呼吉爾特礦區(qū)深埋工作面頂板水文地質特征

徐圣集

（陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西 榆林719000）

鄂爾多斯盆地是燕山運動期形成的中生代大型內陸坳陷[1]，在中侏羅世早期（延安組），盆地主要被泥砂質沖積體系和遞進于低能淡水湖泊中的三角洲體系充填[2]，構造條件較穩(wěn)定和源區(qū)粗粒碎屑供應相對貧乏，導致了穩(wěn)定的煤層堆積和豐富的煤炭資源形成[3-4]。受特提斯構、古亞洲和環(huán)太平洋等構造域的聯(lián)合作用[5]，在侏羅紀煤層頂板形成了白堊系志丹群、延安組三段真武洞砂巖、直羅組一段七里鎮(zhèn)砂巖等[6]富水含水層。呼吉爾特礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部侏羅紀深埋煤田區(qū)，是未來我國煤炭資源開發(fā)的重點區(qū)域，呼吉爾特礦區(qū)共規(guī)劃有7 座礦井，目前除梅林廟礦井處于停工狀態(tài)、沙拉吉達礦井未建外，其余的5 座礦井都已建成、處于生產階段。呼吉爾特礦區(qū)白堊系含水層與主采煤層之間距離在300 m 左右，導水斷裂帶高度一般不大于130 m[7]，不會直接波及白堊系含水層。侏羅紀直羅組和延安組以辮狀河、曲流河和湖泊相沉積為主[8]，具有橫向上不連續(xù)性、垂向上與各粒級砂巖成互層狀分布特點[9]，在淺部毛烏素沙漠強富水含水層水長期下滲作用下，煤層頂板直接充水含水層形成了“高水壓、強富水、非均一”特征，對煤炭安全開采具有較嚴重的水害威脅[10]，工作面回采過程中不僅涌水量大，而且波動變化，容易產生影響綜采面正常生產、工作面排水系統(tǒng)癱瘓、工作面被淹等水害問題。因此非常有必要針對呼吉爾特礦區(qū)的工作面開展頂板水文地質特征研究。

1 研究區(qū)概況

呼吉爾特礦區(qū)位于鄂爾多斯剝蝕高原向陜北黃土高原過渡地帶，研究區(qū)位置示意圖如圖1，毛烏素沙漠占據(jù)了區(qū)內大部分地區(qū)，總的地形趨勢是中東部高，海拔高度1340～1 410 m，最高處在水頭梁-烏拉西壕一帶，海拔高度在1 418 m 左右。整個呼吉爾特礦區(qū)屬高原沙漠地貌特征，地表全部被第四系風積沙所覆蓋，多為新月形或波狀沙丘，沒有基巖出露。井田內植被稀疏，為半荒漠地區(qū)，沙丘及沙地間常分布有大小不等的積水洼地，地形相對高差一般為10～30 m。研究區(qū)屬北溫帶半干旱半沙漠高原大陸性氣候，四季寒暑巨變，當?shù)貧鉁卦?27.9~+36.6℃，年降水量為194.7～531.6 mm，多集中于7～9 3 個月；年蒸發(fā)量為2 297.4～2 833 mm，年蒸發(fā)量為年降水量的5～10 倍。地勢平緩，地面多為第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組松散巖類地層和全新統(tǒng)風積沙組成，滲透性能好，為大氣降水入滲起到良好的導滲作用，地面很少形成溝谷和大的地表水體，因而區(qū)內地表水系極不發(fā)育，僅在地勢低洼、地下水位埋深較淺的灘地，雨后可形成局部積水。

