張曼曼 姚多喜
摘 要:準(zhǔn)確預(yù)測礦井涌水量,對煤礦的采掘方案和排水能力的合理設(shè)計具有重要意義.以青東煤礦為例,依據(jù)單口抽水水位恢復(fù)數(shù)據(jù),運用泰斯水位恢復(fù)理論求出煤系砂巖含水層滲透系數(shù)K及貯水系數(shù)u*,并將計算結(jié)果與穩(wěn)定流的K值進行對比.在此基礎(chǔ)上,運用“大井法”對建井期一水平的礦井涌水量分別進行了穩(wěn)定流和定降深變流量非穩(wěn)定流預(yù)計.研究結(jié)果表明,水位恢復(fù)與穩(wěn)定流理論計算出的滲透系數(shù)值相差不大;煤礦建井期實測涌水量總體平穩(wěn),穩(wěn)定流理論計算值與總體均值接近;由于砂巖裂隙發(fā)育的不均一性,在局部時段,涌水量呈現(xiàn)疏干遞減型,非穩(wěn)定流理論值與實測值擬合較好;反映出穩(wěn)定流理論可對涌水量進行總體預(yù)測,而非穩(wěn)定流對部分獨立砂巖裂隙水單元可準(zhǔn)確預(yù)測出涌水量的動態(tài)變化規(guī)律.
關(guān)鍵詞:礦井涌水量;穩(wěn)定流;非穩(wěn)定流;解析法
中圖分類號:TD742? 文獻標(biāo)識碼:A? 文章編號:1673-260X(2019)11-0092-04
礦井涌水一直都是影響礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一,給礦井的建設(shè)、掘進及開采都帶來了一定的困難.而礦井涌水量在煤地質(zhì)學(xué)中則是指流入礦井巷道內(nèi)的地表水、裂隙水、老窯水、巖溶水等的總量,它是煤礦開采的一個重要技術(shù)條件[1-2],也是制定礦山疏干設(shè)計方案、確定生產(chǎn)能力的主要依據(jù),其直接關(guān)系著煤礦采掘方案和排水能力設(shè)計的合理性,更決定了煤礦是否能夠安全生產(chǎn),因此礦井涌水量的準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)報尤為重要.預(yù)測礦井涌水量的方法有很多種,一般可包括確定性預(yù)計方法和非確定性預(yù)計方法兩類.確定性預(yù)計方法包括解析法、水均衡法、數(shù)值法和物理模擬法;而非確定性預(yù)計方法主要分為時間序列分析法、模糊數(shù)學(xué)法、灰色關(guān)聯(lián)法、回歸分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、地質(zhì)比擬法和混沌模型法等.
實際采礦工程中,解析法又可稱為地下水動力學(xué)法,由于具有概念清晰、計算簡便以及參數(shù)易于獲取而被廣泛地運用在礦坑涌水量的計算中,該法通過合理概化實際問題,構(gòu)造解析公式從而達到計算水礦區(qū)涌水量的問題.經(jīng)過多年的實踐該法已積累較多的工程經(jīng)驗,為正確指導(dǎo)礦井開采合理布置疏排水工程奠定了良好的前期基礎(chǔ).本文以青東煤礦一水平開采涌水量計算為例,分別采用穩(wěn)定流解析法和非穩(wěn)定流解析法對其涌水量進行預(yù)測,為煤礦排水系統(tǒng)設(shè)計與布置提供參考指標(biāo).
1 研究區(qū)地質(zhì)概況
青東煤礦位于安徽省濉溪縣臨渙鎮(zhèn)石集村境內(nèi),研究區(qū)位置如圖1所示.本區(qū)屬淮河水系.淮北煤田位于安徽北部,是全隱蔽煤田,松散層厚度大,屬于華北型地層,主要含煤地層為二疊系的上石盒子組、下石盒子組和山西組,含煤地層平均總厚880.8m.
青東煤礦構(gòu)造主體表現(xiàn)為一走向北西~近東西,局部略有轉(zhuǎn)折,向北、北東傾斜的單斜.地層傾角一般10~20°,沿走向方向出現(xiàn)較小規(guī)模的地層起伏或次級褶曲;井田以正斷層為主,局部有巖漿巖侵蝕,構(gòu)造復(fù)雜程度為中等.
