柠条塔煤矿水文地质结构特征与水害治理模式研究

郭书全，王 海

（1.陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司，陕西 榆林 719300；2.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 710077）

0 引 言

根据国家统计局数据，2022年全国原煤产量45.6亿t，同比增长10.5%，原煤生产增速进一步加快。由此可见，煤炭是我国能源经济安全的“压舱石”和“稳定器”，其基础性保障地位在短期内不会改变[1-3]。榆神府矿区位于陕西省最北端神木县、府谷县两县境内，是我国已探明保有储量最大的煤田，约占全国探明储量的15%，有多个年产能千万吨级的煤矿[4]。然而，随着煤炭资源的持续高强度开采，矿山所面临的工程与水文地质条件越来越复杂，采掘诱发的事故类型越来越多样化，其中各类突水溃砂灾害就是典型代表[5-7]。

国内外众多学者对榆神府矿区高强度开采下的突水溃砂灾害机理与防控模式进行了研究和讨论[8-10]。范立民等[11]在分析榆神府矿区采掘诱发突水溃砂灾害机理的基础上，采用多源数据融合模型进行了突水溃砂危险性综合评价分区。谢晓深等[12]以榆神府矿区的典型煤矿为例，通过构建地表裂缝动态发育模型，揭示了坡体滑移对裂缝活动的影响机理，为地表沉陷治理和生态环境修复提供了借鉴。李舒等[13]从多方面分析了神府南区延安组含水层富水性的影响因素，并讨论了延安组含水层富水性对矿井涌水量的影响，为榆神府矿区资源安全高效开采，以及顶底板水害防控提供了参考。董书宁等[14]以张家峁煤矿为例，从水文地质结构系统的角度出发，研究了矿区的水资源类型和特征，划分了保水开采分区，并提出了烧变岩区域帷幕注浆截流的新技术。张东升等[15]围绕西北煤田地层结构特征与浅表层水循环作用机理、浅埋厚煤层采动覆岩结构与隔水层稳定性时空演变规律、水资源保护性采煤机理与控制理论三个关键科学问题展开了系统研究。此外，还有众多学者对榆神府矿区的水文地质结构特征、突水溃砂危险性评价、水害防控技术与实践、生态环境保护与治理等方面展开了分析与讨论[16-20]。

水文地质结构特征的研究是水害评价和治理的重要基础性工作，上述研究成果也都是主要以榆神府矿区的水文地质结构研究为基础展开的。然而，榆神府矿区各个矿山的主要充水含水层、隔水层及煤层赋存条件差异巨大，导致研究结果不能完全套用，需要展开针对性的研究。因此，本文主要以榆神府矿区柠条塔煤矿为例，在对其地质条件和构造发育情况进行系统分析的基础上，研究了矿区的水文地质结构特征与水害治理模式和效果，为后续水害治理工程的开展及开拓工程设计提供了有价值的参考。

1 研究区工程背景

1.1 煤层

柠条塔煤矿位于陕北黄土高原北部，毛乌素沙漠东南缘，为大型现代化矿井，井田面积约119.77 km2。矿井采用斜井多水平开拓，综合机械化采煤，一次采全高垮落式管理顶板方法。柠条塔煤矿分两个水平开采，一水平开采1-2上煤层、1-2煤层、2-2煤层、2-2下煤层、3-1煤层，二水平开采4-2煤层、4-3煤层、5-2上煤层、5-2煤层，目前矿井主要开采2-2煤层。该煤层位于延安组第四段顶部，埋深14.00～262.14 m，厚度0.70～9.33 m，为中厚～厚煤层，赋存区全部可采，可采煤层厚度变化较大，但规律性明显，结构简单，煤类单一，煤质变化小，属稳定型煤层。在矿区中东部存在煤层自燃区，面积约4.06 km2。

1.2 地形地貌

柠条塔煤矿地形西北、西南高，中部低。矿区南翼大部分地表被风积沙及萨拉乌苏组沙层所覆盖，局部地表出露第四系黄土及新近系红土。矿区北翼地表大部出露第四系黄土及新近系红土，基岩零星出露于沟谷两侧。井田地貌单元可分为风沙区、河谷区和黄土丘陵沟壑区三种地貌类型，其中以风沙区和黄土丘陵沟壑区为主。井田地处风沙地貌向黄土丘陵地貌的过渡地带，南翼地貌类型以风沙区和河谷区为主。

