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第 46 卷第 1 期煤炭学报Vol. 46 No. 1 2021 年1 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJan. 2021 榆神矿区浅埋煤层减水开采中预疏放标准确定方法 靳德武1,2,刘 基1,2,许 峰1,2,3,王振荣4,庞乃勇4 1. 中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710054; 2. 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室,陕西 西安 710077; 3. 煤炭科学研究总 院,北京 100013; 4. 神华神东煤炭集团有限责任公司,陕西 神木 719315 摘 要榆神矿区地处干旱半干旱地区,生态环境十分脆弱。 疏放水是榆神矿区顶板水害防治的主 要手段,但过度疏放不仅增加矿井排水负担,而且不利于保护浅层地下水资源。 因此,在确保防治 水安全的前提下,计算预疏放残余水头、确定预疏放阶段和回采阶段第四系松散含水层漏失量,从 而实现总漏失量最小是煤炭减水开采中的重点研究问题之一。 以榆神矿区锦界煤矿为例,在分析 井田含、隔水层赋存特征的基础上,建立了煤层开采的 2 种充水模式,并对顶板含水层进行了富水 性分区;以矿井涌水量实测数据为基础,分析了涌水量变化规律及其构成比例;采用 Drain 边界刻 画多工作面连续回采内边界,建立了锦界煤矿采掘扰动条件下地下水流数值模型,研究了两种充水 模式下预疏放残余水头在不同工况下的第四系松散含水层总漏失量变化规律,确定了工作面预疏 放结束标准。 结果表明锦界煤矿煤层顶板为典型的沙层-土层-基岩型结构,主要充水水 源为风化基岩水,主要充水模式为土层未缺失风化基岩充水型及土层缺失风化基岩和松散层混合 充水型。 采用 GIS 多元信息融合技术划分的井田富水性分区结果显示,相对强富水区位于井田二 盘区局部地段、三盘区和四盘区大部分地段,与现场实际基本一致。 矿井疏放水量与工作面回采残 余涌水量曲线变化趋势基本一致,各占矿井涌水量的 50左右。 通过数值模型计算得出两种充水 模式下工作面预疏放结束标准为将充水含水层疏放至煤层底板以上 15 20 m,保留一定的残余水 头可进行回采,无需继续疏放。 此时,第四系松散含水层水资源总漏失量最小,可起到减水采煤的 作用。 研究成果为榆神矿区浅埋煤层提供了“减水开采”的新思路。 关键词减水开采;预疏放;充水模式;第四系含水层;漏失量;榆神矿区 中图分类号TD745． 2 文献标志码A 文章编号0253-9993202101-0220-10 扫码关注 收稿日期2020-12-08 修回日期2021-01-08 责任编辑韩晋平 DOI10. 13225/ j. cnki. jccs. YG20.1915 基金项目国家重点研发计划资助项目2017YFC0804100;国家自然科学基金资助项目41807221 作者简介靳德武1966,男,陕西蓝田人,研究员,博士生导师,博士。 Tel029-81778067,E-mailjindewu cctegxian． com 通讯作者刘 基1985,男,江西临川人,副研究员,博士。 Tel029-85576730,E-mailliuji cctegxian． com 引用格式靳德武,刘基,许峰,等. 榆神矿区浅埋煤层减水开采中预疏放标准确定方法[J]. 煤炭学报,2021,461 220-229. JIN Dewu,LIU Ji,XU Feng,et al. of determining of pre-drainage standard in water-decrease mining of shal- low seam in Yushen mining area[J]. Journal of China Coal Society,2021,461220-229. of determining of pre-drainage standard in water-decrease mining of shallow seam in Yushen mining area JIN Dewu1,2,LIU Ji1,2,XU Feng1,2,3,WANG Zhenrong4,PANG Naiyong4 1. Xi’an Research Institute of China Coal Technology 2. Shanxi Key Laboratory of Coalmine Water Haz- ard Control,Xi’an 710077,China; 3. China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 4. Shenhua Shendong Coal Group Corporation Limited,Shen- mu 719315,China AbstractYushen mining area is located in an arid and semi-arid area,and its ecological environment is very