黄玉川煤矿地层含水性及渗透性的抽采试验研究_武洪涛.pdf

第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 我国是煤炭的生产大国和消费大国， 2018 年我 国煤炭消费 27.4 亿 t 标准煤， 占一次能源的比重接 近 60， 在我国的能源结构中占主导地位[1-2]。目前， 我国煤炭开采以井下采煤为主，根据不完全统计的 数据结果， 20002018 年发生煤矿突水事故超过 200 起， 煤矿突水问题严重威胁煤矿井下安全生产[3-5]。煤基金项目 国家自然科学基金资助项目 （U12612031， 51774110） 黄玉川煤矿地层含水性及渗透性的 抽采试验研究 武洪涛 1， 2， 陈江峰2， 王崇平3， 豆 浩 3 （1．河南大学 濮阳工学院， 河南 濮阳 457000； 2．河南理工大学 资源与环境学院， 河南 焦作 454000； 3．神华集团有限责任公司 黄玉川煤矿， 内蒙古 准格尔 010399） 摘要 通过在黄玉川煤矿地面布置抽水孔进行抽水试验， 测试不同孔位的涌水量、 渗透系数及 影响半径， 掌握奥灰水地层的富水性及渗透性特征， 避免井下采煤过程中的突水事故。结果表 明 奥陶系灰岩地层发育导水断裂带及陷落柱等导水通道， 含水层对 9 号煤层开采的影响比其 他煤层严重； 抽水结束后， 含水层水流补给抽水钻孔，24 h 内液面恢复至抽水之前的水位深度； 地面钻孔抽水试验测试的涌水量在 0．018～2．412 m3/h 之间，平均单位涌水量为 0．036 L/ （s m） ， 属于弱含水性的含水层； 渗透系数在平均值为 0．002 4 m/d， 属于弱透水性的含水层。 关键词 黄玉川煤层； 含水性； 透水性； 涌水量； 突水； 弱含水 中图分类号 TD745文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 04-0042-05 Experimental Study on Drainage of Strata Water-Bearing and Permeability in Huangyuchuan Coal Mine WU Hongtao1,2, CHEN Jiangfeng2, WANG Chongping3, DOU Hao3 （1.Puyang Institute of Technology, Henan University, Puyang 457000, China;2.School of Resources and Environment, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China;3.Huangyuchuan Coal Mine, China Shenhua Energy Company Limited, Jungar Banner 010399, China） Abstract The pumping test was carried out by arranging pumping holes in the ground of Huangyuchuan Mine to test the water inflow, permeability coefficient and influence radius of different hole positions, and to master the characteristics of water and permeability in the ation to avoid water inrush in underground coal mining. The results show that Ordovician limestone strata develops water-conducting channels such as water-conducting fracture zone, fracture zone and collapse column; the influence of aquifer on 9coal seam mining is more serious than other coal seams; after the pumping is completed, the aquifer water is replenished to the pumping hole， and