彬长矿区位于我国西部黄陇侏罗纪煤田中部,2006年亭南矿正式投产标志着彬长煤炭基地正式纳入国家煤炭西部开发行列。彬长矿区现有生产矿井13对、基建矿井1对,据统计,2019年煤炭产量共计5 360万t/a。其稳产、高产,对于振兴陕西地方经济和国家煤炭开发西移战略实施具有举足轻重的作用。彬长矿区煤层赋存具有“两厚一薄”特征,即煤层厚、含水层厚、覆岩相对较薄,这一特征决定了综放开采是首选采煤方法。由于综放开采导水裂隙带发育高度一般较大,不得不波及上覆洛河组砂岩,导致矿井涌水量剧增。减水开采是矿区可持续发展的必由之路,对减轻煤矿排水负担和地下水资源保护具有双重意义。针对西部煤田煤炭资源开发与水资源保护问题,国内学者已经开展了大量的研究工作,取得了一批颇具影响力的研究成果。文献[1-4]提出了“保水采煤”概念及一系列技术措施;孙亚军等[5]对神东矿区进行了水文地质结构分区和保水采煤分区;邓念东等[6]进行了榆神矿区保水采煤工程地质条件分区研究,将其划分为沙-土-洛-基型保水开采区、沙-土-基型保水开采区、沙-基型保水开采区、无水开采区、烧变岩型保水开采区等5个分区,并分析了每个分区保水采煤的意义、可能性及难度;李文平等[7]开展了西北保水采煤关键隔水层再造的工程地质条件研究,发现N2红土隔水层受采动破坏后具有很好的自我恢复功能,提出了隔水层再造及其应具备的主要工程地质属性;鞠金峰等[8]依据保水采煤4个层次的内涵,从顶板突水灾害防治、含水层原位保护、采动破坏含水层再恢复、采动漏失水资源转移储存与利用等4个方面,进行了相关保水采煤技术研究;范立民[9]提出了以控制生态水位为核心的科学采煤技术研究方法,保水位是保水采煤的核心;孙学阳等[10]对保水采煤理论及开采技术研究现状进行总结和归纳,指出了实现保水采煤目标的核心是根据特定的水文地质条件选择合理的开采上限及适宜的开采方式控制生态水位。笔者主要针对如何实现彬长矿区采煤工作面乃至矿井减水(减小涌水量)而非保水开展的,与以往研究有较大区别。减水开采就是依据矿区含(隔)水层分区发育情况,充分利用顶板隔水层的再生隔水能力以及洛河组下段砂岩低渗透性和渗流迟滞效应,通过控制“楔入比”,减少单个工作面的涌水量,从而减少整个洛河组涌水量,最大限度减小采煤对洛河组砂岩含水层扰动。彬长矿区各生产矿井一直探索减水开采技术,通过长期技术实践,逐步查清了洛河组砂岩地下水的赋存特征及综放开采覆岩破坏规律,形成了巨厚含水层下厚煤层综放减水开采模式,总结巨厚含水层下综放减水开采技术经验,对于进一步提升煤矿绿色开采技术水平具有重要的理论意义和工程应用价值。
彬长矿区主采4号煤,一般厚度6~17 m,平均厚度9.45 m,上覆白垩系洛河组砂岩是4号煤开采的主要充水含水层[11],一般厚度254~388 m,平均厚度302 m,4号煤与洛河组砂岩平均间距164 m,煤层与主要含(隔)水层相对位置关系如图1所示。
图1 煤层与主要含(隔)水层位置
Fig.1 Location of coal seam and major aquifers (aquitards)
彬长矿区洛河组砂岩是主要含水层,北部在泾河及支流露头,自东南向西北部总体呈单斜,厚度0~480 m,一般200~360 m,自东南向西北逐渐增厚,洛河组砂岩厚度等值线如图2所示。
图2 洛河组砂岩厚度等值线
Fig.2 Sandstone thickness isopach of Luohe formation
洛河组以中粗粒砂岩为主,砾岩次之,泥岩及砂质泥岩较少。以亭南矿及胡家河矿为例,其岩性组合特征如图3所示。
图3 洛河组含水层岩性占比示意
Fig.3 Proportion diagram of Luohe aquifer lithology
