復(fù)雜地質(zhì)下突水疏放試驗與水文地質(zhì)的意義范文

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摘要

為了克服以往對突水過程認(rèn)識和利用上的不足，通過綜合分析突水點附近背景場及風(fēng)險評估，利用山西某礦井巷道突水在復(fù)雜地質(zhì)條件下的流場進(jìn)行了疏放實驗。結(jié)果顯示，礦井突水在一定條件下可作為疏放試驗來加以利用，可用來確定補(bǔ)給水源、記錄突水量變化過程、獲取含水層水文地質(zhì)參數(shù)、揭示巖溶介質(zhì)條件及突水原因等。該方法的實施，獲取了常規(guī)方法難以獲取的水文地質(zhì)信息，為進(jìn)一步分析突水原因、合理高效處置突水災(zāi)害提供了重要的科學(xué)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞

突水；疏放試驗；水文地質(zhì)意義；背景場

我國許多煤田水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，礦井水害已成為煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。而水害中危害最大的又是礦井突水，這是一種在井巷工程開拓過程或礦床開采時，一種或多種充水水源突然大量進(jìn)入礦井空間的現(xiàn)象。突水的發(fā)生輕則造成生產(chǎn)條件惡化，重則淹沒巷道與礦井，造成人身傷亡及巨大財產(chǎn)損失。經(jīng)國家煤礦安全監(jiān)察局等的資料統(tǒng)計，從2001到2013年期間，全國共發(fā)生重特大水害事故496起，死亡3155人。即使在美國，煤礦工作也成為了最危險的職業(yè)[1]。鑒于突水危害巨大且具有突發(fā)性和難以預(yù)測性，目前，國內(nèi)外許多學(xué)者從不同的角度對突水的類型、機(jī)理、影響因素、防治方法、突水的相關(guān)判據(jù)及預(yù)測預(yù)報方法等進(jìn)行了大量的實驗及理論研究[2-6]。以往研究表明，在頂板水害、底板水害、老空水害、地表水害及構(gòu)造帶水害等各種突水類型中，突水與水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造、人為采動等因素密切相關(guān)。其中，水源、導(dǎo)水通道、水壓(形成驅(qū)動水流運(yùn)動的水力梯度)及水量(通常超過正常排水能力)常常構(gòu)成突水的4個必要條件。而諸多因素中，除人為采動外，其他因素均可歸屬于水文地質(zhì)條件。大量突水案例表明，突水的一個最主要的原因是礦山或隧道的水文地質(zhì)條件沒有被正確識別和掌握[7-9]。在采掘活動中，人們按有關(guān)規(guī)范的要求遵循“先探后掘、先治后采”的方針，探放水成了煤層開采前的一項基本工作[10]。然而，由于斷層、陷落柱等構(gòu)造不明，巷道穿越區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，開挖帶來一定的圍巖破壞或工程擾動，在產(chǎn)生各種各樣的水文地質(zhì)問題[11]的同時，受物探、鉆探、化探等手段自身技術(shù)的局限，對充水水源探測不夠準(zhǔn)確[12]，主動疏放有時效果不佳，導(dǎo)致突水事故時有發(fā)生[13]。為了避免突水之后所帶來的嚴(yán)重政治影響及生產(chǎn)快速恢復(fù)的需要，礦方通常是選擇一條“快速救援、快速治理”的辦法進(jìn)行處理。這種處理方法對于礦井生產(chǎn)的及時恢復(fù)及消除政治影響是非常必要的，但對于礦井突水的科學(xué)研究來說，則未必是最佳選擇。因為，突水后沒過多久，通常就采用注漿等方法加以封堵，突水的過程很快就遭受人為控制，礦井水文地質(zhì)條件很難得到充分暴露與識別。在后續(xù)的生產(chǎn)活動中，仍然需要花很大力氣進(jìn)行識別。這無形中增加了成本，減少了水文地質(zhì)信息量，增加了突水機(jī)理的認(rèn)識難度，尤其是突水通道的認(rèn)識。在本文中，作者提出突水后，盡可能綜合分析礦井所處的各種背景場(水動力場、采動應(yīng)力場及介質(zhì)場等)，在風(fēng)險可控且經(jīng)濟(jì)能力能夠承受的條件下，適當(dāng)延長一下出水時間，在巷道內(nèi)利用突水點進(jìn)行適應(yīng)各種場的突水疏放試驗，獲取大量實際數(shù)據(jù)，充分揭示礦井的水文地質(zhì)條件。這對于準(zhǔn)確識別礦井水文地質(zhì)條件，節(jié)省安全生產(chǎn)成本，幫助實施高效的防治水技術(shù)決策來說也許具有更加獨(dú)特而重要的實際意義。