fragile. Drainage is the main to prevent and control the roof water disaster in Yushen mining area. Excessive drainage 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 1 期靳德武等榆神矿区浅埋煤层减水开采中预疏放标准确定方法 increases the burden of mine drainage. In addition,it is not conducive to protect the shallow groundwater resource. Therefore,under the prerequisite of preventing and controlling water hazards,it is an important subject in water-de- crease mining to calculate the pre-drainage residual water head,and determine the amount of water leakage of Quater- nary unconsolidated aquifer during pre-drainage and mining,in order to minimize the amount of water leakage of Qua- ternary in the working face. Taking Jinjie coal mine as an example in this paper,based on the analysis of the occur- rence characteristics of aquifer and aquiclude,two water filling modes of coal mining were established. Furthermore,the water-abundance of roof aquifer was divided. Based on the measured data of mine water inflow,the changing rule and component proportion ratio of water inflow were analyzed. The inner boundary of multiple working faces of continuous mining was described by drain boundary,and the numerical model of groundwater flow under excavation disturbance in Jinjie coal mine was established. The change rule of the amount of water leakage in Quaternary unconsolidated aquifer under different pre-drainage residual water head conditions of two water filling modes was studied,and the pre-drain- age ending standard of working face was determined. The result showed that the coal seam roof of Jinjie coal mine was a typical sand-soil-bedrock structure. The main water filling source was entirely consisted of bedrock water. The water filling mode mainly included two modesthe water filling mode of weathered bedrock without soil layer missing,and the water filling mode of weathered bedrock with soil layer missing mixed with unconsolidated ation. The GIS multi-in- ation fusion technology was used to divide the water-abundance of mine field,and the result showed that the rela- tively strong watery zone in the mine field was located in some sections of the second panel,the third panel and almost all the sections of fourth panel,which was basically consistent with the