水文地质比拟法在工作面采空区积水预计上的应用.pdf

第 1期 2 0 1 6年 2月 矿 山 测 量 MI NE S URVEYI NG No 1 Fe b 2 01 6 d o i： 1 0 3 9 6 9 j I S S F I 1 0 0 13 5 8 X 2 0 1 6 0 1 0 0 6 水 文地质 比拟法在工作面 采空 区积水预计上 的应用 张迎军 ， 刘贵林 ， 丘其祥 ( 1 铁法煤业( 集团) 有限责任公 司地测处， 辽宁 调兵山 1 1 2 7 0 0： 2 铁法煤业( 集团) 有限责任公 司大兴煤矿， 辽 宁 调兵 山 1 1 2 7 0 0 ) 摘要 ： 介绍了利用水文地质比拟法， 根据采空区形成的时间、 面积来预测工作面采 空区积水量和积水 范围， 为采空区积水探放 中各种基础参数的选择提供 了一种新方法。 关键词 ：采空区； 积水；参数 ； 预计；探放水 中图分 类号 ： T D 7 4 文献 标识 码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 1 3 5 8 X( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 1 90 5 铁法矿区水文地质条件随着煤层 的开采强度 ， 开采范围的不断扩 大， 由原来 的简单型变得越来越 复杂起来 。主要集 中在采空区越来越 多， 采空 区积 水对采掘作业的威胁越来越大 。一个工作 面的形成 开采条件 ， 往往涉及好几个采空 区积水需要探放， 不 但包括同层的， 还有上层的， 有的采空 区积水几百立 方米 ， 有 的达 到几 十万 立 方 米 。采 空 区积 水 以成 为 矿井安全隐患中最主要的一部分。 在探放采空 区积水的工作 中， 采空 区积水量 的 预计和积水线位置的确定是整个探放水设计的基础 参数。在设计一个工作面涉及探放采空区积水时 ， 如果积水量和积水线的位置确定不准确的话 ， 小则 影 响矿井 接续 ， 大 则 可 能造 成 安 全 事 故 ， 因此 ， 采 空 区积水量和积水线位置确定是非常重要的。 在以往的采空区积水量预计 中， 采用 了原水文 地质工作手册 中的小窑老空积水 量估算公式 ， 该公 式仅考虑 了采空 区面积与采空区采 高的关 系， 实际 上 ， 采空区积水的形成是一个极其复杂 的过程 。它 包括开采煤层上部 的含水层情况 ， 含水层 的降水漏 斗形 成 的边 界 问题 ， 生 产 中的生 产 用水 灌 人 情况 ， 以 及采空区冒落带岩石的岩性情况 ， 采空区内岩石 的 持水性， 开采时间的长短， 导水裂 隙带的发育高度等 等情况的不同而不 同。在这一公式的运用 中， 有两 个难题 ， 一是采空区的水头高度值很难确定 ， 采空区 的积水线位置只能靠人为的经验大约确定 。二是采 空区充水系数的确定很难， 不 同地区， 同一地区不 同 矿井 ， 同一矿井的不同采 区均不相 同。因此， 在运用 这个公式的时候 ， 经常 出现预计不准确的现象。本 文介绍一种利用水文地质比拟法预测采空区积水量 和积水线位置简单方法 ， 供大家参考指正 。 1 采空 区积水 的原 因分 析 1 1 采 空 区具备 积 水 的条件 一 个工作面开采后形成采空 区能否积水与这个 工作面的最低点位置有关 ， 当工作 面准备 中巷位 于 最低点时， 采空区水会 自然流 出而不具备积水条件 ， 当采空区最低点在 工作面 内的时候 ， 采空 区积水就 会形成积水条件。一个采空 区具备 了积水 条件 ， 却 不一定有积水 ， 首先这个采空 区必须是封闭 的采空 区 ， 或者在采空区范围内的最低点位置， 倘如与其它 采空区相导通 ， 并且 位于较高点的情况下也不会有 积水 。 