尹尚先-深部開采水害預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)研究

深部開采水害預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)研究尹尚yinshx03@126.com匯報(bào)內(nèi)容充水通道預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)3深部概念及意義1充水量預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)4頂?shù)装逋凰ｋU(xiǎn)性評(píng)價(jià)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(duì)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(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)至排泄區(qū)運(yùn)移到深部后，由于其封閉條件較好處于還原環(huán)境，水流動(dòng)滯緩，地下水中含有有機(jī)物時(shí)，脫硫細(xì)菌等微生物經(jīng)過(guò)脫硫酸作用將

SO42-還原成H2S氣體逸散而使其濃度降低，同時(shí)隨著HCO3-的生成而富集，進(jìn)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(dòng)時(shí)，由于濃度大，且隨pH值的增大其離子吸附能力越強(qiáng)，可以交換吸附巖石顆粒表面的Na+，使其進(jìn)入地下水中。Ca2+、Mg2+濃度越大，地下水流經(jīng)路徑越長(zhǎng)，陽(yáng)離子交換吸附作用越強(qiáng)。由于深部巖體破碎強(qiáng)烈，形成面狀裂隙，增大了介質(zhì)的透水能力，從而陽(yáng)離子交換吸附作用也加強(qiáng)，析出的Na+相對(duì)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(guò)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(shí)，會(huì)發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：混合作用產(chǎn)生石膏，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(píng)價(jià)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(gè)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(lái)多次發(fā)生突水，突水點(diǎn)位置比較分散，呈散流狀分布，為礦區(qū)的安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的困擾。為了更進(jìn)一步對(duì)礦區(qū)水質(zhì)類型進(jìn)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(duì)其深部水質(zhì)類型進(jìn)行分析，采用陽(yáng)離子Ca2+，Mg2+，Na+和陰離子Cl-，SO42-，HCO3-做piper三線圖，采集了24個(gè)位置的水樣。采集水樣常規(guī)離子數(shù)據(jù)表見(jiàn)下表。其中補(bǔ)水1-5孔與宣東二礦1-5號(hào)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(hào)架、303采面33號(hào)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(gè)水樣Piper三線圖見(jiàn)下圖。

24個(gè)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(bǔ)水2、3、5孔、宣東二礦2、3號(hào)孔堿金屬超過(guò)堿土金屬，弱酸超過(guò)強(qiáng)酸，沒(méi)有一個(gè)陰陽(yáng)離子對(duì)超過(guò)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(hào)架和303采面33號(hào)架、宣東二礦5號(hào)孔堿金屬超過(guò)堿土金屬，弱酸超過(guò)強(qiáng)酸，碳酸堿金屬（原生堿度）超過(guò)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(chǎng)發(fā)生重要變化，水害預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)的方法與內(nèi)容將發(fā)生質(zhì)的變化進(jìn)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(xiǎn)性評(píng)價(jià)φ127mmφ73mmφ108mm11.5m11m126.73m2頂?shù)装逋凰ｋU(xiǎn)性評(píng)價(jià)冒高與回采距離的關(guān)系圖2頂?shù)装逋凰ｋU(xiǎn)性評(píng)價(jià)2頂?shù)装逋凰ｋU(xiǎn)性評(píng)價(jià)堅(jiān)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(xiǎn)性評(píng)價(jià)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(xiǎn)性評(píng)價(jià)3充水通道預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)發(fā)生地點(diǎn)最大突水量/m3?min-1突水時(shí)間損失程度經(jīng)濟(jì)損失開灤范各莊2171工作面20531984.6.2淹4井，邢臺(tái)東龐礦2903工作面11672003.4.12淹井，3億元烏海駱駝山16號(hào)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(guó)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(yáng)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(jì)表

條件研究基礎(chǔ)地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)建立信息處理分析預(yù)測(cè)探查探查驗(yàn)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(cè)定量預(yù)測(cè)位置探查導(dǎo)水性探查預(yù)先手術(shù)治理工程驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)安全回采以陷落柱為例，預(yù)測(cè)探查治理整體思路3充水通道預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)（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(jī)制

水文地質(zhì)特征

發(fā)育分布規(guī)律

實(shí)驗(yàn)?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(cè)及評(píng)價(jià)（2）陷落柱預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法及預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)1）陷落柱預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)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(dòng)構(gòu)造特征褶皺發(fā)育區(qū)域構(gòu)造背景徑流帶強(qiáng)度地下水徑流補(bǔ)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(cè)及評(píng)價(jià)（2）陷落柱預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法及預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)2）陷落柱預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的模糊綜合評(píng)判模型，陷落柱預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)信息系統(tǒng)建立研究區(qū)陷落柱預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)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(cè)圖邢東礦陷落柱發(fā)育程度預(yù)測(cè)圖單元格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3充水通道預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)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(cè)與井下瞬變電磁全時(shí)空探測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)

陷落柱探測(cè)方向奧灰探測(cè)巷道2#煤9#煤3充水通道預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)（4）巖溶陷落柱導(dǎo)水性探查放水前流場(chǎng)放水后流場(chǎng)放水孔水位過(guò)程曲線井下放水試驗(yàn)3充水通道預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)（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(cè)及評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)表3充水通道預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)3充水通道預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)4充水量預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)解析法類比法統(tǒng)計(jì)學(xué)方法數(shù)值法4充水量預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)4充水量預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)原巖應(yīng)力場(chǎng)流固耦合地應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的宏觀耦合中尺度地應(yīng)力場(chǎng)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(cè)試采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)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(duì)導(dǎo)水裂隙帶的控制建立地質(zhì)模型采動(dòng)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(jì)

7計(jì)算機(jī)圖4.3.1實(shí)驗(yàn)流程圖三重介質(zhì)理論微觀尺度耦合

4充水量預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)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(guò)程滲透性試驗(yàn)砂巖

砂質(zhì)泥巖

含水層與隔水層及實(shí)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(gè)含G層鋁土巖的鉆孔分布圖地質(zhì)模型4充水量預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)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(jì)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(cè)及評(píng)價(jià)4充水量預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型井田出、涌水現(xiàn)狀及動(dòng)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(shí)期不同程度出水點(diǎn)出現(xiàn)的對(duì)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(méi)有出現(xiàn)明顯的關(guān)聯(lián)性