2 煤層頂板地質特征

圖1 研究區(qū)位置示意圖

呼吉爾特礦區(qū)地層屬于鄂爾多斯分區(qū)烏審旗小區(qū)，據(jù)煤田地質鉆探揭露，礦區(qū)中生代地層發(fā)育較齊全、厚度大，以侏羅紀延安組為底，頂板地層自老而新依次是中侏羅直羅組和安定組、下白堊統(tǒng)志丹群伊金霍洛組和東勝組、新近系上新統(tǒng)、第四系上更新統(tǒng)薩拉烏素組和全新統(tǒng)。由于延安組主采煤層開采形成的導水斷裂帶只發(fā)育至直羅組，因此煤層頂板延安組三段和直羅組是工作面回采過程中的直接充水含水層。延安組三段從主采煤層砂泥巖頂板之上的砂巖開始至延安組頂界面，厚度22.2~134 m，平均83.9 m；由灰白色含礫粗、中粒砂巖夾深灰色粉砂巖、砂質泥巖及2 煤組構成；低異常電阻率值，曲線形態(tài)起伏不大，聲波時差值低異常，曲線形態(tài)低平，自然伽瑪值為中高異常，曲線形態(tài)中上部高，中下部低。直羅組發(fā)育2 個沉積韻律，每個韻律底部為細礫巖或者含礫粗砂巖；下部直羅組一段以灰綠色、青灰色中粗粒長石砂巖為主，局部夾粉砂巖、砂質泥巖；上部直羅組二段以灰綠色砂質泥巖、泥巖與灰綠、黃綠色粉砂巖互層為主。直羅組與延安組平行不整合，厚度71.1~238.4 m，平均161.2 m。

受沉積旋回控制，以較厚層砂巖為旋回底界標志，結合區(qū)域性標志層（薄煤層及泥巖）和巖性、顏色變化特征，延安組三段和直羅組一段分別發(fā)育了一厚層粗-中砂巖段，其中真武洞砂巖位于延安組三段，巖性為灰白略帶黃色細粒硬砂質長石砂巖，厚度3.2～14 m，平均9.7 m，發(fā)育板狀斜層理、底沖刷侵蝕面；七里鎮(zhèn)砂巖位于直羅組底部，與下覆延安組呈沖刷接觸，厚度14.6～31 m，平均26.3 m，以曲流河沉積為主，局部發(fā)育薄煤層或煤線。

3 頂板水文地質特征

3.1 含水層與煤層距離

延安組三段真武洞砂巖含水層與3-1 煤頂板間距0～23.4 m，厚度分布極不均一，富水性變化也非常顯著；巷道掘進過程中錨索和錨桿可穿透頂板隔水層較薄的區(qū)段，形成巷道頂板的大面積淋水；頂板隔水層厚度較大的區(qū)段，在工作面回采階段將形成采空區(qū)涌水，成為直接充水含水層。直羅組一段七里鎮(zhèn)砂巖在距離煤層頂板25～37.1 m 和65.2～75.1 m 位置分別出現(xiàn)，該層砂巖含水層處于工作面采后頂板垮落導水斷裂帶發(fā)育范圍之內，是工作面回采最主要的直接充水含水層。

3.2 含水層富水特征

鑒于七里鎮(zhèn)砂巖是呼吉爾特礦區(qū)煤層開采最主要的直接充水含水層，針對該含水層開展了井下頂板探放水鉆孔施工和放水試驗，七里鎮(zhèn)砂巖含水層水量和水壓變化特征如圖2。結果表明：第1 階段：鉆孔初次揭露七里鎮(zhèn)砂巖含水層底部（永久煤倉附近），盡管鉆孔涌水量在45~49 m3/h，但水壓高達6 MPa；第2 階段：隨著井下巷道掘進的持續(xù)進行，多個出水點（或鉆孔）對該含水層進行了長期的疏降，在首采工作面中部，頂板探放水鉆孔水壓減小至4.7 MPa 左右，單孔涌水量在140~150 m3/h；第3 階段：工作面切眼附近鉆孔施工期間，由于工作面放水試驗作用，鉆孔水壓減小至3 MPa 左右，由于切眼附近富水性較強，單孔涌水量在150~160 m3/h 之間；第4 階段：由于七里鎮(zhèn)砂巖含水層疏放水強度加大，工作面后續(xù)鉆孔水壓降至2 MPa 以下，單孔涌水量降至80~120 m3/h。根據(jù)七里鎮(zhèn)砂巖的鉆孔實際揭露情況，可以確定七里鎮(zhèn)砂巖未擾動條件下水壓約6 MPa，單孔涌水量150~160 m3/h；根據(jù)首采工作面中部放水試驗結果，計算得到七里鎮(zhèn)砂巖含水層平均滲透系數(shù)K 為0.648 m/d，最大為1.25 m/d，影響半徑為1 825 m。

圖2 七里鎮(zhèn)砂巖含水層水量和水壓變化特征

3.3 工作面采前預疏放

通過對工作面頂板含水層地質沉積相和富水規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)主采煤層頂板各含水層（特別是七里鎮(zhèn)砂巖）盡管表現(xiàn)為“高水壓、強富水、非均一”特征，但隨著井下采掘過程的持續(xù)揭露和疏水，各含水層的水壓和水量衰減較快，因此制定了工作面回采前對頂板導水斷裂帶范圍內含水層水實施分段預疏放的方案。首先在切眼附近600 m 段（先期預疏放段）施工了83 個頂板水預疏放鉆孔，鉆孔傾角45°，終孔孔深150 m，垂高100 m。先期預疏放段七里鎮(zhèn)砂巖含水層水壓變化曲線如圖3。

