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砂泥质沉积建造富水性等值线图绘制方法与应用

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 262次



作者简介:吕玉广(1969—),男,江苏宿迁人,高级工程师,总工程师,硕士. Tel:0477-7878009,  E-mail:lvyg691208@126.com

  要:本文详细介绍了砂泥质沉积建造富水性指数的概念和计算过程以及富水性等值线图绘制方法,很容易被基层工程技术人员掌握。实践证明富水性指数比砂泥比或岩石结构指数更能代表地层的富水规律,富水性等值线图比富水性分区图更加科学。能够指导矿井防治水工作。

关键词:砂泥质沉积建造;富水性指数;富水性等值线图;应用实例

中图分类号:TD713        文献标识码:A

Method and Application for drawing water rich equivalent

 line drawing of sand shale formation

Lv Yu-guang , Qi Dong-he

( Shandong energy Shanghai Inner Mongolia Temple Mining Co., Ltd. Inner Mongolia Ordos 016299,China)

Abstract: In this paper, the concept and calculation process of the water rich index of sand shale deposition and the drawing method of the water rich contour map are introduced. It is proved that the water rich index is more representative of the formation water rich law than the sand clay ratio or the rock structure index, and the water rich contour map is more scientific than the rich water partition map,. Able to guide the work of mine water prevention and control.

Key words: sand shale formation; water rich index; water rich contour map; Application examples


0引  言

煤系地层多为砂泥质沉积建造,水害类型为孔隙~裂隙砂岩水,其富水性具有各层异性和各向异性特点[1],抽水试验取得的水文地质参数有一孔之见的局限性,有学者用“砂地比”或“砂泥比”进行富水性分区,也有学者用岩石结构指数描述富水性,均有一定的实践意义[2-3]。中国矿业大学武强院士提出的多因素综合分析法最具代表性,通过对岩性岩相变化、构造场、水化学场、抽水试验场、突水事件渗流场和钻孔冲洗液消耗量变化等地学信息的系统分析,复合叠加后获得富水性分区图[4]。实践中能同时具备六个地学信息完备资料的案例较少,各因素如何赋以相应的权值受到主观因素控制,赋值不当结果也会相去甚远。笔者认为,沉积结构是砂泥质沉积建造富水性的主控因素,岩性岩相在垂向和平面上的变化能很好反应地层的富水特点[5~6]。地层的富水性是相对的,不可简单地划分为富水区与贫水区,利用富水性指数绘制富水性等值线图更符合自然规律[4]。本文以内蒙古上海庙矿区新上海一号煤矿为例,详细介绍富水性等值线图绘制方法和步骤。

1矿井水文地质背景

新上海一号煤矿位于鄂尔多斯盆地西缘坳陷带的次级构造单元中,侏罗系延安组为含煤地层,厚度317.95345.94m,平均厚度为332.09m,西浅东深,西薄东厚。钻孔揭露煤层共30层,其中有编号的煤层21层,可采或局部可采煤层共10层。煤系地层为典型的砂泥质沉积建造,含8~16层砂岩,赋存极不稳定,抽水试验资料单位涌水量q=0.0024 ~0.0874L/s·m,渗透系数0.003~0.187m/d,水质为Cl·SO4Na型水,矿化度0.532~10.2218g/L,总硬度25.86~2240.08mg/LpH7.55~8.4

岩石普氏硬度系数两极值1~4,一般为1;单轴抗压强度两极值3.2~44.4 MPa,一般为2~8 MPa,富含高岭石、膨润土等水敏性矿物,吸水后易膨胀;岩石成熟度低、胶结性差,在水动力作用下具有流沙特性。生产过程中一旦出水即使水量较小也容易严重恶化生产条件,甚至是顶板溃沙,造成支架陷底或埋架事故,因此对砂岩水需要超前疏放。研究富水规律是为了更好地指导疏放水工作。

2 富水性指数

2.1建立数据库

富水性指数是衡量地层富水性强弱的参数,运用大数据原理,结合采矿工程实践,按规则计算出的一系列数据。首先要建立地层信息基础数据库,收集井田内所有钻孔资料,将地学信息统计到一张Excel表格上。表中钻孔编号按行统计,岩性、岩层厚度、埋深、底板标高等按列统计;同一煤层(或标志层)按行对齐。本井田共收集到85个钻孔资料,基础数据库共统计数据48962个。(见图1)。


Figure 1 basic data table (Figure screenshots)

2.2 建立工作表

第二步根据不同任务,从数据库中提取相关的数据形成工作表。工作表中不同钻孔按列统计,钻孔坐标、孔口标高、煤层厚度、底板埋深、底板标高等按行统计。(见抓屏图2

 

 

 

 

 

 

 

 


图2   工作面(抓屏图)

Figure 2 working surface (Figure screenshots)