1.3 地质与构造

据钻孔揭露及地质填图资料，区内地层由老至新依次有：三叠系上统永坪组（T3y），侏罗系中统延安组（J2y）、直罗组（J2z）、安定组（J2a），新近系上新统保德组（N2b），第四系中更新统离石组（Q2l），第四系上更新统马兰组（Q3m）和萨拉乌苏组（Q3s），第四系全新统风积沙（Q4eol）和冲积层（Q4al）。柠条塔煤矿整体上为一向北西倾斜的单斜构造，未见大的断裂发育，地壳活动主要表现为垂向的升降运动，形成了一系列沉积间断的假整合与不整合面，无岩浆岩活动，构造较为简单，如图1所示。

图1 陕北地区构造分区及构造纲要图Fig.1 Structural zoning and outline map of North Shaanxi Province

2 研究区水文地质结构特征

2.1 地下水补给、径流、排泄条件

1）地下水补给。研究区内潜水主要接受大气降水的入渗补给，沙层区还可能接受部分凝结水补给。萨拉乌苏组含水层主要接受大气降水补给，尤其是南部沙层覆盖区，降水入渗条件好，补给量较大。因此，局部地段水量较为丰富，富水性较强。烧变岩含水层主要接受潜水含水层的侧向补给，如萨拉乌苏组含水层水在浅部区域大部分补给至烧变岩区，烧变岩含水层还接受露头区大气降水和地表水的补给，如图2所示。

图2 萨拉乌苏组与烧变岩补给关系示意图Fig.2 Relationship between the Sarawusu Formation and the supply of burnt rocks

基岩风化带含水层主要接受侧向径流补给，通过风化裂隙接受侧向或上覆含水层水的补给。根据矿井S1210工作面的涌水水质及群孔放水试验分析可知，基岩风化带水是其涌水来源之一，风化带存在强富水区，并与其他含水体存在径流通道，属于动态补给充足的含水层[21]。其他基岩含水层主要接受露头区大气降水补给，含水层露头区主要位于沟谷切割区和河流阶地。由于研究区大部分河流为V型，因此，一般含水层露头面积不大，但局部存在较为宽缓的出露地段，这些含水层露头可能接受大气降水补给，还可能接受地表水的补给，尤其是雨季，河谷中水位上涨时，可能对含水层形成侧向的入渗。另外，基岩含水层还接受区域侧向补给和潜水的垂向补给。基岩含水层主要为不同粒径砂岩含水层，富水性整体较弱。

2）地下水径流。柠条塔煤矿地下水的径流具有分区性，地表分水岭和地下分水岭位置基本一致，地下水的流向受地形地貌的制约，具有多向性，总趋势是从地下水分水岭地带向周围沟谷区运移，而基岩承压水还会顺层面或裂隙由高到低缓慢运动，部分通过裂隙向下伏含水层径流。地下水大部分流向中部，萨拉乌苏组含水层水在龚家梁以南向南径流。

3）地下水排泄。基岩地下水沿裂隙或顺层面运动时，在沟谷切割地段以下降泉的形式排泄，或通过透水“天窗”以越流形式补给上覆含水层，部分含水层水顺岩层向深部径流，潜水含水层还通过地表蒸发进行排泄。承压水因受隔水层和地形的影响，具有多层性，深部径流迟缓，基本处于滞流状态。

2.2 矿井主要充水水源

1）大气降水。根据神木市气象站资料，柠条塔煤矿区域年平均降水量为434.10 mm，集中在7月—9月，占全年降水量的50%～70%，历年最大日降水量135.20 mm。大气降水是柠条塔煤矿的直接充水水源和间接充水水源。首先，大气降水通过沟谷区发育至地表的采动裂隙直接进入矿井，成为涌水来源之一。其次，大气降水通过含水层露头或地表入渗补给含水层，成为矿井的间接充水水源。

2）地表水。井田区域主要地表水体为庙沟及其支流、考考乌素沟及其支流肯铁岭河和小侯家母河沟、芦草沟及部分季节性沟谷河流。根据矿井规划工作面和地表地形，北翼N1215工作面、N1217工作面等位于新民沟支沟下覆，逐渐向庙沟支流推近，在黄土梁峁区沟谷切割较深，地表水在沟谷薄基岩区通过原生裂隙进入矿井。南翼S1204工作面位于肯铁令沟沟脑位置，且邻近芦草沟部分沟谷底部出露基岩风化带和基岩，地表水体和含水层之间通过原生裂隙存在直接的补排关系。