圖3 先期預疏放段七里鎮(zhèn)砂巖含水層水壓變化曲線

經過2 個月的采前預疏放，先期預疏放段的總預疏放水量165.3×104m3，鉆孔總涌水量從1 107 m3/h 衰減值356 m3/h，并基本保持穩(wěn)定，平均單孔涌水量為6.47 m3/h。預疏放段的兩端對含水層水起到截流作用，單孔涌水量相對較大，其余鉆孔單孔涌水量均小于5 m3/h；3 個壓力觀測孔的壓力分別為0.75、0.75、0.61 MPa，先期預疏放段含水層壓力已經疏降至1 MPa 以下。

3.4 采空區(qū)涌水量

工作面回采過程中，隨著回采進尺的增加，覆巖呈周期性垮落，并發(fā)育導水斷裂帶溝通真武洞砂巖和七里鎮(zhèn)砂巖，導致這2 個含水層水持續(xù)涌入采空區(qū)，工作面回采過程中采空區(qū)涌水量變化曲線如圖4。采空區(qū)涌水量表現(xiàn)為如下規(guī)律：①0~530 m：由于長期疏放水作用，采空區(qū)涌水緩慢增加，但涌水量相對較小，最大水量為101 m3/h；②530~1 010 m：工作面回采至538~561 m 段（進尺23 m），采空區(qū)涌水量經歷了1 次較大的臺階式增加，由101 m3/h 突增至327 m3/h，之后涌水量較為平穩(wěn)；③1 010~2 800 m：采空區(qū)涌水量呈線性增加趨勢，水量由436 m3/h 增至863 m3/h，其中1 500~1 750 m 和2 000~2 500 m段涌水量基本穩(wěn)定在600 m3/h 和700 m3/h 左右；④2 800 m~回采結束（3 200 m）：采空區(qū)涌水量總體上趨于穩(wěn)定，水量穩(wěn)定在900 m3/h 左右，上下波動幅度在20 m3/h 以內?？傮w上，工作面回采過程中采空區(qū)涌水量隨著回采進尺的增加而增加，最終采空區(qū)總涌水量為621.7×104m3，。

工作面煤層平均厚度5.2 m，實際采出煤炭資源量530 萬t，工作面總排水量為787×104m3，根據(jù)富水系數(shù)計算公式：

圖4 工作面回采過程中采空區(qū)涌水量變化曲線

式中：Kp為礦井富水系數(shù)（噸煤排水量）；Q 為某一時期內礦井（或工作面）排水量；P 為同一時期的開采量。

計算得到該工作面富水系數(shù)為Kp=1.48，遠大于神府、新街等黃土溝壑和基巖臺地區(qū)的富水系數(shù)（普遍<0.3），表明呼吉爾特礦區(qū)主采煤層頂板直接充水含水層（包括七里鎮(zhèn)砂巖和真武洞砂巖）富水性較強。

4 結 論

1）呼吉爾特礦區(qū)主采煤層頂板受河流相（曲流河）沉積控制，在延安組三段和直羅組一段形成了砂泥巖互層結構，其中導水斷裂帶范圍內的真武洞砂巖和七里鎮(zhèn)砂巖是最主要的中粗砂巖段。

2）受毛烏素沙漠強富水松散層水下滲作用，真武洞砂巖和七里鎮(zhèn)砂巖具有“高水壓、強富水、非均一”特征，特別是七里鎮(zhèn)砂巖含水層，未擾動條件下水壓為6 MPa，井下單孔涌水量為150~160 m3/h。

3）放水試驗和采前預疏放結果顯示，直接充水含水層具有良好的可疏降性，先期開采段（0~600 m）采前大部分頂板鉆孔水量降至5 m3/h 以下，水壓降至1 MPa 以下，具備安全回采的水文地質條件。

4）整個工作面回采的過程中，總的排水量高達787×104m3，富水系數(shù)為1.48，遠大于神府、新街等礦區(qū)，表明呼吉爾特礦區(qū)煤層頂板直接充水含水層富水性較強。