导水且存在侧向补给 的含水层厚度作为计算厚度。回采过程中，随着覆 岩破坏形成的“采空区”井径增大，动态补给量将呈 逐渐增加趋势，分段计算得到回采 300 m、600 m、 1 200 m、2 600 m 时工作面涌水量动态补给部分分 别为 178.8 m3/h、 219.0 m3/h、 282.5 m3/h 和 417.6 m3/h。 3 工作面预疏放 3.1 放水试验 由于顶板含水层富水性不均一，静态储存量较 大，为了保障工作面安全回采，必须在回采前开展 顶板含水层水的预疏放， 预疏放水量以静储量为主， 主要疏放工作面推进前方顶板含水层涌水，仅包括 一部分动态补给量图 3； 而大部分动态补给量进入 采空区，形成采空区涌水。 图 3 动静储量与预疏放水、采空区涌水关系 Fig.3 Relationship among dynamic-static water storage, pre-drainage and water inflow in goaf ChaoXing 第 4 期 李永涛等 基于顶板水预疏放的首采工作面涌水规律 107 首先开展了工作面切眼附近的放水试验，结果 如下① 单孔放水试验Y25-2 钻孔，初始钻孔涌 水量为 50.481.23 m3/h，历经 15 d 的衰减后，逐渐 稳定在 24.0 m3/h；② 两孔放水试验，待 Y25-2 钻 孔涌水量基本稳定，打开距离 Y25-2 钻孔约 150 m 的 Y28-1 钻孔阀门继续放水试验，该钻孔初始涌水 量 66.3 m3/h，6 d 后稳定在 7.09.0 m3/h；③ 多孔 放水试验，在两孔放水试验基础上，每次增加 24 个放水钻孔开展多孔叠加放水试验，涌水量会显著 增加，最终增至 15 个放水钻孔；④ 增大的涌水量 经过 13 d 的疏降， 衰减较快并逐渐达基本稳定； ⑤ 经 过将近 80 d 的放水试验，最终所有钻孔单孔涌水量衰 减至 3.05.0 m3/h，中心孔水压力小于 1.0 MPa图 4。 在工作面切眼段形成了较明显的降落漏斗，表明鄂 尔多斯盆地侏罗系深埋区煤层顶板含水层水可以通 过疏降达到回采要求。 图 4 放水试验过程中心孔压力变化曲线 Fig.4 Pressure variation of central hole during roof aquifer drainage test 3.2 顶板水预疏放 基于工作面放水试验结果，制定了分段超前预 疏放方案，先期对 0600 m 范围进行预疏放，预疏 放钻孔共 33 个，初期最大总涌水量为 375.0 m3/h， 预疏放水量累计达 1.331106 m3后，将切眼段顶板 含水层水压从 5.6 MPa 降至 0.9 MPa， 钻孔总涌水量 基本稳定在 150.0200.0 m3/h， 满足了工作面安全回 采的防治水要求。随着工作面回采的持续进行，以 600 m 为一段，分段超前施工顶板钻孔共 184 个， 并预疏放直接充水含水层水，根据预疏放水量变化 特征可以看出图 5 工作面后期分 3 个阶段进行顶 板水分段预疏放，第一阶段水量从 192.5 m3/h2014 年 11 月减少至 95.7 m3/h2015 年 7 月；第二阶段 水量从 120.6 m3/h2015 年 7 月减少至 71.5 m3/h 2016 年 3 月； 第三阶段水量从 99.2 m3/h2016 年 4 月减少至 24.3 m3/h。回采至回撤通道附近时，预疏 放水量为 24.334.5 m3/h， 这部分水量可视为工作面 前方的动态补给量。整个首采工作面回采过程中， 预疏放水量共计 4.235106 m3。 