亭南矿洛河组以中粗砂岩、砾岩为主,粉、细砂岩和泥岩含量相对较低。中粒砂岩平均厚度60.55 m,占21%;粗粒砂岩平均厚度129.51 m,占47%。胡家河矿洛河组中粒砂岩平均厚度96.48 m,占29%;粗粒砂岩平均厚度182.01 m,占54%。通过胡家河矿、孟村矿和亭南矿水文地质精细探查发现,巨厚洛河组砂岩具有垂向非均质特征。通过800多个钻孔统计分析,洛河组下段薄层泥岩数普遍大于上段,无明显的稳定隔水层,下段厚度一般为20~150 m。
在亭南矿取洛河组不同深度砂岩岩样,开展垂向孔隙率测试,以洛河组地层顶界面为基准点计算取样埋深,取样深度与孔隙率关系如图4所示。由图4可知,单个钻孔洛河组地层孔隙率随埋深增大而减小。
图4 取样深度与孔隙率关系
Fig.4 Relationship between sample depth and porosity
胡家河矿和亭南矿施工了若干洛河组分层水文地质孔,为了研究不同层段含水层水质的差异性,分别采取洛河组含水层上段2/3和下段1/3水样进行水质全分析。洛河组上段水化学类型为HCO3·SO4-Na型,含量明显大于下段,水化学类型由浅部的HCO3-Ca型转化为深部的SO4-Na型。地下水矿化度上段平均1 950 mg/L,下段平均2 936 mg/L,最大可达4 157 mg/L。
在胡家河矿、孟村矿和亭南矿开展了大量洛河组分段抽水试验,其水文地质参数计算结果见表1。
表1 洛河组上、下段水文地质参数
Table 1 Hydrogeological parameters of upper and lower part in Luohe formation
抽水层矿井孔号单位涌水量/(L·s-1·m-1)渗透系数/(m·d-1)洛河组上段胡家河矿孟村矿T10.274 60.995 0T50.436 40.256 0T60.380 30.254 0T70.280 60.349 0T90.438 51.346 0洛河组下段亭南矿TC10.059 00.022 7胡家河矿T60.022 80.073 0亭南矿TC10.008 10.015 0
由表1可得,洛河组含水层上、下段水文地质参数存在较大差异,上段富水性和渗透性普遍优于下段。
将不同阶段抽水试验单位涌水量统一换算为孔径91 mm、降深10 m的标准单位涌水量,绘制矿区洛河组全段单位涌水量等值线如图5所示。
图5 洛河组砂岩单位涌水量等值线
Fig.5 Specific field contour of Luohe formation sandstone
总体上,洛河组砂岩单位涌水量为0.02~1.09 L/(s·m),富水性中等,北部局部富水性强,自东南向西北富水性逐渐增强,其变化趋势与含水层厚度变化基本一致。
彬长矿区洛河组为富水性中等-强的巨厚砂岩含水层,层状结构明显,垂向渗透性较弱,垂向富水性上强下弱,巨厚含水层的垂向非均质特征是彬长矿区减水开采的水文地质基础[12-14]。
顶板导水裂隙带发育高度受覆岩结构、采煤方法、工作面尺寸等诸多因素影响[15],采用冲洗液消耗、钻孔电视窥视[16]、井下双端封堵压水测漏[17]等方法开展了矿区导水裂隙带发育高度现场实测工作,彬长矿区典型煤矿回采工作面导水裂隙带发育高度与工作面斜长、采深、采厚关系见表2。
表2 彬长矿区导水裂隙带发育高度实测结果统计
Table 2 Statistical table of measured height of water conducted fracture zone in Binchang mining area
