近松散层疏放开采的水文地质条件改造研究.pdf

第3 3 卷第6 期 2 0 0 4 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．6 N O V ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 6 0 7 1 7 0 4 近松散层疏放开采的水文地质条件改造研究 陈丽红1 ，董青红2 ，赵庆杰3 1 ．元锡水文工程地质勘查院，江苏无锡2 1 4 0 0 0 ； 2 ．中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ；3 ．济宁市太平煤矿，山东济宁2 7 2 1 0 0 摘要阐述了水文地质条件改造意义，结合太平煤矿近松散层疏放开采的实际水文、地质条件， 试验研究了矿井水文地质条件，提出了地面供水井封堵和井下疏放结合的综合开采方案，阶段性 地实现了第四系上组水的开采保护和井下安全生产，对进一步疏放开采亦具有重要的指导意义． 关键词松散层；采煤；疏放开采；水文地质；工程地质 中图分类号P6 4 2文献标识码A H y d r o g e o l o g yR e f o r m a t i o ni nU n c o n s o l i d a t e d L a y e r sD d u r i n gD e w a t e r i n gMi n i n g C H E NL i h o n 9 1 ，D O N GQ i n g h o n 9 2 ，Z H A OQ i n g j i e 3 1 ．W u x iH y d r o g e o l o g i c a l ＆E n g i n e e r i n gG e o l o g i c a lS u r v e yI n s t i t u t e ，W u x i ，J i a n g s u214 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE a r t hS c i e n c e ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 3 ．T a i p i n gC o a lM i n e ，J i n i n g ，S h a n d o n g2 7 2 1 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t S i g n i f i c a n c eo ft r a n s f o r m i n gh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n si sd i s c u s s e d ．T h eh y d r o g e o l o g i c a l c o n d i t i o n so fT a i p i n gc o a lm i n ew a se x p e r i m e n t a l l yr e s e a r c h e d ．Ac o m p r e h e n s i v em i n i n gm e t h o di s p u tf o r w a r di nw h i c ht h ew a t e ri ss t o p p e df r o mf l o w i n gi n t ot h ec o a lb e a r i n gs t r a t aw h i l et h ew a t e r i nc o a lm i n ei sd r a i n e d ．B yd o i n gS O ，t h es a f e t yp r o d u c t i o nh a sb e e nr e a l i z e di ne x p l o t i m gc o a lo v e r Q u a r t e r n a r ys t r a t a ，w h i c hc a nb e u s e da sar e f e r e n c ef o ro t h e rc o a lm i n e sw i t ht h es a m e h y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ． 、 K e yw o r d s m i n i n g ；l o o s e nl a y e r s ；d e w a t e r i n gb e f o r em i n i n g ；h y d r o g e o l o g y ；e n g i n e e r i n gg e o l o g y 地下水动态变化规律及含水层富水性是影响 近风化带煤炭资源安全开采的内容之一．