the liquid level is restored to the depth of the water before pumping within 24 hours; the amount of water inflow from the ground drilling pump test is between 0.018 m3/h and 2.412 m3/h, and the average unit water inflow is 0.036 L/s m, which is a weak aquifer; the permeability coefficient is 0.002 4 m/d, which is a weakly water-permeable aquifer. Key words Huangyuchuan Coal Mine; water-bearing; water-permeable aquifer; water inflow; water inrush; weak aquifer DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.009 武洪涛， 陈江峰， 王崇平， 等．黄玉川煤矿地层含水性及渗透性的抽采试验研究 ［J］ ．煤矿安 全， 2020， 51 （4 ） 42-46. WU Hongtao, CHEN Jiangfeng, WANG Chongping, et al. Experimental Study on Drainage of Strata Water- Bearing and Permeability in Huangyuchuan Coal Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 42-46.移动扫码阅读 42 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 矿突水事故的客观原因主要是煤矿采动影响范围内 的煤层、顶底板等含水性较高，在煤矿采动影响作 业下，含水层中的水沿采动裂隙及原生裂隙流向井 巷而导致事故发生，主观原因是对煤层、顶底板的 含水性、 渗透性等特征的掌握不足， 安全投入不足、 透水治理不到位、 管理措施不及时等导致[6-7]。在正 确掌握煤矿含水性及渗透性资料基础上，通过加强 人员对突水预兆识别培训、强化突水预兆信息化监 控、 增强突水信息自动识别能力[8-10]， 从井下人员和 地面监控 2 方面着手，能够有效降低煤矿生产过程 中突水事故造成的人员伤亡及财产损失。 1矿井地质特征 1.1含煤特征 黄玉川煤矿属华北石炭、 二叠纪煤田， 含煤地层 包括山西组 （C2s） 和太原组 （C2t） ， 山西组包含 4、 5 号 共 2 个煤层，太原组包含 6 上、 6、 8、 9、 10 号共 5 个 煤层， 太原组的煤层整体较厚， 经济开采价值较高， 而山西组的含煤性较差[11]。煤矿开采范围内的主采 煤层分布特征数据见表 1。 从表 1 可以看出， 太原组煤层在 3.15～12.37 m 之间，厚度大，但是煤层含夹矸较多，煤层结构复 杂， 均为复杂结构煤层。山西组煤层在 1.65～3.35 m 之间， 厚度小， 均为较简单结构煤层。 1.2构造特征 根据黄玉川井田煤炭及地震勘探报告，井田内 地层为单斜构造，局部范围存在宽缓的波状起伏， 地层倾角在 15以内，走向为北北东，倾向为北西 西。 井田内共发现断层 8 条， 其中落差＞10 m 的断层 3 条， 大于 5 m 的断层 6 条， 褶幅＞5 m 的褶曲 5 条， 其中背斜 4 条、 向斜 1 条[12]。6 号煤层埋深在 400～ 960 m 之间， 从东向西煤层埋深逐渐增加。 综上各阶 段勘探成果， 本井田构造属中等到复杂类型。 1.3水文特征 黄玉川煤矿范围内的含水层包括 2 类松散层 孔隙潜水含水层及碎屑岩类孔隙、裂隙含水层。松 散层孔隙潜水含水层主要发育在第四系和新近系， 含水地层对煤矿开采的影响较小。碎屑岩类孔隙、 裂隙含水层发育在二叠系、 石炭系及中下奥陶统， 而 煤矿可采煤层发育在二叠系山西组及石炭系太原 组，因此，对煤矿开采影响较大的主要为碎屑岩类 孔隙、裂隙含水层。太原组可采煤层与奥陶系灰岩 含水层 （奥灰水） 的间距数据见表 2。 从表 2 中可以看出，奥灰水与 9 号煤层距离为 44.8 m，考虑地层断层发育及高承压水特征对突水 的影响， 奥灰水对 9 号煤层开采的影响尤为严重。 