3）地下水。柠条塔煤矿的主要充水含水层包括松散含水层和基岩含水层。其中，风化基岩含水层南北翼厚度变化不大，在20～30 m之间。由于各煤层之间局部区域间距较小，下煤层采动裂隙将直接扰动上覆煤层，并与其顶板破坏带连通，因此，煤层顶板砂岩含水层和烧变岩含水层成为矿井的直接充水水源；松散层潜水为矿井直接或间接充水水源。直罗组基岩风化带水是矿井的重要充水水源之一，尤其是矿井南翼的沙层覆盖区，基岩风化带水可能成为矿井将来的主要充水水源。

4）老空水。老空水是柠条塔煤矿的主要充水水源之一，包括井田内老窑水及周边小窑水和本矿井采空区积水。根据矿井采掘工程布置情况，北翼2-2煤层回风大巷西部已经采完10个工作面，6个采空区存在不同程度的积水，2-2煤层辅运大巷东部也有9个面已被回采，5个采空区存在不同程度的积水。井田东部还存在崔家沟煤矿、隆岩煤矿和河西煤矿等3个小煤矿，采空区可能存在积水；南翼2-2煤层已经回采完20个工作面，其中17个采空区有积水，故在回采其相邻工作面或相近工作面时均受到来自采空区积水的威胁。

5）烧变岩水。柠条塔煤矿南翼东北部分布有不规则的烧变岩区。烧变岩具有大量的气孔、烧变裂隙及炉渣状构造的空洞，含水层主要在下部，其储水空间开阔，补给排泄通畅，导水性强，是矿区内一个特殊的含水层，主要接受萨拉乌苏组松散含水层侧向补给形成。烧变岩区分布面积较广，但含水面积不大，其富水性取决于补给条件及储水条件。矿区南翼东南部新发现有1-2上煤层烧变岩区，富水性整体上为弱～中等。

2.3 矿井水文地质结构特征

1）北翼2-2煤层。根据北翼2-2煤层未来三年计划开采的N12121工作面、N1215工作面、N1217工作面内的钻孔资料分析，煤层顶板岩性以粉砂岩、细粒砂岩为主，煤层可采厚度为1.87～4.88 m，平均厚度为2.82 m；煤层底板标高在1 102.54～1 122.32 m之间，平均标高为1 115.12 m；煤层顶板至基岩顶面距离在90.88～118.46 m之间，平均距离为99.95 m；保德组厚度在0～94.74 m之间，平均厚度为58.02 m。因此，N12121工作面、N1215工作面、N1217工作面导水裂隙带不会直接导通至第四系松散层，上覆基岩含水层水将成为矿井充水的直接水源，对2-2煤层工作面回采构成影响，规划期北翼各工作面为黄土地貌，沟谷切割较深，局部沟谷区域，开采采动裂隙直接沟通风化基岩含水层、第四系含水层，如图3所示。

图3 北翼1-2煤层、2-2煤层与含水层空间结构关系Fig.3 Spatial structure relationship between 1-2 and 2-2 coal seams in the north wing and aquifers

2）南翼2-2煤层。根据南翼2-2煤层未来三年计划开采的S1231工作面、S1232工作面、S1233工作面、S1212工作面、S1214工作面、S1216工作面、S1202工作面、S1204工作面内的钻孔资料分析，煤层顶板岩性以粉砂岩、细粒砂岩为主，煤层可采厚度为4.15～8.33 m，平均厚度5.31 m；煤层底板标高在1 100.89～1 155.512 m之间，平均标高为1 122.08 m；煤层顶板至基岩顶面距离在67.13～129.78 m之间，平均距离为93.36 m；保德组厚度在0～105.3 m之间，平均厚度为63.34 m。东区S1231工作面、S1232工作面、S1233工作面导水裂隙带已突破至第四系发育至地表，西区S1204工作面对应地表所处位置为肯铁令沟，导水裂隙带在沟谷处已发育至第四系松散层或突破至地表。S1212工作面、S1214工作面、S1216工作面导水裂隙带已突破至红土层或第四系松散层，如图4所示。

图4 南翼2-2煤层与含水层空间结构关系Fig.4 Spatial structure relationship between 2-2 coal seam in the south wing and aquifers