矿井工作面斜长/m开采深度/m采厚/m裂隙带高度/m裂采比下沟矿ZF280193.43309.3125.8113.53ZF280396.23308.797.4711.20ZF280495.03308.9149.4816.80亭南矿106116.04809.9131.6713.30204204.05756.0135.2322.54304204.05309.1253.8927.90大佛寺矿40106180.03929.1245.5226.9840108180.039211.2189.0516.88胡家河矿40101175.060810.1225.4322.32文家坡矿4101240.06693.8181.0047.63小庄矿40204195.056815.0233.0515.54孟村矿401101180.070914.7273.1118.5871917.5288.6816.50
由表2可得,当工作面斜长小于120 m时,裂采比介于11.20~13.53;当工作面斜长为175~204 m时,裂采比在15.54~27.92。采厚与导水裂隙带发育高度关系如图6所示。
图6 彬长矿区导水裂隙带高度随采厚变化
Fig.6 Height of water-conducting fracture zone changes with coal mining thickness in Binchang mining area
由图6可知,导水裂隙带高度随采厚增大而增加,但曲线斜率逐渐减小。导水裂隙带发育特征主要表现在:①综放开采导水裂隙带发育高度与采厚比值并非定值,而是随采厚呈逐渐减小的非线性关系;②采厚大于10 m时,导水裂隙带高度随采厚增加而趋缓[18]。
由于彬长矿区煤层厚度变化较大,综放开采强度高,大多数情况下煤层开采都会波及洛河组含水层,洛河组地下水成为矿井主要充水水源[19]。影响矿井涌水量大小的主控因素包括洛河组厚度、含水层富水性、煤层与含水层间距等,将其作为评价影响程度的3个指标,前2个指标用来描述充水水源的影响程度,最后1个指标用来描述充水通道的影响程度,三者权重之和为1,不同权重反映该指标对影响程度的贡献大小。依据矿区各回采工作面涌水规律,在结合专家意见基础上,对各主控因素权重进行量化打分[20],综合得出各主控因素权重:含水层厚度权重w1为0.3,煤层与含水层间距权重w2为0.4,含水层富水性权重w3为0.3。
由于不同数据量纲不一,必须在叠加之前进行归一化,利用极大值归一化方法,其计算公式如下:
(1)
式中:Ai为归一化后数据;min(x)为各主控因素量化值的最小值;max(x)为各主控因素量化值的最大值;a,b为归一化上、下限,在处理与富水性正相关数据(如砂岩厚度)时,a、b分别取0、1;在处理与富水性负相关数据(煤层与含水层间距)时,a、b分别取1、0。
综合多源地学信息,考虑各主控因素,建立彬长矿区受顶板水影响指数P评价模型,其计算公式如下:
(2)
式中:wk为各主控因素权重值;fk(x′,y′)为第k个主控因素归一化后的值,其中(x′,y′)是主控因素取值坐标点;n为多源信息个数。
由此可得,矿区开采受顶板水影响程度评价模型为
P=0.3f1(x′,y′)+0.4f2(x′,y′)+0.3f3(x′,y′)
(3)
通过对各主控因素栅格图的叠加运算,绘制彬长矿区开采受顶板水影响程度图,结合自然间断点分级法及矿井实际开采情况,将彬长矿区开采受顶板水影响程度划分为3个等级,即弱影响区、中等影响区、强影响区,各区分布如图7所示,其统计特征见表3。
图7 彬长矿区开采受顶板水影响程度分区
Fig.7 Impact degree partition map of mining affected by roof water in Binchang mining area
