東歡坨礦水文地質(zhì)特征分析及涌水量計(jì)算

陳崇域 劉 剛 馮光俊

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；(2.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116)

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★ 煤礦安全 ★

東歡坨礦水文地質(zhì)特征分析及涌水量計(jì)算

陳崇域 劉 剛 馮光俊

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；(2.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116)

為明確東歡坨礦水文地質(zhì)特征并對礦井涌水量的預(yù)測，基于煤田地質(zhì)勘探資料、采掘及鉆孔數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究了研究區(qū)整體的井田水文地質(zhì)特征、充水水源及充水通道特征。對礦井的涌水量分別用改進(jìn)的大井法和灰色模型進(jìn)行預(yù)測，其中灰色模型涌水量預(yù)測結(jié)果與礦井往年涌水量相近，符合礦井實(shí)際涌水量情況。

礦水文地質(zhì)特征 礦井涌水量 大井法 灰色模型 東歡坨礦

1 煤礦概述

東歡坨礦井于1988年4月正式開工建設(shè)，1997年礦井簡易投產(chǎn)，2015年產(chǎn)量達(dá)222萬t/a?，F(xiàn)礦井生產(chǎn)水平為-500 m水平和-690 m水平，開拓延伸水平為-950 m水平。礦井核定生產(chǎn)能力為450萬t/a，生產(chǎn)采區(qū)為-500 m水平中央、北二采區(qū)和南一采區(qū)、-690 m水平中央下采區(qū)、-690 m水平南一采區(qū)，同時(shí)生產(chǎn)的回采工作面3個(gè)，采用走向長壁后退式采煤方法，全部為綜合機(jī)械化開采。

東歡坨礦水文條件極其復(fù)雜，礦井施工以來已發(fā)生多次突水事件，隨著開采深度不斷加深，面臨的水地質(zhì)條件更加復(fù)雜。本文通過對東歡坨礦的水文地質(zhì)條件進(jìn)行總結(jié)分析，并對礦井水涌出量進(jìn)行預(yù)測，有助于合理確定東歡坨礦水處理設(shè)施的建設(shè)規(guī)模，有效利用建設(shè)資金，減少或避免安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。

2 井田水文地質(zhì)

東歡坨礦位于開平煤田的西北部，構(gòu)造位置位于軸向北東方向隱伏向斜的車軸山向斜的東南翼，研究區(qū)上部為第四系沖積層，北部平緩，厚度較薄，向南變厚，最高厚度達(dá)650 m。其底部的卵礫石層含水量較大，形成了較強(qiáng)的水源補(bǔ)給。位于沖積層之下的石炭二疊系含水層中的水主要賦存于砂巖裂縫中，其下伏奧陶系灰?guī)r含水量也較為豐富。

2.1 主要含水層及其特征

(1)第四系沖積層孔隙承壓含水層(Ⅶ)。第四系沖積層全區(qū)分布，與下伏古生代地層呈不整合接觸，由北部最小厚度180 m逐漸均勻變厚到南部650 m，其孔隙含水量不均勻，但總量較大。單位涌水量0.275～2.258 L/s·m，滲透系數(shù)0.371～4.846 m/d，水溫12～18.5℃，水質(zhì)類型為HCO3--Ca2+Na+Mg2+型或HCO3--Ca2+Mg2+Na+型，富水性強(qiáng)，為煤系含水層的補(bǔ)給水源，但如有構(gòu)造導(dǎo)通，則該含水層也有可能成為礦井涌水的直接水源。目前該含水層水位在-19～-24 m之間。

(2)石炭-二疊系砂巖裂隙承壓含水層(Ⅱ～Ⅵ)。東歡坨礦的石炭-二疊系含水層位于獨(dú)立的傾伏向斜之中，由于研究區(qū)石炭-二疊系砂巖的膠結(jié)和礦物質(zhì)組成差異較大，其構(gòu)造導(dǎo)致裂隙發(fā)育差異性也較大。以含水層水文參數(shù)為依據(jù)，將本區(qū)含煤地層劃分為五組十段，如表1所示。

