第6讲煤矿井下放水试验

第6讲煤矿井下放水试验—以新庄煤矿为例煤炭科学研究总院西安分院主讲人：靳德武CCRI.XI’ANBRANCH放水试验目的、意义新庄煤矿-600水平回采系统已经形成，投产在即。但对-600水平以上采区水文地质条件的认识，还不能满足矿井投产的要求，尤其是二2煤层间接充水含水层太原群上部含水岩组的水文地质条件还不十分清楚。因此，实施放水试验工程对本采区的防治水工作具有重要的指导意义。CCRI.XI’ANBRANCH井下放水试验具有直观地了解井田或采区含水层具体的水文地质条件的特点，它不仅能弥补勘探阶段以资源评价为目标的水文地质勘探布孔的不足，而且进一步检验地面勘探的水文地质结论。CCRI.XI’ANBRANCH大流量、大降深放水试验能够充分暴露井田水文地质条件，在更大范围内形成人工激发流场，从而有助于建立完整、准确的水文地质概念模型。CCRI.XI’ANBRANCH放水试验既是以井流模型为基础，也是建立井田、采区地下水流数学模型的必要手段，将会为矿井涌水量计算，防排水量确定提供可靠依据。CCRI.XI’ANBRANCH通过放水试验对新庄矿水文地质条件、矿井充水条件有一个清晰的了解。CCRI.XI’ANBRANCH对-600m水平以上矿井涌水量进行数值模拟与计算。CCRI.XI’ANBRANCH提出-600m水平以上防治水工程建议方案CCRI.XI’ANBRANCH放水孔、观测孔的设计原则利用井下现有施工钻孔安排放水孔、观测孔，覆盖井下采掘系统尽可能多的工作面回采范围。涌水量较大的孔选作放水孔符合水文地质计算方法上的要求。观测孔和放水孔的分布应能控制放水漏斗的展布形态。在符合上述各项原则的前提下，观测孔与放水孔可以进行局部、适当对调，以达到既不影响煤矿生产，又满足放水试验工程要求的目的。CCRI.XI’ANBRANCH放水试验过程中水化学取样每个放水孔在放水开始、中间、结束三个时间段分别采取一组试样做常规分析，每个水样取1升。CCRI.XI’ANBRANCH放水试验过程中水温测量每个放水孔每天进行3次水温测量，掌握放水试验过程中的水温变化规律，通过与区域地下水温的对比，分析地下水的可能补给来源。CCRI.XI’ANBRANCH放水试验观测标准放水时间观测频率计次0～30min1次/5min6次30min～1.5h1次/10min6次1.5h～3h1次/15min6次3h后1次/60min至稳定CCRI.XI’ANBRANCH放水水量的确定新庄煤矿没有进行过放水试验，考虑到井下打钻出水情况和水文地质试验要求，参考邻近刘桥二矿放水试验成果，结合本矿排水沟过水能力，确定放水量在300m3/h左右。在满足上述各项原则的前提下，放水水量可以留有一定的余地。要求在正式放水之前，进行试验放水，以确定放水水量。CCRI.XI’ANBRANCH放水试验时间的确定参照附近的刘桥二矿的放水试验情况，300m3/h左右的放水水量，使L8灰岩的地下水位降低约20m，预计需7天左右的时间，恢复水位时间需2~3天，总放水试验时间控制在10天左右。CCRI.XI’ANBRANCH试验放水试验放水在正式放水试验之前进行，放水时间为24h，试验放水的目的：一方面初步查明放水量与水压、水位变化之间的关系，确定放水量大小，为正式放水试验做准备；另一方面，通过试验放水检验各计量器具及排水设施的有效性。CCRI.XI’ANBRANCH排水能力核定总排水能力2000m3/h，目前矿井正常涌水量480m3/h，按上述放水水量不存在排水能力不足的问题。轨道暗斜井水沟过水能力满足将上述放水量排至-600m水仓的要求CCRI.XI’ANBRANCH机构设置成立放水试验指挥部；设置观测组、资料组、调度维修组、巡检组CCRI.XI’ANBRANCH疏排水设施对井上、下排水设施（排水沟、水仓和管路）进行清理、疏通和检修，水仓、泵房、排水沟均要达到放水试验要求；水泵要进行开启试抽；对地表排水沟渠进行检查。CCRI.XI’ANBRANCH购置、检验测量器具地面观测孔可采用测绳测钟或自计水位仪观测水位；井下观测孔采用0.25级精密压力表观测水压；井下放水孔采用流量表观测放水量。CCRI.XI’ANBRANCH通讯联络在值班室安装专用电话，以便与井上、下主要观测人员及时与放水试验指挥部联系，发现问题及时处理；CCRI.XI’ANBRANCH人员培训对全部观测人员进行岗前培训，应会读、会记，发现异常情况应及时与井上联系CCRI.XI’ANBRANCH放水孔流量测定装置示意图1、钻孔2、阀门3、测压管4、压力表5、蝶形阀6、挡矸箱7、放矸筒8、支撑架9、流量表10、排水管10958764321CCRI.XI’ANBRANCH初始水位观测在放水试验前统一观测一次各个长期观测孔的水位、井下观测孔的水压，连续观测时间不少于1天，以4小时水位波动不大于2cm，且无连续跳动现象为准，作为本次放水试验的初始水位（压）。CCRI.XI’ANBRANCH钻孔坐标测量测量本次放水试验（井下）钻孔的坐标和孔口标高，并标注在平面图上。CCRI.XI’ANBRANCH放水试验步骤和操作程序（1）关闭放水孔水闸阀并安装好孔口测流装置；观测孔安装好水压表。（2）对供电线路、排水设施进行放水前最后一次检查；对各岗位人员进行落实；对观测仪器、仪表进行核对、清点。