神府?東勝礦區(qū)高強(qiáng)度開(kāi)采頂板涌水特征及防治技術(shù)

許 峰 ，靳德武 ，楊茂林 ，王世東 ,3，黃 歡 ,3，黨亞堃 ,3

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077；4.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315)

目前，西部礦區(qū)是我國(guó)煤炭資源開(kāi)發(fā)供給的主戰(zhàn)場(chǎng)，隨著綜合機(jī)械化采煤工藝日漸成熟，在煤層賦存條件較為理想的基礎(chǔ)上，大部分礦井布設(shè)長(zhǎng)距離、大跨度工作面進(jìn)行高強(qiáng)度開(kāi)采。在其煤炭資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨頂板水害威脅，同時(shí)采煤活動(dòng)對(duì)地下水資源的擾動(dòng)及影響成為了西部礦區(qū)煤炭高效保水采煤需要解決的主要矛盾。因此，近年來(lái)圍繞我國(guó)西部煤炭資源高效開(kāi)發(fā)與頂板水害有效防控、地下水資源保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展等方面的研究越來(lái)越多，已成為目前的研究熱點(diǎn)之一[1-7]。其中，在西部礦區(qū)頂板水害防控及涌水規(guī)律研究方面，李東等[8]總結(jié)了鄂爾多斯盆地北部煤礦頂板水害的特征及形成機(jī)理，包括離層水害、薄基巖突水潰砂災(zāi)害和巨厚砂礫巖含水層頂板水害等，并提出了相應(yīng)的防治措施與方法；藺成森[9]基于彬長(zhǎng)礦區(qū)與巴彥高勒礦區(qū)頂板巨厚含水層水文地質(zhì)特征及水害防治問(wèn)題，提出了“三個(gè)體系”與“十法”相結(jié)合的防治水思路與方法；董書(shū)寧等[10]總結(jié)研究了鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田4 種典型頂板水害的形成機(jī)理、判識(shí)方法、主控因素和防控技術(shù)等，為遏制頂板水害事故的發(fā)生提供了技術(shù)支撐；趙春虎等[11-12]提出榆神礦區(qū)煤層開(kāi)采頂板涌水的3 種模式：淺埋煤層側(cè)向直接涌水、中深煤層側(cè)向與垂向復(fù)合涌水以及深埋煤層側(cè)向涌水與垂向弱涌水，并采用數(shù)值方法進(jìn)行了分析，同時(shí)提出基于預(yù)裂–改性注漿(P-G)的煤層頂板失水控制技術(shù)思路，對(duì)榆神礦區(qū)采煤工作面頂板含水層失水控制方法進(jìn)行了探討；王洋等[13]針對(duì)蒙陜礦區(qū)深部侏羅系礦井開(kāi)采頂板水害提出了“斷源截流、集中疏排、源頭預(yù)防、超前治理”的治理思路，總結(jié)了4 種地下水截流治理模式等；喬偉等[14]總結(jié)西部礦井頂板離層水害形成機(jī)制與致災(zāi)機(jī)理，并提出離層水害的預(yù)測(cè)預(yù)警與防治關(guān)鍵技術(shù)等；武謀達(dá)等[15]通過(guò)對(duì)大佛寺煤礦頂板洛河組含水層進(jìn)行分析，認(rèn)為洛河組富水性、開(kāi)采強(qiáng)度及煤與含水層間距是影響區(qū)內(nèi)4 煤層開(kāi)采過(guò)程中頂板涌水的主要因素，隔水層巖性及結(jié)構(gòu)變化、區(qū)域構(gòu)造則在4上煤開(kāi)采涌水過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

以上及其他一系列研究[16-21]極大豐富了我國(guó)西部礦區(qū)頂板水害防控技術(shù)、頂板涌水規(guī)律及理論體系等。但以往研究大部分集中在頂板水害防控方面，對(duì)于頂板涌水規(guī)律尚未進(jìn)行系統(tǒng)的劃分，尤其是采煤工作面尺度的煤?水空間組合與涌水規(guī)律之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系缺乏系統(tǒng)分類(lèi)研究。為此，筆者以神府?東勝礦區(qū)礦井為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)了區(qū)內(nèi)50 個(gè)已回采工作面的涌水?dāng)?shù)據(jù)，并進(jìn)行分類(lèi)分析，提出相應(yīng)防治水對(duì)策，以期為相似礦井的頂板水害防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

