闭坑矿井采空区积水过程分析.pdf

第44卷 第“期 2018年6月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 6 Jun. 2018 文章编号671-251X201806-0052-05 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2017110056 闭 坑 矿 并 ％ 空 区 积 水 过 程 分 析 毕 尧 山，吴基文，王广涛，翟晓荣，张红梅，黄凯 安黴理工大学地球与环境学院， 安 黴 淮 南 232001 摘要 为研究闭坑矿井采空区积水问题， 以岱河煤矿为研究对象， 根据该煤矿矿井地质、 水文地质条件及 已有工作面采空区探放水资料， 选用回采空间法计算了该煤矿闭坑后采空区积水体积， 并分析了闭坑后采空 区积水过程。分析结果表明①岱河煤矿闭坑后采空区积水体积共6 208 267. 20 m3，包括4 808 923. 58 m3 的工作面采空区积水体积和1 399 343. 62 m3 的废弃巷道积水体积。假 设 单 位 涌 水 量 为 80 m3/h，预计 3 233.47 d 后积水充满矿井。②岱河煤矿闭坑后积水高度H 与时间。 关系表达式为H 2X 10 8id 7X 10-50. 131 7。一415. 29。 关键词 煤炭开采；闭坑矿井；采空区积水；矿井水位回升；回采空间法；积水体积；积水过程；积水 系数 中图分类号TD745 文献标志码A 网络出版地址http //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180515. 0913. 002. html Analysis of water-filling process in goaf of closed mine BIYaoshan，WU Jiwen, WANG Guangtao, ZHAI Xiaorong, ZHANG Hongmei, HUANG Kai School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001, China Abstract In order to research water-filling problem in goaf of closed mine, taking Daihe Coal Mine as research object, mining space was used to calculate water-filling volume in goaf of the closed mine according to geological and hydrogeological conditions of the coal mine as well as exploration and drainage data of previous working face goaf, and water-filling process in goaf of the closed mine was analyzed. The analysis results are as follows ① Total water-filling volume in goaf after Daihe Coal Mine being closed is 6 208 267.20 m3, which includes 4 808 923.58 m3in working face goaf and 1 399 343.62 m3in abandoned roadways. If water bursting speed is 80 m3/h, then the closed coal mine will fully filled with water after 3 233.47 days. ② Relationship expressionbetween water-filling height H and time td is H 2 X 10 8 “ d 7X 10-5“0.131 7“ 415.29. Key words coal mining； closed mine; water-filling in goaf; water level rising in mine; mining space ; water-filling volume; water-filling process; water-filling coefficient 近年来， 受煤炭需求不振、 过剩产能持续释放、 坑 ， 可能会出现一系列地质灾害和环境问题， 如地面 收 稿 日 期2017-11-28;修 回 日 期 2018-05-08;责 任 编 辑 李明。 