actual situation on site. The variation trend of drainage water quantity was basically consistent with that of mining water inflow curve on working face,each account- ing for 50 of total mine water inflow. By means of numerical model calculation,the pre-drainage ending standard of working face under two water filling modes was determined to drain the water head until water-filled aquifer was 15 to 20 m above the coal seam floor,a certain residual head can be retained for mining without further drainage. By this time,the amount of water leakage in Quaternary unconsolidated aquifer reached the minimum value,which can play a role in reducing water while mining. The research result provides a new idea for “water-decrease mining” for shallow coal seam in Yushen mining area. Key wordswater-decrease mining;pre-drainage;water filling mode;Quaternary aquifer;leakage;Yushen mining area 榆神矿区煤层埋深较浅,其开采普遍受到顶板浅 层松散含水层的威胁[1],采用钻孔进行强降深、大流 量超前预疏放是顶板水害防治的主要措施[2-3]。 在 特定的地质、水文地质条件下,超前疏放顶板含水层 水甚至是惟一的手段[4]。 为确保安全,采前尽可能 疏放顶板水,将充水含水层水量和水压均减小到一定 程度再进行回采。 针对煤层开采顶板涌水规律,赵春虎等[5]以榆 神矿区为例,采用数值分析方法计算分析了 3 种涌水 模式下的顶板涌水规律。 针对顶板疏放水钻孔优化 布置,刘基等[6]以 “渗流-管流耦合模型”理论为基 础,基于含水层-钻孔间水量交换量,计算分析了不 同参数的顶板疏放水钻孔涌水量变化趋势。 李永涛 和杨建[7]以蒙陕接壤区纳林河二号矿井为例,分析 了顶板预疏放后工作面涌水规律,得出首采工作面涌 水量与推采步距呈正相关关系的结论。 前人研究工作多集中在顶板水害防治方面,而对 于充水含水层疏降至何种程度才是既经济又安全的 问题则较少涉及,而该问题又是生产中迫切需要解决 的问题。 如果预疏放水量过大,第四系浅层松散含水 层漏失严重,则造成水资源浪费;相反地,预疏放水量 过小,则顶板含水层难以疏降至安全水头,存在重大 安全隐患。 因此,需要开展采前预疏放水工程结束标 准研究,使采前预疏放阶段和回采阶段第四系松散含 水层总漏失量尽可能小,以实现工作面既采煤又减水 的目标。 榆神矿区锦界煤矿主采 31 煤,回采工艺为机 械化一次采全高,导水裂隙带直接发育至富水性 相对 较 强 的 风 化 基 岩, 导 致 矿 井 涌 水 量 最 大 达 5 499 m3/ h,矿井面临排水负担过重和水资源 保护的双重压力。 笔者通过分析矿井涌水量主控 因素,采用数值模拟手段,通过设计不同的预疏放 残余水头,探讨预疏放和回采过程中第四系松散 含水层漏失量变化趋势,寻求合理的预疏放结束 标准,实现工作面在不同充水模式下第四系含水 层漏失量最小的减水目标。 122 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2021 年第 46 卷 1 研究区概况 锦界煤矿地处陕西省神木市境内,位于榆神 矿区二期规划区西北部,地貌类型为风沙地貌、黄 土地貌和沟谷地貌 3 类,井田面积 141． 77 km2。 井田内发育两条长年性沟流 青草界沟和河则 沟,均为黄河二级支流。 气候属半干旱大陆性季 风气候,多年平均降水量为 441． 2 mm,多年平均 蒸发量为 2 111． 2 mm。 地层由老至新为三叠系 上统永坪组T3y,侏罗系中统延安组J2y、直罗 组J2z,新近系上新统保德组N2b,第四系中更 新统离石组Q2l,上更新统萨拉乌苏组Q3s、全 新统风积沙Q4eol 及冲积层Q4al [8]。 矿井主 采煤层为 31 煤,位于侏罗系延安组地层上部,煤 层平均厚度约 3． 2 m。 煤层开采受上覆风化基岩 和松散层含水层水的威胁,在工作面回采前均进 行一定程度的超前预疏放水工作。 矿井自 2006 年建成投产以来,原煤产量逐年增 加,2010 年原煤产量达1 517 万 t,2011 年1 793 万 t, 近年来产量基本稳定在 1 700 万 t;矿井远景规划生 产能力为 2 000 万 t。 