3 研究区水害治理模式

3.1 火烧区突水溃砂评价

柠条塔南翼东区发育有1-2上煤层隐伏火烧区，S1232工作面回采中3 030～3 260 m段处为1-2上煤层隐伏火烧区的北缘。前期历次勘探中，SK水1孔的单位涌水量可达0.179 898 L/s·m，地面BK41孔钻探中出现大漏、掉块、坍塌现象，井下多个探放水钻孔的初始涌水量超过100 m3/h。根据前期对火烧区工作面回采涌水量的预测结果，S1232工作面正常涌水量518 m3/h，最大涌水量为689 m3/h，火烧区所处区域初次揭露时正常涌水量327 m3/h，最大涌水量为434 m3/h。以上涌水量仅是理论计算的水量，由于火烧区水文地质条件的特殊性和复杂性，工作面采至火烧区附近时，不排除有更大涌水量的可能。由于S1232工作面回采至火烧区时瞬间涌水量较大，因此，火烧区烧变岩水可能对工作面的正常回采造成一定影响和威胁。

结合前文分析，1-2煤层隐伏火烧区及其上覆风化基岩含水层较原岩裂隙发育程度高且水力联系密切，富水性强，放水试验期间放水量大，水位恢复速度快，说明补给量充足，地下水径流条件好，且风化基岩顶部可能存在较大的风化裂隙，通过地下水动力异地搬用松散沙层堆积在红土层底部，使火烧区下部2-2煤层回采工作面可能存在突水溃砂风险。

3.2 火烧区治理工程设计

为了对火烧区进行治理，降低突水溃砂风险，共布置两排帷幕注浆孔。各排长度超出火烧区边界50 m，其中，内排线距离辅运巷道外缘50 m，内外排之间间距约13 m，每排钻孔间距15 m，各两排钻孔错开成梅花形，内外排共布置63个钻孔，包括40个注浆孔、18个探查孔、5个抽水孔。探查孔的目的是探查火烧区的边界和底界，探查基岩风化带的岩性、厚度和风化特征。探查孔及抽水孔完成探查任务后均作为注浆孔。注浆完成后在两排注浆孔中间布置5个检查孔，检查注浆工程的效果。为了进行对比，在注浆线内外布置3个水文长观孔，钻孔布置情况如图5所示。

图5 火烧区探查治理工程钻孔布置平面示意图Fig.5 Schematic diagram of drilling layout for the exploration and treatment project in the burning area

以上钻孔穿过风积沙、黄土、红土、基岩风化带、烧变岩及完整基岩，进入完整基岩的深度为5 m，平均孔深为130 m，如图6所示。探查孔、注浆孔和检查孔的钻孔一开孔口钻孔Φ219 mm，一开套管直径Φ190 mm，长度约30 m，要求进入到土层中2 m以隔开上部沙层。本层套管为措施管，目的是防止上部风积沙坍塌。二开钻孔Φ146 mm，套管直径Φ108 mm，长度约75 m，要求进入到基岩顶部或烧变岩顶部2 m。之后裸孔段Φ91 mm孔径钻进至烧变岩底板正常基岩5 m。二开套管为注浆管，要求固结后耐压试验压力不低于5.0 MPa。

3.3 注浆效果验证

采用放水试验验证帷幕注浆的效果，选取治理工程附近区域火烧区周围的钻孔作为放水孔，放水前对堵塞钻孔进行疏通，确保放水孔出水顺畅。

注浆治理工程开始前先进行一次放水试验，由于井下放水孔一直处于打开状态，于2022年5月13日安排将井下放水孔关闭，关闭前F24孔、F25孔、F26孔总水量约为25 m3/h，F23孔、F29孔、F30孔总水量约为13 m3/h，关闭井下放水孔后，进行水位恢复观测，试验结束后再重新打开井下疏放水孔，各孔水位恢复情况如图7所示。由图7可知，F23孔初始水压0.8 MPa，关水后25 min后水压恢复至0.6 MPa；F24孔初始水压0.9 MPa，关水后5.55 h后水压恢复至0.6 MPa；F25孔初始水压0.9 MPa，关水后4.05 h后水压恢复至0.6 MPa；F26孔初始水压0.8 MPa，关水后4 h之内水压恢复至0.6 MPa；F29孔初始水压0.8 MPa，截至关水，钻孔已经基本无水；F30孔初始水压0.8 MPa，关水后25 min之内水压恢复至0.6 MPa。N01孔、S02孔同步水位有上升现象，S01孔水位有下降现象，K1-1孔水位无明显变化，如图8～图10所示。通过注浆前关闭放水孔后水位恢复情况可知，除S01孔和K1-1孔外，其余钻孔与井下放水孔水力联系密切，井下关水后水位迅速抬升，分析可知，地下水补给来源较为充足。

图7 注浆前关闭放水孔后部分钻孔水位恢复情况Fig.7 Recovery of water level after closing in some drainage hole before grouting

