蒙陜深埋煤層首采工作面頂板富水性和涌水量差異研究

馬國逢，劉 洋，楊 建，王強民

(1.陜西中能煤田有限公司，陜西 榆林 719000；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

煤炭是我國長期穩定的主體能源[1，2]，是保障經濟發展和社會穩定的壓艙石，未來5至10年內煤炭產量仍將維持在40億t左右。西部煤炭資源稟賦優異，煤炭開采正向西部深部延伸，其中鄂爾多斯盆地內部侏羅紀煤田是開發的重點，其中位于蒙陜交界位置毛烏素沙漠的蒙陜礦區，由于開發時間較晚，煤層埋藏較深，水文地質條件掌握不清，在礦井建設和工作面回采過程中，發生了類型較多的水害事故[3-6]。整個礦井建設生產過程中，首采工作面回采是對頂板充水含水層第一次高強度擾動，也是查清開采擾動下水文地質條件的重要階段，對未來礦井水害防治具有重要意義，在單個工作面水文地質特征[7]、覆巖破壞特征[8]、涌水量演化規律[9]、涌水量預測[10，11]等方面開展了大量研究，總體上隨著工作面回采引起的頂板覆巖破壞，工作面涌水量呈逐漸增加趨勢，且多個工作面回采過程中，累加涌水量也呈逐漸增加趨勢[12]，反映出蒙陜礦區煤層頂板直接充水含水層補給較好；但是，由于地質、水文地質條件的復雜性，同一礦區的不同礦井采掘過程中，揭露的地層結構、含水層富水特征、工作面涌水規律等存在顯著差異，這給礦區范圍內防治水工作的開展帶來了較大難度，因此非常有必要對礦區范圍內多個礦井同一時期的擾動水文地質條件開展研究，例如對多個相鄰礦井首采工作面開展過程中涌水量差異性研究，有助于查清整個礦區初始開采擾動條件下的水文地質條件，為研究區長期高強度安全開發和避免水害事故發生提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于鄂爾多斯市烏審旗境內的呼吉爾特礦區，如圖1所示，2008年在礦區中南部先期開采區的母杜柴登礦最先開工建設，葫蘆素、門克慶和巴彥高勒等礦井也陸續跟進，目前這4個礦井都已經完成了首采工作面回采。呼吉爾特礦區位于毛烏素沙漠核心區，地勢相對平緩，未發育地表水系，第四系全新統風積沙覆蓋整個地表，主要由淺黃色/灰白色砂組成，最大厚度超過100 m；下伏第四系更新統薩拉烏蘇組，主要由細砂、粉砂和亞粘土組成。白堊系志丹群為一套紫紅色細砂巖與灰白色中細砂巖互層地層，以石英和長石為主，泥質膠潔，發育大型交錯層理，地層厚度普遍超過300 m，與上覆第四系地層呈不整合接觸，且由于地層之間未發育穩定的隔水層，含水層水力聯系密切，構成了一個統一的含水體。侏羅系安定組地層以灰綠色、黃紫褐色泥巖和砂質泥巖為主，含鈣質結核，相對于頂底板地層(白堊系志丹群和侏羅系直羅組)，泥巖及砂質泥巖含量明顯增多，是區域性較穩定的隔水層，與上覆白堊系志丹群呈不整合接觸。侏羅系直羅組和延安組是影響煤炭安全開采的主要地層，其中直羅組上段巖石粒徑較細，與安定組隔水性能相似；直羅組下段巖石粒徑較粗(中～粗砂巖)，礦化度較高[13]，是首采煤層開采過程中最主要充水含水層[14，15]；延安組為煤系地層，發育有煤層間含水層，總體富水性較弱。