兖州矿区 3 煤地层倾角普遍较小，上覆第四系厚松散层下组 为弱一中等富水性，在大部分矿井可构成近风化带 开采的直接充水水源，是提高开采上限和防治溃水 溃砂的症结所在．同时，矿区内隔水的第四系中组 地层被部分供水井导通，人为造成了第四系上下组 的水力联系，对矿井生产也存在一定威胁．为此，笔 者拟从分析太平矿八采区的地质、水文地质条件人 手，通过水文地质勘探、连通性试验、井下疏放及观 测，进行近松散层下疏放开采水文地质条件改造研 究的探讨与实践． 1近风化带开采的水文地质条件 太平矿八采区位于井田北部，井田范围内分布 着多眼供水深井．太平矿第四系 Q 厚度为1 5 1 ．8 0 ～1 9 4 ．3 0m ，平均厚1 7 3 ．0 5m ，以棕黄色、灰绿色 黏土、砂质黏土、黏土质砂为主，夹多层砂及砂砾 层，根据其岩性和含水特征分上、中、下三组上组 由黄褐色、棕黄色黏土、砂质黏土夹薄层黏土质 砂及砂层组成，平均厚度6 4 ．0 6m ，含水层属孔隙 承压水，单位涌水量1 ．4 1 1 ～2 ．0 2 2L ／ s m ，是 农田灌溉和居民生活用水水源；中组由浅灰绿色的 黏土、砂质黏土、黏土质砂及砂层构成，平均厚度 收稿日期2 0 0 3 0 5 1 1 作者简介陈丽红 1 9 6 3 一 ，女，江苏省如东县人，无锡水文工程地质勘查院工程师，从事工程地质方面的研究 万方数据 7 1 8 中国矿业大学学报 第3 3 卷 5 3 ．7 0 m ，该含水层 组 为孔隙承压水，单位涌水量 0 ．0 4 36 ～0 ．2 0 3L ／ s m ，基本为弱含水的隔水 层组；北部采区第四系下组由浅灰色、灰绿色粘土、 粘土质砂及中、粗砂砾层组成，砂层与粘土层交互 沉积，单位涌水量0 ．0 0 01 1 7 ～0 ．0 6 17L ／ s m ， 亦为弱含水层．但八采区开拓过程中第四系下组探 水孑L 涌水量达到2 0i n 3 ／h 以上，八采区附近地面观 测孔揭示3 煤顶板以上第四系下组存在7 0I T I 以上 水头．初步调查判断，供水井深入到第四系下组取 水，井壁外侧的填砾层导通了第四系上、下组的水 力联系．而煤层覆岩厚度仅为3 0 ～5 0I T I ，局部低于 3 0m ，第四系下组水在采动后可成为采空区直接 充水水源．若要实现安全开采则必须查明八采区第 四系下组水的来源和进行必要的水文地质条件改 造，以适应安全生产的需求． 2 水文地质条件的连通性 地面供水深井导致的上组含水层和下组含水 层串通，客观上造成了对矿井水的补给；同时下组 含水层受矿区长期排水的影响，区域地下水位已经 下降到埋深9 0 ～1 0 0m ，对工农业用水和环境也产 生了严重影响．但较长时期以来，由于缺乏直接的 证据，对供水井与太平煤矿井下涌水之间的关系看 法不一，从而造成对矿井水防治决策的困扰．为此， 采用了连通试验方案，通过示踪法查明井田内供水 井与采区第四系下组含水层的水力联系[ 1 。3 ] ．选择 了新庄村前S 7 井和太平矿附近K 9 井第四系上组 段作为示踪指示剂投放点，在太平煤矿东总回 N o ．1 、东大巷 N o ．2 两个井下仰孔取样点和地 面9 9 2 ，0 0 7 两个观测孑L 进行取样测试．其中，S 7 孔和井下的连通试验的布置如图1 ．图2 是东大巷 示踪离子浓度与投放时间的关系曲线．从示踪剂的 投放到井下两出水点 N o ．1 ，N o ．2 首次检测到所 历时时间分别为4 2 ．5h 和3 8 ．5h ．随着时间的推 移，示踪剂的浓度逐渐达到峰值，达到峰值历时 1 4 0 ．5h ．4 8h 后恢复到开始状态．试验表明，S 7 供 水井与太平矿第四系下组含水层放水点之间存在 N o ．1 苗2N o 2 i o s 7 图1 连通试验示意图 F i g ．1 G e n e r a lS k e t c ho fC o n n e c t e d n e s sT e s t 着明显的直接水力井下出水点地表检测孔示踪剂、 投放孔联系，并且地下水的实际流速较大；供水 井的结构是串通第四系含水层上、中、下组的主 要原因，也构成了水文地质条件改造的突破口之 。 一 ● ∞ E 一 m 褪 袋 √ 图2N o ．2 点示踪剂浓度变化过程曲线 F i g ．2 T r a n s f o r m a t i o no fT r a c e r c o n c e n t r a t i o na tp o i n tN o ．