袁大灘煤礦煤體含水形成機理及防治對策研究

劉瑞瑞

(陜西中能煤田有限公司，陜西 榆林 719000)

煤炭是由植物遺骸經(jīng)過生物化學(xué)作用(泥炭化階段)與物理化學(xué)作用(煤化階段)而轉(zhuǎn)變成的沉積有機礦產(chǎn)，是多種高分子化合物和礦物質(zhì)組成的混合物。煤層一般被認為是良好的隔水層，而礦井開采期間的水害防治也主要集中于煤層頂、底板砂巖裂隙水或灰?guī)r水的富水性研究，對于煤體含水的現(xiàn)象無論是揭露情況還是研究程度則較為缺乏，但煤體含水對采掘安全的威脅性卻是不容小覷。袁大灘煤礦11201運順掘進期間至1 712 m處，工作面煤層出水量增大明顯，實測涌水量為152.48 m3/h，榆橫礦區(qū)北部小紀汗煤礦2煤生產(chǎn)期間也出現(xiàn)煤體出水的情況。因此有針對性地分析煤體含水的形成機理，分析其賦存特征，制定有效的防治措施，對礦井水害防治具有重要的意義。

1 礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)

袁大灘煤礦礦井地層由老至新依次為三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)、侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)洛河組(K1l)、第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l)、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)及全新統(tǒng)風積沙(Q4eol)。袁大灘井田中生代地層簡表詳見表1。侏羅系中統(tǒng)延安組為主要的含煤地層，可采煤層共有7層，其中，2煤可采厚度約0～4.12 m，平均厚約2.09 m，煤層裂隙較為發(fā)育，一般充填有方解石脈。煤層頂板主要為細粒砂巖、粉砂巖，次為泥巖或中粒砂巖，底板主要為粉砂巖，次為細粒砂巖，中粒砂巖，炭質(zhì)泥巖，砂質(zhì)泥巖。

礦井主要含水層為第四系松散層及白堊系下統(tǒng)洛河組孔隙、裂隙潛水含水層、侏羅系直羅組砂巖孔隙、裂隙承壓含水層及2-3-1煤間砂巖孔隙、裂隙承壓含水層。礦井兩個相對隔水層分別為侏羅系安定組相對隔水層及侏羅系延安組頂部至2煤頂板粉細砂巖相對隔水層，具體可見袁大灘煤礦先期開采地段含、隔水層段相對位置關(guān)系(圖1)。其中，侏羅系直羅組砂巖孔隙、裂隙承壓含水層是2煤開采的主要充水水源，含水層富水性極不均一。袁大灘煤礦巷道掘進期間始終伴隨著煤層出水的情況，2煤巷道掘進直接充水水源為2煤煤層裂隙水和2煤頂板延安組砂巖孔隙裂隙水，主要充水方式以巷道頂板、側(cè)幫滴淋水，出水量較大，但出水時間較短，與傳統(tǒng)對煤巖層水文地質(zhì)特征的認識有著很大的不同。

表1 袁大灘井田中生代地層

圖1 袁大灘煤礦先期開采地段含、隔水層段相對位置關(guān)系

2 煤體含水形成機理分析

煤體含水層的形成應(yīng)包含3個條件：① 煤體中應(yīng)具有儲水空間；② 具備儲存地下水的地質(zhì)結(jié)構(gòu)；③ 具有一定的補給水源。三者缺一不可。

2.1 煤體孔隙、裂隙發(fā)育所形成的儲水空間

煤體內(nèi)的儲水空間主要是由煤層內(nèi)孔隙、裂隙組成。因此，其儲水能力的大小受制于孔隙、裂隙發(fā)育的規(guī)模，而煤巖層孔隙、裂隙發(fā)育程度又受煤體本身結(jié)構(gòu)、地壓、地質(zhì)構(gòu)造等多因素影響。