圖1 研究區及首采工作面位置Fig.1 Location of study area and first mining face

2 首采工作面基本特征

呼吉爾特礦區葫蘆素、門克慶、母杜柴登和巴彥高勒4座礦井，由北向南分布，如圖1所示。葫蘆素煤礦首采工作面位于井田中部的一盤區西翼，北部為東翼三條大巷，西部為二盤區，東部為21103工作面，主采煤層為2-1煤，工作面傾長320 m，走向推進長度4500 m，采高2.85 m。門克慶首采工作面位于11盤區最西側，井底車場附近，主采煤層為3-1煤，工作面傾長260 m，走向推進長度3900 m，采高4.8 m。母杜柴登首采工作面位于井田南翼中部，302盤區東側，主采煤層為3-1煤，工作面傾長241 m，走向推進長度3417 m，采高5.25 m。巴彥高勒首采工作面位于首采區最東側，北部為哈頭才當水源地保護煤柱，南部為3-1煤輔運大巷，主采煤層為3-1煤，工作面傾長260 m，走向推進長度3656.5 m(由于受工業廣場保護煤柱影響，實際推進長度2589.3 m)，采高5.72 m。

3 頂板含水層富水特征

3.1 頂板關鍵含水層沉積特征

研究區煤層頂板直羅組早期受到沉積旋回控制，由于河流回春，對延安組地層進行了較為強烈的侵蝕，在區域上表現為延安組-直羅組不整合，這種現象在呼吉爾特礦區表現得尤其明顯，發育出區域性富水性較強的直羅組一段含水層(一般稱為“七里鎮砂巖”)，該層段沉積構造主要包括平行層理、槽狀交錯層理、過渡性層理和沖刷面。

七里鎮砂巖以中粒巖屑長石砂巖為主，巖石呈淺灰綠色、中粒結構，少量細砂和粗砂粒，巨厚層狀[16]。主要顆粒成分有石英(41.6%～44.8%)、長石(37.4%～41.1%)，巖屑少量(6%～9%)，次圓狀，點-線接觸。部分石英及長石見次生加大邊，云母具定向分布。巖石分選性中等～好，中粒間孔隙發育，粒間溶孔和粒內溶孔少量，孔隙連通性較好，面孔隙率3%～5%，未見明顯裂隙，巖石密度1.94～1.96 g/cm3，有效孔隙度25.94%～26.9%，水平方向滲透率240～548 mD。

3.2 頂板關鍵含水層富水性

母杜柴登和門克慶南翼位于古直羅河中部，如圖2所示，巖性以中粗粒砂巖和礫巖為主，河床寬度較大，對延安組下切較深，導致2-1煤普遍缺失，2-2煤局部缺失，該段七里鎮砂巖含水層厚度普遍大于40 m，井下探放水鉆孔初始涌水量普遍大于100 m3/h，其中門克慶南翼鉆孔初始涌水量15～187 m3/h(平均116.2 m3/h)，母杜柴登鉆孔初始涌水量80～150 m3/h(平均113.7 m3/h)，門克慶和母杜柴登首采工作面預疏放水量分別為130.0×104m3和165.0×104m3；葫蘆素、門克慶北翼和巴彥高勒絕大部分區域則位于直羅河古河床的兩岸，基本未切割2-1煤層，該段七里鎮砂巖含水層厚度一般在20～30 m，井下探放水鉆孔初始涌水量基本都小于30 m3/h，其中葫蘆素鉆孔初始涌水量1～10 m3/h(平均4.4 m3/h)，門克慶北翼鉆孔初始涌水量10～68 m3/h(平均26.2 m3/h)，巴彥高勒鉆孔初始涌水量0.2～60 m3/h(平均16.6 m3/h)，葫蘆素和巴彥高勒首采工作面預疏放水量分別僅為39.0×104m3和17.9×104m3。另外，井下探查鉆孔揭露直羅組古河道層段時，初始水壓高達6.0 MPa，總體上表現為富水性強、承壓水壓高的特征[17，18]。

圖2 七里鎮砂巖剖面Fig.2 “qili town”sandstone profile

4 首采工作面涌水差異性

4.1 首采工作面涌水變化規律

為了開展對工作面涌水規律研究，利用工作面中轉水倉下設的排水泵(排水量×排水時間)，統計工作面回采過程中涌水量數據，各礦井首采面涌水量如圖3所示。由于受到主采煤層覆巖充水含水層水文地質條件控制，各礦井首采工作面回采過程中涌水量變化規律存在明顯的差異。