从涌水量变化趋势来看图 1a,自投产以来,矿井涌水量逐年增加,至 2011 年 9 月达到最大值,为 5 499 m3/ h,随后矿井涌水量 呈下降趋势, 截止 2020 年 10 月, 矿井涌水量约 为 4 775 m3/ h。 矿井涌水主要由 5 部分组成大巷及 井筒涌水、掘进工作面涌水、采空区涌水、回采工作面 涌水以及预疏放水。 其中大巷及井筒涌水量较小,为 50 100 m3/ h; 掘进工作面涌水量最小, 为 0 60 m3/ h;采空区、回采工作面涌水以及疏放水量占矿 井总涌水量的 95以上图 1b。 2 矿井充涌水特征分析 2． 1 含隔水层赋存特征 根据钻孔柱状图及覆岩组合特征,井田内煤层顶 板为典型的沙层-土层-基岩型结构。 1沙层。 主要为第四系风积、冲积沙和萨拉乌 苏组湖积沙,广泛分布于井田,厚度 0 73． 5 m,平均 30． 9 m图2a。 萨拉乌苏组潜水含水层静止水位 埋深 3． 08 20． 46 m,平均水力梯度 0． 016 0． 027, 平均单位涌水量 0． 116 0 1． 721 7 L/ sm,平均 渗透系数 0． 813 4． 760 m/ d,富水性以中等为主,水 质为 HCO3Ca 型,矿化度 0． 25 0． 286 g/ L[8]。 2土层。 埋藏于沙层下部,局部地段出露于地 表。 主要为第四系离石组黄土Q2l与新近系三趾 马红土N2b。 土层总厚度 0 73． 95 m,厚度变化较 图 1 锦界煤矿矿井涌水量历时曲线及构成分析 Fig． 1 Duration curve and composition analysis of water inflow in Jinjie coal mine 大,局部存在“天窗”区图 2b。 力学试验表明 黄土层和黏土具有一定的抗剪强度和抗压强度,且有 良好的隔水能力[9-10]。 3风化基岩层。 位于煤层顶板基岩上部,厚度 0 83． 75 m,井田北部厚度普遍较大,一般大于 50 m图 2c。 岩石风化程度严重至中等,岩石结 构破碎,风化裂隙发育,具有较好的渗透性及储水条 件。 其中含水层平均厚度 45． 01 m,水头高度平均 66． 30 m,静止水位埋深平均 17． 98 m,钻孔平均涌水 量 8． 34 m3/ h,平均渗透系数 0． 501 0 m/ d,单位涌水 量 介 于 0． 017 3 0． 6 504L/ s m , 平均 0． 249 52 L/ s m, 富 水 性 以 中 等 为 主, 水 质 为 HCO3-Ca 型水,矿化度 HD 0H ≤ HD { 2 式中,QD为含水层进入工作面采空区的涌水量, m3/ d;S 为采空区边界;CD为含水层水力传导系 数,m2/ d;H 为含水层水头标高,m;HD为工作面煤层 底板标高,m。 根据水文地质条件概化结果,模拟区工作面煤层 开采时地下水呈三维非稳定流,其运动特征可用下列 三维渗流数学模型[21]来描述 ■ ■x Kxx ■H ■x ■ ■y Kyy ■H ■x ■ ■z Kzz ■H ■z S s ■H ■t Hx,y,z,0 H0x,y,z - K ■H ■n qx,y,z,t ■H ■n 0 H Γ1 z - K W ■H ■z W Γ1 μ ■H ■t QD S C DH - HD 式中,H 为地下水水位标高,m;K 为含水层渗透系 数,m/ d;Ss为含水层弹性释水率,d -1 ;W 为模拟区 大气降水入渗补给强度和蒸散 发强度,m2/ d;μ 为含水层给水度;Γ1为潜水面边界;H0为模拟区初 始流场,m;qx,y,z,t 为第 2 类变流量边界流 量,m3/ d,流入为正,流出为负;x,y,z 为空间坐标变 量,m;t 为时间,d;Ω 为模拟区;n 为各边界面的外 法线方向。 利用各勘探阶段抽水试验、放水试验获取的水文 地质参数,采用 MODFLOW 数值模拟软件构建采煤 影响下的地下水流数值模型,计算不同工况下的工作 面涌水量。 针对土层缺失的地层接触关系,在数值模型中缺 失区预先设定土层厚度 3 m,在该区水文地质参数赋 值为下一层风化基岩含水层的水文地质参数以刻画 此处土层缺失地质条件。 4． 2 模型可靠性验证 以一盘区10 个工作面31101 31110 工作面 的实测正常涌水量为基础,在工作面位置设置 Drain 边界图 8,排水标高为煤层底板,每个工作面回 采的时间均为 1 a。 运行数值模型,通过调整水文 地质参数和边界条件进行试算,直到多工作面连续 回采涌水量计算值和实测值拟合程度最高为止[22]。 一盘区前4 个工作面的识别及后6 个工作面的验证 拟合曲线如图 9 所示,此时模型的水文地质参数和 边界条件是最终状态,模型可靠,可以进行后续预 测计算。 图 8 一盘区工作面布置 Fig． 8 Layout of working face in panel 1 图 9 工作面涌水量计算值和实测值对比 Fig． 9 Comparison of calculated and measured water inflow of working face 4． 3 不同充水模式下残余水头 分别选取一盘区和三盘区各 1 个工作面作为充 水模式一和充水模式二的代表性工作面,设置虚拟放 水孔,放水时间为180 d,180 d 后工作面进行回采,回 采时间为300 d。 