铁 法矿 区现 在 开 采 的 一 般 阶段 煤 柱 在 5 7 m 之间 ， 因此 ， 相邻采空 区相互导通的情况非常普遍 ， 有 的采空区就不具备积水条件 ； 其 次 ， 由于 ， 铁 法矿 区煤层可采层数多 ， 多层开采 ， 开采层 与层 间距一般 在一个水平 的情况下 ， 下部采空 区导水裂 隙带 的发 育高度都能导通上部采空区 ， 因此 ， 有的下层开采完 后 ， 上部采空 区积水就会进入下部采空 区而无积水 现象 。 另 外 ， 形 成采 空 区后 ， 采空 区上部 导水 裂 隙带 发 育高度内是否有含 水层 ， 生产用水 的多少都有直接 关系。如： 康平煤 田的大平、 小康矿 ， 近两年生产过 程中涉及的采空区， 揭露后 ， 发现没有采空 区积水 现 象 ， 究其原 因是 ： 这两个矿井煤层上部含水层均为极 弱含水层 ， 导水裂隙带很少能达到含水层 高度 。生 产用水量大部分被 冒落带的油母页岩持有 。不能形 成 自由水。因此 ， 涉及采空区均未见有水现象。 1 2采 空 区积 水 的来 源 采空区积水的来源基本有两个方面 ， 一是含水 】 9 第 1期 矿 山 测 量 2 01 6年 2月 层水 ， 二是生产用水。 1 2 1 含水 层水 铁法矿 区开采的煤层为侏罗系煤层 ， 其 中， 侏罗 系砂岩、 砂砾岩承压含水层 中的孔隙 、 裂隙水是采空 区积 水 的主要 来 源 。 ( 1 ) 第 四系含水层 ： 本含水层分布普遍 ， 西 起创 业、 田家窝堡 、 刘 荒地， 东至皇古洞 、 孤家子等地 ， 南 北均至辽河岸一带。该含水层又可分为洪积沙砾含 水层和冲积沙层含水层 ， 中间以粘土和亚粘土相隔。 洪积沙砾含水层主要分布在西部山麓下 ， 厚 度 31 0 m， 渗透系数 l 3 9 3 3 7 O 0 m 日。 冲积沙层含水层分布在广大 的平原地带 ， 厚 度 1 0 2 0 n ,l ， 渗透系数 2 3 1 3 2 9 m E t 。 ( 2 ) 白垩系砂砾岩含水层 ： 该含水层除大明地 区 及煤田边缘外 ， 其它地 区较为发育 ， 但露头极少 ， 几 乎全被第四系地层所覆盖 ， 岩性 以紫色砂砾岩 、 砾岩 为主 ， 夹有薄层砂质泥岩 ， 砾石成分 以花 岗片麻岩及 花 岗岩为主 ， 并有少量 的石英、 安 山岩及 粗面斑岩。 分选性不好 ， 砾石直径 1 01 0 0 m i l l_ ， 泥质胶结 ， 厚度 1 2 5 4 2 0 mm。由三家子、 海防屯、 兴 隆屯等地抽水 试验得知 ： 涌水量 为 0 4 2 5 0 7 1 L S ， 渗透系数为 0 0 0 0 2 6 8 0 0 7 1 m d ， 影 响 半径 3 91 0 5 m。 ( 3 ) 侏罗系砂岩含水层 ： 该含水层位于白垩系地 层之下 ， 由灰 白色砂岩、 砂砾岩组成 ， 中间夹有炭质泥 岩、 煤及泥岩互层， 大部为泥质胶结 ， 厚度 1 4 8 4 0 8 m。 由大明、 三家子 、 兴隆屯等地抽水试 验得知 ： 涌水量 为0 0 0 7 8- 0 1 5 9 1 s ， 渗透系数为 0 0 0 0 0 8 0 6 4 m d ， 影 响半径 2 5 1 0 8 n l 。 其通过导水裂隙带等通道进入采 空区和煤层底 板含水层通过裂隙进入采空 区。另外 ， 构造带和火 成岩裂隙带 中的裂隙水也是采空区水 的来源之一 ， 但 由于这 些含 水层 均为 弱 含水 层 ， 补 给 条 件差 ， 含水 量少 ， 一般 不 予考 虑 。 