2.3预设采高

预设采高是计算导水裂缝带高度的基础,实践中采高与煤层厚度往往不相等,因此不能简单地把煤层厚度直接代入“两带”高度计算公式,应以煤层厚度为基础,参考矿井实际装备的综采设备型号以及矿井生产管理水平,预先确定更接近未来生产实践的回采高度。本例中综采支架型号MG420/1020-WD,根据煤层赋存条件和矿井管理水平,回采作业规程规定最小采高为2.5 m,最大采高为3.8 m,无论煤层实际厚度小于2.5 m或大于3.8 m,计算两带高度时均以此为限。

2.4 导水裂缝带高度

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》附表6-2,结合开采技术条件选择导水裂缝带高度计算公式如下:

 


式中:

Hli——导水裂缝带高度,单位m

M——累计开采厚度,单位m

在工作表对应的导水裂缝带高度单元格中输入公式“=100*H3/(1.6*H3+3.6)-5.6”,下拉鼠标得到全部数据。

2.5 确定研究范围

砂岩含水层在垂向上联通性差,主要是顺层径流,只需要研究导水裂隙带范围内的富水性。由于采高与煤层厚度不相等,需要用两者的差值加以修正,于是引入“对应层位高度”概念。按下式计算:

Dg=Hli+Mq-M…………….(公式1

Dg——对应层位高度,单位m

M——煤层厚度,单位m

Mq——预设采高,单位m

Hli——导水裂缝带高度,单位m

如煤层厚度为2.73 m,采高为3.0 m,两者差值0.27m,计算出导水裂缝带高度为30.1 m,对应层位高度为30.34 m,在基础数据表中从煤层顶板向上找到30.34m范围内所有地层信息,下一步计算此范围内富水性指数。

2.6 指数计算公式

对应层位高度内砂质岩石累加厚度占地层总厚度的百分比称为富水性指数,公式如下:

 QUOTE  ………… ….(公式2

应用时应注意一种特例:根据前文确定的“对应层位”的顶界相邻岩层仍为砂岩时,应将该砂岩层厚度同时计入公式2的分子、分母中,增加的砂岩层厚度称为附加厚度,以d表示,则公式(2)修正为:

 QUOTE  .....................(公式3

式中:

FZH——富水指数,无量纲;

MC——目标层内脆性岩石累加厚度,单位m

Dg——对应层位高度,单位m

d——附加厚度,单位m

将上述公式输入工作表中L列(抓屏图3)自动计算富水性指数,如1006钻孔富水性指数为22.71004钻孔富水性指数为43.4

富水性指数最小值为0,最大值为100,指数越大富水性越强,反之富水性弱。

 

 

 

 

 

 

 

 


图3   富水性指数计算过程(抓屏图)

Figure 2  The process of calculation of water quality index (Figure screenshots)

2.7指数计算结果

本井田共有各类钻孔85个,其中揭露(穿过)15煤的钻孔55个,通过上述方法计算得到15煤顶板砂岩富水性指数列表(表1)。

表1   15煤顶板富水性指数汇总表

Table 1  15 coal roof water abundance index summary

钻孔

编号

富水性

指数

钻孔

编号

富水性

指数

钻孔

编号

富水性

指数

1002

22.7

1904

2.5

S3

10.9

1004

43.4

2002

11.8

S5

34

1006

27

2004

39.1

S6

19.7

1102

53.5

2102

39.7

X6

0.9

1104

43

2202

56.2

ZK802

71.1

1302

51.8

2204

60.5

ZK1802

59.5

1304

23.2

2205

84.6

Z1

31.3

1402

26.8

2302

42

Z3

37.2

1403

18.2

2401

42.8

Z4

29.6

1502

24.3

2403

64.2

Z7

20.9

1504

55.4

2404

50.4

Z10

34.2

1602

36.3

2405

64

Z11

40

1604

39.6

2502

74.6

Z12

63.6

1702

38.4

2603

45.7

Z13

36.9

1704

36.7

2604

63.4

Z14

47.5

1801

33.8

2802

19.9

Z15

24

1804

24.4

3002

29.5

Z16

57

1901

54.2

3202

30.2

 

 

1902

22.9

S1

29.1

 

 

15煤顶板富水性指数0.9~84.6,平均39,可以将39设为阙值,从而划分出富水区与贫水区。本文推荐富水性等值线图方法。

3、富水性等值线图

3.1 绘图步骤

Surfer是美国Golden Software 公司编制的一款以画三维图(等高线,image map, 3d surface)的软件。该软件具有的强大插值功能和绘制图件能力,使它成为用来处理XYZ数据的首选软件,是地质工作者必备的专业成图软件。绘图步骤如下:

1)确定工区边界,即地理坐标XY最大值和最小值,也是绘图边界。

2)新建工作表,第1列输入橫坐标X值,第2列输入纵坐标Y值,第3列输入该点(钻孔)对应的富水性指数。

3)将工作表数据导入Surfer绘图软件进行网格化(grid),得到Surfer grid数据文件。

4)点击菜单绘图—等值线图—新建等值线命令,导入上述已经网格化的数据文件。

5)生成等值线图后对各参数进行适当的设置,如设线条顏色、线条平滑度、等级、标注、色标、影线、比例、背景等,使图形更加直观。

6)图形经过参数设置后以Autocad格式导出(见图4)。


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


图4   15煤顶板富水性等值线图

Figure 4  15 coal roof water rich contour map


 3.2 等值线图应用

1)预测涌水量

利用富水性等值线图上可以计算出平均富水性指数。假定两个两相邻的采煤面几何尺寸相近,其中一个面已经投产并实测了涌水量(Q实测),可以预计另一个待采面的涌水量(Q待采)。公式为:

式中:

Q待采——待采工作面预测涌水量,单位m3/h

FZH已采———已采工作面平均富水性指数;

FZH待采———待采工作面平均富水性指数;

Q已采——已采工作面实测涌水量,单位m3/h

2)指导井下疏放水钻孔布置

掘进工作面砂岩含水层常表现为淋水或渗水;回采工作面跨度大、顶板破坏大,容易发生较大型突水溃沙事故。通过采取的措施是打钻孔提前疏放水,沿着工作面两顺槽每隔50~100 m布置一组放水孔,每组6个,顺槽两侧各3个呈扇形分布,有时还要打加密孔,钻探工程量很大,无效工程较多。富水等值线图可以指导放水孔设计和施工,富水区内多打孔,其它区域打少量钻孔验证,做到重点明确、有的放矢,大大减少钻探工程量。3)指导防排水系统设计

防排水系统(包括水泵、排水管路、供电等)的排水能力必须与涌水量匹配,技术人员在进行防排水系统设计时常因资料匮乏而难以下手,或者设计不能满足安全生产需要,富水性等值线图指导防排水系统设计。

3.3 实践验证

514151工作面富水性等值线图,富水性指数30~65,平均指数45,总体特点是越靠近工作面切眼富水性指数越高。顺槽掘进过程中,滞后于迎头一定距离向顶板打孔探放水,孔深100/130 m,终孔于煤层顶板上法线距离约60 m处。巷道施工及探放水结果表明:


 

 

 

 

 

 

 

 

 


图5   114151工作面顶板富水性等值线图

Figure 5  1802 working face roof water rich contour map


1)皮带顺槽外部1600 m范围内淋水点较少,探水孔最大水量0.5 m3/h,多为干孔;向里900 m段淋水点明显增多、水量越大,单个锚杆孔水量0.2~3m3/h,放水钻孔最大水量10.8 m3/h

2)轨道顺槽外部1200 m范围内淋水点较少,探水孔最大水量0.5 m3/h,多为干孔;向里1300 m段淋水点明显增多、水量越大,单个锚杆孔水量0.2~3.3 m3/h,探水孔最大水量12.4 m3/h

3)由于该工作面是15煤层首采工作面,防治水经验不足、重视不够,对顶板水的疏放不够彻底,初采期间出现一次顶板突水溃沙,水量约80m3/h8小时后水量衰减至10m3/h,后加密放水孔,直至工作面回采结束涌水量基本没有增加。

4 结  论

1)岩性岩相是砂泥质沉积建造富水性主控因素,富水性指数是衡量富水性强弱的参数。

2)充分利用勘探钻孔获得的地学信息研究富水规律,可以节省大量的勘探工程费用。

3)富水性等值线图比富水性分区图更加科学,可以指导防治水工作。

 

参考文献:

[1] 国家煤矿安全监察局.中国水害防治技术[20] [M].  ISBN:9787564613471第1版.徐州:中国矿业大学出版社,2011:392-395.

[2] 赵宝峰.基于含水层沉积和构造特征的富水性分区[J].中国煤炭地质,2015,(4),30-34.

[3] 李新凤.砂岩含水层富水性预测及水害危险性评价研究[D].2010,4-8.

[4] 武强,李周尧.中国煤矿水害防治[M].第1版.徐州:中国矿业大学出版社,2002:11-13.

[5] 任智德,吕玉广,郑纲.利用脆性岩石含量指数预测裂隙型含水层富水区[J].煤田地质与勘探,2011,39(4),35-39.

[6] 武斌,徐兴海.工作面顶板砂岩水综合防治技术研究应用[A].2009全国采矿新技术前沿论坛论文集[C].2009,115-117

作者简介:

姓名:吕玉广 

单位:山东能源内蒙古上海庙矿业有限责任公司

通讯地址:内蒙古鄂托克前旗上海庙经济开发区新上海一号煤矿

邮编:016299

联系电话:15714876131

电子信箱:lvyg691208@126.com

出生年:1969.12

性别:

籍贯:江苏宿迁

毕业院校:安徽理工大学

专业:地质勘探

技术职称:高级工程师

研究方向:矿井地质、煤矿防治水

 

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