Main controlling factors of air-cavitation engineering in broken soft outburst-prone coal seams
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摘要: 为揭示空气动力造穴技术在碎软突出煤层中造穴效果的主要工程影响因素及其机制，加大该技术在碎软突出煤层瓦斯治理中的应用力度，通过空气动力造穴机理分析认为，影响造穴效果的工程主控因素为注气压力和返排气体排量；同时采用数值模拟、现场实验和公式推算相结合的方法，对注气压力与返排气体排量的影响机制进行了研究。结果认为：距离井壁越近，储层内的气体压力越大、煤储层结构越容易被空气压力“激动”作用破坏，注气压力在安徽淮南谢一矿实验点的碎软煤层中的有效传导半径为7 m，煤层洞穴半径单次扩大量为0.1 m左右，掏出煤体体积在一定范围内与注气压力、返排气体排量呈正相关关系。Abstract: In order to research the master engineering affecting factors and affecting mechanism of air-cavitation technology, increase its application in gas governance of the broken soft outburst-prone coal seams, this paper analyzed the mechanism of air-cavitation and believed that the master affecting factors were gas injection pressure and gas injection displacement. This paper adopted numerical simulation, field experiments and formula derivation so as to research the affecting mechanism of gas injection pressure and gas injection displacement. Results suggested that the closer to the well wall, the larger the gas pressure in the coal seam, the more easily the body structure of the coal was destroyed. The effective conduction radius of gas injection pressure was 7 meters in the broken soft coal seam in this experimental area. The cave radius of one-time expansion in coal seam was about 0.1 meter. The taken out volume of coal body was positively correlated with the gas injection pressure in certain range and well positively correlated with the gas injection displacement.
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白垩系洛河组是鄂尔多斯盆地重要地下水供水含水层之一[1-2]，也是我国西部侏罗纪煤田煤层开采主要充水水源与水害威胁来源[3-4]。陕西黄陇煤田永陇矿区郭家河井田位于鄂尔多斯盆地西南缘，工作面采煤受到煤层顶板离层水害威胁较严重[5]；井田洛河组含水层在地表沟谷出露接受大气降水与地表河流补给，是郭家河煤矿顶板离层水的重要充水水源[6-7]。陕西彬长矿区高家堡井田位于鄂尔多斯盆地西南腹地，洛河组含水层巨厚、强富水，距离煤层较近[8]；在工作面采煤扰动影响下洛河组地下水持续大量进入矿井，涌水量达(1.2~1.6)×105 m3/d，制约矿井煤炭产量、威胁矿井安全[9-10]。因此，查明巨厚洛河组地质与水文地质条件，特别是其水文地质特征垂向变异性，是制定矿井防治水技术对策的重要依据，也是保障矿井安全生产的必然要求。