2地面抽水试验结果及分析 2.1抽水试验方法及结果 通过地面钻孔，对奥陶系灰岩含水层进行单孔 抽水试验， 抽水试验采用 1YPE4-340 型深井抽水泵 进行抽水， 电测水位计观测水位， 三角堰观测流量， 最大流量为 4 m3/h， 最大扬程为 340 m， 最大功率为 7.5 kW， 电测水位计观测水位， 三角堰观测流量。出 水管为 φ63.5 mm 钻杆，测水管为 φ18 mm 塑料管， 每个钻孔均进行了 3 次降深的抽水。针对黄玉川煤 矿奥陶系灰岩含水层，在地表实施 4 个钻孔进行试 验， 分析含水层的富水性及渗透性特征。 4 个钻孔的 水泵与测水管下深及水位变化如图 1。 由图 1 可知， 4 个抽水钻孔的泵下入深度为 302.5～322.5 m， 差值为 20 m， 侧水管下入深度比泵下 入深度浅 2～3 m。抽水前的静止水位在 171.5～255.6 m，差值为 84.1 m，抽水后的静止水位在 171.9～ 257.8 m， 差值为 85.9 m， 抽水后 24 h 的恢复液面水 位与抽水前的水位接近，说明钻孔抽采区域的奥陶 系灰岩含水层水流补给能够恢复水位下降液面。 2.2含水性特征 钻孔单位涌水量是评价含水层富水性等级的 煤层 编号 煤层平均 厚度/m 煤层厚度 变异系数/ 煤层结构稳定程度 43.3530较简单较稳定 51.6556较简单不稳定 6上12.3733复杂较稳定 65.7731复杂较稳定 93.1548复杂较稳定 煤层 编号 煤层平均 厚度/m 稳定 程度 可采性 与奥灰水 间距/m 6上12.37较稳定全部可采61.13 65.77较稳定全部可采52.66 93.15较稳定大部可采44.80 表 1黄玉川煤矿可采煤层分布特征 Table 1Distribution characteristics of recoverable coal seam in Huangyuchuan Coal Mine 表 2太原组可采煤层与奥灰水间距 Table 2Spacing between Taiyuan ation workable coal seam and Ordovician limestone water 43 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 图 1水泵下深、 测水管下深及水位变化柱状图 Fig.1The depth of the pump and water pipe with the histogram of the water level change 唯一标准，钻孔涌水量的大小直接反映处矿井含水 量的高低，在一定的渗透条件下，含水层的含水量 越高， 钻孔的涌水量越大[13]。 黄玉川煤矿地面抽水孔 试验测试的钻孔涌水量、水位降深及计算的单位涌 水量数据见表 3。 单位涌水量的表达式为 q Q 3.6H （1） 式中 q 为单位涌水量， L/ （s m） ； Q 为涌水量， m3/h； H 为钻孔抽水试验的水位降深， m。 从表 3 可以看出，涌水量在 0.018～2.412 m3/h 间， 平均值为 0.613 8 m3/h， 单位涌水量在 0.000 2～ 0.008 0 L/ （s m）之间， 平均值为 0.003 6 L/ （s m） ， 涌水量及单位涌水量变化均较大，其中 H1 孔的涌 水量及单位涌水量最大， H3 孔的涌水量及单位涌水 量最小。分析认为涌水量差异较大的原因有 2 种 一种原因为含水层的水量分布不均衡，导致不同位 置的涌水量出现差异，另一种原因是测试钻孔周边 分布小断层， 断层在抽水影响范围内， 2 种原因均有 可能导致 H1 孔的涌水量偏高，要确定具体原因， 需 进加强地震勘探对断层的控制， 另一方面需加密抽水 钻孔， 精细研究含水层含水量的分布规律[14]。 根据 煤矿防治水细则 对含水层富水性划分标 准可以看出，钻孔抽采测试的黄玉川煤矿的奥陶系 灰岩含水层属于弱含水性的含水层。根据钻孔涌水 量测试结果的差异较大可以看出，局部地区存在突 水的可能，且黄玉川煤矿在采掘过程在多次遇到出 水量异常情况， 最高出水量达到 70 m3/h， 需加大水 文勘探投入力度，加强对煤矿开采区域的控制， 特 别加强对垂向导水、 含水构造的探查， 降低煤矿开采 过程中的突水风险。 2.3渗透性特征 渗透性能是影响矿井涌水量的重要参数，沉积 过程中地层介质特征、裂隙发育情况及构造作用现 场的断裂、 褶皱等直接影响其渗透性[15]。 