尹尚先-深部開采水害預(yù)測與評價研究

深部開采水害預(yù)測與評價研究尹尚yinshx03@126.com匯報內(nèi)容充水通道預(yù)測及評價3深部概念及意義1充水量預(yù)測及評價4頂?shù)装逋凰ｋU性評價2Ts=P/M突水系數(shù)1深部概念及意義案例：范各莊煤層相對隔水層含水層含水層水位地表深部

1深部概念及意義淺部

Pσ1σ2σ3P=σ3P<σ3P>σ3σ

圍壓σ

壓力P水流

壓裂

界面

淺部

深部

Pc=3σ2-σ1+T-P0Pc=σ3+T-P0≤0呈面狀散流狀涌水地下水由補給區(qū)、徑流區(qū)至排泄區(qū)運移到深部后，由于其封閉條件較好處于還原環(huán)境，水流動滯緩，地下水中含有有機物時，脫硫細(xì)菌等微生物經(jīng)過脫硫酸作用將

SO42-還原成H2S氣體逸散而使其濃度降低，同時隨著HCO3-的生成而富集，進而加速脫碳酸作用，產(chǎn)生CaCO3（方解石）或CaMg(CO3)2

（白云石），導(dǎo)致地下水中Ca2+、Mg2+濃度降低，Na+濃度升高，SO42-濃度升高而HCO3-濃度降低。

脫硫酸作用：

脫碳酸作用：當(dāng)含有Ca2+、Mg2+的地下水在裂隙中移動時，由于濃度大，且隨pH值的增大其離子吸附能力越強，可以交換吸附巖石顆粒表面的Na+，使其進入地下水中。Ca2+、Mg2+濃度越大，地下水流經(jīng)路徑越長，陽離子交換吸附作用越強。由于深部巖體破碎強烈，形成面狀裂隙，增大了介質(zhì)的透水能力，從而陽離子交換吸附作用也加強，析出的Na+相對增多，因而水樣中Na+濃度較高，而且自然界中單一成因的地下水難以找到，它們往往在循環(huán)過程中發(fā)生一系列的混合，從而導(dǎo)致其成分的變化，即水的混合作用，當(dāng)以SO42-、

Na+為主的水和HCO3-、Ca2+為主的水混合時，會發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：混合作用產(chǎn)生石膏，經(jīng)過長時間的沉淀作用，形成以Na+

、HCO3-為主的深部地下水宣東礦深部開采條件評價冀中能源股份有限公司張家口宣東礦井口標(biāo)高+540m左右，分兩個水平開采，第一水平為-230m水平，第二水平為-350m水平，目前礦井正在開采第一水平的Ⅲ3煤層，現(xiàn)采煤層底板主要受薊縣系基底灰?guī)r含水層的威脅，且均為全區(qū)帶壓開采，隔水層底板承受水壓最高高達(dá)10MPa，最大近水平擠壓主應(yīng)力方向基本上為SW-NE向，最大水平主應(yīng)力數(shù)值大小在64.93～73.61MPa范圍內(nèi)變化。宣東礦投入生產(chǎn)以來多次發(fā)生突水，突水點位置比較分散，呈散流狀分布，為礦區(qū)的安全生產(chǎn)帶來極大的困擾。為了更進一步對礦區(qū)水質(zhì)類型進行劃分，研究礦區(qū)突水特征及其突水規(guī)律，結(jié)合Piper三線圖對其深部水質(zhì)類型進行分析，采用陽離子Ca2+，Mg2+，Na+和陰離子Cl-，SO42-，HCO3-做piper三線圖，采集了24個位置的水樣。采集水樣常規(guī)離子數(shù)據(jù)表見下表。其中補水1-5孔與宣東二礦1-5號孔都是采自薊縣系霧迷山組和鐵嶺組基地灰?guī)r含水層水；305開切眼、-185回風(fēng)巷、-185水平408米處屬于輝綠巖含水層水；303膠巷、303采面51號架、303采面33號架屬于303采面頂板底板混合水；33204采面是204采面底板混合水；33306軌道順槽切眼里程174米處屬于九龍山一段含水層水質(zhì)。24個水樣Piper三線圖見下圖。