礦區(qū)內(nèi)含水層可根據(jù)地下水賦存介質(zhì)特征劃分為新生界松散層孔隙含水層、二疊系煤系砂巖裂隙含水層和太原組及奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層,如圖2所示.礦井主要充水水源有新生界松散層第四含水層(“四含”)、主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層、太灰、奧灰石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、老空區(qū)積水,這些充水水源都直接或間接的影響著礦井的充水.在掘進和工作面回采時,受采掘破壞或影響主要是各主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層,其位于疏干開采的層位,因此,各主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層是礦井充水的直接充水含水層.
2 涌水量計算的穩(wěn)定流理論
2.1 “大井法”簡介
工程實踐中常用解析法中的“大井法”,即把巷道系統(tǒng)所占面積簡化成一個圓形的大井,當(dāng)?shù)V井排水時,以巷道系統(tǒng)為中心,在礦井周圍會形成具有一定形狀的降落漏斗,這與鉆孔抽水時形成降落漏斗的情況相似,進而可利用地下水動力學(xué)公式來計算涌水量.
當(dāng)承壓水頭H值降至含水層底板時,h=0,地下水處于承壓轉(zhuǎn)無壓水流狀態(tài),故估算涌水量時采用承壓~無壓完整井公式.含水層一般為承壓含水層,當(dāng)承壓水井進行大降深抽水時,若井中水位低于含水層頂板,井附近則出現(xiàn)無壓水流區(qū),這時承壓水井就會變成承壓無壓(潛水)井.
2.2 涌水量計算
2.2.1 計算公式
依據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件,分析礦井充水水源、通道和強度等因素,可采用穩(wěn)定流“大井”法預(yù)測礦井涌水量,涌水量估算范圍是先期開采地段一水平(F6~大劉家斷層),淺部以主采煤層露頭帶為界,深部至-585m水平.按照“大井法”原理,將此開采面積視為一大井,計算時選用承壓~無壓完整井公式:
式中:Q為礦井涌水量,m3/h;K為滲透系數(shù),m/d;M為含水層厚度,m;S為水位降低值,m;F為采區(qū)面積,km2;R0為含水層的引用影響半徑,m;r0為“大井”半徑,m;r為影響半徑,m;H為水頭高度,m;h為井筒水柱高度,m.
2.2.2 計算參數(shù)
經(jīng)過現(xiàn)場實測,可得到7~8煤含水層厚度M、估算面積F以及透系數(shù)K,將滲透系數(shù)K代入式(2),可求出大井半徑r0、“大井”引用影響半徑R0和影響半徑r,具體參數(shù)值如表1所示.
2.2.3 計算結(jié)果
將上述各個參數(shù)代入式(1),可得到7~8煤含水層涌水量Q1=100m3/h.
3 涌水量計算的非穩(wěn)定流理論
一般來說,穩(wěn)定流“大井法”預(yù)測礦井涌水量,具有快速、簡便等優(yōu)點.但該預(yù)測模型只能總體上反映出涌水量的大小,不能反映出涌水量隨時間的變化規(guī)律,因此本節(jié)采用非穩(wěn)定流理論進行涌水量的動態(tài)預(yù)測.
3.1 非穩(wěn)定流計算公式
在礦井排水量大于充水含水層補給量時,在建井過程中,開采初期或開采水平延伸的情況下,地下水的運動始終處于非穩(wěn)定流狀態(tài),無法達到相對穩(wěn)定的條件,只有用非穩(wěn)定流法才能客觀的計算礦井涌水量.非穩(wěn)定流計算公式如下:
式中:s離鉆井井軸r處的水位降深,m;Q為抽水井的流量;T為導(dǎo)水系數(shù);t為自抽水開始到計算時刻的時間;r為計算點到抽水井的距離;u*為含水層的釋水系數(shù);W(u)為井函數(shù).