袁大灘煤礦2煤組作為侏羅系延安組煤層，相較于石炭、二疊系含煤地層來說其沉積變質(zhì)程度較低，屬低煤階煤層。煤層自身的孔隙較為發(fā)育，為煤體儲水提供了儲水空間。根據(jù)三維地震勘探成果，袁大灘煤礦共查明斷層12條，古沖溝1處。斷層全部為正斷層，落差最大約為6 m，斷層傾角一般約為45°～65°，其中可靠斷層1條DF04：正斷層，位于11201工作面中東部，Y3-4鉆孔與Y4-4鉆孔之間，走向NWW，傾向NEE，傾角45°～55°，落差0～6 m，區(qū)內(nèi)延展長度80 m，切割2煤，順槽掘進過程中未揭露。較為活躍地質(zhì)構(gòu)造活動，使煤體完整性遭到破壞，煤層裂隙密集發(fā)育，裂隙內(nèi)一般充填有方解石脈或黃鐵礦條帶，使煤體具備了形成儲水空間條件。

2.2 含隔水層的不同架構(gòu)所形成的儲水地質(zhì)結(jié)構(gòu)

含水層的構(gòu)成一般包括2種類型：① “透水—含水—隔水”型；② “隔水—含水—隔水”型。只有在透水層下部形成有效的隔水層才能保證地下水不流失，形成具備儲水能力的含水層。

2.2.1 頂板含水層分析

不同的沉積環(huán)境塑造了不同的地層結(jié)構(gòu)，不同巖相組合所形成的不同地層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其含(隔)水性上的差異。根據(jù)《袁大灘煤礦首采區(qū)水文地質(zhì)條件及水害立體防治技術(shù)研究》項目的研究成果，袁大灘煤礦直羅組主體以三角洲與河流沉積體系為主。三角洲與河流沉積相主要由河道沙壩亞相和河漫灘亞相組成，河道砂壩主要為中、細砂巖，具底沖刷面，見滯留沉積及大量植物碎片和碳屑。河漫灘亞相主要為粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖或泥巖互層，見各種蟲孔構(gòu)造。根據(jù)袁大灘井田直羅組一段砂巖厚度圖(圖2)，先期開采地段井田北部直羅組一段含水巖層的砂體厚度及展布范圍明顯大于南部，砂體厚度達7.3～44.4 m，平均為23.9 m，砂體展布具有明顯的條帶性，總體方向呈NW-SE向。

圖2 袁大灘井田直羅組一段砂巖厚度

根據(jù)以往的水文地質(zhì)研究表明，袁大灘煤礦直羅組含水層距2煤頂板為0～67.23 m左右，厚度77.70～195.74 m，平均132.37 m。根據(jù)富水性強度的不同又將其劃分為2段：① 直羅組上段厚度40.24～109.80 m，平均66.05 m，富水性較弱；② 直羅組下段厚度30.90～117.29 m，平均66.32 m，富水性較強，且富水性不均一，具有條帶性。

2.2.2 底板隔水層分析

根據(jù)礦井鉆孔剖面圖，可以明顯的發(fā)現(xiàn)，2煤底板一般沉積有1—2層厚約3～15 m的以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主的灰白色隔水層，其含泥量較高，在掘進中常出現(xiàn)遇水泥化的情況。

綜合上述分析，2煤頂板直接充水水源為直羅組含水層，其富水性弱～強，距煤層頂板較近，具有條帶式分布的特征，這一特征使煤體含水強弱存在一定的差異性和條帶性；2煤底板為穩(wěn)定的砂質(zhì)泥巖、泥巖所構(gòu)成的隔水層。總體的地層顯現(xiàn)出“透水—含水—隔水”的結(jié)構(gòu)特征，使煤體具備了成為含水層的條件。

2.3 地下水補給水源

含水層形成的第3個條件是需要穩(wěn)定的補給水源，形成穩(wěn)定的地下水流場。

根據(jù)《袁大灘煤礦先期開采地段水文地質(zhì)補充勘探報告》成果，通過對ZLC-3、ZLC-7、ZLC-8號鉆孔延安組煤系地層基巖裂隙含水層進行抽水試驗，同時觀測ZLG-3、ZLG-8、ZLG-10號鉆孔侏羅系直羅組含水層水位變化情況并總結(jié)分析可知，延安組煤系地層基巖裂隙含水層富水性不均一，且與侏羅系直羅組含水層有一定的水力聯(lián)系。