2 3 水力通道的封堵改造及检验 在连通性研究的基础上，经水源井调查、井壁 结构探测、抽水试验和水量分析后，对3 煤区3 公 里范围内的供水深井进行了注浆封堵．图3 为封堵 工艺的示意图，主要封堵了第四系上组底部以下至 孔底段花管外侧和填砾层的水力通道． 图3 供水井封堵示意图 F i g ．3B l o c k a g eo fs u p p l yw e l l 图4 是封堵前后声幅测井成果， b 线下部近 直线部分为封堵段． 7 0 8 0 呈 嫠9 0 1 0 0 1 1 0 a 封堵前 b 封堵后 图4 封堵前后s 7 井声幅测井曲线 F i g ．4W e l lL o g g i n gcurvep r ea n da f t e rb l o k e g e ．．‘P．．。Ij_ 万方数据 第6 期陈丽红等近松散层疏放开采的水文地质条件改造研究 而图5 是封堵后s 7 井的连通试验曲线，经1 4 天测试，井下检出示踪离子的浓度与图2 相比从数 量上有了显著的降低，同时，因测试误差导致浓度 值随时间无规律的上下震荡，且出现负值，表明经 封堵后S 7 井第四系上组与下组几乎已不存在水力 联系，证明了封堵改造的可靠性． 通过分析封堵前后供水井水位与涌水量，从表 1 还可看到，封堵前后水井水位、涌水量基本未发 生明显变化，封堵也不会对供水井水量造成影响． o ● ● 暑 ≮ m 褪 毖 l 长 ≤ 图5s 7 井封堵后连通试验曲线 F i g ．5 C o n n e c t e d n e s sc u r v eo fw e l lS 7 表1封堵前后供水井水位与涌水量对比 T a b l e1W a t e rl e v e la n di n f l o wb e f o r ea n da f t e rb l o c k a g e S 76 ．6 56 ．3 3 电厂5 ”1 6 ．6 01 5 ．6 0 西娄村 程家街 机械厂 6 ．6 5 1 6 ．6 0 1 6 ．6 0 2 5 ．4 0 1 7 ．2 8 2 8 ．9 7 4 7 ．9 9 4 5 2 4 ．0 8 3 0 6 0 3 5 6 ．3 3 1 5 ．6 0 1 5 ．6 0 2 2 ．3 0 8 ．4 2 1 0 ．4 2 9 ．8 2 Z 9 ．7 2 4 ．0 8 6 0 6 0 3 5 4井下疏放对水文地质条件的改造 供水井封堵从一定程度上排除了第四系上组 水对矿井生产的影响．而第四系下组的水头在薄基 岩条件下仍会造成突水、涌砂的威胁，必须进行疏 放[ 4 - 6 ] 形成降落漏斗后才能安全开采．放水孔分散 布置，以达到对工作面较大范围内进行疏放水的目 的．从图6 可以看到，随八采区疏放水的进行，地面 三个水文孔的水位有明显的下降，截止到2 0 0 4 年 3 月，八采区3 煤层底板以上水头标高已降至3 0m 左右，而放水量如图7 所示，已经达到1 0 0 0m 3 ／h ． 并成功实现了八采区的回采． 暑 趟 * ．1 0 5 ．1 1 5 ．1 2 5 ．1 3 5 图6 水文孔水位变化 F i g ．6W a t e rl e v e lt r a n s f o r m a t i o ni nh o l e 根据太平矿八采区前期疏放开采的观测资料， 得到如图8 降深一涌水量关系曲线，根据图8 建立 数学模型如式 1 ，用于描述水位日与涌水量Q 间 关系，可进一步预测达到预定降深所需要的放水 量． 1 0 0 0 8 0 0 蓦s 。。 苗4 0 0 2 0 0 0 ；；辛‘- q 霉g 霉；三至至至至 _ 一一n ．n 卜西一一n 娶e 西 _oooqo 一拳掌々q9 量妻蚕蚕量萤重萎蔓善菱蔫 NNNNNN 一一一NN 日期 图一7 涌水量变化曲线 F i g ．7 T r a n s f o r m a t i o no fw a t e ri n f l o w H 水 ／m 3 ．1 1 0 g ．1 1 5 醛．1 2 0 世．1 2 5 ．1 3 0 景暑鲁景餐暑毯妻翟嚣 一 北 图8 降深一涌水量关系 F i g ．8 R e l a t i o nb e t w e e nd r a w d o w na n dw a t e ri n f l o w H 5 ．5 6 8 3 e l O 1 0 9 Q 3 1 ．4 2 0 4 e 一 6 1 0 9 Q 2 0 ．0 0 1 2 2 4 7l o g Q 1 ．7 4 5 9 1 5 结论 1 水文地质条件被人为改变后，采取连通试 验研究和注浆封堵等措施切断水力联系，并在近风 化带薄基岩条件下成功疏降水头到3 0m ，均是对 现有水文地质条件的改造．