3.2 計算參數(shù)的求取
利用非穩(wěn)定流定降深法計算涌水量時,需要釋水系數(shù)u*參數(shù)值.理論上講,在多孔介質(zhì)骨架的形變?yōu)榫€彈性的情況下,含水層的貯水系數(shù)和釋水系數(shù)應(yīng)該是相等的,故可利用水位恢復(fù)數(shù)據(jù)計算含水層參數(shù)u*,其計算原理如下所示:
如果不考慮水頭慣性滯后動態(tài),水井以定流量Q持續(xù)抽水tp時間后停抽恢復(fù)水位,那么在時刻(t>tp)的剩余降深s’,(原始水位與抽停后某時刻水位之差),可理解為流量Q繼續(xù)抽水一直延續(xù)到t時刻的降深和從停抽時刻起以流量Q注水t-tp時間的水位抬升的疊加.兩者均可用Theis公式計算.故有:
利用6-71孔對7~8煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層(段)的抽水試驗水位恢復(fù)資料,利用軟件Aquifer Test中的Theis Recovery進行擬合,6-71孔的擬合曲線圖3所示,并可得到該孔的導(dǎo)水系數(shù)T為5.4×10-6m3/s.
由抽水資料可知6-71孔的涌水量Q為0.286 L/s,停抽時刻的水位降深sp為85.02m,距抽水井的距離為0.055m,將擬合得到的T代入斜率公式可求得i分別為11,將其代入式(8)中可求得a分別為2.38.又根據(jù)u*,可以求得7~8煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層的u*為2×10-6.將擬合曲線所求的T代入剩余降深公式,其與原始降深對比曲線圖如圖4所示.
根據(jù)抽水試驗資料,可直接得到7~8煤層引用半徑r和降深s,而其導(dǎo)水系數(shù)T和滲透系數(shù)K可由上述擬合曲線求得.由擬合曲線圖可知孔6-71測得7~8煤層的K值為0.015m/d,穩(wěn)定流的7~8煤的K值為K=0.03235m/d,二者結(jié)果相差不大,具體參數(shù)如表2所示.
3.3 計算結(jié)果
該礦目前主采7~8煤,根據(jù)開采過程中井下水位觀測可知,7~8煤層在35d后水位降到-585m,即一水平處,呈現(xiàn)出疏干現(xiàn)象;如表3所示.將上述參數(shù)代入到式(4),可得到不同時間和不同降深情況下的各煤層涌水量,如圖5所示.
從圖5可以看出,在同一降深下,涌水量隨時間的增大而逐漸減小;在相同時間內(nèi)下,涌水量隨降深的增大而逐漸增大.礦井涌水量初期一般比較大,后期隨著時間的增加而逐漸減小,但減小的幅度在變小.與穩(wěn)定流理論相比,非穩(wěn)定流可計算出涌水量的動態(tài)變化過程.
為驗證本次水文地質(zhì)參數(shù)求解的合理性,利用本礦7~8煤實測礦井涌水量見圖6所示.由圖6可以看出,2016年1月~2016年7月礦井涌水量為65.90~103.10m3/h,平均涌水量為92.00m3/h,涌水量總體趨于相對穩(wěn)定,局部存在波動,與穩(wěn)定流理論計算出100m3/h吻合程度較高.同時在2016年5月30日至7月5日期間,涌水量呈現(xiàn)遞減狀態(tài),提示此段為獨立砂巖裂隙含水單元的疏干現(xiàn)象,可采用非穩(wěn)定流泰斯公式計算涌水量的動態(tài)變化過程,計算結(jié)果如圖7所示,從圖中可看出,二者吻合較好,反映出由本文確定的水文地質(zhì)參數(shù)精度較高,對涌水量的計算以及含水層水文地質(zhì)條件的評價具有較好的指導(dǎo)意義.