鄂尔多斯盆地洛河组含水层经过了多次勘探。1999—2005年，中国地质调查局联合多个单位实施了“鄂尔多斯盆地地下水勘查”项目，首次系统勘查了盆地内白垩系含水层补给、径流和排泄条件以及水文地质参数和水化学特征等[11-12]；期间，双Packer系统被引入我国[13-14]。2012年2月至2013年4月，李超峰等完成“胡家河孟村矿井综合防治水技术研究”项目，发现巨厚洛河组含水层具有垂向差异性并提出“二分法”概念，通过水文地质补充勘探将其划分为上段和下段[15]。2014年5月至2015年4月，李超峰等完成“高家堡矿井首采区白垩系含水层精细探查研究”项目，将洛河组划分为上段和下段2个水文地质条件存在显著差异的含水层段，并通过工作面回采涌水量和地下水位变化等验证了洛河组分层结果[16-17]。这一时期，学者们注意到洛河组具有垂向差异性并提出了精细勘探概念[8]，工作重点是从矿井防治水角度出发，在洛河组下部找到可作为阻隔、滞缓其上部强富水层段地下水进入矿井的相对隔水层段。此后，双Packer系统分层抽水技术被引入煤矿床水文地质勘探领域，开启了洛河组精细勘探与研究阶段。2018—2020年，李超峰采用双Packer系统分层抽水方法完成了“高家堡矿井三、四盘区水文地质补充勘探”项目，对洛河组进行了10个层段分层抽水试验，获得了大量一手数据资料；给出了洛河组垂向分层方法，采用综合富水性指数法将洛河组垂向上划分为上段、中上段、中下段和下段4个含水层段；得到洛河组内部富水性由强至弱依次为中上段、中下段、上段及下段；采用水力联系系数法定量评价洛河组内部水力联系，认为洛河组中上段水平同层和下段水平同层水力联系强，中上段与下段垂向水力联系极弱至弱[8,18]。2018—2020年“亭南煤矿四盘区水文地质补充勘探”项目完成，采用双Packer系统分层抽水方法，对洛河组进行了9个层段分层抽水试验；将洛河组垂向上分为上段、中段和下段3个层段，认识到洛河组内部垂向水文地质特征存在差异，上段和下段富水性相对较弱，中段富水性相对较好。2019—2020年“邵寨煤矿矿井水文地质补充勘探及防治水技术研究”项目完成，采用双Packer系统对洛河组垂向12个分层进行了抽水试验，研究认为洛河组垂向上可分为3个含水层段，其中中段富水性相对较好，上段和下段富水性相对较差。2019—2021年“孟村煤矿洛河组含水层精细划分及水害影响评价研究”项目，从沉积学角度提出洛河组垂向“三段五相”划分方法，上段为冲积扇扇端和扇中亚相，中段为辫状河相，下段为冲积扇相与辫状河相；采用双Packer系统对洛河组垂向上进行了10个分层抽水试验，研究认为洛河组中段富水性最好，上段富水性弱于中段，下段富水性最差。
目前，巨厚含水层垂向水文地质条件精细勘探领域理论研究滞后现场施工。例如，垂向多个含水层段可构成混合井[19]，其地下水位的联系及理论上的换算关系尚不明确。目前普遍采用的单位涌水量富水性评价方法是否适用于非完整井，利用非完整井和完整井获得的单位涌水量数值是否具有理论上的换算关系和可对比性[20-21]，采用何种方法定量评价巨厚含水层垂向分层富水性更为科学等问题未得到解决。另外，洛河组内部未发育可适用于垂向分层的稳定隔水层，采用何种方法分层及分层结果是否可靠，洛河组各层段水平同层和垂向不同层段之间地下水水力联系密切程度和地下水交换量该如何定量评价与刻画等，还需深入研究。
笔者采用导水系数进行洛河组含水层富水性评价；基于双Packer分层抽水试验成果，采用综合富水性指数法对洛河组进行垂向含水层段划分并对比分析其水文地质条件，揭示洛河组含水层水文地质特征及其垂向变异性，以期为矿井防治水工作奠定基础。
1 含水层富水性评价方法与标准
1.1 单位涌水量富水性评价方法存在问题
笔者多年应用发现，采用单位涌水量评价含水层富水性具有计算方法简单、现场应用方便等优势，且多次写入煤矿水文地质相关规范[22-24]。然而，采用单位涌水量评价含水层富水性存在理论缺陷。例如，由于抽水量和水位降深受人为因素影响，据此单位涌水量方法获得的富水性非含水层本质属性；复合含水层单位涌水量之间不具有理论计算公式，获得单位涌水量只能通过抽水试验方法。
1.2 导水系数富水性评价方法与标准
1) 评价方法
本文引入导水系数T[25]评价含水层富水性。
$$ T = KM $$ (1) 式中：T为导水系数，m2/d；K为渗透系数，m/d；M为含水层厚度，m。
2) 等级划分标准
表 1 导水系数富水性分级标准Table 1. Classification standard of water-rich by coefficient of transmissibility含水层富水性等级 导水系数T/(m2·d−1) 极弱 T≤1 弱 1<T≤10 中等 10<T≤50 强 50<T≤100 很强 100<T≤200 特强 200<T≤400 极强 T>400 2 钻孔同径分层抽水试验方法
2.1 双Packer系统简介
采用中国地质调查局水文地质环境地质调查中心研发的158型地下水分层抽水系统(图1)、150QJ20-350/37KW型潜水泵和150QJ5-600/37KW型潜水泵，实现胶囊封隔后对洛河组任意长度层段进行抽水试验。
陕西彬长矿区已完成了多个洛河组含水层精细勘探项目，在项目实施期间技术人员克服了胶囊和水泵故障以及孔壁不稳定等难题，成功将双Packer系统应用于砂泥岩地层分层抽水试验；双Packer最大下入深度达861.37 m。