24個水樣Piper三線圖從水質(zhì)類型和piper三線圖中可以看出，宣東礦區(qū)補水2、3、5孔、宣東二礦2、3號孔堿金屬超過堿土金屬，弱酸超過強酸，沒有一個陰陽離子對超過50%，屬于NaHCO3型水。33204采面、2011膠帶巷、1采空、33102工作面、33101工作面、303膠巷、-185回風(fēng)巷，-185水平408米處和33306軌道順槽切眼里程174米處和303采面51號架和303采面33號架、宣東二礦5號孔堿金屬超過堿土金屬，弱酸超過強酸，碳酸堿金屬（原生堿度）超過50%，鈉離子含量非常高，屬于NaHCO3型水，是典型的深部承壓水水化學(xué)特征。深部與淺部之間的界限并不是一條直線，甚至都不是一條曲線，隨圍巖地應(yīng)力變化而不同由于應(yīng)力場發(fā)生重要變化，水害預(yù)測與評價的方法與內(nèi)容將發(fā)生質(zhì)的變化進入深部開采，老空水害逐漸減少，將主要面臨頂?shù)装逅λχ卫矸椒▽⑷孓D(zhuǎn)變，底板大面積加固將成為主流措施1深部概念及意義圖1鉆孔揭穿三帶示意圖圖5視電阻率等值線圖2頂?shù)装逋凰ｋU性評價φ127mmφ73mmφ108mm11.5m11m126.73m2頂?shù)装逋凰ｋU性評價冒高與回采距離的關(guān)系圖2頂?shù)装逋凰ｋU性評價2頂?shù)装逋凰ｋU性評價堅硬、中硬、軟弱覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度倒數(shù)與采厚倒數(shù)回歸方程綜采條件下煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度2頂?shù)装逋凰ｋU性評價奧灰煤層2完整隔水層厚度M1奧灰水位煤層1采空區(qū)水頭壓力P完整隔水層厚度M2地表PPPPPPH2H1Ts≤0.06MPa/m

Ts1=H2/M1

底板受構(gòu)造破壞地段

正常塊斷Ts≤0.1MPa/m

突水系數(shù)Ts2=H2/M22022工作面鉆孔平面布置圖2022工作面鉆孔施工剖面圖底板定向鉆孔超前注漿加固2頂?shù)装逋凰ｋU性評價3充水通道預(yù)測及評價發(fā)生地點最大突水量/m3?min-1突水時間損失程度經(jīng)濟損失開灤范各莊2171工作面20531984.6.2淹4井，邢臺東龐礦2903工作面11672003.4.12淹井，3億元烏海駱駝山16號煤層回風(fēng)大巷10002010.3.1淹井皖北任樓礦7222工作面5761996.3.4淹井，3.5億元肥城國家莊-210m北大巷5501993.1.5淹井徐州張集礦-300水平軌下山4021997.2.18淹井焦作李封礦東181201967.3.29淹井輝縣吳村礦32031工作面401999.11.25淹采區(qū)安陽銅冶礦103工作面下順槽231965.8.25淹井已發(fā)生歷次大型巖溶陷落柱突水統(tǒng)計表

條件研究基礎(chǔ)地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫建立信息處理分析預(yù)測探查探查驗證預(yù)先治理安全回采水文地質(zhì)條件系統(tǒng)研發(fā)宏觀預(yù)測定量預(yù)測位置探查導(dǎo)水性探查預(yù)先手術(shù)治理工程驗證實現(xiàn)安全回采以陷落柱為例，預(yù)測探查治理整體思路3充水通道預(yù)測及評價（1）基礎(chǔ)地質(zhì)與水文地質(zhì)條件分析研究巖溶陷落柱基礎(chǔ)理論研究突水模式

物質(zhì)特征

成因

特征及受控機制

水文地質(zhì)特征

發(fā)育分布規(guī)律

實驗?zāi)M

野外調(diào)查

前人成果

綜合成因理論

整體破壞

板梁破壞

壓裂導(dǎo)升

3充水通道預(yù)測及評價（2）陷落柱預(yù)測評價方法及預(yù)測信息系統(tǒng)1）陷落柱預(yù)測評價指標(biāo)體系

巖溶陷落柱發(fā)育指標(biāo)體系溶洞數(shù)量規(guī)模巖溶發(fā)育程度巖溶作用與巖溶率張性斷裂發(fā)育地質(zhì)構(gòu)造因素井田構(gòu)造形態(tài)滑動構(gòu)造特征褶皺發(fā)育區(qū)域構(gòu)造背景徑流帶強度地下水徑流補給排泄條件水文地質(zhì)單元力學(xué)條件礦區(qū)應(yīng)力特征3充水通道預(yù)測及評價（2）陷落柱預(yù)測評價方法及預(yù)測信息系統(tǒng)2）陷落柱預(yù)測評價的模糊綜合評判模型，陷落柱預(yù)測評價信息系統(tǒng)建立研究區(qū)陷落柱預(yù)測模型預(yù)測單元剖分