如圖3所示，本區(qū)局部地區(qū)(如Y1-4、Y4-1鉆孔附近)，由于直羅組時期古河床的沖刷作用，導(dǎo)致2煤頂板延安組地層(主要為J2y5巖性段)缺失，即缺失了第二相對隔水層段，隔水性能變差，直羅組含水層直接與2煤頂板接觸，使得煤層直接頂板即為強富水含水層，這就為煤層富水提供了補給水源。

圖3 煤層富水形成原因示意

2.4 形成機理總結(jié)

根據(jù)上述對煤體儲水結(jié)構(gòu)、地層結(jié)構(gòu)、補給水源的多方面分析，基本理清了煤層成為含水層的幾個要素，結(jié)合礦井采掘巷道實際出水情況，袁大灘煤礦2煤具備成為含水煤體的條件，煤層富水的主要原因為：直羅組強含水層與煤層頂板接觸，且煤層本身裂隙較為發(fā)育，使得直羅組含水層中的水可以補給并儲存在煤層中，造成煤層富水。

3 煤體含水的防治措施

根據(jù)煤層水害形成的特點分析，結(jié)合袁大灘煤礦井下采掘巷道涌水實際，總結(jié)煤體含水主要有以下3個特點。

(1)靜儲量為主，補給有限。由于煤層本身并非含水層，而只是儲水空間，因此煤層水主要以靜儲量為主，補給有限。

(2)先期涌水量較大，后期會逐漸衰落。袁大灘煤礦煤層富水的情況與小紀汗煤礦極為相似，由于煤層含水以靜儲量為主，前期剛揭露時，涌水量較大，且隨著揭露面積的增大，涌水量大幅增大，后期隨著對煤層儲水空間中靜儲量的消耗，涌水量會逐漸衰減。

(3)富水性不均一。由于煤層中裂隙發(fā)育程度不同，與補給區(qū)的距離不同等因素，煤層在不同區(qū)域富水性差別較大。

煤體的儲水結(jié)構(gòu)、煤巖層所構(gòu)成的地層結(jié)構(gòu)是人力無法改變或較難改變的。針對煤體含水的特點，結(jié)合當下較為有效的水害防治技術(shù)，提出了以“探”、“疏”、“排”為要點的煤體水害防治思路?！疤健奔次锾?，利用物探手段圈定超前區(qū)域富水異常區(qū)；“疏”即超前疏放煤體含水量，并截斷上覆含水層的補給水源；“排”即建立完善排水系統(tǒng)，并利用煤層自然起伏形成自然導(dǎo)流溝渠。

袁大灘煤礦始終堅持著“逢掘必探、先探后掘”的防治水原則，鑒于井田總體構(gòu)造形態(tài)呈向北西或北西西微傾的單斜構(gòu)造，傾角小于1°，受煤層起伏影響，一般超前探布置2個鉆孔，一個沿巷道掘進方向水平布置探煤層，另一個向上微傾探煤層頂板。此類鉆孔的布置方式基本保證了礦井掘進安全，但對于煤層富水的疏放，減少煤層含水對掘進的影響方面則作用相對較小。

針對礦井實際情況，結(jié)合臨近礦井在煤體含水治理方面所開展的工作，提出如下幾點防治措施。

(1)推廣應(yīng)用物探技術(shù)：煤體含水層富水性受煤層孔隙、裂隙發(fā)育情況，補給強度大小的影響，易形成局部的富水異常區(qū)，利用瞬變電磁法等勘探手段可以較準確地圈定較強的富水異常區(qū)。例如，袁大灘煤礦水文地質(zhì)補勘期間對先期開采地段2號煤進行了系統(tǒng)的物探，初步確定了6個低阻異常區(qū)，為2煤巷道掘進期間水害防治提供了可靠技術(shù)保障。