2.2 水文地质参数计算方法
采用《地下水动力学原理》[25]中的“井壁进水的承压水非完整井”解析解计算公式计算双Packer抽水试验水文地质参数。
1) 过滤器与隔水层相接
假定条件：抽水孔为非完整井(图2)，远离补给或隔水边界；过滤器紧连隔水顶板或底板。
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图 2 过滤器与隔水顶板相接的承压非完整井Figure 2. Partially penetrating well in a confined aquifer with filter connected to the roof计算公式为：
$$ Q = \frac{{2\pi Kl{S_{\rm{w}}}}}{{\ln \dfrac{{1.6l}}{{{r_{\rm{w}}}}}}} $$ (2) 推导得到：
$$ K = \dfrac{{Q\ln \dfrac{{1.6l}}{{{r_{\rm{w}}}}}}}{{2\pi l{S_{\rm{w}}}}} $$ (3) 式中：Q为抽水量，m3/d；Sw为水位降深，m；l为过滤器长度，m；rw为钻孔半径，m。
2) 过滤器与隔水层不相接
假定条件：抽水孔为非完整井(图3)，远离补给或隔水边界；过滤器不与隔水顶板或底板相接。
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图 3 过滤器不与隔水顶板相接的承压非完整井Figure 3. Partially penetrating well in a confined aquifer with filter unconnected to the roof计算公式为：
$$ Q = 5.46\frac{{Kl{S_{\rm{w}}}}}{{B + 2\lg \dfrac{c}{{{r_{\rm{w}}}}}}} $$ (4) 其中：
$$ B = \lg \frac{{4\left[ {{a^2} - {{(0.13 + 0.87a)}^2}\left( {a - 1} \right)} \right]}}{{1.3 + a}}\text{，}a = \frac{{c + l}}{c}\text{，} $$ 推导得到：
$$ K = \frac{{Q\left(B + 2\lg \dfrac{c}{{{r_{\rm{w}}}}}\right)}}{{5.46l{S_{\rm{w}}}}} $$ (5) 式中：c为过滤器与隔水顶板之间的距离，m。
3 应用实例
“高家堡矿井三、四盘区水文地质补充勘探”项目于2018年12月17日开始，至2020年1月10日结束，历时389 d。施工完成4个地面钻孔(图4)，进尺3 787.02 m；完成单孔抽水试验6层次，完成双Packer分层抽水试验20层次(表2)。
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图 4 水文补勘钻孔分布Figure 4. Location of boreholes for hydrological supplementary exploration表 2 抽水试验工程量统计Table 2. Completion of pumping tests类型 孔号 层位 抽水次数 完整井
抽水DJ1 洛河组 1 DJ2 洛河组 1 DJ4 洛河组 1 DJ4 直罗组和延安组 1 非完整
井抽水DJ3 洛河组上部层段 1 DJ3 洛河组下部层段 1 双Packer
分层抽水
(非完整井)DJ1 洛河组10个层段 10 DJ2 洛河组上部8个层段 8 DJ3 洛河组下部2个层段 2 合计 26 注：DJ2孔第9、第10层抽水试验变更至DJ3孔完成。 3.1 双Packer抽水试验及结果分析
1) 洛河组试验
在DJ1、DJ2/DJ3钻孔中，采用双Packer系统对洛河组垂向10个固定厚度的含水层段进行抽水试验，并计算了水文地质参数。抽水试验及水文地质参数计算结果见表3。
表 3 DJ1、DJ2/DJ3钻孔双Packer分层抽水试验成果Table 3. Results of pumping tests using the double packer in DJ1, DJ2/DJ3 boreholes钻孔 序号 抽水层段 孔径
/m初始水位
埋深/m恢复水位