1 2 2 生 产用 水 在工作面生产过程 中， 生产设备冷却水 ， 生产中 的跑 、 冒、 滴、 漏水以及密闭采空区用 的充填水等都 可能成为采空 区积水。这部分积水一般与采煤工艺 有关 ， 铁煤集 团现在基本 用 四种采煤 工艺 ， 包括综 采 、 综采放顶煤 、 刨煤 开采和炮采。其 中， 炮采很少 使用 ， 仅在大 明矿残复采 阶段 回收煤 柱用。各采煤 工艺的不 同， 使得生产用水也不 同。再有生产用水 上就是 防火注砂浆用水。 2 O 2 影 响 采空 区积水 的主要 因素 ( 1 ) 采 空 区所 在区域 采后 涉及 的含 水 层 强 弱 ， 这 与采空区的采煤厚度 ， 开采方法有关 ， 考虑到开采后 采空区形成的“ 三带” 高度所涉及 的含水层强弱密切 相关 。 ( 2 ) 采空区形成的时间长短有关 ， 一般 的说 ： 采 空区形成时间越长 ， 积水量越大。 ( 3 ) 与采空区的面积有关 ， 一般 的说 ： 采空区面 积越大 ， 积水量也越大。 ( 4 ) 采空 区相 邻 区域 的采 掘活动有关 ， 也 就是 说 ： 相邻 区域有采掘活动可能截断降水漏斗 的， 使来 水范围缩小 ， 从而减少采空区积水量。 ( 5 ) 与采空 区 冒落带 的岩石性质有关 ， 一般 的 说 ： 泥岩类顶板 冒落后 ， 由于它们能吸水膨 胀 ， 具有 一 定的持水性 ， 因此 ， 探放采空区水 的放 出量相对也 少 。 ( 6 ) 人为生产用水的多少有关 。 针对以上影响 因素 ， 在预计 积水 区的水量时要 充分考虑这些因素 。 3采 空区积 水 的预 计 要想准确的预计采 空 区积水 量就要把影 响采 空 区 积水的 6 项因素都要考虑进去。但由于有些因素是很 难准确掌握的， 如 ： 采空区冒落带岩性 ， 由于陆相沉积变 化非常大 ， 一个 工作面 的 冒落带 就可能有 很多种 岩石 。 另外由于早期对水文地质条件的认识把铁法矿区确定 为简单型矿区， 并没有保 留长期地面水文地质观测孔。 因此利用其他方法预计采空区积水量、 积水线位置较为 困难。利用水文地质比拟法， 可以避免水文观测孔少 ， 影响因素不好确定的影响。 所谓 的水 文地 质 比拟 法就 是 利用 地 质 和 水 文地 质条件相似 ， 开采方法基本相 同的生产矿井 的排水 资料， 来预计新建矿井的涌水量， 这是矿井涌水量预 计的简便方法之一。可以利用这一方法预计工作面 采 空 区积水量 。 3 1 某 区域首次开采工作 面形成采 空区的水量预计 在一个工作面新形成采空 区时， 没有该 区域可 以利用和借鉴 的资料 ， 那么， 就利用现有 的矿井实际 涌水量资料来进行预计 ： 例如 ： 晓南矿 的西三采 区 W 4 0 6工作面 ( 见 图 1 ) 为西三采区中部 的第一个工作面 ， 把该 区域看作 箜 塑 堡 垒至 兰： 查查些堕生垫鲨查兰笪 叁窒垦 塑 亟 的应用 2 0 1 6 年2 月 封闭区域 ， 而该工作面的开采 ， 使该位置成为了主要 的降水漏斗。他的形成与把矿井看成一个主要 的降 水漏斗相似， 因此， 可以利用它与矿井涌水量情况进 行相应的比拟。其形成采空 区后 可以利用 简单的矿 井水量与形成采空区面积、 时间关系进行计算。 1 9 9 5年晓南矿井平均涌水量为 4 7 3 3 m h ， 而 矿井开采面积为 3 7 2 9 3 4 6 I n ， 计算矿井单位采空 区 面积上的单位涌水量为 ： q 0=4 7 3 3 3 7 2 9 3 4 6=1 2 6 9 11 0 ( m。 m h) 计算 4 0 6采空区面积与时间的关系可以求得： Q=Kq 0 S 4 0 6 式 中： Q为预计采空 区积水量 ( 11 1 ) ；g 。