表3 彬长矿区开采受顶板水影响程度分区特征
Table 3 Impact degree partition characteristic of mining affected by roof water in Binchang mining area
分区单位涌水量/(L·s-1·m-1)洛河组砂岩厚度/m煤层与洛河组间距/m工作面涌水量/(m3·h-1)弱影响区≤0.1≤200≥2000~180中等影响区0.1~0.5200~320120~200180~600强影响区>0.5>320<120>600
各影响分区具有如下水文地质特征:
1)弱影响区:位于彬长矿区西南部,主要包括火石咀矿、大佛寺矿、下沟矿、水帘洞矿、燕家河矿、蒋家河矿等。该区洛河组厚度一般小于200 m,单位涌水量q≤0.1 L/(s·m),煤层与洛河组间距≥200 m。煤层厚度变化较大,一般在0~15 m。单个工作面正常涌水量在0~180 m3/h,矿井正常涌水量一般小于600 m3/h,开采过程中偶发顶板离层水害。
2)中等影响区:位于彬长矿区中部,主要包括文家坡矿、胡家河矿、小庄矿、亭南矿及大佛寺矿等。该区洛河组厚度200~320 m,单位涌水量0.1 L/(s·m)<q≤0.5 L/(s·m),煤层与洛河组间距120~200 m,煤层厚度变化较大,最厚达25 m以上,工作面正常涌水量多在180~600 m3/h,矿井正常涌水量多在1 200~2 500 m3/h,以顶板稳定涌水形式为主。
3)强影响区:位于彬长矿区北部,主要包括雅店矿、高家堡矿、杨家坪矿及胡家河矿和孟村矿部分范围。该区洛河组厚度>320 m,单位涌水量q>0.5 L/(s·m),煤层与洛河组间距<120 m,煤层厚度变化较大,最厚达15 m,工作面正常涌水量一般>600 m3/h,矿井正常涌水量>3 000 m3/h,以顶板稳定涌水形式为主。
通过彬长矿区导水裂隙带发育规律分析,巨厚洛河组水文地质条件精细探查及顶板水影响程度分区,笔者认为,在现有技术及经济条件下,实现矿区含水层原位保护难度极大,减水开采是彬长矿区发展的必由之路,即在煤炭开采过程中尽可能减少对洛河组含水层的持续扰动,从而减小矿井涌水量。
为了合理控制工作面涌水强度,基于巨厚洛河组砂岩水文地质条件,综放覆岩破坏规律等因素,提出彬长矿区应当合理控制煤层采高,缩小工作面尺寸,使导水裂隙带仅波及洛河组下段富水性较弱层段,从而实现开采对含水层的有限影响和工作面涌水量大小的合理可控,达到减水开采的目的。
据此笔者提出“楔入比”的概念,即导水裂隙带自下而上波及洛河组砂岩的厚度与洛河组总厚度之比,用式(4)表示,其概念模型如图8所示。
图8 楔入比概念模型示意
Fig.8 Conceptual model diagram of wedging ratio
Bq=Mb/M
(4)
式中:Bq为楔入比;Mb为导水裂隙带波及洛河组的厚度;M为洛河组含水层总厚度。
充分利用洛河组含水层沿水平方向渗透性相对较好,沿垂直方向渗透性相对较差的特征,通过研究巨厚含水层垂向富水性变化特征,计算富水层段底部与煤层顶板间距,确定合理的楔入比,依据综放导水裂隙带发育规律,确定工作面合理采高、尺寸等参数,确保导水裂隙带不直接波及洛河组强富水层段。同时,利用洛河组下段砂岩的低渗透性,实现含水层局部扰动、水位小幅下降、涌水量较小且可控的开采目标。
由于彬长矿区巨厚洛河组砂岩含水层分布广,垂向上富水层段发育不稳定,确定不同区段的“楔入比”,必须以不同煤矿采区水文地质精细探查资料为基础,结合煤层赋存特征及工作面设计参数等综合确定。