表1 東歡坨礦區(qū)含水層特征表

(3)奧陶系灰?guī)r含水層(I)。奧陶系灰?guī)r含水層位于于石炭-二疊系地層之下，呈不整合接觸，其頂部灰?guī)r有較多的裂縫和溶洞發(fā)育且被砂礫等物質(zhì)充填。單位涌水量為0.799～1.794 L/s·m，滲透系數(shù)3.405～10.385 m/d，水質(zhì)類型為HCO3--Ca2+Mg2+型，水溫19.5℃。本層富水性強(qiáng)，對礦井的安全生產(chǎn)構(gòu)成較大威脅。目前本含水層水位標(biāo)高為-20 m左右。

2.2 主要隔水層及其特征

(1)A層附近(含A層)鐵鋁質(zhì)粘土巖，A層附近(含A層)鐵鋁質(zhì)粘土巖為煤系地層最上部的一個(gè)標(biāo)志層，紫紅色，質(zhì)硬性脆，有鮞狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理發(fā)育。與A0層相比，顏色較深、密度較大、含鋁質(zhì)成分多、斷口參差狀。根據(jù)該礦水文觀測孔東觀33孔A層下80 m抽水(Q=0.446 m3/min，S=30.46 m)，水文觀測孔東觀26、38孔的抽水試驗(yàn)表明該層為弱透水層。

(2)5#～12-2#煤層間為沉凝灰?guī)r、各類泥巖及高嶺土質(zhì)砂巖，特別是8#、9#煤層附近、12-1#～12-2#煤層之間是由沉凝灰?guī)r和高嶺土質(zhì)砂巖組成，隔水性較好，隨采掘工程推進(jìn)隔水性易遭破壞。

(3)G層鋁土質(zhì)粘土巖組，主要巖性為粉砂巖，細(xì)砂巖及泥巖次之，以淺灰及灰白色為主，底部為灰或灰褐色鋁質(zhì)泥巖，含有植物碎片和植物根化石及動物化石，一般厚度10 m。

3 充水條件及充水因素

統(tǒng)計(jì)東歡坨礦2011—2015年大氣降水量數(shù)據(jù)，與對應(yīng)年份礦井涌水量進(jìn)行對比，能直觀表現(xiàn)出大氣降雨對下部含水層及礦井涌水量不會造成明顯影響。井田范圍內(nèi)又無地表水系存在，因此大氣降水、地表水對礦井涌水量影響甚小。

當(dāng)東歡坨礦上方采空區(qū)或老巷道存有積水、動水時(shí)，這些積水、動水會順裂隙進(jìn)入工作面，成為突水水源。但由于該礦開采時(shí)間不長，水文資料保存相對完整詳細(xì)，因此積水位置、范圍、水量等積水條件清楚可靠，在具體的防治過程中，對有積水隱患的地點(diǎn)均進(jìn)行了探放老空水工作，有力保證了工作面的掘進(jìn)及回采安全，多年來未出現(xiàn)透老空水事故。

通過十幾年的生產(chǎn)實(shí)踐，東歡坨井田范圍內(nèi)充水通道主要有以下方式：

(1)直接揭露含水層，主要為A0～A之間含水層、A～5#煤層頂之間含水層、12-2#～14-1#煤層含水層組直接充水水源。

(2)斷裂帶導(dǎo)水，本井田構(gòu)造發(fā)育，通過井巷延伸工程及生產(chǎn)區(qū)域來看，大部分?jǐn)鄬游磁c含水層導(dǎo)通或不導(dǎo)水，然而有些斷層天然條件下是隔水的，但是當(dāng)開采煤層時(shí)，采場內(nèi)的斷層會由于開采造成的礦山壓力的變化而活化，從而引發(fā)突水。

(3)采動導(dǎo)水裂縫帶對礦井充水的影響。含水層或其他水源的水會順著礦井巷道掘進(jìn)和工作面回采時(shí)產(chǎn)生的導(dǎo)通到含水層或其他水源的裂隙進(jìn)入礦井。

