頂板涌突水條件的綜合分區(qū)與預測

頂板涌突水條件的綜合分區(qū)與預測

煤層底板突進性問題一直是我國北方煤礦可持續(xù)發(fā)展的主要問題。此外，隨著采礦深度的逐漸增加和下組的煤炭開采，頂板和上升和隱藏在頂部的含水層中，屋頂（突然）水環(huán)境破壞和惡化，導致屋頂（突然）水環(huán)境破壞和車間生產環(huán)境惡化。例如，開勤礦山的大部分生產環(huán)境受到屋頂水的嚴重威脅。以景莊礦為例，該礦自1979年正式生產以來發(fā)生了三次重大的突水事故。所有事件都是由9號屋頂和3號屋頂造成的。突然，水源是由9號屋頂和5號屋頂砂巖的裂縫組成的水層，最大突流量為443分鐘。之后，根據目前開采井的統(tǒng)計數據，景莊井五開采板巖屑水占井總涌水量的約50%，約2099和2373個擾動帶附近。因此，充濾水層對井的安全生產和生產有很大的威脅。因此,如何解決煤9回采的頂板涌(突)水條件定量評價問題,對扭轉荊各莊礦目前煤炭生產的被動局面具有極其重要的理論指導意義和實用價值.筆者根據多年工作實踐,提出了解決煤層頂板涌(突)水災害定量評價的“三圖-雙預測法”,即頂板直接充水含水層的富水性分區(qū)圖、頂板冒落安全性分區(qū)圖、頂板涌(突)水條件綜合分區(qū)圖及回采工作面整體和分段工程涌水量預測、頂板直接充水含水層采前預疏放方案預測.其中涌(突)水條件綜合分區(qū)圖由富水性和冒落安全性分區(qū)圖復合疊加而成.1兩含水層含水層的邊界根據對荊各莊礦井水文地質條件的系統(tǒng)綜合分析認為,與煤9頂板突水關系密切的主要充水含水層為煤5頂板砂巖裂隙含水層和第四系底部卵礫石孔隙含水層,它們分別是煤9頂板突水的直接和間接充水含水層,在兩含水層之間存在一粉粘土弱透水層.荊各莊井田東部和東南部以F1～F3斷層組為界,其余部分以隱伏露頭為界.由于第四系底部卵礫石含水層覆蓋于整個井田之上,因此該含水層的邊界條件屬于二類流量邊界;煤5頂板砂巖裂隙含水層四周均為隔水邊界,在垂向上通過窄條狀隱伏露頭內邊界接受上部含水層補給;底卵底部粘土層為一弱透水層,它的外邊界均作為隔水邊界,該層在礦區(qū)東南部不發(fā)育,致使底卵含水層幾乎與基巖含水層直接接觸,而在西北部發(fā)育較厚,底卵含水層與砂巖裂隙含水層的水力聯系較弱.2多源地學信息復合疊加技術針對礦井水文地質條件的復雜多變性、各種勘探資料在地域上的局限性和在觀測精度上的不真實性,筆者運用多源地學信息復合疊加原理,盡可能多地挖掘了荊各莊礦自建礦以來的所有勘探資料,對各種水文地質物理場的地學信息進行了系統(tǒng)綜合疊加處理,信息源之間相互對比印證,取得了很好的效果.2.1山下水層保水性能本含水層為煤9頂板突水的間接充水水源,根據現有資料對含水層厚度和滲流場特征進行了分析.(1)含水層厚度本充水含水層位于沖積層下部,厚度隨整個沖積層的沉積厚度變化而變化,具有北薄南厚的特點,大、小極值分別為1.12和53.10m,茅草營以北不足10m,向南最厚達53.10m.(2)滲流場特征根據底卵含水層抽水試驗結果可知,其滲透系數由南向北逐漸增大,在井田南部大約為4m/d,而在井田北部可達32m/d,說明該含水層北部滲透性大于南部;含水層單位涌水量為0.93～2.25L/(s·m),由西向東逐漸增大.綜上可知,底卵含水層北部滲透性較好,南部卻較差,而富水性從西向東逐漸增強,在東南部達到最佳.2.2地質特征及富水性分區(qū)通過對該充水含水層的巖性巖相變化、構造場、水化學場、抽水試驗場、突水事件滲流場和鉆孔沖洗液消耗量變化等6個方面地學信息的綜合分析,提出了煤5頂板砂巖含水層富水性分區(qū)的劃分方案.(1)巖性巖相變化特征在分析巖性巖相變化時,主要考慮了充水含水層厚度和脆性巖(以砂巖、粉砂巖為主)、塑性巖(以泥、頁巖為主)所占的比例.該含水層中間厚、兩邊薄,在向斜軸附近較厚,大約為170m.從軸線向東西兩側逐漸變薄,西部坡度較大,厚度變化明顯,在邊緣地帶為30m左右,東部坡度較小,厚度變化緩慢,在荊1和灣水3號鉆孔附近略有波狀起伏,在東部邊緣大約也為30m.煤5頂板砂巖裂隙含水層的厚度變化趨勢與整個盆狀向斜相符.