图8 N01观测孔水位历史曲线图Fig.8 Historical curve of water level at N01 observation hole

注浆治理工程结束后进行了第二次放水试验，由于井下放水孔一直处于打开状态，关闭前井下6个疏放水孔总水量从注浆前的38.0 m3/h衰减至8.2 m3/h，其中，F23孔、F25孔注浆后放水孔被堵死，F30孔基本无水。2022年8月30日4:50将井下放水孔关闭，进行水位恢复观测，试验结束后再重新打开井下疏放水孔。在关水试验的第二天井下设备基站出现故障，数据中断，设备维修方于2022年9月7日下午进行了维修，数据传输恢复正常。由于注浆施工期间井下F23孔、F25孔已被浆液堵死，F30孔无水，监测仪器传感器损坏，数据异常。

F24孔初始水压0.9 MPa，关水后34 h后水压一直为零，后数据中断，9月7日数据恢复后，水压恢复至0.22 MPa，直至9月15日水位一直稳定在0.22 MPa左右；F26孔初始水压0.8 MPa，关水后5.55 h后水压恢复至0.6 MPa；F25孔初始水压0.9 MPa，关水后34 h后水压一直为零，9月7日数据恢复后，水压恢复至0.09 MPa，直至9月15日水位一直稳定在0.09 MPa左右；F29孔初始水压0.8 MPa，关水前钻孔已经基本无水，关水后34 h后水压一直为0.04 MPa，9月7日数据恢复后，水压恢复至0.65 MPa，直至9月15日水位一直稳定在0.65 MPa左右。第二次关水试验期间地面数据传输正常，地面的K1-1孔在注浆期间串浆，导致观测孔失效，其余观测孔同第一次放水试验相比，由于注浆治理的效果导致受井下关水和放水的影响明显减小。

N01孔位于帷幕线北侧，注浆后N01孔关水前水位标高1 212.53 m，关水后水位缓慢上升，截至2022年9月15日水位标高为1 213.47 m左右，水位抬升0.94 m，较之前明显变化速率降低且幅度变小，表明N01孔的水源补给由于帷幕的形成而大量减少。S01孔位于帷幕线南侧，由图9可知，注浆后S01孔关水前水位标高1 212.13 m，关水后水位缓慢上升，截至9月15日水位标高为1 213.24 m左右，水位抬升1.11 m，较之前没有了持续下降的形态，表明S01孔由于帷幕的形成导致与S1232工作面的水力联系降低。S02孔位于帷幕线南侧，由图10可知，注浆后S02孔关水后水位缓慢下降，截至9月15日水位标高为1 206.43 m左右，水位降低6.86 m，较之前与S1232工作面放水试验无相关性，水位的降低与S1233工作面放水有关，表明S02孔由于帷幕的形成导致与S1232工作面的水力联系降低。

图9 S01观测孔水位历史曲线图Fig.9 Historical curve of water level at S01 observation hole

图10 S02观测孔水位历史曲线图Fig.10 Historical curve of water level at S02 observation hole

通过注浆后放水试验可知，注浆工程实施后井下关水水位恢复较注浆前明显变慢，说明注浆对火烧区改造明显。S1232工作面上覆基岩含水层和南侧烧变岩含水层的水力联系明显降低，工作面回采过程中，南侧烧变岩含水层的补给将大幅度减小，可确保工作面安全通过烧变岩区域。

4 结 论

本文在对榆神府矿区柠条塔煤矿地质条件和构造发育情况进行系统分析的基础上，从矿区地下水的补给、径流、排泄条件，主要充水水源，矿体与含水层的空间结构关系三个方面对矿山的水文地质结构特征进行了分析，并提出了对应的治理模式和验证方法，得到的主要结论如下所述。

1）柠条塔煤矿地表浅部松散层主要接受大气降水补给，基岩风化带含水层主要接受侧向径流补给。矿井充水水源主要包括大气降水、地表水、含水层水、老空水和烧变岩水五种，不同煤层根据其埋深、开采厚度、冒裂带发育高度等不同具有不同的充水水源。

2）柠条塔煤矿火烧区及其上覆风化基岩含水层较原岩裂隙发育程度高且水力联系密切，使火烧区下部2-2煤层回采工作面存在突水溃砂风险。为了保障煤层的安全开采，设计并施工了两排帷幕注浆孔，注浆治理工程完成后的放水试验结果表明，烧变岩含水层补给量大幅度减小，治理效果显著。

3）矿山水文地质结构特征研究是水害评价和治理的重要基础，本文提出的治理方案及验证方法可以为榆神府矿区相似水文地质结构的矿山提供借鉴和参考。