基于井筒稳定流试排水试验的煤矿突水点残余涌水量测算

第!卷第!期#$%年!月&’()*+,-./’01,-)23/04!56/7!1’+89$%近年来，随着我国煤炭资源开发向深部延伸，井下作业点高地应力和高水压问题凸显，采矿活动极易诱发突水动力灾害，带来巨大的财产损失和人员伤亡:$;8。突水灾害形式主要表现为煤层底板岩溶水的突破、涌出，灰岩含水层富水性强，突水过程往往具有水量大，持续时间长特征，极易造成采区、甚至是矿井淹没:=;。淹井后开展的突水通道或过水通道注浆截流是矿井恢复的必要手段，而井筒试排水试验通常是检验注浆截流效果、测算突水点残余涌水量的有效方法:!;?。井筒试排水试验主要是基于稳定流（给定流量）或非稳定流（给定降深）小井径钻孔的含水层抽水试验原理，不管是哪种流态，矿井积水与含水层水赋存条件存在差异，抽排水作用下，矿井水运动与地下水在含水介质运动过程的水动力学特征不同:@。尽管如此，实际上井筒试排水和含水层抽水试验待求参数是不一样的，含水层抽水试验待求参数一般包括渗透系数、单位涌水量等水文地质参数，而井筒试排水待求参数是矿井补给水量，并不关心突水含水层水文地质参数求解问题，这种条件下，给定泵量抽水稳定期，排水量近似等于矿井在现状水头下矿井正常涌水量与突水点残余涌水量之和，因此，理论上，这种残余水量测算方法是成立的，并且在乌海桌子ABCDE94$==?FG7H-I,7JI’K789E%79!79E!!#$%&’()*(+,-./*0123*456黄建飞E，周振方8，=，冯杰E，柳昭星8，=，尚宏波8，=，王书永E（E7洛阳龙门煤业有限公司，河南洛阳?E999；87中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安?E99??；=7陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西西安?E99??）摘要：以洛阳龙门煤矿巷道底板突水注浆截流效果评价为研究对象，设计并开展了=个落程的主井稳定流排水试验，E次水位恢复试验。分析了矿井积水水位变化特征，确定了矿井残余水量计算!#抛物线模型、矿井井巷空间寒灰水补给特征，利用!#抛物线模型、井巷储水体积法分别计算了不同淹没标高突水点残余补给水量，结果指示!#抛物线模型计算精度更高。关键词：底板突水；井筒试排水试验；!#曲线法；储水能力；残余涌水量中图分类号：LA?8M4$文献标志码：!文章编号：$99=;%NO（89E%）9!;99N9;9!#$%#&’()(*+,-’.%#/&,01)*#(230(4/&,05)0%-67(’)&(*8(#4’),9-,.():&,.;#(27%4=’)?,-&PQR6ST,’-(),EUVPBQVW)-(’-X#U=UYZ6ST,)$U[CQVW’/\,-X8U=U&PR6SP/-X]/8U=U^R6S&W_+/-X$（$7$%&’()*$&)*+,)-&(./)0%123’-&45$2045$%&’()*?$999‘84678)(6&(.9,:7)&.&*’()0;)*8),,38)*3&%=8’()?,1,(3:7@)1282%2,6&45A20458’()?$99??5678)(‘=4#7(()B8C,’A(D&3(2&3’&EF3,G,)28&)()0-&)23&.9,:7)&.&*’E&3-&(.H8),I(2,3J(K(3058’()?