煤5頂板砂巖裂隙含水層主要由砂巖、粉砂巖和頁巖組成,脆性巖厚度遠大于塑性巖,其厚度為2.65～185.1m,平均為80.81m;而塑性巖厚度為0.025～66.07m,平均12.73m.脆性巖與塑性巖比值變化較大,荊26孔最小,為0.42,荊27孔最大,為152.03,在軸線以東,比值相對較小,一般為0.42～30,而在軸線西部,比值較大,多為30～150.(2)構造場特征荊各莊礦地質構造以斷裂為主,褶曲不發(fā)育.落差大于3～5m的斷層共有50多條,走向主要為NEE向,其次為NW向,近似呈直角.因受來自南西和北西2個方向擠壓力的作用,井田內節(jié)理裂隙以NEE向最為發(fā)育,其次為NNW(NNE)和NW向.在井田中部,地層產狀平緩,節(jié)理面較陡,大部分在70°以上,有的甚至直立,而在邊部,節(jié)理產狀較緩.(3)水化學場特征根據鉆孔水樣六大常規(guī)離子的水質分析結果,井田東部水化學特征具有明顯的一致性,故可劃分為一個獨立的水流系統(tǒng).井田西部各鉆孔的陰陽離子含量有所不同,這需要結合其它物理場信息進一步細化.(4)抽水試驗場特征荊各莊礦煤5頂板砂巖含水層的單孔抽水試驗資料顯示,含水層的單位涌水量為0.206～1.942L/(s·m),平均0.974L/(s·m),滲透系數為1.586～8.945m/d,平均4.617m/d.二者的變化趨勢為:單位涌水量由西向東逐漸變大,在灣水1號孔處達到最大,為1.942L/(s·m),表明含水層西部富水性差,東部富水性強,且由西向東均勻增大.含水層的滲透系數在灣37號孔最大,為8.945m/d,其變化趨勢與單位涌水量相同,由西向東逐漸增大,說明東部滲透性強于西部.但單位涌水量的最大點與滲透系數最大點卻不重合,說明富水性最強的地段,其滲透性不一定最好,因此,僅據滲透系數不能說明含水層的出水能力.一個滲透系數較大的含水層,如果其厚度非常小,它的出水能力也是有限的.雖然灣37孔處滲透系數很大,但含水層的厚度較小,約為30m,因而它的富水性不是最強.(5)突水事件滲流場特征根據對1096和1093工作面兩次突水全過程資料的系統(tǒng)分析認為,荊各莊井田東部富水性明顯強于西部,并且在整個突水過程中,沿主滲透方向觀測孔的水位變化幅度最大.這與前面各物理場分析結論相符.(6)沖洗液消耗量變化特征對所有勘探鉆孔柱狀圖的分析表明,幾乎所有鉆孔通過本層時均有沖洗液消耗,消耗量大于5m3/h的鉆孔占總數的58%,而且漏水嚴重的鉆孔均分布在井田東部,這說明井田東部裂隙較為發(fā)育,其富水性較好.另外在井田西南的向斜軸附近,沖洗液消耗量也相當大,呈紡錘型,沖洗液消耗量大于15m3/h,說明此區(qū)富水性也較好.綜合上述各物理場的水文地質特征,經過多源地學信息相互驗證,復合疊加,確定了該充水含水層富水性分區(qū)的劃分方案(見圖1).整個井田共分為5個區(qū),富水性由強到弱依次為A,B,C,D,E.A區(qū)內又以FE9斷層為界分為兩個區(qū),A-1區(qū)的富水性強于A-2區(qū).3覆巖段導水裂隙帶高度確定按照“上三帶”理論,導水裂隙帶發(fā)育高度是煤層開采頂板涌(突)水災害發(fā)生的基礎.目前我國大多數煤礦區(qū)均采用《礦井水文地質規(guī)程》的經驗公式計算導水裂隙帶發(fā)育高度.但由于這些經驗公式在考慮覆巖段的地層巖性組合和空間分布位置等方面較粗糙,實際應用誤差較大.為此,筆者從覆巖段巖性巖相的變化入手,在系統(tǒng)查閱整理了144個勘探鉆孔柱狀圖的基礎上,對采用經驗公式計算的導水裂隙帶發(fā)育高度進行了合理的巖性巖相變化校正,效果較好.3.1覆巖塑性巖的隔水作用煤9與上覆煤5頂板砂巖裂隙含水層之間僅存在7.52～76.44m的覆巖段,主要以粉砂巖、砂巖和粘土巖為主,呈中間厚、兩邊薄的趨勢,最厚處分布在荊21、荊19和灣39號鉆孔附近,厚度大于70m,向兩側逐漸變薄,東部變化較緩,西部變化較快,到達邊緣處為20m左右.覆巖段中塑性巖大部分位于煤9頂板或與砂巖互層.由于塑性巖厚度較小,在煤9頂板發(fā)生冒落時,位于煤9頂的塑性巖基本處于冒落帶,起不到隔水作用.