该方法不仅在太平矿取 _lN‘o毒ooN罱毒o ．g o H焉．Io毒ooN ≈-o_【-￡ooN罱do．￡8N 期_IN毒穹nooH日 lz-lo-￡8N 罱_o一内8HN‘o曲ooN罱{ o ．N o o N高_ I o 8 H 万方数据 7 2 0中国矿业大学学报第3 3 卷 得了较好的经济和社会效益，其水文地质条件改造 的基本思路和工作方法也可为同类矿井生产提供 借鉴． 2 太平矿在供水井封堵、八采区疏放开采的 基础上，降低水头到3 0m ，已经安全采出煤炭 1 1 4 ．9 7 1t ，实际增加产值近3 亿元，证实了水文地 质条件改造研究对矿井生产的实际意义。 3 本文采用的地面供水井封堵和井下疏放综 合进行矿井水文地质条件改造的研究观点和实践 方法在实现安全回采的同时，从另一个侧面也促成 了兖州矿区第四系上组水的合理保护，为工农业生 产和水环境合理开发利用创造了条件． 参考文献 l - 1 - ] 李百贵．通过水力连通试验判断工作面水源[ J ] ．江苏 煤炭，2 0 0 3 1 3 3 3 4 ． L iBG ．J i a n g s uC o a l ．S o u r c e sj u d g m e n to fw o r k i n g f a c eb yw a t e rc o n n e c t i n ge x p e r i m e n t [ J ] ．J i a n g s u C o a l ，2 0 0 3 1 3 3 3 4 ． [ 2 ] 谢玲琳，李友贵．酵母菌示踪迹及其在地下水连通试 验中的应用[ J ] ．湖南地质．1 9 9 9 0 4 2 6 9 2 7 4 ． X i eLL ，L iYG ．Y e a s tt r a c e ra n di t sa p p l i c a t i o ni n u n d e r g r o u n dw a t e rc o n n e c t i n ge x p e r i m e n t [ J ] ．H u n a n G e o l o g y ，1 9 9 9 0 4 2 6 9 2 7 4 ． [ 3 3 杨尔乾．大型投盐探测地下水连通试验经验总结[ J ] ． 水资源保护，1 9 9 4 3 4 0 4 6 ． Y a n gEG ．S u m m a r yo nl a r g e - s c a l eu n d e r g r o u n d w a t e rc o n n e c t i n ge x p e r i m e n tw i t hs a l t [ J ] ．W a t e r R e s o u r c eP r o t e c t i o n ，1 9 9 4 3 4 0 4 6 ． [ 4 ] 邢奇生，孟宪义，安栓志，等．车集煤矿采煤工作面底 板水害防治[ J ] ．煤炭工程．2 0 0 3 7 1 6 1 7 ． X i n gQS ，M e n gXY ，A nS Z ，e ta 1 ．P r e v e n t i o na n d t r e a t m e n to fb o t t o mw a t e rh a z a r d si nC h e j iC o a lM i n e 口] ．C o a lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 7 1 6 1 7 ． [ 5 ]吴新华，阳金知．合理优化设计超前疏放含水[ J ] ．中 州煤炭，2 0 0 0 0 2 4 - 5 ． W uXH ，Y a n gJZ ．O p t i m i z a t i o nd e s i g no fp r e d e w a t e r i n gw a t e rb e a r i n gs t r a t u m [ J ] ．Z h o n g z h o u C o a l ，2 0 0 0 0 2 4 - 5 ． [ 6 3 毛允德，李敏．预采疏放法防治首采工作面顶部含 水层突水口] ．煤田地质与勘探，1 9 9 9 4 5 0 5 1 ． M a oYD 。L iM ．D e w a t e r i n gd u r i n gp r e l i m i n a r y m i n i n gf o rc o n t r o l l i n gw a t e rb u r s t i n gf r o mr o o fa q u i f e r [ J ] ．C o a lG e o l o g y E x p l o r a t i o n ，1 9 9 9 4 5 0 - 5 1 ． 责任编辑李成俊 万方数据