1事發(fā)礦井概況

山西某煤礦位于山西省中南部，井田形態(tài)呈北東-南西向長條形分布，北東-南西長約9km，北西-南東寬約4km，面積約35.6km2。礦井設(shè)計生產(chǎn)能力210萬t/a，地質(zhì)儲量3.13億t，可采儲量1.71億t。主要可采煤層有4層，分別為1#，2#，10#和11#。分2個水平開采：一水平為+80水平，開采上組煤1#，2#煤層，二水平為-15水平，開采下組煤10#，11#煤層，目前僅開采上組煤，生產(chǎn)服務(wù)年限58.3a，為立井開拓方式。該礦屬于全帶壓開采礦井，奧陶系地層靜水位標(biāo)高520m，2#煤開采最低標(biāo)高-70m，2#煤最大承壓約5.9MPa。主要含水層有石炭系下石盒子組K8，K9砂巖含水層；太原組K2(其中的水簡稱K2灰?guī)r水)、K3灰?guī)r巖溶裂隙含水層；奧陶系峰峰組上段碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層；奧陶系上馬家溝組上段碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層(其中的水簡稱為奧灰水)。其中，K2灰?guī)r平均厚度9m，峰峰組上段平均厚度30m，上馬家溝組上段平均厚度60m，是本井田煤系地層下伏的主要含水層。含水層水位采用10個水文觀測孔進(jìn)行自動觀測(圖1)，但因各種原因，待疏放試驗時，已失效4個，可用的有6個。礦井內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層、陷落柱發(fā)育，斷層走向多為北東、北北東向，其中，F(xiàn)13斷層位于礦井的中部，傾角70°，傾向北，落差55~80m。南北2條規(guī)模較大正斷層為礦井自然邊界，其構(gòu)造形跡展布服從于區(qū)域構(gòu)造規(guī)律。

2突水經(jīng)過

2012年11月1日，井下2-1081反掘工作面在掘進(jìn)260m長度時，巷道兩幫、底板礦壓顯現(xiàn)明顯，兩幫回縮量約0.5~0.6m，底鼓量約0.8m。12月3日，巷道右?guī)蛪毫υ龃蟆?根幫錨索拉斷(幫錨索6m長)、幫部開裂。12月4號0點班2時53分，距離工作面迎頭20m處滯后出水，右?guī)晚斏系?根錨桿處有少量涌水，剛開始約3~5m3/h，3時55分涌水量約30m3/h左右，4時03分后涌水量又減小至20m3/h，5時23分涌水量迅速增大，6時30分涌水量大約730m3/h，至4日13時將2-1081反掘巷300m淹沒，水進(jìn)入2-108聯(lián)巷，至19時淹沒聯(lián)巷100m。隨著緊急排水的順利進(jìn)行，水位控制在距2-1081聯(lián)巷口前90m處。

3突水疏放試驗設(shè)計

3.1疏放水工藝概述

一般的探放水工藝通過鉆孔往潛在水源區(qū)域鉆進(jìn)，揭穿水源而疏放出水，通常只為疏放當(dāng)前工作面潛在充水水源，為當(dāng)前工作面煤層開采服務(wù)，是一種短期水害防治目標(biāo)；而本文的突水疏放工藝，是在一定條件下，直接利用礦井井下突水點對潛在充水水源(構(gòu)造帶水、含水層水等)進(jìn)行疏放。由于突水點水源往往是從構(gòu)造帶或含水層中來，具有較強(qiáng)的連通性，它可以做到既為當(dāng)前工作面又為全礦井生產(chǎn)服務(wù)，達(dá)到既注重短期更著眼于長期的水害防治目標(biāo)。

3.2風(fēng)險評估

試驗的風(fēng)險評估是非常必要的，它是后續(xù)疏放試驗?zāi)芊襁M(jìn)行及是否合理的前提與基礎(chǔ)。主要在2個方面進(jìn)行評估：1)背景場及其影響評估；2)經(jīng)濟(jì)性評估。背景場及其影響評估主要包括試驗周邊巷道及工作面的巖體介質(zhì)場、水動力場及應(yīng)力場，根據(jù)現(xiàn)場實地觀察、應(yīng)力測試及數(shù)值模擬來判斷各種背景場的穩(wěn)定性。實際分析表明，由于出水點相鄰的108工作面為待產(chǎn)工作面，疏水實驗的周邊還僅僅只是幾條簡單的巷道，周邊留設(shè)有足夠的安全保護(hù)煤柱，巖體介質(zhì)場和應(yīng)力場的擾動相對變化不大。其次，1081等各種巷道支護(hù)較好，具有較好的工程穩(wěn)定性。擬實施疏放任務(wù)的1081反掘巷長達(dá)300m，圍巖支護(hù)較好，有進(jìn)行疏放試驗的操作空間，選定疏放的地點是巷道內(nèi)最穩(wěn)定的地段，能保證疏放時水動力場不會對巷道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。綜合分析得出疏放水試驗對108反掘巷周邊的背景場影響有限。經(jīng)濟(jì)性評估方面，由于論證突水防治采用具體的工程措施與方案還需要較長時間，此時，如果拖延排水勢必造成淹井，帶來更大損失。因此決定，在論證期間準(zhǔn)備充足的排水設(shè)備，首先在1081反掘巷中進(jìn)行突水疏放試驗，獲取更多的試驗資料，贏得時間，為后續(xù)制訂措施與方案論證提供更多的科學(xué)依據(jù)。

