樊朋飞

(山西西山矿业管理有限公司,太原 030053)

华北型煤田的开采普遍受到煤层底板岩溶承压水的威胁,随着煤矿开采深度的加大,这种水患将越来越严重[1-2]。河东煤田太原组灰岩含水层对山西组和太原组煤层开采都有重要影响,它既是上组煤的底板充水水源,也是下组煤直接顶板充水水源[3]。疏水降压是防治煤矿底板岩溶承压水突水的重要措施,其目的是通过疏放降低含水层水位和作用在煤层底板的承压水头,实现不带压开采或在安全水头压力下开采。矿井采取疏水降压技术必须研究含水层是否具有可疏放性,并确定疏放水量和水位降深间的关系[4-5]。西坡煤矿与中煤科工集团西安研究院合作,对受底板太原组灰岩承压含水层威胁的5111综采工作面采用疏水降压技术,在查明工作面底板含水层富水性的基础上,施工井下疏放水孔,建立水文观测系统,并对工作面底板承压水进行了集中疏放,实现了工作面安全开采。

1 井田地质概况

西坡井田位于山西河东煤田中段东缘,含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组。井田整体为一倾向NW的单斜构造,地层倾角5°～10°,伴有宽缓的小型褶曲和小断层,地质构造简单。

本井田主要可采煤层为山西组5号煤层和太原组8号、9号煤层,目前仅开采5号煤层,该煤层平均厚度3.86 m。依据以往煤田勘探资料,山西组含水层由K3、S4、S8等砂岩组成,岩性为细-粗粒砂岩,厚度变化大,单位涌水量0 L/(s·m)～0.003 5 L/(s·m),富水性极弱,所以对矿井充水影响很小。太原组灰岩含水层自下而上由L1-L5共5层灰岩

图1 西坡煤矿主采煤层与含水层、隔水层示意图Fig.1 Major mineable coal seams, aquifers, and aquicludes in Xipo Mine

组成,其中L1、L5灰岩分别是8号、6号煤层的直接顶板。灰岩富水性不均一,在浅部具有较强的富水性,而在深埋区,岩溶裂隙不发育,溶孔连通性差,富水性减弱。地层柱状图见图1。

5号煤层底板与奥陶系峰峰组顶面间距约130 m,其中9号煤底板与奥灰顶面平均间距为50 m,岩性为泥岩、砂质泥岩、铝土岩、砂岩及石灰岩,泥岩具有较好的隔水性,砂质泥岩、铝土岩裂隙不发育,这种岩性组合具有较好的隔水性能。因此,奥陶系灰岩含水层对5号煤层开采影响不大,本文不做详细讨论。

2 5111综采工作面疏水降压

2.1 简易水文地质观测

2016年4月-7月,西坡煤矿在5111综采工作面进行了太原组灰岩放水试验,在5111工作面周围巷道施工21个钻孔,包括2个观测孔(TC1孔、TC2孔)和19个放水孔,建立了水文观测系统。观测孔为垂直孔,终孔层位分别为L3、L1灰岩;放水孔均以33°的俯角按不同方位钻至灰岩含水层,其中15个孔终孔层位为L2灰岩,4个孔终孔层位为L3灰岩。施工钻孔布置见图2。

图2 西坡煤矿5111工作面放水试验钻孔分布图Fig.2 Boreholes layout of drainage test in No.5111 working face in Xipo Mine

钻孔施工时对石炭系太原组灰岩含水层进行了简易水文地质观测,各钻孔初次见水层位不尽相同,终孔涌水量也有很大差异。单孔最大涌水量80 m3/h,最小仅为0.5 m3/h。钻孔终孔流量及压力如表1所示。

表1 疏放水钻孔终孔流量及水压Table 1 Water flow and pressure of the final ones of drainage boreholes

2.2 太原组灰岩含水层富水性分析

根据对21个钻孔施工过程中涌水量变化观测及岩心观察,太原组灰岩含水层具有以下水文地质特征:

1) L5灰岩厚度薄,一般2 m～3 m,富水性差,大部分钻孔揭露后L5灰岩无涌水,只有3个钻孔发生涌水,涌水量1 m3/h ～6 m3/h。

2) L2、L3灰岩富水性较强,钻孔揭露后涌水量明显增大,单孔最大涌水量达到80 m3/h。

3) 太原组灰岩含水层在平面上水力联系弱,径流不太通畅。

4) 5号煤底板隔水层阻水能力较差,岩层裂隙发育,钻探过程中,取芯率较低,岩块破碎,泥质含量较高。

5) 1号钻场、5号钻场、7号钻场在未进入太原组灰岩含水层前即发生涌水,说明在这几个位置底板隔水层可能存在构造裂隙,工作面通过时发生底板突水的可能性大,应加强超前探查及提前进行大流量疏放。