基 金 项 目 国家自然科学基金资助项目（41272278;安徽高校自然科学重点资助项目（KJ2017A073，KJ2016A826;安徽高校科研平台创新团 队建设项目（2016-2018-24。 作 者 筒 介 毕売山“992 ， 男， 安徽黄山人， 硕士研究生， 研究方向为煤矿工程地质，E-mailysbil23 163. com。 引 用 格 式 毕尧山， 吴基文， 王广涛， 等.闭坑矿井采空区积水过程分析工矿自动化，2018,446 2-56. BIYaoshanWU Jiwen, W A N G Guangtao, et al. Analysis of water-filling process in goaf of closed mine[J]. Industry and Mine Automation,2018,446 ；52-56. 〇 引言〇 引言 开采难度不断加大、 国家宏观政策调整等影响， 中国 每年都有大量煤矿被迫停产关闭。随着矿井停采闭 2 0 1 8 年 第 6 期毕 尧 山 等 闭 坑 矿 井 采 空 区 积 水 过 程 分 析 53 沉降、 地面塌陷、 土地破坏、 水体污染、 采空区积水 等[1]。由于缺乏足够重视， 很多矿井在关闭时没有 采取相应措施来防治可能会发生的问题， 其中采空 区积水问题会严重威胁仍处于正常生产状态的相邻 煤矿的安全。对闭坑矿井采空区积水过程进行分 析 ， 对正确认识矿井闭坑诱发的安全问题、 实现绿色 闭坑有重要意义。 国内外学者对废弃矿井和采空区积水过程进行 了大量研究。P.L. Younger等[2]考虑了废弃矿井 中的独特含水介质场和水动力场， 将井巷系统中的 高渗透性含水空间作为紊流管道区， 而采空区和裂 隙发育区含水介质作为高渗透性层流区， 将其他围 岩含水空间作为中低渗透性层流区， 建立了 3 种适 用 于 不 同 面 积 的 废 弃 矿 井 系 统 模 型 VSS N ET Variably Satarate Subsarfacc Network ， CDGWFM Conventional Darcian Ground Water Flow Model， GRAM Groundwater Rebound in Abandoned Mineworkings ； D. Banks 等[3 - ]认为 GRAM 模型存在基础版本不易适应矿井体积随深 度的变化和假设补给水流不随水位变化的缺点， 引 人有效面积概念， 建立了矿井体积可变、 水头依赖型 地 下 水 回 灌 模 型 MIFIM Mine-water Filling Model， 通过实际应用成功预测了煤矿观测井中的 水位首次出现及随后上升的情况； 周建军等[5]根据 地下水系统的水文地质条件，建立了废弃矿井地下 水回灌模拟模型， 分析了废弃矿井地下含水介质的 空间特性， 为地下水模拟计算提供了依据； 张壮路[ 6 ] 分析了唐村煤矿水文地质条件和矿井废弃后地下水 动力模式， 对水位回升过程中矿井的积水空间、 分布 特点及废弃矿井水位回升的时空过程与最终到达的 动态平衡模式进行了计算和分析。本文在综合考虑 国内外研究现状的基础上， 以岱河煤矿为研究背景， 结合其矿井地质与水文地质条件， 根据该矿区已有 采空区探放水资料， 选用回采空间法分析了岱河煤 矿闭坑后采空区积水过程。 1矿区地质概况矿区地质概况 岱河煤矿处于淮北煤田濉萧矿区闸河向斜中部 西翼， 矿区面积约为19. 186 9 km2[;]， 含煤地层为石 炭系、 二叠系。石炭系煤层太薄， 不可采。煤矿主要 含煤地层为二叠系下石盒子组， 山西组次之， 含煤地 层总厚度约为588. 17 m， 可 采 煤 层 有 3 ， 5, 6 煤 层 。采区一250 m 水平以上的煤层走向变化较小， 基本上为单斜构造， 倾 角 为 830， 平均约为15， 南部三采区倾角多为25。采区内共发现3 个褶皱， 由北向南依次为官庄向斜、 吕庄背斜、 马庄向斜。矿 井断层较为发育， 共 发 现 16条落差超过10 m 的断 层 ， 一般情况下富水性弱， 导水性较差。 矿区地层中有多个含水层， 受多个隔水性良好 的隔水层阻隔， 其对矿井充水产生不同影响。地表 水、 第四系全新统孔隙水受第四系更新统阻隔， 一般 对矿井充水无影响。矿区主要充水水源包括主采煤 层砂岩裂隙水， 太灰、 奥灰岩溶溶隙含水层， 采空区 积水， 断层及构造裂隙水。 0闭坑矿井采空区积水体积计算 2 . 1计算公 式选择 矿井积水过程是指矿井闭坑后， 矿井水达到水 动力平衡、 矿井最终积水标高形成及积水形成要素 随时间变化的动态过程。