3.3疏放目的

1)控制井下排水，盡量把突水控制到1081反掘巷內(nèi)，不讓其再流入到其他巷道或工作面而影響生產(chǎn)；2)觀察突水疏放量變化特征，了解突水規(guī)律；3)觀察分析突水后的主要含水層石炭系太原組K2灰?guī)r及中奧陶系O2灰?guī)r的地下水流場特征，分析補(bǔ)給通道發(fā)育情況、影響半徑與補(bǔ)給速度，計算水文地質(zhì)參數(shù)，揭示水文地質(zhì)條件，為正確實施后續(xù)防治水工程提供科學(xué)依據(jù)。

3.4疏放工藝及數(shù)據(jù)采集

為保障突水能及時排出，采用3臺大流量(2臺450m3/h和1臺300m3/h)排水泵排水，二用一備，通過潛水泵排水能力、流量計及巷道容積法綜合測算突水疏放量。含水層水位通過6個有效的水文觀測孔進(jìn)行自動觀測(圖1)。突水點水質(zhì)變化情況通過在突水巷道內(nèi)采取水樣進(jìn)行化驗來獲得。

3.5數(shù)據(jù)整理

突水后，進(jìn)行突水疏放試驗得到的水質(zhì)變化情況、水量變化曲線及水位動態(tài)曲線分別如表1和圖3，4所示。

4水文地質(zhì)意義

4.1確定補(bǔ)給水源及水質(zhì)

水樣化驗分析(表1)表明，2012年11月27日突水前，Na+含量高，Ca2+、Mg2+離子小，礦化度低，成分為巷道頂板砂巖滲水。12月4日突水后，Ca2+、Mg2+離子顯著增加，Na+含量劇減，礦化度M逐漸增大，水質(zhì)為SO4HCO3-CaMg(Na)型水，與石炭系太原組K2灰?guī)r水水質(zhì)相近。12月21日之后，M增加很快，超過了1000mg/L，由K2灰?guī)r水質(zhì)逐漸摻雜奧陶系灰?guī)r水成分。圖1，4也表明，突水后，出水點以北距離分別為1600，2500m的K2灰?guī)r觀測孔BK3和BK8水位發(fā)生了明顯的變化；而奧灰水位除GK5稍有變化外，其他觀測孔水位變化不大。說明礦井突水直接補(bǔ)給水源是K2灰?guī)r水，間接補(bǔ)給水源為奧灰水。

4.2揭示突水量變化過程

圖3表明，礦井突水疏放量總體上呈先快速增加后減小的一個多階段動態(tài)過程，該過程可分為6個子階段，分別為：I-水能蓄勢階段，此階段突水呈現(xiàn)滲水狀態(tài)；II-水量快速增加段，此階段涌水量快速增大；III-最大水量維持段，此階段突水量一定時間和幅度范圍內(nèi)保持峰值狀態(tài)；IV-水量衰減段，此階段由于補(bǔ)給量衰減或通道堵塞等原因，使得水量衰減；V-水量穩(wěn)定段，此階段突水量呈一個穩(wěn)定狀態(tài)；VI-水量衰減與穩(wěn)定段，該階段的出現(xiàn)主要是南面又有一個相鄰工作面出水了，分流了補(bǔ)給水量，使得當(dāng)前突水點水量衰減了，經(jīng)過一段時間后水量又趨于穩(wěn)定。

4.3獲取水文地質(zhì)參數(shù)