1.1 覆巖地層分布及特征

神府?東勝礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部，開(kāi)采侏羅紀(jì)煤層，是我國(guó)煤炭開(kāi)發(fā)的重要基地，同時(shí)，該區(qū)位于毛烏素沙漠與黃土高原的接壤地帶，為干旱半干旱地區(qū)，區(qū)內(nèi)地貌以風(fēng)積沙、黃土及河谷地貌為主。區(qū)域地層由老至新分別為：三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組，侏羅系富縣組、延安組、直羅組、安定組，白堊系志丹群，新近系保德組，第四系離石組、薩拉烏蘇組和風(fēng)積層及沖積層，區(qū)域地層劃分見(jiàn)表1。其中侏羅系延安組為區(qū)域含煤地層，主要可采煤層包括1?2、2?2、3?1、4?2、5?2煤層，受鄂爾多斯盆地總體構(gòu)造特征影響，該區(qū)地層呈向西傾斜的單斜構(gòu)造，自東向西主采煤層埋深也逐漸加大。

表1 區(qū)域地層Table 1 Regional strata

1.2 含(隔)水層分布及特征

根據(jù)研究區(qū)歷年勘探資料表明，區(qū)內(nèi)含水層主要?jiǎng)澐譃榈谒南邓缮r類(lèi)孔隙含水層組、碎屑巖孔隙?裂隙含水層組和燒變巖孔隙裂隙含水層。隔水層主要為保德組土層，侏羅系安定組等，含隔水層的空間分布如圖1 所示，各自特征見(jiàn)表2。

表2 神府?東勝礦區(qū)含(隔)水層特征Table 2 Characteristics of aquifers(aquifuges) in Dongsheng Mining Area of Shenfu Coalfield

圖1 神府?東勝礦區(qū)煤–水空間關(guān)系Fig.1 Schematic diagram of coal-water spatial relationship in Dongsheng Mining Area of Shenfu Coalfield

第四系松散巖類(lèi)孔隙含水層組主要包括第四系全新統(tǒng)風(fēng)積層潛水(Q4eol)、河谷沖積層潛水(Q4al)以及上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組潛水(Q3s)含水層。碎屑巖孔隙?裂隙含水層組主要包括白堊系下統(tǒng)志丹群伊金霍洛組潛水(K1zh2)、侏羅系中統(tǒng)直羅組裂隙潛水?承壓水(J2z)以及侏羅系中下統(tǒng)延安組裂隙承壓水(J1-2y) 含水層。燒變巖孔洞裂隙潛水含水層在礦區(qū)內(nèi)主要分布在煤層露頭，沿大型溝谷呈條帶狀及片狀分布，含水層受到大氣降水及上覆含水層補(bǔ)給，一般厚度4.2～11.5 m，滲透系數(shù)8.5 m/d，富水性中等–強(qiáng)。

礦區(qū)內(nèi)主要隔水層為保德組紅土，分布廣泛，是第四系松散含水層與基巖裂隙含水層之間的穩(wěn)定隔水層，隔水性能良好。

2 不同煤?水組合下頂板涌水規(guī)律

筆者統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)50 個(gè)已回采工作面的涌水?dāng)?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析，總結(jié)劃分為5 種典型的涌水特征：動(dòng)態(tài)補(bǔ)給主導(dǎo)的持續(xù)增長(zhǎng)型；“動(dòng)–靜”儲(chǔ)量共同作用的先增后穩(wěn)型；微涌水持續(xù)穩(wěn)定型；水文地質(zhì)條件差異化局部凸顯型以及靜儲(chǔ)量主導(dǎo)先增后減型，以下對(duì)5 種典型工作面涌水特征的成因機(jī)制進(jìn)行分析。