埋深/m试验序次 Q/(m3·h–1) Sw/m T/(m2·d–1) K/(m·d–1) 起始埋深/m 截止埋深/m 厚度/m DJ1 1 465.85 498.86 33.01 0.085 7 299.19 297.65 1 13.7513 11.45 26.45 0.801 4 2 11.6608 6.58 39.03 1.182 5 3 4.6649 2.20 46.70 1.414 8 平均 37.40 1.132 9 2 499.42 532.43 33.01 0.085 7 292.30 291.17 1 13.7513 8.08 36.84 1.116 2 2 10.0742 5.26 41.46 1.256 1 3 5.0569 2.58 42.43 1.285 5 平均 40.25 1.219 2 3 528.75 561.76 33.01 0.085 7 289.41 288.04 1 14.4943 11.53 27.06 0.819 7 2 10.0742 7.72 28.09 0.850 9 3 5.0569 3.79 28.72 0.870 0 平均 27.96 0.846 9 4 558.08 591.09 33.01 0.085 7 286.71 286.93 1 13.0313 29.34 9.53 0.288 7 2 9.1886 19.63 10.04 0.304 2 3 4.6649 9.83 10.18 0.308 4 平均 9.92 0.300 5 5 587.39 620.40 33.01 0.085 7 286.54 286.51 1 6.8180 107.59 1.36 0.041 1 2 4.8586 71.85 1.45 0.043 9 3 2.4480 35.72 1.47 0.044 5 平均 1.42 0.043 1 6 616.62 649.63 33.01 0.085 7 285.84 286.47 1 11.6608 49.83 5.00 0.151 6 2 8.0827 33.14 5.21 0.158 0 3 4.1123 16.55 5.31 0.160 9 平均 5.18 0.156 8 7 651.34 684.35 33.01 0.085 7 287.99 296.80 1 11.0095 56.77 4.14 0.125 5 2 7.5614 37.66 4.29 0.129 9 3 3.9373 19.01 4.42 0.134 0 平均 4.28 0.129 8 8 684.99 718.00 33.01 0.085 7 313.27 321.43 1 6.3626 90.89 1.49 0.045 3 2 4.4762 60.19 1.59 0.048 1 3 2.3198 29.64 1.67 0.050 6 平均 1.58 0.048 0 9 719.43 752.62 33.19 0.085 7 324.52 330.57 3.6011 292.54 0.26 0.007 9 10 746.58 779.77 33.19 0.085 7 327.20 307.19 1.1714 322.85 0.08 0.002 3 DJ2 1 531.42 555.81 24.39 0.085 7 263.03 263.57 1 9.4784 128.12 1.54 0.063 2 2 7.3084 97.37 1.56 0.064 1 3 4.6649 59.91 1.62 0.066 5 平均 1.58 0.064 6 2 550.01 586.52 36.51 0.085 7 269.76 270.16 1 15.6535 42.61 8.16 0.223 5 2 10.9901 29.45 8.29 0.227 1 3 5.8979 15.66 8.37 0.229 2 平均 8.27 0.226 6 3 588.00 624.51 36.51 0.085 7 270.36 270.59 1 19.3194 15.77 26.91 0.737 1 2 13.3884 10.89 27.01 0.739 7 3 7.0607 5.70 27.21 0.745 3 平均 27.04 0.740 7 4 626.08 662.59 36.51 0.085 7 270.70 271.17 1 19.7694 14.65 29.50 0.808 1 2 14.1199 10.18 30.32 0.830 6 3 7.5614 5.33 31.02 0.849 5 平均 30.28 0.829 4 5 664.05 700.56 36.51 0.085 7 271.48 273.40 1 14.4943 72.59 4.35 0.119 2 2 9.7844 47.07 4.53 0.124 1 3 4.8586 23.77 4.46 0.122 1 平均 4.45 0.121 8 6 692.50 729.01 36.51 0.085 7 272.75 273.66 1 16.7468 47.19 7.73 0.211 7 2 11.6608 37.71 6.73 0.184 4 3 5.8979 15.67 8.20 0.224 5 平均 7.55 0.206 9 7 730.11 766.62 36.51 0.085 7 273.71 274.19 1 18.4370 28.32 