與砂巖互層的塑性巖石雖然有一定的隔水作用,但因厚度有限,其隔水作用不會太大.3.2上覆巖導水裂隙帶高度在開灤礦區(qū),所采煤層均為緩傾斜煤層(0～35°),上覆巖石為砂巖、粉砂巖和泥巖等中硬型巖石,因而根據《礦井水文地質規(guī)程》采用如下計算公式,即式中,Hl為導水裂隙帶高度;Mi為煤層累計厚度;n為開采分層數.3.3冒落安全分區(qū)若導水裂隙帶發(fā)育高度小于煤9至煤5之間覆巖段厚度,則頂板冒落時,煤5頂板裂隙水一般不會泄入巷道;反之,則會發(fā)生涌(突)水災害.因此,將覆巖段厚度減去導水裂隙帶發(fā)育高度,即可確定冒落安全區(qū)與非安全區(qū)的界限.但由于影響導水裂隙帶發(fā)育高度的因素很多,除采厚外,開采方法、覆巖段巖性巖相變化及地質構造等均是其控制因素.因此綜合考慮多方因素,確定了煤9頂板冒落安全性分區(qū)方案(見圖2).整個井田分為A,B,C,D,E5個區(qū)域.最安全的區(qū)域是A區(qū),該區(qū)導水裂隙帶發(fā)育高度小于覆巖段厚度,E區(qū)最危險,其導水裂隙帶高度遠大于覆巖厚度.4涌突水條件量化分分區(qū)開采深部煤層導致頂板涌(突)水災害發(fā)生,其充分必要條件是煤層回采形成的導水裂隙帶溝通了上覆充水含水層,且直接充水含水層在回采工作面對應位置的富水性較強.根據上述煤9開采頂板冒落安全性分區(qū)和煤5頂板砂巖裂隙含水層富水性分區(qū)的研究成果,筆者復合疊加兩個分區(qū)所有地學信息,提出了煤9開采頂板涌(突)水條件定量評價的綜合分區(qū)劃分方案(見圖3).整個井田以向斜軸為界,分為A和B兩大區(qū).其中A區(qū)突水危險性小,因為該區(qū)上覆充水含水層的富水性較差,即使煤層開采頂板冒落至上覆含水層,也不會誘發(fā)大的涌(突)水災害;B區(qū)則突水危險性較大,因為該區(qū)上覆充水含水層的富水性較好,而且在該區(qū)范圍內,大部分區(qū)域導水裂隙帶發(fā)育高度均大于覆巖段厚度.A區(qū)可進一步細分為2個子區(qū),B區(qū)可細分為4個子區(qū),其突水危險性由小到大依次為A-1區(qū)※A-2區(qū)※B-1區(qū)※B-2區(qū)※B-3區(qū)※B-4區(qū).5工作面涌水量預測根據煤9頂板涌(突)水量預測的水文地質概念模型,應用國際上先進的VisualModflow專業(yè)軟件系統(tǒng)建立了三維數值模擬模型,并利用1393工作面突水資料進行了模型識別,其擬合結果見圖4和圖5.應用VisualModflow先進的ZoneBudget功能,根據相鄰工作面周期來壓規(guī)律,對即將回采的2099和2393工作面的工程涌水量進行了隨工作面不斷向前推進(以周期來壓步距為單位)的動態(tài)預測.隨2099工作面的推進,其涌水量變化不大,變化范圍為1.685～1.592m3/min(見圖6(a)).2393工作面涌水量則隨其推進逐漸增大由3增加到3見圖6煤9工作面涌水量預測結果上述2個回采工作面的頂板涌水量預測結果表明,其涌水量比較大.因此,從荊各莊礦目前工作面的排水能力和提高及排水效益角度考慮,筆者對煤9頂板砂巖裂隙充水含水層進行了回采前預先疏放的預測計算.在此基礎上,對煤9回采的2099和2393兩工作面又進行了涌水量的二次動態(tài)預測,結果其預測涌水量大幅度減少.這些結論為荊各莊礦最終制定合理的防治水決策方案提供了極其重要的科學依據.7頂板涌突水條件分析(1)“三圖-雙預測法”從對煤層頂板涌(突)水條件的定性綜合分析,到回采工作面工程涌(突)水量和采前預疏放量的定量模擬預測,形成了一整套系統(tǒng)的研究思路和研究方法.(2)煤層回采導致的頂板涌(突)水災害發(fā)生的根本原因,就是煤層回采形成的頂板導水裂隙帶溝通了上覆直接充水含水層,并且含水層在回采工作面冒落范圍對應的部位富水性較強.因此頂板涌(突)水條件分析不外乎包括兩個方面內容:煤層回采頂板冒落安全性分析和頂板直接充水含水層富水性分析.(3)運用多源地學信息復合疊加原理,根據多個水文地質物理場的不同特征,相互對比驗證,互相彌補不足,對充水含水