2.1 持續(xù)增長(zhǎng)型

1) 涌水規(guī)律

在工作面回采過(guò)程中，隨著回采距離的增加，采空區(qū)涌水量一直呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，直至回采末期，涌水量達(dá)到高峰，如圖2 所示。該類(lèi)涌水特征的典型工作面如錦界煤礦31401、31409、31201 工作面，回采末期工作面涌水量達(dá)到800 m3/h 以上，個(gè)別工作面甚至超過(guò)1 000 m3/h，給工作面臨時(shí)排水帶來(lái)巨大壓力。

圖2 錦界煤礦3 個(gè)典型工作面涌水量隨回采距離變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trend of water inflow with mining distance in three typical working faces of Jinjie Coal Mine

2) 成因分析

上述典型工作面均為錦界煤礦盤(pán)區(qū)首采面，其3?1煤層開(kāi)采主要充水含水層為頂板直羅組基巖風(fēng)化裂隙含水層(圖3)，含水層厚度為15～70 m。根據(jù)前期勘探資料，風(fēng)化巖含水層單位涌水量為0.040 2～0.666 0 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.142～0.882 m/d，富水性弱–中等。工作面范圍內(nèi)該含水層的靜儲(chǔ)量以及側(cè)向補(bǔ)給充沛，導(dǎo)水裂隙帶直接貫穿整個(gè)風(fēng)化基巖含水層，隨著工作面回采，采動(dòng)范圍增加，“采動(dòng)大井”范圍亦隨之增加，導(dǎo)致側(cè)向涌水量補(bǔ)給增大。同時(shí)，采動(dòng)波及的頂板風(fēng)化巖含水層厚度呈增大趨勢(shì)，釋放的靜儲(chǔ)量也隨之增加。在側(cè)向動(dòng)態(tài)補(bǔ)給與靜儲(chǔ)量補(bǔ)給共同作用下，工作面采空區(qū)涌水量較大且一直呈上升趨勢(shì)。

圖3 錦界礦典型工作面煤–水空間關(guān)系(回采方向)Fig.3 Coal-water spatial relationship of typical working faces(advancing direction) in Jinjie Coal Mine

2.2 先增后穩(wěn)型

1) 涌水規(guī)律

在工作面回采初期，采空區(qū)涌水呈現(xiàn)快速增加趨勢(shì)，但隨著回采的進(jìn)行，涌水量不再持續(xù)增加，直至回采結(jié)束，涌水量基本變幅不大，稍有波動(dòng)，但整體維持穩(wěn)定，如圖4 所示。該類(lèi)涌水特征的典型工作面如錦界煤礦31407、31114 工作面，在回采初期(工作面前500 m)涌水量迅速增加至300 m3/h 左右，隨后直至回采結(jié)束，涌水量依然維持在300 m3/h 左右。

圖4 錦界煤礦2 個(gè)典型工作面涌水量隨回采距離變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trend of water inflow with mining distance in two typical working faces of Jinjie Coal Mine

2) 成因分析

該類(lèi)工作面大都位于盤(pán)區(qū)中部，與已采工作面采空區(qū)相鄰。在回采初期上覆含水層靜儲(chǔ)量與動(dòng)態(tài)補(bǔ)給的共同作用導(dǎo)致涌水量增加，但由于相鄰采空區(qū)使含水層側(cè)向動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量大幅下降，隨著回采持續(xù)，工作面上方的靜儲(chǔ)量補(bǔ)給成為涌水量的主要組成，并使得涌水量持續(xù)維持穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 持續(xù)穩(wěn)定型

1) 涌水規(guī)律

在工作面回采的整個(gè)周期內(nèi)，采空區(qū)涌水量均較小，通常小于50 m3/h，且一直維持穩(wěn)定，如圖5 所示。典型工作面如上灣煤礦12401 工作面、柳塔煤礦12122 工作面、榆家梁煤礦52210 工作面等。

圖5 3 個(gè)典型工作面涌水量隨回采距離變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trend of water inflow with mining distance in three typical working faces of coal mines