本次试验的 奥陶系灰岩含水层属于承压含水层，采取抽水试验 采用稳定流承压公式计算渗透系数， 其表达式为 K 0．366QlgR r MH （2 ） 式中 K 为渗透系数， m/d； R 为影响半径， m； r 为钻孔半径， m； M 为含水层厚度， m； Q 为涌水量， m3/h； H 为水位下降深度， m。 抽水测试钻孔的渗透系数结果见表 4。从表 4 的计算结果可以看出，奥陶系灰岩含水层的渗透系 数在 0.000 1～0.007 8 m/d 之间，平均值为 0.002 4 m/d， 渗透系数较低， 奥陶系灰岩含水层属于弱透水 性的含水层，由于含水层的透水性较差，起到了很 好的遮挡作用，能有效阻止含水层中的水向煤矿采 掘作业面流动， 降低突水事故发生的可能。 渗透系数与涌水量、 单位涌水量散点图如图 2。 由图 2 可以看出， 4 个钻孔均呈现出随着渗透系数 的增加， 涌水量、 单位涌水量均呈上升的趋势， 说明 裂隙通道的导水性能对涌水量的大小起到决定性的 作用。 3矿井突水水源及事故预防 3.1矿井突水水源 煤系地层及其顶底板的砂岩层段、灰岩层段由 于裂隙发育，是矿井水的主要来源地。根据黄玉川 钻孔号降次水位降深/m 涌水量 / （m3 h-1） 单位涌水量 / （L s-1 m-1） H1 孔 183.352.4120.008 0 255.901.6130.008 0 325.340.7240.007 9 H2 孔 1143.800.5370.001 0 297.920.3210.000 9 346.680.1530.000 9 H3 孔 149.590.0320.000 2 234.100.0220.000 2 321.500.0180.000 2 H4 孔 142.410.7850.005 1 226.850.4970.005 1 313.620.2520.005 1 表 3钻孔单位涌水量数据表 Table 3Drilling unit water inflow data table 44 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 图 2不同钻孔渗透系数与涌水量、 单位涌水量散点图 Fig.2Scatter plot of permeability coefficient and water inflow and unit water inflow in different boreholes 钻孔号降次水位降深/m影响半径/m渗透系数/ （m d-1） H1 孔 183.3573.400.007 8 255.9047.700.007 3 325.3420.100.006 3 H2 孔 1143.8049.590.001 2 297.9230.480.001 0 346.6813.570.000 8 H3 孔 149.598.350.000 3 234.106.780.000 2 321.506.060.000 1 H4 孔 142.4115.330.001 3 226.859.250.001 2 313.624.320.001 0 表 4钻孔抽水试验渗透系数数据表 Table 4Drilling pumping test permeability coefficient data sheet 煤矿的水文、地震等勘探资料，矿井区域范围内的 煤系地层钻孔漏失严重，最大漏失量达到 20 m3/h， 主要集中在砂岩及煤层段，说明煤层、砂岩层段的 裂隙较发育，且针对奥陶系灰岩含水层的钻孔测试 反映出该地区富水规律的不均一性，局部地区的富 水性较强，对煤矿开采的影响较大，需做好奥灰水 的预抽工作， 降低突水事故概率。 黄玉川煤矿的水文勘探资料显示煤系基底奥陶 系灰岩地层发育岩溶， 导致地层局部富水性较强， 裂 隙较发育， 主要表现为溶蚀裂隙， 次为小溶孔。根据 测试的地层渗透系数，奥陶系岩溶水向煤系地层补 给的可能性较低。但受断层、 岩溶陷落柱的影响， 在 奥灰水位高于煤层底板的情况下，奥灰水沿导水断 层、断裂带或导水陷落柱突入矿井的的可能性会急 剧增加[16]， 突水事故的可能性也大幅上升。 3.2突水事故预防措施 含水层中的水在高能量（承压水） 和良好通道 （渗透性 ） 的共同影响下， 才能向矿井采动区流动。黄 玉川煤矿奥陶系灰岩含水层为承压水体， 具备水体流 动的物质基础和能量基础，而矿井的导水断裂带及 陷落柱就位含水层的水涌向煤矿提供了通道条件。 