4 工作面回采涌水量变化规律 首采工作面顶板含水层水预疏放条件下，整个 工作面回采过程中采空区涌水量与推采步距呈正相 关关系图 6，其中 0220 m 段涌水主要来自 3-1 煤 顶板含水层和进入采空区钻孔涌水； 220307 m 段导水 裂缝带开始发育至直罗组底部含水层，首次出现涌水 峰值183.2 m3/h；随着推采步距的增加307610 m， 采空区涌水逐渐回落， 并稳定在 100.0105.0 m3/h； 610 m 之后，顶板周期性滞后垮落，导致导水裂缝 带也周期性发育至高点直罗组底部含水层，采空 区涌水量呈台阶式增长100.0105.0 m3/h→150.0 160.0 m3/h →178.9189.4 m3/h→276.7315.9 m3/h→ 340.5357.5 m3/h。另外，采空区涌水量每上升一个 台阶，都出现了一个小的峰值10.0 m3/h 左右，主 要是由于顶板含水层为砂岩孔隙水，残留有少量的 孔隙型静态储存量，当导水裂缝带发育至该含水层 时，孔隙内残留水会进入采空区，导致涌水量增大。 图 5 顶板疏放水量变化曲线 Fig.5 Variation of drained water volume of roof aquifer ChaoXing 108 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 6 纳林河二号矿井工作面推采步距与采空区涌水量关系 Fig.6 Relationship between mining length and water inflow of goaf in Nalinhe No.2 coal mine 从开展首采工作面顶板水预疏放至整个工作面 回采结束，历时 3.5 a，总预疏放水量 4.235106 m3， 采空区涌水量 5.313106 m3，首采工作面总排水量 预疏放水量采空区涌水量合计4.2351065.313 1069.548106 m3，单位排水量将总排水量平均至 工作面预疏放和回采时间内为 622.8 m3/h。首采工 作面总排水量预计中，静态储存量 Qj2.596106 m3 即 169.3 m3/h，动态补给量 Qd417.6 m3/h，合计 596.9 m3/h。预计排水量比实际排水量小 4.2，考 虑一定安全系数1.5 倍的条件下，本次开展的涌水 量计算和预疏放研究，能够为纳林河二号矿井首采 工作面的安全回采提供科学依据。 表 1 纳林河二号矿井首采工作面预计涌水量与实际涌水量关系 Table 1 Relationship between calculated water inflow and actual water inflow in Nalinhe No.2 coal mine 预计涌水量/m3h-1 实际涌水量/106 m3 静态储存量 动态补给量 预疏放水量 采空区涌水量 疏放和回采 时间/a 误差率/ 169.3 417.6 4.235 5.313 3.5 4.2 5 结 论 a. 分别采用钻探取心、钻孔冲洗液漏失量观测 和钻孔彩色电视探测手段，实测得到首采工作面导 水裂缝带高度为 103.23 m，裂采比为 18.8 倍，表明 首采工作面 3-1 煤层开采过程中导水裂缝带可发育 至直罗组底部含水层七里镇砂岩。 b. 3-1 煤开采过程中受到 3 段含水层影响，其 中直罗组底部含水层钻孔涌水量 92.0136.0 m3/h、 水压 4.05.6 MPa，呈“水量大、水压高、分布不均 的特点”，是威胁工作面回采安全的最主要含水层。 c. 首采工作面回采过程中，顶板水主要由静态 储存量和动态补给量构成，采用“动静储量结合法” 计算得到静态储存量和动态补给量分别为 Qj2.596 106 m3和 Qd417.6 m3/h。 d. 为了保障工作面回采安全，开展了回采前的 顶板水分段预疏放， 最终总预疏放水量 4.235106 m3， 采空区总涌水量 5.313106 m3，首采工作面总排水 量为 622.8 m3/h， 比预计排水量 596.9 m3/h 大 4.2； 涌水量准确预测和顶板水预疏放，是实现首采工作 面防治水安全的关键。 参考文献 [1] 王双明. 鄂尔多斯盆地构造演化和构造控煤作用[J]. 地质通 报，2011，304544–552. 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