2) 成因分析

該類(lèi)工作面煤層開(kāi)采頂板主要充水含水層為延安組和直羅組基巖裂隙含水層，其滲透系數(shù)一般為0.000 7～0.042 9 m/d，單位涌水量一般為0.004 4～0.008 0 L/(s·m)，滲透系數(shù)與單位涌水量的數(shù)量級(jí)均在10?2以下。由于富水性和滲透性弱，主要充水含水層側(cè)向動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量少，工作面涌水基本為弱含水層的靜儲(chǔ)量，隨著回采面積的增加，涌水持續(xù)維持穩(wěn)定的較低水平。

2.4 局部凸顯型

1) 涌水規(guī)律

工作面回采期間，采空區(qū)涌水變化較大，往往在工作面回采方向的某一區(qū)域涌水量突然增大，當(dāng)回采過(guò)這一范圍后，涌水量又恢復(fù)為較低水平。典型工作面如哈拉溝煤礦22410、22519 工作面和補(bǔ)連塔煤礦12413 工作面等。

2) 成因分析

通過(guò)前期勘探表明，哈拉溝煤礦22410 工作面距切眼100～1 050 m 范圍內(nèi)為基巖裂隙含水層的富水區(qū)域(圖6)，而根據(jù)工作面涌水量隨回采距離的變化趨勢(shì)來(lái)看，在工作面回采至256～1 262 m 時(shí)，涌水量呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，且基本大于30 m3/h，當(dāng)回采過(guò)富水區(qū)后，工作面涌水量逐漸下降，并維持較小的水平(圖7)。通過(guò)對(duì)比，工作面涌水較大區(qū)段與頂板基巖裂隙含水層富水區(qū)域基本吻合。

圖6 哈拉溝煤礦22410 工作面頂板基巖裂隙含水層強(qiáng)富水性區(qū)域分布Fig.6 Distribution of water rich zone of bedrock fissure aquifer in working face 22410 of Halagou Coal Mine

圖7 哈拉溝煤礦22410 工作面涌水量隨回采距離變化趨勢(shì)Fig.7 Variation trend of water inflow with mining distance in working face 22410 of Halagou Coal Mine

由哈拉溝煤礦22519 工作面涌水量隨回采距離變化趨勢(shì)(圖8)可以看出，在距切眼1 214～1 647 m 處時(shí)，涌水量呈局部增大。對(duì)照采掘平面圖(圖9)，在距切眼1 132 m 處為三元溝，溝內(nèi)松散層較厚，且富水，煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶已溝通松散含水層，導(dǎo)致涌水增大。同時(shí)，在往終采線方向回采時(shí)，基巖裂隙含水層變厚，也是導(dǎo)致工作面回采后期涌水增大的原因。

圖8 哈拉溝煤礦22519 工作面涌水量隨回采距離變化趨勢(shì)Fig.8 Variation trend of water inflow of working face 22519 with mining distance in Halagou Coal Mine

圖9 哈拉溝煤礦22519 工作面與三元溝位置Fig.9 Location of working face 22519 in Halagou Coal Mine and Sanyuangou

由補(bǔ)連塔煤礦12413 工作面涌水量隨回采距離變化趨勢(shì)圖(圖10)可以看出，當(dāng)工作面回采至1 360 m時(shí)，涌水量增大至100 m3/h 以上，當(dāng)回采過(guò)1 910 m后，涌水量逐漸減小至較低水平。通過(guò)圖11 可以看出，涌水增大段為工作面回采過(guò)補(bǔ)連溝地段，由于過(guò)溝段松散含水層厚度大，且基巖較薄，煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶溝通松散含水層，致使井下涌水增加。

圖10 補(bǔ)連塔煤礦12413 工作面涌水量隨回采距離變化趨勢(shì)Fig.10 Variation trend of water inflow of working face 12413 with mining distance in Bulianta Coal Mine

圖11 補(bǔ)連塔煤礦12413 工作面與補(bǔ)連溝位置關(guān)系Fig.11 Position relationship between working face 12413 and Buliangou in Bulianta Coal Mine

綜上所述，該類(lèi)工作面涌水基本與水文地質(zhì)的差異性有關(guān)，如含水層厚度、富水性變化以及上覆存在其他富水體(如采空積水區(qū))等，為工作面采空區(qū)涌水量變化的主控因素。