確定指標(biāo)權(quán)重和隸屬度葛泉礦陷落柱發(fā)育程度預(yù)測圖邢東礦陷落柱發(fā)育程度預(yù)測圖單元格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計3充水通道預(yù)測及評價CollapsedPost三維地震勘探與精細(xì)解釋電法地面瞬變電磁井下瞬變電磁巷探鉆探工程確定陷落柱位置（3）巖溶陷落柱位置探查井下超前綜合探測與井下瞬變電磁全時空探測監(jiān)測技術(shù)

陷落柱探測方向奧灰探測巷道2#煤9#煤3充水通道預(yù)測及評價（4）巖溶陷落柱導(dǎo)水性探查放水前流場放水后流場放水孔水位過程曲線井下放水試驗3充水通道預(yù)測及評價（5）陷落柱采前預(yù)先根治礦井涌水量17.5m3/min4.5m3/min

3充水通道預(yù)測及評價宿縣礦區(qū)巖溶徑流帶圖臨渙礦區(qū)巖溶徑流帶圖五溝煤礦地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育較好區(qū)域示意圖五溝礦地質(zhì)構(gòu)造因素綜合評價表3充水通道預(yù)測及評價3充水通道預(yù)測及評價4充水量預(yù)測及評價解析法類比法統(tǒng)計學(xué)方法數(shù)值法4充水量預(yù)測及評價4充水量預(yù)測及評價原巖應(yīng)力場流固耦合地應(yīng)力場與滲流場的宏觀耦合中尺度地應(yīng)力場富水性阻水性

三重介質(zhì)微觀尺度耦合條件分析地質(zhì)水文地質(zhì)條件隔水層阻水性能水壓致裂應(yīng)力測試采動應(yīng)力場流固耦合全應(yīng)力應(yīng)變與滲透率頂?shù)装鍛?yīng)力應(yīng)變規(guī)律數(shù)值模擬地應(yīng)力對導(dǎo)水裂隙帶的控制建立地質(zhì)模型采動影響下的水文地質(zhì)模型1氣泵或平流泵

2傳感器

3巖芯

4夾持器

5液壓泵

6流量計

7計算機圖4.3.1實驗流程圖三重介質(zhì)理論微觀尺度耦合

4充水量預(yù)測及評價孔隙型巖石有效壓力與孔隙度損失率關(guān)系

裂隙型巖石有效壓力與滲透率損失率關(guān)系

冪指數(shù)型數(shù)學(xué)模型

立方型數(shù)學(xué)模型

毛細(xì)管型巖石滲透率損失率與有效壓力關(guān)系

全應(yīng)力—應(yīng)變過程滲透性試驗砂巖

砂質(zhì)泥巖

含水層與隔水層及實體地質(zhì)模型兩礦隔水層側(cè)視圖東歡坨隔水層厚度變化圖魯各莊隔水層變化圖魯各莊地區(qū)的隔水層鉆孔分布和四個含G層鋁土巖的鉆孔分布圖地質(zhì)模型4充水量預(yù)測及評價概念模型基于GMS的地下水?dāng)?shù)值模擬水文地質(zhì)概念模型（1）計算區(qū)范圍邊界以東、魯兩礦區(qū)井田作為數(shù)值模擬區(qū)邊界，總面積約為45.5km2（2）模擬目的含水層第四系底部含水層、5煤頂板砂巖含水層、12-2~14-1含水層、14-1~K含水層，各層含水層介質(zhì)特征概化為非均質(zhì)各向異性含水層4充水量預(yù)測及評價4充水量預(yù)測及評價數(shù)學(xué)模型井田出、涌水現(xiàn)狀及動態(tài)特征魯各莊礦井下涌水量構(gòu)成井下各種涌水量所占比例魯各莊礦2010-2012年礦井分水平和總涌水量變化曲線圖兩礦合并后不同時期不同程度出水點出現(xiàn)的對應(yīng)情況魯各莊、東歡坨兩礦井下出水在水量、出水先后上沒有出現(xiàn)明顯的關(guān)聯(lián)性