4 涌水量預(yù)測

礦井涌水量預(yù)測方法大體上有非確定性分析法和確定性分析法。非確定性分析法有水文地質(zhì)比擬法、回歸分析法、灰色系統(tǒng)法等；確定性分析法包括水均衡法、解析法、數(shù)值法等。解析法預(yù)測礦井涌水量時(shí)，以井流理論和用等效原則構(gòu)造的大井為主。礦井涌水量計(jì)算方法種類繁多，預(yù)測方法不盡相同，需選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法來預(yù)計(jì)不同出水點(diǎn)的礦井涌水量，同時(shí)在礦井涌水量預(yù)測過程中應(yīng)考慮采掘過程及采動影響效應(yīng)。本文選取灰色模型和大井法進(jìn)行涌水量預(yù)測并進(jìn)行對比。

4.1 灰色模型

利用灰色理論建立的GM(1，1)預(yù)測模型對礦井水的預(yù)測，可以避免礦井水涌水量的無規(guī)律性、隨機(jī)性和波動性特征的影響；通過灰處理生成，使得計(jì)算簡單靈活，結(jié)果較為準(zhǔn)確。

基于全礦各水平所積累的涌水量數(shù)據(jù)，利用灰色理論所建立的GM(1，1)模型對-500 m、-690 m水平進(jìn)行涌水量預(yù)測。

灰色GM(1，1)模型的基本公式為：

(1)

a，u——待求參數(shù)。

預(yù)測結(jié)果根據(jù)預(yù)測參數(shù)平均相對精度P和平均相對誤差C對其進(jìn)行等級評價(jià)，從而確定預(yù)測精度，精度評價(jià)等級如表2所示。

表2 精度評價(jià)等級

在MatLab軟件支持下，將GM(1，1)模型寫入函數(shù)文件，將該礦井歷年各水平的涌水量數(shù)據(jù)代入，得出-500 m、-690 m水平涌水量灰色預(yù)測公式、平均相對精度P和平均相對誤差C。對-500 m水平涌水量預(yù)測參數(shù)和-690 m水平涌水量預(yù)測參數(shù)平均相對精度P和平均相對誤差C結(jié)果及對其進(jìn)行評價(jià)如表3所示。

表3 東歡坨礦灰色模型涌水量預(yù)測參數(shù)表

-500 m水平涌水量灰色預(yù)測公式為：Q(1)(t+1)= -1059.79e-0.0224t+1084.94。

-690 m水平涌水量灰色預(yù)測公式為：Q(1)(t+1)= 201.83e0.0505t-193.90。

綜上所述，利用灰色理論建立的GM(1，1)預(yù)測模型對東歡坨礦2016-2020年礦井涌水量進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如表4所示。

4.2 大井法預(yù)測涌水量

利用穩(wěn)定流大井法預(yù)測-500 m、-690 m水平開采時(shí)礦井涌水量增量。

假設(shè)：(1)井田-500 m、-690 m水平各直接充水含水層富水程度和充水程度較穩(wěn)定；(2)各含水層的水文地質(zhì)參數(shù)穩(wěn)定、變化較??；(3)忽略工作面短時(shí)間非穩(wěn)定充水過程；(4)概化-500 m、-690 m水平規(guī)劃開采區(qū)開采時(shí)的礦井充水過程為近似穩(wěn)定流井。

表4 2016-2020年礦井涌水量GM(1，1)模型預(yù)測表

大井法礦井涌水量預(yù)測計(jì)算方法屬于穩(wěn)定流解析方法，具有簡單方便的特點(diǎn)，但目前在利用大井法預(yù)測礦井涌水量方面仍存在不足，需要對計(jì)算公式進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)的大井法將導(dǎo)水裂縫帶高度影響范圍內(nèi)含水層的累計(jì)總厚度視為M值；改進(jìn)型大井法首次提出構(gòu)造分形維數(shù)對滲透系數(shù)K值的修正。由抽水試驗(yàn)取得的滲透系數(shù)是含水層平均值，反映的是含水層孔隙度、裂隙率、連通性能的綜合水平，地質(zhì)構(gòu)造對K值影響未考慮，同一含水層，由于構(gòu)造特征等因素的不同，導(dǎo)致滲透系數(shù)存在較大的差異，為此，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造分形維數(shù)的影響，用修正系數(shù)?對K值進(jìn)行修正。將大井法計(jì)算公式進(jìn)一步改進(jìn)，得出大井法修正公式：