为单位采空 区面积上 的单位涌水量 ( 1 1 1 m h ) ； K为矿井 最大 涌水量与 平均 涌水 量 比 ( 晓 南矿 为 1 6 8) ； S 。 为 4 0 6采空 区 面积 ( 1 4 0 4 3 0 m。 ) ； 为 采空 区形成 的时 间。1 9 9 5年 5月 1 9 9 7年 4月进行探放水为止 ， 总 计时间为 2 3个月。 计算求得采空区积水为 ： 4 9 5 8 2 IT I 。 从 1 9 9 7年 3月 2 6日开始探放水 工作 ， 到 1 9 9 7年 8月 1 5日结束 ， 总计探放 出采 空区积水 5 0 2 3 8 i n 。 。 如果考虑近 5个半月探放水期的补给水水量 的话， 该 补给水 水量 为 口 补= Kg 。 只0 6 = 4 7 8 0 m。 ， 比 较接近预计积水量。 女 果 利用 Q=K S =0 2 5 ( 0 5 )1 4 0 4 3 0 2 5=8 7 7 6 91 4 0 4 3 0 m ， 与 实 际 的采 空 区 积水 量 误差很 大 。 以上计算方法 没有考虑 采空 区积 水 的人 为 因 素， 因为充填注浆用水 、 生产过程中的用水都是不确 定的 ， 因此 ， 要想把这一部分水量计算清楚 ， 利用矿 井平均排水量减去平均生产用水量得的 q 。 值 ， 然后 计算工作面采空区 自然来水 的 Q值 ， 再 加上工作 面 生产用水进入采空区部分是最为准确的。但生产用 水部分是很难统计的 ， 一般来说， 在注浆用水中大部 分是 进入 采空 区 的 ， 而且 用 量 变化 较 大 ， 也 比较容 易 统计 ， 把注浆水单独计算是 比较合理 的。这需要矿 山搞水 文 地质 的技 术人员 要 勤于 统计 。 3 2以后 工作 面形成采 空 区的 水量预 计 当有 了一个 采 空 区积 水 探 放 的 实 际 资 料 后 ， 就 可 以用这个实际资料进行相邻 的采空区积水量的预 计 了。如： 晓南矿 W 4 0 6采空区在掘进 W， 4 0 7工作 面( 见图 2 ) 过程中进行 了探放水工作 ， 共计放 出积 图 2 晓南矿 W 4 0 7采空区积水示意图 2l 第 1期 矿 山 测 量 水量 5 0 2 3 8 m ， 在 进 行 W 4 0 8掘 进 过 程 中 ， 需 要 对 W 4 0 7进行探放水时， 计算 W 4 0 7采空区积水量可以利 用 W 4 0 6资料求得单位面积上的单位时间涌水量： q 。 =( q 实 际一Q 人 为) ( S t ) 式 中 ： P 实 际为 W， 4 0 6采 空 区 实 际 探 放 出 的 积 水 量 ( m ) ； q 为 为 W 4 0 6采 空 区人 为 注 入 水 量 ( m ) ； q 。 为 W 4 0 6单位采空区面积上的单位涌水量 ( m m h ) ； S为 W， 4 0 6采 空 区面 积 ( 1 4 0 4 3 0 m ) ； t 为 W3 4 0 6 采 空 区形 成 的时 间 。 计算 W 4 0 7采空区积水 ： q= q 。 S 4 0 7 t +Q 人 为 这样计算 出来 的结果 与实 际有一定 的出入 ， 究 其原 因是 ： 没 有考 虑 W 4 0 6采 空 区已经 和 W， 4 0 7采 空区导通的因素 ， 而把 W 4 0 6采空区依然用 q 。 计算 面 积 、 时 间得 出的结 果偏 小 ， 当 W 4 0 6采 空 区形成 后 该区域 已经形成 了降水漏斗 ， W 4 0 7采 空区的降水 漏斗只是增加 了原有 漏斗的一小部分 面积 ， 该 面积 的增加不能独立把它看成降水漏斗去计算 。