14.16 0.387 8 2 12.6803 18.92 14.58 0.399 2 3 6.3482 9.42 14.66 0.401 4 平均 14.46 0.396 1 8 767.94 804.45 36.51 0.085 7 274.23 274.38 1 13.7513 69.74 4.28 0.117 3 2 9.1886 45.08 4.43 0.121 3 3 4.6649 22.23 4.56 0.124 9 平均 4.42 0.121 2 DJ3 9 796.44 833.02 36.58 0.085 7 279.70 280.33 6.3482 304.38 0.45 0.012 4 10 824.79 861.37 36.58 0.085 7 272.91 289.99 3.2825 346.55 0.20 0.005 6 由于洛河组含水层为巨厚含水层，采用双Packer系统按垂向固定厚度依次对其进行分层抽水试验，难免会出现抽水目标层段位于某一巨厚含水层内部或者跨越2个或2个以上含水层的情况，即与抽水目标层段紧邻的上部或下部含水层通过越流可能对其抽水试验及水文地质参数计算等存在影响。自然条件下，一般假定均质各向同性多孔介质含水层其垂向渗透系数远小于水平方向渗透系数。在钻孔内2个胶囊均密封良好、孔内不发生地下水越过胶囊进行垂向水量交换时，与抽水目标层段紧邻的上部或下部含水层地下水仅可通过垂向渗流对其施加影响。由于地下水垂向渗流量远小于其水平径流量，正常情况下相邻层段地下水对抽水目标层段的影响微弱。通过DJ1、DJ2/DJ3钻孔垂向10层抽水试验的水量、渗透系数、导水系数等均存在显著差异，也可反映出相邻层段地下水对抽水目标层段的影响相对较弱。
2) 结果分析
(1) 抽水量
洛河组垂向抽水量具有明显差异(图5)；其中第2—第4层段和第6、第7层段较大，其次为第1、第5、第8层段，第9、第10层段最小。
(2) 地下水位
洛河组垂向地下水位具有差异(图6)。其中第1层段地下水位明显与下部层段水位不同，第2—第8层段地下水位大体一致，第9—第10层段地下水位一致。
(3) 渗透系数
洛河组垂向各层渗透系数具有明显差异(图7)。渗透系数第2—第4层段较大，其次为第6—第8层段，再其次为第1和第5层段，第9、第10层段最小。
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图 7 洛河组垂向各层渗透系数Figure 7. Sketch of permeability coefficient of aquifer in Luohe Formation(4) 导水系数
洛河组垂向导水系数具有明显差异(图8)。导水系数第2—第4层段较大，其次为第6—第8层段，再其次为第1和第5层段，第9、第10层段最小。
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图 8 洛河组垂向导水系数Figure 8. Sketch of transmissibility coefficient of aquifer in Luohe Formation3.2 洛河组垂向含水层段划分
李超峰等[8]提出可采用综合富水性指数法研究巨厚承压含水层富水性垂向变异特征。首先，对单个地层岩性、厚度、孔隙率3个指标分别赋值和赋权重，计算单个含水层段的富水性指数；其次，计算其综合富水性指数；最后，利用垂向各含水层段综合富水性指数的垂向变化规律，可进行巨厚含水层垂向精细分层研究。
采用综合富水性指数法[8]，将DJ1、DJ2钻孔洛河组垂向上划分为上段、中上段、中下段和下段4个水文地质条件具有明显差异的含水层段(表4、图9和图10)。
表 4 洛河组综合富水性指数法垂向分层结果Table 4. Vertical aquifers of Luohe Formation stratified by comprehensive water-rich index单位：m 钻孔 洛河组
厚度上段
厚度中上段
厚度中下段
厚度下段
厚度DJ1 361.89 35.20 122.20 113.30 91.19 DJ2 351.05 20.45 124.30 148.70 57.60 均值 356.47 27.83 123.25 131.00 74.40 ![]()
图 9 DJ1钻孔洛河组综合富水性指数法垂向分层结果Figure 9. Comprehensive water-rich index of Luohe Formation in borehole DJ1![]()
图 10 DJ2钻孔洛河组综合富水性指数法垂向分层结果Figure 10. Comprehensive water-rich index of Luohe Formation in borehole DJ23.3 洛河组垂向分层水文地质特征
1) 地层厚度