$99??5-78)(）@A-&0$&BLW))a)-*/()a’0_’*,/-/-*W))(()H*/(Xb/_*,-X*/H_*;/((/(c’*)b,-b_2W(b/J*W)H/’02)’J(0//b,-[/-XJ)-./’01,-)c’22)0)H*)dU’-dc)d)2,X-)d’-dH’bb,)d/_**Wb))2*)’d+(0/ce_Je,-X*)2*2’-d/-)c’*)b0)a)0b)H/a)b+*)2*,-*W)J’,-c)007LW)-U*W)HW’b’H*)b,2*,H2/(J,-)c’*)b0)a)0HW’-X)’b)’-’0+f)dU’-d*W)e’b’]/0,HJ/d)0])*c))-c’*)b(0_\’-dc’*)b0)a)0,2)2*’]0,2W)d(/bH’0H_0’*,-X*W)b)2,d_’0J,-)c’*)b(0/c7LW)b)2,d_’0c’*)b2_ee0+(b/J*W).’J]b,’-0,J)2*/-)’K_,()b/(d,(()b)-*,-_-d’*)d)0)a’*,/-,2H’0H_0’*)d]+_2,-X*W)!L#J/d)0’-d*W)J)*W/d/(c’*)b2*/b’X),-J,-)2e’H)b)2e)H*,a)0+Ub)2_0*2H’0H_0’*)d]+_2,-X*W)!M#J/d)0’b)H0/2)b*/*W)’H*_’0a’0_)7C,;2(0.-Bc’*)b,-b_2W(b/JH/’02)’J(0//b‘2*)’d+(0/ce_Je,-X*)2*,-J’,-c)00‘!M#H_ba)J/d)0‘2*/b’X)H’e’H,*+‘b)2,d_’0c’*)b,-(0/c789:;国家自然科学基金资助项目（41807221）；陕西省自然科学基础研究计划资助项目（2018JQ5150）；中煤科工西安研究院面上资助项目（2017XAYMS07）N9!!!#$%&’$%()*+&,-第%&卷第%期+&,-年%月.)/01*23456(7389注：!8为排水泵额定排量；:为初始时刻排水泵水面下埋深。表,主井井筒排水泵参数编号型号!8;（=·?,）:;主?,主?+主?=+%&@A,&&?+&&?-&BCD@.,,&?EE?F%BC+%&@A+%&?++&?+G&BC,&&,,&+%&+F+F+F图,突水点位置及剖面示意图山矿区、邯郸峰峰矿区、鄂尔多斯上海庙矿区和准格尔矿区等多个煤矿进行了实践应用，效果显著H-?,,I。洛阳龙门煤矿+&&=工作面推采过程发生下伏岩中巷底板含水层突水，矿井被淹，以突水淹井后注浆堵水效果为研究对象，开展井筒=个阶段的稳定流试排水试验，推算不同淹没标高突水点残余涌水量，并结合井巷储水体积法进行校核，得到相对准确的突水点残余涌水量。,!#$%&,$,突水点水文地质条件突水巷道位于太灰含水层，巷道底板标高?++&，通过泥岩、砂质泥岩隔水层与下伏寒灰隔水层隔开，距离寒灰含水层+%，突水点位置及剖面示意图如图,。寒灰含水层岩溶较为发育，补给条件好，水压大，突水点附近承压约=$%(J5。突水后太灰稳定水位K,=%$&，寒灰稳定水位K,%,$,。,$+突水要素分析及注浆治理+&&=工作面回采至下伏岩中巷正上方，岩中巷发生底板突水，初始水量+&=;L，最大水量F&+M=;L，约,FL后，矿井主排水泵房淹没。水化学离子组分以及观测孔水位变化分析结果指示突水水源为岩中巷底板下间距约+%的寒灰含水层。井下钻探及物探资料指示突水通道为岩中巷底板隐伏裂隙。突水后，通过施工=个地面钻孔至裂隙通道，进行了突水通道注浆截流，共注入水泥,==-1，终孔压力G(J5。施工结束，开展了试排水试验，测算突水点残余涌水量。+’(’)*+,-.+$,试排水试验设计根据井筒实际排水能力，设计了=个落程的井筒试排水方案，以及试排水结束水位恢复试验。排水试验通过主井抽水，主井、副井进行水位连续观测，相对应额定流量为,&&、+,&、FG&=;L，主井井筒排水泵参数见表,。完成上一流量阶段排水，井筒水位稳定EL以上，开始下一阶段定流量排水，直至=个落程稳定排水结束，进行水位恢复。+$+井筒水位变化特征第,、第+和第=阶段排水，主井水位分别下降约,$,,、,$,%、G$-+，达到动态稳定，=个阶段累计降深-$,E，累计历时=$-N。停泵进行水位恢复，历时=N，主井水位回升-$,,，达到水位稳定，已基本回升至排水前原始水位，试排水试验井筒水位变化过程如图+。