彬长矿区减水开采模式是基于综放采煤条件下与导水裂隙带发育高度-充水含水层楔入比-回采工作面涌水量之间的对应关系提出的。该减水模式是一种相协调的开采范式,强调煤炭开采工艺与水文地质条件之间的协调性和匹配性,即在最大限度提高煤炭资源采出率的同时,又不能由于高强度开采引起涌水量过大、过快增长从而给矿井造成较大的排水负担,同时避免产生区域地下水位大幅下降的环境负效应。因此,基于彬长矿区上述开采受顶板水害影响程度分区,提出如下3种减水模式:①采高控制型:位于矿区浅部,含水层相对较薄、富水性弱、煤层与洛河组间距较大、安定组泥岩相对较厚且有一定的再生隔水能力,该区减水技术措施主要以合理控制采高,隔水层隔水能力自然再生为主。②限高-限宽型:位于矿区中部,含水层较厚、富水性中等、煤层最厚、距洛河组间距相对较近,该区减水措施主要以限高、限宽、条带、优化回采顺序等为主。③隔离-注浆型:位于矿区北部,含水层厚度大、富水性强、与洛河组间距相对较小,单个工作面及矿井涌水强度较高,减水措施主要以条带、限高、采后区域密闭隔离、工程干预等为主。目前正在试验采前、采后顶板定向水平钻孔区域注浆减水技术,部分矿井在采区、工作面布设时超前进行区域密闭隔离,在采区、工作面回采后封堵密闭,以达到减水控水目的。
1)弱影响区。以大佛寺矿为例,煤层厚度0~19.42 m,平均厚度10.36 m,洛河组一般厚度130~180 m,岩性以中、粗粒砂岩为主,南薄北厚,东薄西厚,富水性由南向北逐渐增强,煤层距洛河组160~200 m,安定组一般厚度60~80 m,其中安定组泥岩占60%以上,具有良好再生隔水能力。该矿工作面最大采厚控制在12 m以内,楔入比一般为0.35~0.48,导水裂隙带仅波及到洛河组下段。该矿矿井正常涌水量一般为340~520 m3/h,由于安定组泥岩具有遇水膨胀弥合作用,大部分工作面回采半年后涌水量衰减至零,同时,工作面回采结束后,洛河组观测孔多出现水位恢复现象。
2)中等影响区。胡家河矿采用限高、限宽、减水采煤方案,工作面采宽控制在180 m,最大采厚控制在12 m以下,楔入比一般在0.34左右,单个工作面涌水量保持在500 m3/h左右,工作面回采后,洛河组整体水位下降约30 m,洛河组下段水位降深约160 m。
小庄矿在402采区采用优化回采顺序的减水采煤方案,工作面限宽180 m左右,最大采厚控制在15 m,由浅而深顺序回采4个工作面。首采工作面回采后矿井涌水量600 m3/h,第2、3、4个工作面回采后总涌水量分别增加200、100、100 m3/h。
3)强影响区。以高家堡矿为例,该矿涌水量强度较大,严重制约着矿井高效生产。目前采用区域隔离减水采煤方案(401盘区4个工作面采空区涌水密闭隔离工程),同时,开展地面及井下注浆封堵减水试验工程。
弱影响区及中等影响区的采高控制型、限高-限宽型措施的确定,旨在实现对隔水层的适度扰动,避免高强度开采导致隔水层自愈能力下降。因此,在这2个区域,通过控制采高、采宽实现对覆岩隔水层的有限扰动,充分利用隔水层的自愈能力,控制单个工作面洛河组含水层涌水量,从而实现减水开采。
1)研究了彬长矿区洛河组含水层水文地质特征,该含水层层状结构明显,垂向渗透性较弱,富水性上强下弱,具有垂向非均质特征,这一特征是彬长矿区减水开采的水文地质基础。
2)依据彬长矿区含水层厚度、富水性以及煤层与含水层间距等涌水量主控因素,在分析典型生产矿井涌水规律的基础上,根据开采受顶板水害影响程度,绘制了弱影响区、中等影响区和强影响区等分区图。
3)根据彬长矿区开采水文地质条件,提出了楔入比概念,建立了适用于3个分区的采高控制型、限高-限宽型、隔离-注浆型减水开采模式,矿区典型煤矿减水开采技术应用效果验证了减水开采模式的合理性。
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