(2)

式中：Q——大井涌水量，m3/d；

K——含水層滲透系數(shù)，m/d；

H——抽水前大井的水柱高度(從含水層底板到初始靜止水位)，m；

M——承壓含水層厚度，m；

r0——大井的引用半徑(等效半徑)，m；

F——水平或采區(qū)開采面積(參考-690 m水平未來五年年均開采面積)，m2；

R0——引用影響半徑；

R——影響半徑，取5333.17 m；

s——大井中的水位降深，即s=H=390 m；

k——滲透系數(shù)，m/d；

K*——滲透系數(shù)K值的修正值；

α——容量維D與K值相關(guān)性曲線的斜率；

M*——M的修正值，若導(dǎo)水裂縫帶未完全導(dǎo)通頂部第i含水層，mi值應(yīng)取第i個(gè)含水層整個(gè)厚度。

綜上所述，根據(jù)研究區(qū)用構(gòu)造分維值測算方法得出的構(gòu)造復(fù)雜程度分維值特征，結(jié)合研究區(qū)滲透系數(shù)資料，根據(jù)容量維D與滲透系數(shù)的關(guān)系，對K值進(jìn)行修正。構(gòu)造容量維與滲透系數(shù)關(guān)系如圖1所示。

圖1 構(gòu)造容量維與滲透系數(shù)關(guān)系圖

礦井涌水量主要考慮5#煤層頂板含水層水及8#、9#、11#、12-1#煤層頂?shù)装辶严端８魉接克款A(yù)計(jì)包括5#煤層頂板水(Q5煤)、主采煤層(8#、9#、11#)、頂?shù)装逅?Q8～11#煤層)及12-1#煤層底板運(yùn)輸大巷水(Q巖)。其中主采煤層(8#、9#、11#)、頂?shù)装逅?Q8～11#煤層)根據(jù)已回采區(qū)域經(jīng)驗(yàn)值，各主采煤層頂?shù)装逅畲笏?.5 m3/min，合計(jì)頂?shù)装逅?Q8～11#煤層)為1.5 m3/min。12-1#煤層底板運(yùn)輸大巷水比照中央、北一運(yùn)輸大巷(長度2070 m，水量6.69 m3/min)，預(yù)計(jì)12-1#煤層底板運(yùn)輸大巷水(Q巖)為4.5 m3/min。礦井正常水量按最大涌水量的70%計(jì)算。

根據(jù)改進(jìn)的大井法計(jì)算公式，結(jié)合東歡坨礦2016-2020年回采銜接表及抽放水試驗(yàn)結(jié)果，對東歡坨礦-500 m、-690 m水平涌水量進(jìn)行預(yù)測，各計(jì)算參數(shù)及預(yù)測結(jié)果如表5所示。

表5 2016-2020年-500 m水平和-690 m水平涌水量計(jì)算參數(shù)

利用大井法對東歡坨礦2016-2020年總的涌水量進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如表6所示。

表6 2016-2020年涌水量預(yù)測表

4.3 礦井總涌水量預(yù)計(jì)與結(jié)果討論

東歡坨礦水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，根據(jù)近些年來的涌水量變化情況可以看出，雖然在建井初期，礦井涌出量大小有所波動，但隨著開采的進(jìn)行及水文地質(zhì)工作的深入，礦井水涌出量趨于穩(wěn)定，近5年礦井平均涌水量為34.11 m3/min。本次研究基于礦井積累的涌水量數(shù)據(jù)，分別利用灰色模型及大井法對礦井未來5年的涌水量進(jìn)行了預(yù)計(jì)。礦井年涌水量變化趨勢及涌水量預(yù)測如圖2所示。