副井水位表现出与主井水位相同的变化规律，始终高于主井水位约&$%，这种同降同升的趋势主要是受矿井主、副井之间形成的连通器原理影响的。+$=矿井水补给特征试排水试验=个阶段分别在=个水头标高上达到了排水量和降深的动态稳定，尽管《煤矿防治水手册》H,+I中给出的F类补给水源!（排水泵抽水量）?（降深）曲线均具有不错的拟合效果，但抛物线型曲线效果最好，主井稳定流抽水!#曲线如图=，至少说明有某一个富水性较强的含水层补给了矿井水。从水源组成上分析，矿井涌水量主要来自于寒G,!!第!卷第!期#$%年!月&’()*+,-./’01,-)23/04!56/7!1’+89$%注：!、、#表示第$、第8、第:排水阶段；!;为排水泵实际排量，:=；;为各阶段排水历时，；#;为各阶段排水体积，:；$为各排水阶段降深，；%为井筒断面面积，8；&.为各阶段对应井筒储水体积，:。图?主井试排水试验概念图表8试排水试验排水量与井巷空间储水能力比较阶段图:主井稳定流抽水’($曲线灰和太灰含水层，其中太灰含水层实测水头标高为@$:!4，寒灰水头标高@$!$4$。抽水期间，主井积水水头标高从@$!$4$分:阶段降至@$?$4%，最终稳定水头标高仍高于太灰含水层，指示抽水期间太灰含水层没有参与补给，矿井涌水补给水源来自于寒灰含水层，主井试排水试验概念图如图?。试排水进行了:个阶段稳定流量的排水，阶段排水量分别为A?B%、$8BC%4?、?B?B!4::，累计排水量BBB8:4A:。试排水期间，矿井水位仅在井筒范围内波动，累计降深%4$A!，:个阶段井筒储水体积分别为B?49%、BB4A9、?9$4:B:，水位累计下降空间储水体积!:84$!:，试排水试验排水量与井巷空间储水能力比较见表8。试排水水位变动范围内，太灰含水层不参与补给矿井水，寒灰含水层原正常涌水点仅有极少量参与补给，但排水体积远大于井巷空间储水体积，这也指示矿井水必定接受其他补给，从补给水源组成来看，矿井水绝大部分来自于寒灰水的补给。84?突水点现状残余涌水量推算利用拟合得到的抛物线型!($曲线求解给定降深下对应的井筒排水量，等效于利用!($曲线反推矿井水补给量。井筒水位高于@$:!49标高时，矿井水全部来自于寒灰含水层补给，太灰含水层不参与补给矿井水；井筒水位降至@$:!49以下，井筒排水量同时受到寒灰和太灰8个含水层补给，井筒稳定排水量计算公式：!$D!8@!:（$）!8DE?@!!（8）式中：!$为某水位标高矿井稳定排水量，:=；!8为某水位标高的寒灰含水层补给矿井的涌水量，:=；!:为某水位标高太灰补给矿井的涌水量，:=，突水前，太灰含水层补给水量A89:=；!?为某水位标高突水点寒灰现状涌水量，:=；!!为某水位标高原寒灰正常涌水补给矿井的涌水量，:=，突水前，寒灰含水层补给水量C9:=。根据《煤矿防治水手册》FG8H水文地质比拟法，采动范围不变，某标高!!和!:计算公式可表述如下：!:DA89!!$$::!（:）!!DC9!!$8:!$7$（?）式中：!$$为淹没水位与太灰静止水位差，；!$8为指示淹没水位与寒灰静止水位差，。根据上述计算方法，推算了不同淹没水位标高阶段!;;&;$)#.!#合计$9B7A98$$7?%?!:7:8A9B9$987!8:87!A?B%79$8BC%7??B?B!7:BBB8:7A$7$9!$7$!9B7%89%7$A!!C!C!CB?79%BB7A9?9$7:B!:87$!图8试排水试验井筒水位变化过程（89$A年）B8!!!#$%&’$%()*+&,-第%&卷第%期+&,-年%月.)/01*23456(7389图%不同淹没水位标高特征涌水量预测曲线条件下的矿井涌水量和突水点现状残余涌水量，绘制了涌水量和淹没水位关系图（图%）。分别利用!#曲线法、水位恢复井巷储水体积法定量计算了突水点现状涌水量，其中!#曲线法推算的现状涌水量远大于体积法，分析认为，!#曲线法估算结果更接近实际，主要原因在于!#曲线法:次累计降深范围附近估算的现状涌水量是根据等效稳定流试验结果拟合得到的，而体积法在水位