圖3 各礦井首采面涌水量Fig.3 Water inflow from the first mining face of each mine

1)葫蘆素首采工作面回采過程中，0.0～2178.0 m階段，涌水量呈逐漸增加趨勢，最大涌水量為645.0 m3/h(回采至2178 m位置)，這個階段由于受到導水裂隙帶向上發育、周期性來壓、頂板含水層富水性差異等影響，涌水量波動性較大，涌水量的增加存在陡增現象；2178.0～3963.0 m階段，涌水量在500～600 m3/h之間波動，相對較為穩定；3963.0～4150.0 m階段，涌水量出現下降，主要是受到接續工作面采掘影響。

2)門克慶首采工作面回采過程中，0.0～3277.0 m階段，涌水量一直在持續增加，最大涌水量為1372.0 m3/h(回采至3277 m位置)，而且涌水量波動較小，反映了門克慶覆巖含水層(主要是七里鎮砂巖)整體富水性較強；3277.0～4500.0 m階段，涌水量呈“穩定—下降”趨勢，后期也是受到接續工作面采掘的影響。

3)母杜柴登首采工作面回采過程中，0.0～2914.0 m階段，涌水量呈持續增加趨勢，最大涌水量為938.0 m3/h(回采至2914.0 m位置)，其中506～560 m階段，由于導水裂隙帶向上發育至七里鎮強富水含水層，涌水量由92.0 m3/h，快速增加至327.0 m3/h，其他階段則呈較為穩定增加趨勢，反映了母杜柴登覆巖含水層(主要是七里鎮砂巖)整體富水性較強；2914.0～3417.0 m階段，涌水量基本穩定在910.0 ～940.0 m3/h之間。

4)巴彥高勒首采工作面回采過程中，0.0～2442.0 m階段，涌水量呈臺階式增加，在回采至350 m、1050 m、2060 m，出現了比較明顯的涌水量突增，增幅在60.0～200.0 m3/h，最終的最大涌水量為494.0 m3/h(回采至2380.0 m位置)；2442.0～2513.0 m階段，涌水量出現了陡降，降幅高達92.0 m3/h，主要是受到了相鄰次采工作面回采的影響。

4.2 首采工作面涌水差異性

首采工作面水文地質和涌水差異性參數見表1。四個礦井首采工作面涌水量，均隨著工作面回采呈逐漸增加趨勢，可以大致分為兩類：

表1 首采工作面水文地質和涌水差異性參數Table 1 Hydrogeology and water inflow parameters of the first mining face

1)葫蘆素和巴彥高勒礦井首采工作面位于直羅組古河床的兩岸(漫灘)，頂板七里鎮砂巖含水層厚度較薄、富水性較弱，工作面回采過程中涌水量相對偏小(最大涌水量分別為645.0 m3/h和494.0 m3/h)，且七里鎮砂巖含水層不同區域存在富水性差異，導致涌水量的增加呈臺階式，波動性較大，可以總結為“含水層薄、鉆孔涌水小、工作面涌水小和波動大”。

2)門克慶和母杜柴登礦井首采工作面位于直羅組古河床的中部，頂板七里鎮砂巖含水層厚度較大、富水性較強，工作面回采過程中涌水量相對偏大(最大涌水量分別為1372.0 m3/h和938.0 m3/h)，且七里鎮砂巖含水層整體富水性較強、富水性較均一，涌水量的增加呈平穩增加態勢，波動性較小，可以總結為“含水層厚、鉆孔涌水大、工作面涌水大和波動小”。

5 結 論

1)母杜柴登和門克慶南翼，鉆孔初始涌水量普遍大于100 m3/h，首采工作面預疏放水量超過130.0×104m3；葫蘆素和巴彥高勒鉆孔初始涌水量基本都小于30 m3/h，首采工作面預疏放水量小于40.0×104m3。

2)葫蘆素和巴彥高勒礦井首采工作面回采過程中涌水量相對偏小，七里鎮砂巖含水層不同區域存在富水性差異，導致涌水量的增加呈臺階式，波動性較大，工作面最大涌水量小于650 m3/h；門克慶和母杜柴登礦井首采工作面回采過程中涌水量相對偏大，七里鎮砂巖含水層整體富水性較強、富水性較均一，涌水量的增加呈平穩增加態勢，波動性較小，工作面最大涌水量大于930 m3/h。