初始水头设置为1 240 m,在数值模 型中对每一层均设置 Zone budget 分区,统计计算第 四系含水层流向基岩含水层的流量,分别确定疏放至 10 30 m 残余水头工况下,预疏放水阶段和工作面 回采阶段第四系松散含水层总漏失量的变化关 系图 10。 充水模式 1土层的渗透系数设定为较小值,为 0． 000 1 m/ d。 由图 10a可知,随着疏降残余水头 下降,预疏放阶段和回采阶段第四系含水层漏失量逐 步增大,第四系总漏失量逐步增大,且增幅越来越大。 当预疏降残余水头在煤层底板以上 20 m 时,预疏降 阶段第四系含水层漏失量为 236 m3/ h,回采阶段第 622 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 1 期靳德武等榆神矿区浅埋煤层减水开采中预疏放标准确定方法 图 10 充水模式 1,2 下工作面第四系总漏失量与 残余水头关系 Fig． 10 Relationship between Quaternary total leakage and residual water head of working face under water filling mode 1 and 2 四系 含 水 层 漏 失 量 为 260 m3/ h, 总 漏 失 量 为 496 m3/ h;而当预疏降残余水头在煤层底板以上 15 m 时, 预 疏 降 阶 段 第 四 系 含 水 层 漏 失 量 为 240 m3/ h, 回 采 阶 段 第 四 系 含 水 层 漏 失 量 为 265 m3/ h,总漏失量为505 m3/ h,总水量增幅较小;而 当预疏降残余水头降至为煤层底板以上 10 m 时,第 四系含水层总漏失量突增图 10a。 由图 10a 可以推断,在土层未缺失风化基岩充水模式下,工作 面预疏降残余水头应当控制在煤层底板以上15 m 左 右,即疏放钻孔残余水压约为 0． 15 MPa 后即可进行 回采,该状态下第四系松散含水层总漏失量最小。 这 与锦界煤矿采前钻孔预疏放实际情况基本一致[4]。 该模式下第四系松散含水层漏失主要是通过间接越 流方式补给的,随着基岩含水层的水位大幅度降低, 第四系松散含水层与基岩含水层之间的水位差逐步 增大,此时高水位含水层易通过土层发生越流补给低 水位的基岩含水层,导致第四系松散含水层水量漏 失[23]。 充水模式 2由于第四系与基岩含水层直接接 触,将模型中虚拟土层的渗透系数设定为基岩含水层 渗透系数,即 0． 1 m/ d。 由图 10b可知,随着疏降 残余水头降低,预疏放阶段和回采阶段第四系含水层 漏失量逐步增大,第四系含水层总漏失量同样呈现逐 步增大趋势,且增幅逐步减小。 当预疏降残余水头在 煤层底板以上 20 m 时,预疏降阶段第四系含水层漏 失量为 714 m3/ h,回采阶段第四系含水层漏失量为 522 m3/ h,总漏失量为 1 236 m3/ h,而当预疏降残余 水头在煤层底板以上 15 m 时,预疏降阶段第四系含 水层漏失量为 724 m3/ h,回采阶段第四系含水层漏 失量为 531 m3/ h,总漏失量为 1 255 m3/ h,总水量增 幅较小;而当预疏降残余水头降至煤层底板以上 30 m 时,第四系含水层总漏失量突减,但此时残余水 头较高,对于安全生产有潜在风险图 10b。 由 图 10b可以推断,土层缺失风化基岩和松散层混合 充水模式下,工作面预疏降残余水头应控制在煤层底 板以上 20 m 左 右, 即 疏 放 钻 孔 残 余 水 压 约 为 0． 2 MPa 后可进行回采,该状态下残余水头较小,第 四系松散含水层总漏失量相对最小。 该模式下第四 系松散含水层漏失主要是通过土层缺失区直接渗流 补给。 随着第四系松散含水层与基岩含水层之间的 水力梯度逐步增大,渗流量逐步增加,导致第四系松 散含水层水量大量漏失[24]。 对于疏放水工程来讲,采前预疏放主要是尽可能 减少顶板含水层的静储量,当静储量疏放基本完成 后,则钻孔涌水量主要由动储量构成,此时钻孔涌水 量减幅变小,继续疏放效果并不明显,实则为过度或 低效疏放[11]。 因此,在保障安全的前提下,允许保留 有一定的残余水头15 20 m是合理的,此时第四 系松散含水层总漏失量最小,且采后残余涌水量在可 接受范围内,而过度疏放不仅增加矿井涌水量,而且 破坏浅层地下水资源,进而对地表十分脆弱的生态环 境造成影响。 因此,根据上述方法确定了两种充水模 式下工作面预疏放水的结束标准,为条件类似矿井减 水开采中在确定预疏放安全残余水头方法及技术流 程方面提供了范例。 5 结 论 1 研究区煤层顶板为典型的沙 层 - 土 层-基岩型结构,煤层开采主要充水水源为风 化基岩水,煤层充水模式主要为土层未缺失风化基 岩充水模式和土层缺失风化基岩及松散层混合充 水两种模式。 2选用风化基岩厚度、风化基岩含水层厚度、 土层厚度以及沙层含水层厚度作为充水含水层富水 性分区指标,采用 GIS 多元信息融合技术对充水含水 层进行了富水性分区,结果显示强富水区位于井田二 722 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2021 年第 46 卷 盘区局部地段、三盘区和四盘区大部分地段。 3通过对锦界煤矿水文地质条件进行概化,