(2)有針對性地高強度疏放：根據(jù)“物探先行、鉆探驗證”的防治水手段，對于物探圈定的富水異常區(qū)，結(jié)合沉積相研究成果，對強富水區(qū)域開展有針對性的超前疏放水工作，主要是利用打鉆方式進行驗證并超前疏放。結(jié)合袁大灘煤礦井下生產(chǎn)實際，巷道掘進至物探圈定的低阻異常區(qū)時，煤層出水量明顯增大，利用超前探放水鉆孔施工及巷道自然疏放相結(jié)合的方式基本可滿足探放水需要，有效避免水害事故發(fā)生或影響正常掘進。需要明確說明的是，煤體含水其連通性一般較差，水頭壓力較小，因此，疏放水鉆孔的布置不能僅憑借單個鉆孔，應(yīng)根據(jù)出水位置合理的成組布置鉆孔，如圖4利用普通鉆機及定向鉆機相結(jié)合的不同布孔方式。

圖4 普通鉆機及定向鉆機相結(jié)合的不同布孔方式

(3)因地制宜建設(shè)排水系統(tǒng)：袁大灘煤礦2煤總體呈東南高、西北低的趨勢。以井田北翼為例，巷道在掘進期間一般為下山，局部由于煤層起伏或地質(zhì)構(gòu)造影響而出現(xiàn)上山的情況。對于上山掘進建議開挖臨時水溝，使煤層出水自流至臨時水窩后外排。下山掘進巷道的排水則需要因地制宜的去考慮排水方案，有如下幾點建議：① 開挖臨時水窩，水窩大小應(yīng)根據(jù)巷道出水情況及水窩布置的密度決定；② 在巷道內(nèi)每隔30 m左右開挖小型的隔水溝槽，將掘進頭后方煤層出水倒流至臨時水窩內(nèi)，同時起到過濾的作用；③ 上述2種方法實施后，掘進頭附近主要有生產(chǎn)用水及揭煤出水，建議在掘進設(shè)備兩側(cè)靠后提前開挖小型水泵窩，布置排污能力較強的大排量泥漿泵；④堅持“永臨”結(jié)合，根據(jù)涌水量大小，在臨時排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上逐步建立完善工作面永久排水系統(tǒng)。

(4)煤體出水應(yīng)采取多種手段并用的防治技術(shù)措施，不能依靠單一的方法來解決復(fù)合問題。如袁大灘煤礦11202回風順槽掘進期間1 270 m處施工的定向長鉆孔(當時迎頭里程約1 350 m)，孔深819 m，單孔最大出水量達31.6 m3/h，鑒于當時礦井建設(shè)任務(wù)重、工期緊，且定向長鉆孔疏放水周期相對較長，不具備實施有利條件，僅是針對11202回順富水煤層進行初步試驗，未能大面積推廣應(yīng)用，若是能夠采取物探手段超前探查圈定富水異常區(qū)，采取多孔聯(lián)合布置的疏放手段，建立完善工作面排水系統(tǒng)，富水煤層中高效采掘問題完全可以得到很好的解決。

4 結(jié) 語

(1)袁大灘煤礦煤體含水賦存于“透水—含水—隔水”型的區(qū)域地層結(jié)構(gòu)中，受上覆巖層水源補給、煤體本身孔隙、裂隙發(fā)育情況的影響，其富水性總體較弱，通常以靜儲量為主，補給有限，先期涌水量較大，后期會逐步衰弱，且煤層富水性分布不均一。

(2)針對煤體含水的特點，提出了以“探”、“疏”、“排”為要點的煤體水害防治思路。利用物探手段確定靶區(qū)，采取有針對性的鉆孔組合布置，提前對煤體進行疏放水，并因地制宜根據(jù)采掘情況布置排水系統(tǒng)，減少因煤體出水而導(dǎo)致采掘效率下降的情況發(fā)生。

(3)通過袁大灘煤礦煤體含水形成機理及防治對策初步研究，對陜北侏羅紀煤田榆橫礦區(qū)部分礦井煤層含水現(xiàn)象有了更為深刻的認識，同時對全國范圍內(nèi)類似礦井煤層水害防治具有一定的指導(dǎo)意義。