6) 5111工作面煤层向西倾斜,由东向西太原组灰岩埋藏逐渐加深,煤层底板带压值也相应增大。工作面疏水降压前灰岩含水层水压在0.69 MPa～1.4 MPa之间。

2.3 放水试验

疏降钻孔施工完成后,SF1-1、SF1-3钻孔进行群孔放水试验,TC2、SF3-2及SF7-2钻孔进行观测,通过放水探查太灰含水层水文地质条件。放水时间总计47 h,以各观测孔水压稳定为结束标志,水位恢复观测时间30 h。SF1-1钻孔平均水量23.5 m3/h,初始水压1.4 MPa;SF1-3钻孔平均水量27.6 m3/h,初始水压1.39 MPa。

现场非稳定流抽水试验被广泛应用于含水层水文地质参数的确定[6-7]。本文应用泰斯(Theis)公式计算水文地质参数,结果见表2。含水层参数包括渗透系数(K)、导水系数(T)、储水系数(S)等。

表2 太原组灰岩含水层水文地质参数计算成果表Table 2 Calculation results of hydrogeological parameters of the limestone aquifer in Taiyuan Formation

2.4 疏水降压及效果评价

所有疏水降压钻孔施工完成之后,2016年6月22日开始正式疏水降压。其中TC2、SF5-2和SF8-1钻孔以及南翼轨道大巷中S2孔作为水位观测孔观测压力(表3)。可以发现,各观测孔水压均有明显下降,以TC2钻孔为例,2016年6月22日开始疏放水之前水压为1.51 MPa,7月12日观测水压降为1.15 MPa,水压下降0.36 MPa。疏水降压开始后22 d内,累计疏放水量约60 000 m3。

表3 各观测孔疏放前后水压统计表Table 3 Water pressure of observation holes before and after drainage

根据表1中各钻孔压力计算太原组灰岩含水层水位标高,绘制5111工作面太原组灰岩含水层疏水前水位等值线,根据表3绘制疏水后水位等值线(见图3)。从图3可以发现,经过疏水试验,5111工作面太原组灰岩含水层水位发生了明显变化,疏水前水位标高为+550 m～+580 m,疏水后水位标高为+525 m～+555 m,整体下降约25 m。同时,以放水点为中心,形成了几个小规模降落漏斗,疏水降压效果明显。

3 5111工作面带压开采安全性评价

突水系数法是评价煤层底板含水层突水危险性的通用方法,本文采用该方法评价5111工作面带压开采安全性。突水系数的计算公式为:

式中:T为突水系数,MPa/m;P为底板隔水层承受水压,MPa;M为底板隔水层厚度,m。底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa/m,正常块段不大于0.1 MPa/m。

1)确定煤层底板隔水层厚度。根据本次施工的TC2孔及5111工作面附近的3个煤田勘探钻孔(128孔、362孔、129孔)的钻探资料,5号煤层与L5灰岩平均间距为25.5 m,其间地层岩性主要为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩及粉砂岩,即以泥质岩为主,结构致密,具塑性,均为不透水的隔水层,隔水性能良好。

2)突水系数计算和分析。根据本次疏降工程施工的21个钻孔以及矿井原有观测孔的水压观测资料,计算5111工作面的突水系数。其中突水系数大于规程规定临界值0.06 MPa/m的钻孔10处,最大为SF1-1、SF3-1、SF3-2钻孔,突水系数均为0.065 MPa/m;突水系数小于0.06 MPa/m的钻孔11处,最小为SF9-1、SF4-2钻孔,突水系数均为0.037 MPa/m。工作面西部部分区域带压值高于临界值,突水危险性较高。

疏降工程开始一段时间后,整个工作面水压有了明显变化,产生一定的降幅,突水系数有明显的减小。由于疏降工程正在进行,放水孔无法观测水压,只保留了TC2、SF8-1和SF5-2观测孔进行水压观测,其突水系数分别为0.055 MPa/m、0.031 MPa/m、0.033 MPa/m。通过一段时间的疏放水后,5111工作面底板太灰水压有了较大幅度的下降,工作面西部的TC2钻孔水压下降0.36 MPa,突水系数最大值降至0.055 MPa/m,小于临界值,具备了带压开采的基本条件。目前5111工作面已经开采完毕,工作面涌水量未受太原组含水层的影响。

4 结论

通过疏放水试验,基本查明了5号煤层充水条件,有效隔水层厚度以及太原组灰岩含水层水文地质参数,为矿井防治水工作提供了依据。5111工作面疏水降压后,太原组灰岩含水层水位有了明显的变化,突水系数最大值降为0.055 MPa/m,小于临界值,具备安全带压开采的基本条件。

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