洛河组中上段和中下段厚度占总厚度之比分别为34%、37%，上段和下段厚度占比分别为8%和21%；中上段和中下段厚度之和占比达到71%(图11)。
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图 11 洛河组垂向分层厚度与总厚度百分比饼图Figure 11. Sketch of the ratio of each layer thickness to the total thickness of Luohe Formation2) 岩性
洛河组上段和下段泥岩类地层(47%~53%)和砂岩类地层(47%~53%)累计厚度大致各占一半；中上段和中下段砂岩类地层累计厚度占比较大(85%~91%)，泥岩类地层累计厚度占比较小(9%~15%)(图12)。
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图 12 洛河组垂向分层岩性累计厚度占比Figure 12. Sketch of the ratio of each lithology thickness to the total thickness of each layer of Luohe Formation3) 渗透系数
利用双Packer分层抽水试验数据，计算DJ1、DJ2钻孔洛河组垂向各含水层段渗透系数(表5和图13)。
表 5 洛河组垂向分层渗透系数计算结果Table 5. Calculation results of permeability coefficient of each aquifer in Luohe Formation垂向层段 渗透系数计算结果/(m·d–1) DJ1钻孔 DJ2钻孔 均值 上段 0.064 6 0.064 6 中上段 0.708 5 0.598 9 0.653 7 中下段 0.111 5 0.211 5 0.161 5 下段 0.005 1 0.009 0 0.007 1 ![]()
图 13 洛河组垂向分层渗透系数Figure 13. Sketch of permeability coefficient of each aquifer in Luohe Formation洛河组垂向各含水层段渗透系数差异显著，由表5和图13可知，渗透系数数值由大到小依次为洛河组中上段、中下段、上段和下段。
4) 富水性
利用双Packer分层抽水试验数据，计算DJ1、DJ2钻孔洛河组垂向各含水层段导水系数(表6和图14)。
表 6 洛河组垂向分层导水系数计算结果Table 6. Calculation results of coefficient of transmissibility of each aquifer in Luohe Formation垂向层段 导水系数计算值/(m2·d−1) 富水性 DJ1钻孔 DJ2钻孔 均值 上段 1.58 1.58 弱 中上段 116.94 65.60 91.27 强−很强 中下段 11.05 30.89 20.97 中等 下段 0.34 0.66 0.50 极弱 ![]()
图 14 洛河组垂向分层导水系数Figure 14. Sketch of coefficient of transmissibility of each aquifer in Luohe Formation洛河组垂向各含水层段导水系数差异显著，由表6和图14可知，富水性由强到弱依次为洛河组中上段、中下段、上段和下段。
计算洛河组全段导水系数为98.72~128.32 m2/d，富水性强至很强(表7)。
表 7 洛河组全段导水系数Table 7. Results of coefficient of transmissibility of Luohe Formation钻孔 洛河组全段导水系数计算值/(m2·d–1) 富水性 DJ1 128.32 很强 DJ2 98.72 强 4 结 论
a. 采用导水系数评价含水层富水性，并给出了导水系数富水性7级分级标准。导水系数T≤1 m2/d、1 m2/d<T≤10 m2/d、10 m2/d<T≤50 m2/d、50 m2/d<T≤100 m2/d、100 m2/d<T≤200 m2/d、200 m2/d<T≤400 m2/d、T>400 m2/d依次表示富水性极弱、弱、中等、强、很强、特强、极强。
b. 采用综合富水性指数法将洛河组垂向上划分为上段、中上段、中下段和下段4个含水层段。对比分析了洛河组垂向分层水文地质特征。其中上段和下段厚度较小，中上段和中下段厚度较大；上段和下段为砂泥岩互层状地层，中上段和中下段以砂岩类地层为主，泥岩类地层几乎不发育；富水性上段弱，中上段强至很强，中下段中等，下段极弱。
c. 与单位涌水量评价方法相比，导水系数富水性评价方法同样具有计算简单和便于现场应用的优点，同时理论上更科学、严谨，分级更精细。
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