CCRI.XI’ANBRANCH放水试验步骤和操作程序（3）放水前一天统一观测地下水位（地面孔）、水压（井下观测孔）。（4）待各项工作准备就绪后，对放水孔开闸放水。（5）按要求的时间间隔观测水位、水压、水量。CCRI.XI’ANBRANCH放水试验步骤和操作程序（6）每天采取一次各放水孔水样。（7）同时关闭放水孔，进行水位恢复观测。观测时间间隔同放水试验开始时的要求。CCRI.XI’ANBRANCH放水试验预期成果（1）Q—S，Q=f（t），s=f（t）曲线图。即太灰含水层放水试验时水压、水量动态变化曲线图。（2）观测数据整理台帐。（3）放水试验数值分析与计算成果CCRI.XI’ANBRANCH放水试验预期成果（4）疏降可行性论证。（5）在疏降可行情况下未来疏降工程的布署方案。（6）其它可供选择的方案。CCRI.XI’ANBRANCH本次放水试验于2003年3月18日开始，2003年3月28日结束，历时11天。放水流量为367m3/h，总放水量为65326m3，共获得观测数据13884个，水位降深34米，漏斗影响半径约5000多米，由于试验组织得力，现场有关各方密切配合，试验进展顺利，满足了设计的要求，达到了预期的目的。CCRI.XI’ANBRANCH本次放水试验的计算目的层为太原群上部灰岩岩溶裂隙承压含水层。其水文地质概念模型如下：（1）边界条件：根据对矿井水文地质条件的研究,计算边界概化如下:①东南边界为隔水边界；②东部边界为流量边界；③南部、北部边界为定水头边界；④西部边界分段按隔水边界和流量边界处理。（2）含水介质：非均质、各向异性；（3）水量交换项：补给项：奥灰越流补给（垂向）及邻区侧向径流；排泄项：井下涌水量和放水孔放水量（垂向）CCRI.XI’ANBRANCH数学模型0,),()(tDyxWtHSgradHKMdiv0t,Dy)(x,),(),,(0yxHtyxH0t,y)(x,),,(),,(111tyxHtyxH22[](,,)(x,y),t0KMgradHnqxytCCRI.XI’ANBRANCH单元剖分根据有限元计算要求，采用三角形单元进行剖分，剖分所遵循的原则是：水位降深较大有区域，水力坡度较大的区域，三角形单元要适当划小，且观测孔、放水孔尽量放在节点上，采用三角形单元将计算区域剖分成2438个单元，1279个节点，其中流量边界单元42个，定水头边界39个，越流单元524个。CCRI.XI’ANBRANCH水位拟合情况观测孔计算水位与实测水位的拟合也满足了精度要求，在8个观测孔近720个拟合点中，80%以上的拟合点误差小于5%。表明各个观测孔水位拟合良好。CCRI.XI’ANBRANCH参数识别结果参数分区渗透系数主渗1与x轴夹角(θ)给水度(μe)贮水系数（S）Kx（m/h）Ky（m/h）Ⅰ0.45120.09024820.00234.617E-06Ⅱ0.40230.2682320.00030.5625E-04Ⅲ0.591480.473184600.00240.4525E-04Ⅳ0.45540.096564470.00284.817E-06Ⅴ0.62520.41664650.00470.208E-03Ⅵ0.093540.06366500.00390.5625E-04Ⅷ0.672780.50082600.00580.223E-03CCRI.XI’ANBRANCH新庄矿不同水平疏降稳定水量(m3/h)疏降水平有限元法解析法-44010561384.9-60017702118.4-75019602780.9CCRI.XI’ANBRANCH解析法计算稳定涌水量时，影响半径利用放水试验的资料用作图法求得。而实际上随疏降的进行，边界水位会不断下降，边界不断地扩大，而大井法按固定边界计算，即边界为定水头边界，所以解析法的计算结果偏大。CCRI.XI’ANBRANCH数值法计算稳定涌水量时，水文地质参数采用放水试验实际资料拟合求得，克服了单孔计算的局限性，水文地质参数更加符合实际。计算不同水平的稳定涌水量时，充分考虑含水层的补给条件不但调节边界进水量，而且考虑奥灰含水层的越流补给量。所以考虑的因素较全面，计算结果较为可靠。CCRI.XI’ANBRANCH放水试验流场的分析表明：新庄矿中部的太灰水向南北两端流动。位于东南部的I、II区水文地质条件相对简单，位于中部的高水位区水文地质条件较为复杂，存在着奥灰水向太灰水的越流补给现象。吕楼断层和土楼断层存在着分段的导水性。CCRI.XI’ANBRANCH从新庄、刘二初始水位等值线中可以看出：高水位区呈条带状沿北西西向展布，横跨刘二、新庄两矿。在观3、观4孔附近未增加奥灰越流补给时，观3、观4两孔，参数无论如何调整都拟合不好；当加入奥灰水补给量后，其水位拟合较好。因此奥灰补给地段应沿高水位区展布。CCRI.XI’ANBRANCH根据放水试验流场分析和涌水量计算结果，新庄井田的太灰水疏降难度较大，因此，建议防治水工作采用带压开采和底板加固相结合的方法。（1）矿区南部水位较低，不是注浆改造底板的重要地区，-600m水平，特别在水压高的地区，裂隙带较发育，应是底板改造的重点地段；（2）建议对工作面底板进行富水性和导升高度探测，对具有导升的地段应进行突水前兆监测。CCRI.XI’ANBRANCH