因此 ， 利用 g 。 分别计算采空 区的积水再相加的和是完全 不正确 的， 但 又不能不考虑 两个采空 区的 因素 ， 因 此 ， 要加入一个系数 k =n+ 2 n +1 。 2 2 P 3 4 0 7 =k k作为一个系数 ， 在每个煤矿是不 相同的， 甚至 一 个煤矿的不同采区也不尽相同。由这个系数可以 看出 ： 当采空区连片后 ， 采空区个数越多 ， k值越接近 1 ， 也就是说 ： 采空区数越多该 区域其他采空 区影响 越小 ， 因为探放 W 4 0 7积水的实际情况已经包括 了 W 4 0 6采空区补给情况 。 当计 算多 个 相 邻 采 空 区积 水 时 ， 按 照 以上 方 法 类推 即可。但要充分考虑相邻采空区的积水是否连 同情况。 3 3 4 与 7 搭 配 生产 时采空 区水 量预 计 如果 4 与 7 搭配 生产， 那么情况 就复杂多 了。 要 考虑 4 与 7 的层 间距 问题 ， 当层 间距 大 于 7 开 采 的导水 裂 隙带 时 ， 不 予 考 虑 。 当层 间距 小 于 导 水 裂 隙带高度 ， 7 采空 区的产生 ， 使上部降水漏 斗平衡被 打破 ， 形成了一条断带 ， 类似于分水岭 ， 使其来水被 截断。那么， 4 与 7 采空区形成 的时间、 面积是决定 积水水量变化的决定 因素。 考虑进时间与采空区面积 的关 系， 引进 s s 作 为预计 四层 采 空 区积 水 的 系数 。利 用 S 1 S 是 人 为 的把降水漏斗分成了两个部分 。 如 ： 在 W 4 0 8工作面( 见图 3 ) 开采时 ， W， 7 0 1 、 图 3 晓南矿 W， 4 0 8采 空区积水 示意 图 第 1 期 张迎军等 ： 水文地质 比拟法在工作 面采 空区积 水预 计上 的应用 2 0 1 6年 2月 w 7 0 2 、 W 7 0 3采空 区 已经形 成 ， 那么 ， 7 采 空 区 的积 水就必 然会 使上 部采 空 区水量 减 少。这 样 ， 预 计 w 4 0 8采空区积水时采用下面公式 ： Q 3 4 0 8 = X q 。 X S 4 0 8 t X 1一( s l S 2 ) l +Q 人 为 式中： Q 。 为预计 w， 4 0 8采空区积水量 ( m ) ； Q 人 为 为 w 4 0 8采空区人 为注入水量 ( m ) ；q 。为 w， 4 0 7 单位采空区面积上 的单位涌水量 ( m m h ) ； S 为 w 4 0 8采空 区面 积 ； t 为 w 4 0 8采 空 区形 成 的 时 间 ； S ， 为 7 采空 区面积 ； S 为 4 采 空 区面积 当预计 7 首个工作面积水 时， 如果 导水裂 隙带 发育到 4 ， 可以采用四层工作面的探放水系数， 还要 考虑 4 与 7 之 间有 无 含 水层 的情 况 ， 并 且 为 了安 全 起 见 加入矿 井 涌水 量 预 计 的安 全 系 数 ( 矿井 最 大 涌 水量与平均涌水量 比， 晓南矿为 1 6 8 ) 7 有 了首个采空 区探放水资料后 ， 就可 以根据 上面 4 计算方法计算其他采空区积水量 了。 4 采 空 区积 水线位 置 的推断 在 以往 的经验公 式 中 Q= K S X H并 不是不 可 4 结 语 以应 用 的 ， 主要 是 必 须 确 定 一 个 准 确 的积 水 线 和 一 个较为真实的充水经验 系数 K。在以前 的计算中一 般采用 0 2 0 0 4 0之间 ， 而在 每个 矿井、 矿井 的不 同采 区是不相 同的， 因为煤层顶班 的岩性不同， 冒落 后形成的孑 L 隙性也不同， 充水后持水能力也不相 同。