2.5 先增后減型

1) 涌水規(guī)律

工作面在回采過(guò)程中，采空區(qū)涌水量呈現(xiàn)出先增大后減少的特征，但總體涌水量不大，尤其在回采末期，涌水量降至較低水平。典型工作面如烏蘭木倫煤礦31408、12403 工作面和布爾臺(tái)煤礦22102 工作面等(圖12)。

圖12 烏蘭木倫煤礦等3 個(gè)典型工作面涌水量隨回采距離變化趨勢(shì)Fig.12 Variation trend of water inflow with mining distance in three typical working faces of Ulan Mulun Coal Mine and Bu’ertai Coal Mine

2) 成因分析

該類(lèi)涌水規(guī)律的工作面上覆存在多層充水含水層(圖13)，但各含水層單位涌水量均小于0.058 8 L/(s·m)，滲透系數(shù)均小于0.074 7 m/d。由于含水層富水性弱，工作面開(kāi)采后涌水以靜儲(chǔ)量為主，回采前期隨著面積的增加，導(dǎo)水裂隙帶波及多層含水層，使其靜儲(chǔ)量釋放導(dǎo)致涌水增大。在中后期，由于靜儲(chǔ)量有限且動(dòng)態(tài)補(bǔ)給微弱，涌水量逐漸減小，總體涌水量不大。

圖13 烏蘭木倫和布爾臺(tái)煤礦煤–水空間分布特征Fig.13 Characteristics of coal-water spatial distribution in Ulan Mulun Coal Mine and Bu’ertai Coal Mine

3 不同涌水規(guī)律下水害防治對(duì)策分析

通過(guò)以上涌水規(guī)律及5 種典型涌水特征研究，分析其補(bǔ)給形式，進(jìn)而提出相應(yīng)的水害防治思路及措施，見(jiàn)表3。當(dāng)工作面受側(cè)向補(bǔ)給較強(qiáng)時(shí)，根據(jù)實(shí)際水文地質(zhì)條件可采用帷幕截流措施為主、疏水降壓措施為輔的防治手段；當(dāng)工作面受頂板含水層靜儲(chǔ)量補(bǔ)給為主時(shí)，可提前疏水降壓，削峰平谷；當(dāng)工作面受到頂板含水層局部富水區(qū)域(或采空區(qū))涌水補(bǔ)給時(shí)，可有針對(duì)性地采取疏放、注漿治理等綜合措施，消除局部水患。

表3 不同工作面涌水類(lèi)型及防治對(duì)策Table 3 Types of water inrush in different working faces and countermeasures

4 結(jié)論

a.通過(guò)對(duì)礦區(qū)內(nèi)50 個(gè)已回采工作面的涌水?dāng)?shù)據(jù)分析，總結(jié)劃分了5 種典型涌水特征：持續(xù)增長(zhǎng)型、先增后減型、持續(xù)穩(wěn)定性、局部凸顯型以及先增后減型。

b.針對(duì)每種涌水規(guī)律，提出了相應(yīng)的水害防治對(duì)策及思路：當(dāng)工作面受側(cè)向補(bǔ)給較強(qiáng)時(shí)，根據(jù)實(shí)際水文地質(zhì)條件可采用帷幕截流措施為主、疏水降壓措施為輔的防治手段；當(dāng)工作面受頂板含水層靜儲(chǔ)量補(bǔ)給為主時(shí)，可提前疏水降壓，削峰平谷；當(dāng)工作面受到頂板含水層局部富水區(qū)域或采空區(qū)涌水補(bǔ)給時(shí)，可有針對(duì)性地采取疏放、注漿治理等綜合措施，消除局部水患等。

c.本文研究成果為基于統(tǒng)計(jì)分析總結(jié)的涌水規(guī)律，對(duì)受頂板水害威脅的西部大型礦區(qū)水害防治工作具有一定的借鑒意義，但對(duì)于每種類(lèi)型的涌水機(jī)理，有待于今后進(jìn)一步研究。