闭坑矿井相关含水层的充 水情况比较复杂， 在整个区域地下水动力场作用下， 原有的含水层在矿井停止排水后水位回升， 而矿井 积水又会对含水层进行补给8 。岱河煤矿闭坑后， 其涌水量构成主要为开采煤层顶底板砂岩裂隙水、 新生界含水层孔隙水等。目前中国对采空区积水量 的 预 测 方 法 主 要 包 括 回 采 空 间 法 与 积 水 空 间 法[910]。其中回采空间法适用于采空区积水高度大 于 5MM 为采高） ， 尤其是整个回采工作面积水的 情况， 对采空区积水量预测较准确； 积水空间法适用 于最大水头高度小于5M ， 即水头高度在垮落带内 的积水量预测。矿井闭坑积水符合第一种情况， 因 此选用回采空间法计算采空区积水量。闭坑矿井采 空区积水体积一般采用 煤矿防治水规定 [11]中的 老窑水公式（ 式（ 1计算。 Q Qi Q i为采空区积水体积， m3;Q2 为 巷 道 积水体积， m3;为采空区积水系 数 （ 为淹没采空区面积的水平投影， m2 ;m 为已采 煤层厚度， m李思标等[13]对采矿“ 三带” 的形成机理进行了分 析 ， 认为积水系数与采煤方法、 煤层倾角、 煤层顶底 板岩性及采后间隔时间等因素有关， 而上述因素综 合作用的结果都集中且直观地表现在地表下沉上.;2451307.47337918.234125121.90260475.33 总计2 350 4471399346.741 059 129.821399343.626208267.20 式 中 g 为单位涌水量， m3/h。 根据岱河煤矿地质报告及台账， g 取 8 0 m3/h。 采空区积水时间计算结果见表 。 表4采 空 区 积 水 时 间 计 算 结 果 Table 4 Calculation result of water-filling time in goaf 水 平/m时 间/d时 间 累 加/d 400 〜-450 102.32102.32 350 〜-400 742.62844.94 300 〜-350 653.69 1 498. 63 250 〜-300 680.60 2 179.23 200 〜-250 430.24 2 609.47 150 〜-200 300.65 2 910.12 100 〜-150 187.69 3 097.81 50---100 135.66 3 233.47 根据表4 得出岱河煤矿闭坑后积水高度与时间 的关系曲线， 如 图 1 所示。 图1岱 河 煤 矿 闭 坑 后 积 水 高 度 与 时 间 关 系 曲 线 Fig. 1 Relationship curve of water-filling height and time after Daihe Coal Mine being closed 由图1 可知， 岱河煤矿闭坑后积水高度随时间 增加先上升， 之后较为平缓， 最后快速上升， 二者关 系表达式为 2 X 10 “d ; X 10 “d 0.131 “ d -415.29 O2 0.996 6 3 式 中 为 采 空 区 积 水 高 度 ， m“ d 为采空区积水时 间， d〇 为相关系数。 因矿井深部采空区面积较小， 容积较小， 积水后 很快淹没底部； 随着积水过程持续进行， 由于采空区 面积较大， 容积较大， 在积水速度一定的情况下， 积 水高度上升速度较慢； 当矿井积水淹没矿井下部、 中 部到达浅部时， 由于采空区面积较小， 积水速度较 快 ， 为积 水 高 增 加 快 速 上升 。 4结论 根据岱河煤矿矿井地质与水文地质条件， 选用 回采空间法计算矿井闭坑后采空区积水过程， 得到 以下结论。 “ 在计算采空区积水体积时， 不能忽略废弃 巷道积水体积。经计算， 岱河煤矿闭坑后采空区积 水体积共 6 208 267. 20 m3， 包括 4 808 923. 58 m3 工作面采空区积水体积和1 399 343. 62 m3 废弃巷 道积水体积。若选取单位涌水量80 m3/h 计算充水 时间， 则 预 计 3 233. 47 d 后积水充满矿井。 “ 岱河煤矿闭坑后积水高度 与时间“d关 系表达式为 2 X 10 8“ 7X 10 “ 0. 131 7 “ 415. 29O2 0. 996 6。 “ 准确计算采空区积水体积， 分析矿井闭坑 后水位回升的时空过程， 为进行矿界隔水煤柱的安 全性评价提供了可靠依据。 参 考 文 献 （References 1 武 强，李 松 营.闭 坑 矿 山 的 正 负 生 态 环 境 效 应 与 对 策 56 工 矿 自 动 化2 018 年 第 4 4 卷 煤炭学报，2018,43121-32. 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