由圖2可以看出，大井法預(yù)計(jì)礦井未來5年涌水量介于36.88～42.27 m3/min之間，年平均涌水量為38.18 m3/min。通過對比分析礦井往年涌水量數(shù)據(jù)可以看出，本次研究雖然對大井法涌水量預(yù)測公式進(jìn)行了改進(jìn)，增強(qiáng)了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，但由于大井法概化時(shí)，忽略了非穩(wěn)定流含水層疏干過程的涌水量衰減現(xiàn)象和疏干漏斗形成過程、影響半徑與實(shí)際差異很大，而且一般要求含水層為均質(zhì)各向同性，實(shí)際條件不太滿足時(shí)，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果偏大。

灰色模型涌水量預(yù)測結(jié)果顯示，礦井未來5年涌水量介于34.25～35.28m3/min之間，年平均涌水量為34.72 m3/min，該預(yù)測結(jié)果與礦井往年涌水量相近，符合礦井涌水量情況，因此本次涌水量預(yù)測采用灰色模型。綜上所述，在有充分礦井涌水量資料的前提下，灰色模型預(yù)測礦井涌水量較為準(zhǔn)確，符合礦井涌水量特征。

圖2 礦井年涌水量變化趨勢及涌水量預(yù)測圖

5 結(jié)論

(1)從東歡坨礦開采區(qū)域看，直接充水水源為以A0～A、A～5#煤層頂、12-2～14-1煤層含水層組為代表的石炭-二疊系砂巖裂隙承壓含水層，其中5#煤層上方100 m為強(qiáng)含水層，單位涌水量以及滲透系數(shù)相對較大，對5#煤層以下8#、9#等主采煤層的開采存在安全隱患，回采之前應(yīng)對其進(jìn)行打鉆疏水降壓。

(2)本次研究雖然對大井法涌水量預(yù)測公式進(jìn)行了改進(jìn)，增強(qiáng)了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，但由于大井法概化時(shí)，忽略了非穩(wěn)定流含水層疏干過程的涌水量衰減現(xiàn)象和疏干漏斗形成過程，以及大井法模型的概化不可避免帶有一定誤差，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果偏大。

(3)灰色模型涌水量預(yù)測結(jié)果顯示，礦井未來5年涌水量介于34.25～35.28 m3/min之間，年平均涌水量為34.72 m3/min，該預(yù)測結(jié)果與礦井往年涌水量相近，符合礦井涌水量情況，因此本次涌水量預(yù)測采用灰色模型。在有充分礦井涌水量資料的前提下，灰色模型預(yù)測礦井涌水量較為準(zhǔn)確，符合礦井涌水量特征，可以作為東歡坨礦井排水設(shè)備能力設(shè)計(jì)的依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Hydrology characteristics analysis and water inflow calculation of Donghuantuo Mine

Chen Chongyu， Liu Gang， Feng Guangjun

(1. School of Resources and Geoscience, China University of Mining and Technology,Xuzhou, Jiangsu 221116, China;2.Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)

In order to explicit hydrology characteristics of Donghuantuo Mine and forecast mine water inflow amount, based on coalfield geology exploration data, mining and driving files and drilling boreholes profiles, systematically studied coalfield hydrology characteristics, water filling sources and water filling channel characteristics of the whole research area. Improved large well method and grey models were used respectively to predict mine water inflow amount, however, the water inflow result achieved by grey models was close to that in former years, which conforms to the condition of mine water inflow.

mine hydrology characteristics, mine water inflow, large well method, grey model, Donghuantuo Mine

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41472135)

陳崇域，劉剛，馮光俊. 東歡坨礦水文地質(zhì)特征分析及涌水量計(jì)算[J].中國煤炭，2017,43(5)：105-109，117. Chen Chongyu，Liu Gang，F(xiàn)eng Guangjun. Hydrology characteristics analysis and water inflow calculation of Donghuantuo Mine[J]. China Coal, 2017，43(5):105-109，117.

TD742.1

A

陳崇域(1992-)，內(nèi)蒙古包頭人，碩士研究生在讀，研究方向?yàn)槊号c油氣地質(zhì)。