为了降低黄玉川煤矿井下采掘过程中的突水事 故概率、 降低事故发生造成的人员及财产损失， 一方 面应针对采掘工程部署，采取“地面勘探-井下预 抽” 的井上下联合的预防措施， 加强地面水文地质勘 探， 研究奥灰水的分布规律， 强化井下预抽钻孔的水 害治理工作， 另一方面强化水害事故“人员-设备” 45 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 的综合预警机制，应提高井下作业人员对水害事故 的主观预见性、应对性技能，增加井下水害事故的 实时监测预警系统。针对水害危险，采取全过程控 制防突、 多举措预测消突， 降低水害概率及强度， 减 少水害事故损失。 4结论 1） 黄玉川煤矿地面水文钻孔显示奥陶系灰岩含 水层的水含量分布不均一， 差异较大， 与煤矿 9 号煤 的距离近， 奥灰水对其开采的影响较大， 应加强 9 号 煤采掘过程中的奥灰水治理。 2） 奥陶系灰岩渗透系数平均值为 0.002 4 m/d， 属于弱透水性的含水层，钻孔抽水试验结束后， 奥 灰水向钻孔方向运移， 奥灰水在 24 h 内的水流补给 能够促使抽采后水位恢复至抽采之前。 3） 根据地面钻孔抽水试验测试奥陶系灰岩的涌 水量在 0.018～2.412 m3/h 之间，平均单位涌水量为 0.036 L/ （s m） ， 属于弱含水性的含水层。 4） 勘探资料显示， 黄玉川煤矿奥陶系灰岩存在 断裂带及垮落带等导水通道，对煤矿开采的影响较 大， 应采取 “地面勘探-井下预抽” 的井上下联合的 预防措施， 建立水害事故“人员-设备” 的综合预警 机制，降低水害事故的概率及强度，减少水害事故 造成的损失。 参考文献 ［1］ 谢和平， 吴立新， 郑德志．2025 年中国能源消费及煤 炭需求预测 ［J］ ．煤炭学报， 2019， 44 （7） 1949-1960． ［2］ 国家统计局．2018 年国民经济和社会发展统计公报 ［EB/OL］ ．（2019 -06 -10） http //www．stats．gov．cn/tjsj/ zxfb/201902/t20190228_1651265．Html． ［3］ 辛光明， 邢文彬， 武凯， 等．阳城煤矿断层导水灾害 “挡-堵” 多体系防治技术 ［J］ ．煤矿安全， 2019， 50 （5） 91-94． ［4］ 樊振丽．关于富水构造型底板突水系数计算方法的探 讨 ［J］ ．煤矿开采， 2019， 24 （1） 35-39． ［5］ 张耀辉， 张海波．矿井防治水技术研究现状及展望 ［J］ ． 煤矿安全， 2016， 47 （4） 195-198． ［6］ 傅贵， 郑志勇．煤矿透水事故不安全动作原因分类研 究 ［J］ ．煤矿安全， 2016， 47 （7） 244-247． ［7］ 邢斌．林西矿深部奥灰水突水危险性评价及防范措施 ［J］ ．煤炭与化工， 2019， 42 （2） 76-78． ［8］ 原富珍， 马克， 庄端阳， 等．基于微震监测的董家河煤 矿底板突水通道孕育机制 ［J］ ．煤炭学报， 2019， 44 （6） 1846-1856． ［9］ 孙魁， 夏玉成， 李成， 等．综放开采条件下煤层顶板涌 （突） 水危险性评价 ［J］ ．西安科技大学学报， 2019， 39 （3） 452-460． ［10］ 刘志新， 王明明．环工作面电磁法底板突水监测技术 ［J］ ．煤炭学报， 2015， 40 （5） 1117-1125． ［11］ 武洪涛．黄玉川煤矿 4 煤顶板工程地质特征及稳定 性评价 ［D］ ．焦作 河南理工大学， 2016． ［12］ 田永华． 井下高分辨电测深技术在黄玉川矿防治水 的应用 ［J］ ．中国煤炭， 2015， 41 （9） 25-27． ［13］ 姚桥矿， 李明山．伯努利方程与井下探放水钻孔涌水 量计算 ［J］ ．矿业安全与环保， 1999 （2） 37-38． ［14］ 高耀全．黄玉川井田奥灰水赋存规律及其突水危险 性评价 ［D］ ．西安 西安科技大学， 2015． ［15］ 李仕杰， 黄震， 廖永斌， 等．深部巷道断层破碎带渗透 性测试及动态监测研究 ［J］ ．煤矿安全， 2019， 50 （7） 50-55． ［16］ 李旭平．黄玉川煤矿奥灰水突水机理及其防治研究 ［D］ ．包头 内蒙古科技大学， 2013． 作者简介 武洪涛 （1990） ， 男， 河南濮阳人， 讲师， 硕 士， 2016 年毕业于河南理工大学， 研究方向为矿井地质、 工 程地质。 （收稿日期 2019-10-12； 责任编辑 陈洋） 46 ChaoXing