從圖4可看出，BK3，BK8相較其他觀測孔，其水位變化的響應(yīng)速度要快得多，說明從BK3，BK8到突水點之間存在有強(qiáng)徑流通道，應(yīng)該是導(dǎo)水性非常好的巖溶裂隙通道，該通道甚至可能與隱伏斷層疊加。這也就直接導(dǎo)致了突水前期，地下水流場并不符合類似孔隙介質(zhì)中水頭近低遠(yuǎn)高的特征，而是呈現(xiàn)導(dǎo)水通道通暢的附近水頭下降快、導(dǎo)水通道不通暢的地方水頭下降慢的非穩(wěn)定紊流特征。所以，突水前期的數(shù)據(jù)不太適合直接運(yùn)用地下水動力學(xué)公式來求取水文地質(zhì)參數(shù)。進(jìn)一步分析圖3，4的水量水位變化特征，可看出，2013年1月9日后突水量及觀測孔水位均基本趨于穩(wěn)定，此時BK3與BK8水位體現(xiàn)為近突水點低而遠(yuǎn)突水點高的穩(wěn)定流特征，此時，即可把礦井近似看成是一個統(tǒng)一的流場來對水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行平均估算，因而可采用BK3，BK8這2個觀測孔后面穩(wěn)定段流量降深數(shù)據(jù)，依據(jù)水動力學(xué)Dupuit穩(wěn)定流公式，有這里，降深S1=23m，S2=21m，涌水量Q=300m3/h=7200m3/d，出水點距BK3距離r1為1600m，距BK8的距離r2為2500m。K2含水層厚度為9.11m，因此，可求得平均導(dǎo)水系數(shù)T為從上述求出的K2灰?guī)r平均導(dǎo)水系數(shù)T(約為255.83m2/d)，平均滲透系數(shù)K(約為28.08m/d)可看出，即使在平均意義上，該兩數(shù)值也仍比通常的砂巖裂隙中的參數(shù)值偏大許多，仍體現(xiàn)出巖溶管道流的特征。值得指出的是，盡管突水導(dǎo)水通道形狀、大小及數(shù)目的多少不得而知，但是仍然可以通過疏放試驗得到穩(wěn)定流場，然后運(yùn)用上述水動力學(xué)方法確定K2含水層在平均意義上的水文地質(zhì)參數(shù)，這是傳統(tǒng)物探、化探、鉆探方法所不能做到的。

4.4揭示巖溶介質(zhì)條件及突水原因

根據(jù)突水疏放試驗中水量、水位、水質(zhì)變化等水文地質(zhì)資料的綜合分析可知，K2灰?guī)r和奧灰存在著密切的水力聯(lián)系，K2灰?guī)r補(bǔ)給通道具有各向異性，存在有強(qiáng)徑流通道，主導(dǎo)水方向為北東-南西方向，呈管道流狀態(tài)，次導(dǎo)水方向為西北-東南方向，呈小型管流狀態(tài)；其他方向雖存在水力梯度，但巖體較完整、裂隙不太發(fā)育，導(dǎo)水性不太好。F13斷層帶較長且斷距大(近80m)、突水點附近右?guī)途鄶鄬泳嚯x小(只有13m)，右?guī)兔罕谠诘貞?yīng)力作用下發(fā)生失穩(wěn)破壞，原本不導(dǎo)水的F13斷層在靠近突水點附近發(fā)生應(yīng)力集中，斷層開始活化，伴生裂隙擴(kuò)展，最終溝通了K2灰?guī)r水和奧灰水。通過學(xué)習(xí)前人文獻(xiàn)[14-15]并結(jié)合自身成果，綜合診斷此次突水原因為高承壓水高地應(yīng)力聯(lián)合影響下的斷層活化導(dǎo)水。

5結(jié)論

1)突水是礦井生產(chǎn)中常見的危害性較大的一種災(zāi)害，具有復(fù)雜性及難預(yù)測性。人們通常采用“快速救援、快速治理”的方式來處理。這對于消除政治影響、盡快恢復(fù)生產(chǎn)是重要的。然而，從科學(xué)研究的角度來看，這種處理方式未必是最佳的，它有可能沒有充分發(fā)掘突水所帶來的水文地質(zhì)信息及意義，可能造成后期生產(chǎn)的安全投入增大。2)筆者以山西某煤礦為例，在經(jīng)過風(fēng)險分析及準(zhǔn)備了充足排水能力的條件下，根據(jù)綜合目標(biāo)需要進(jìn)行了突水疏放試驗，疏放試驗揭示了突水疏放量變化呈一個多階段動態(tài)過程，補(bǔ)給直接水源是K2灰?guī)r水，間接水源為奧陶系灰?guī)r水，K2灰?guī)r得到奧灰補(bǔ)給，具有強(qiáng)徑流集中導(dǎo)水通道，K2灰?guī)r平均導(dǎo)水系數(shù)T約為255.83m2/d，平均滲透系數(shù)K約為28.08m/d，和奧陶系灰?guī)r均具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)各向異性等。3)實例研究表明，通過適應(yīng)多重背景場的突水疏放試驗可以較充分地挖掘突水過程的水文地質(zhì)信息，揭示常規(guī)方法難以揭示的礦井水文地質(zhì)條件，節(jié)約探放水成本，為分析突水原因及后續(xù)準(zhǔn)確制定礦井防治水決策提供寶貴的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

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作者：齊躍明 李民族 許進(jìn)鵬 單位：中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院 霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司