4 結(jié)論
4.1 運用穩(wěn)定流“大井法”公式估算出先期采掘地段一水平7~8煤頂?shù)装迳皫r裂隙含水層Q1=100m3/h,該礦井實測礦井7~8煤涌水量值一般為92m3/h,與穩(wěn)定流計算值相差不大.非穩(wěn)定流泰斯計算7~8煤層涌水量在35d后為46.86m3/h,與穩(wěn)定流預(yù)測值相差不大;而非穩(wěn)定流計算結(jié)果反映在揭露部分獨立的砂巖裂隙含水層時,其預(yù)測的涌水量趨勢與實際涌水量趨勢相一致.由上表可知,非穩(wěn)定流預(yù)測的礦井涌水量的變化規(guī)律一般是前期較大,后來逐漸減小并趨于穩(wěn)定狀態(tài);涌水量隨時間和降深增減而發(fā)生變化,即在同一降深,涌水量隨時間的增大而逐漸減小;在相同條件下,涌水量隨降深的增大而逐漸減小.一般情況下,穩(wěn)定流預(yù)測涌水量適用于水文地質(zhì)條件較為簡單的地區(qū),比較理想化;而非穩(wěn)定流則可利用抽水試驗所獲取的資料來求取相關(guān)的水文地質(zhì)參數(shù),繼而預(yù)測礦井涌水量,可準(zhǔn)確地反映出涌水量的衰減趨勢.
4.2 煤礦建井期實測涌水量總體平穩(wěn),穩(wěn)定流理論計算值與總體均值接近;由于砂巖裂隙發(fā)育的不均一性,在局部時段,涌水量呈現(xiàn)疏干遞減型,非穩(wěn)定流理論值與實測值擬合較好;反映出穩(wěn)定流理論可對涌水量進行總體預(yù)測,而非穩(wěn)定流對部分獨立砂巖裂隙水單元可準(zhǔn)確預(yù)測出涌水量的動態(tài)變化規(guī)律.
參考文獻:
〔1〕崔原萍,張寶平.解析法在礦井涌水量預(yù)測中的應(yīng)用及評價[J].地下水,2016,38(05):8-9+76.
〔2〕虎維岳,閆麗.對礦井涌水量預(yù)測問題的分析與思考[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2016,44(01):13-18+38.
〔3〕黃歡.礦井涌水量預(yù)測方法及發(fā)展趨勢[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2016,44(S1):127-130.
〔4〕喬美英,程鵬飛,劉震震.基于GA-SVM的礦井涌水量預(yù)測[J].煤田地質(zhì)與勘探,2017,45(06):117-122.
〔5〕劉啟蒙,胡友彪,張宇通,劉浩.礦井涌水量預(yù)測方法探討[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,37(06):1-7.
〔6〕劉基,王強民,楊建.基于Visual Modflow的礦井涌水量模擬和動態(tài)預(yù)測研究[J].煤礦安全, 2018,49(03):190-193.
〔7〕Lalit Kumar Sahooa,Santanu Bandyopadhyay,Rangan Banerjee.Water and energy assessment for dewatering in opencast mines[J]. Journal of Cleaner Production,2014(84):736-745.
〔8〕馬青山,駱祖江.解析法和數(shù)值法在礦井涌水量預(yù)測中的比較[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2015,42(04):63-66+71.
〔9〕華解明.“大井法”預(yù)測礦井涌水量問題探討[J].中國煤炭地質(zhì),2009(6):45-47.
〔10〕尹尚先,張祥維,徐慧,等.“大井法”中滲透系數(shù)及含水層厚度的優(yōu)化[J].煤田地質(zhì)與勘探,2015(5):53-56.
〔11〕劉洋,張幼振.淺埋煤層工作面涌水量預(yù)測方法研究[J].采礦與安全工程學(xué)報,2010(1):116-120.
〔12〕施鑫源,阮淼森,王世杰,等.供水水文地質(zhì)手冊[M].北京:地質(zhì)出版社,1983.
〔13〕華解明.礦井涌水量計算的非穩(wěn)定流解析法[J].中國煤炭地質(zhì),2010,22(10):38-40.
〔14〕來永偉,孔慶虎,李志慧.非穩(wěn)定流定降深法在礦井涌水量預(yù)測中的應(yīng)用[J].中國煤炭地質(zhì),2018,30(S2):50-52+78.
〔15〕薛禹群.地下水動力學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,2010.
〔16〕郭建青,周宏飛,李彥.分析含水層水位恢復(fù)數(shù)據(jù)的多次直線解析法.巖土力學(xué),2008,29(12):3246-3250.