蒙陕深埋煤层首采工作面顶板富水性和涌水量差异研究

马国逢，刘 洋，杨 建，王强民

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

煤炭是我国长期稳定的主体能源[1，2]，是保障经济发展和社会稳定的压舱石，未来5至10年内煤炭产量仍将维持在40亿t左右。西部煤炭资源禀赋优异，煤炭开采正向西部深部延伸，其中鄂尔多斯盆地内部侏罗纪煤田是开发的重点，其中位于蒙陕交界位置毛乌素沙漠的蒙陕矿区，由于开发时间较晚，煤层埋藏较深，水文地质条件掌握不清，在矿井建设和工作面回采过程中，发生了类型较多的水害事故[3-6]。整个矿井建设生产过程中，首采工作面回采是对顶板充水含水层第一次高强度扰动，也是查清开采扰动下水文地质条件的重要阶段，对未来矿井水害防治具有重要意义，在单个工作面水文地质特征[7]、覆岩破坏特征[8]、涌水量演化规律[9]、涌水量预测[10，11]等方面开展了大量研究，总体上随着工作面回采引起的顶板覆岩破坏，工作面涌水量呈逐渐增加趋势，且多个工作面回采过程中，累加涌水量也呈逐渐增加趋势[12]，反映出蒙陕矿区煤层顶板直接充水含水层补给较好；但是，由于地质、水文地质条件的复杂性，同一矿区的不同矿井采掘过程中，揭露的地层结构、含水层富水特征、工作面涌水规律等存在显著差异，这给矿区范围内防治水工作的开展带来了较大难度，因此非常有必要对矿区范围内多个矿井同一时期的扰动水文地质条件开展研究，例如对多个相邻矿井首采工作面开展过程中涌水量差异性研究，有助于查清整个矿区初始开采扰动条件下的水文地质条件，为研究区长期高强度安全开发和避免水害事故发生提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于鄂尔多斯市乌审旗境内的呼吉尔特矿区，如图1所示，2008年在矿区中南部先期开采区的母杜柴登矿最先开工建设，葫芦素、门克庆和巴彦高勒等矿井也陆续跟进，目前这4个矿井都已经完成了首采工作面回采。呼吉尔特矿区位于毛乌素沙漠核心区，地势相对平缓，未发育地表水系，第四系全新统风积沙覆盖整个地表，主要由浅黄色/灰白色砂组成，最大厚度超过100 m；下伏第四系更新统萨拉乌苏组，主要由细砂、粉砂和亚粘土组成。白垩系志丹群为一套紫红色细砂岩与灰白色中细砂岩互层地层，以石英和长石为主，泥质胶洁，发育大型交错层理，地层厚度普遍超过300 m，与上覆第四系地层呈不整合接触，且由于地层之间未发育稳定的隔水层，含水层水力联系密切，构成了一个统一的含水体。侏罗系安定组地层以灰绿色、黄紫褐色泥岩和砂质泥岩为主，含钙质结核，相对于顶底板地层(白垩系志丹群和侏罗系直罗组)，泥岩及砂质泥岩含量明显增多，是区域性较稳定的隔水层，与上覆白垩系志丹群呈不整合接触。侏罗系直罗组和延安组是影响煤炭安全开采的主要地层，其中直罗组上段岩石粒径较细，与安定组隔水性能相似；直罗组下段岩石粒径较粗(中～粗砂岩)，矿化度较高[13]，是首采煤层开采过程中最主要充水含水层[14，15]；延安组为煤系地层，发育有煤层间含水层，总体富水性较弱。

图1 研究区及首采工作面位置Fig.1 Location of study area and first mining face

2 首采工作面基本特征

呼吉尔特矿区葫芦素、门克庆、母杜柴登和巴彦高勒4座矿井，由北向南分布，如图1所示。葫芦素煤矿首采工作面位于井田中部的一盘区西翼，北部为东翼三条大巷，西部为二盘区，东部为21103工作面，主采煤层为2-1煤，工作面倾长320 m，走向推进长度4500 m，采高2.85 m。门克庆首采工作面位于11盘区最西侧，井底车场附近，主采煤层为3-1煤，工作面倾长260 m，走向推进长度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盘区东侧，主采煤层为3-1煤，工作面倾长241 m，走向推进长度3417 m，采高5.25 m。巴彦高勒首采工作面位于首采区最东侧，北部为哈头才当水源地保护煤柱，南部为3-1煤辅运大巷，主采煤层为3-1煤，工作面倾长260 m，走向推进长度3656.5 m(由于受工业广场保护煤柱影响，实际推进长度2589.3 m)，采高5.72 m。

3 顶板含水层富水特征

3.1 顶板关键含水层沉积特征

研究区煤层顶板直罗组早期受到沉积旋回控制，由于河流回春，对延安组地层进行了较为强烈的侵蚀，在区域上表现为延安组-直罗组不整合，这种现象在呼吉尔特矿区表现得尤其明显，发育出区域性富水性较强的直罗组一段含水层(一般称为“七里镇砂岩”)，该层段沉积构造主要包括平行层理、槽状交错层理、过渡性层理和冲刷面。

七里镇砂岩以中粒岩屑长石砂岩为主，岩石呈浅灰绿色、中粒结构，少量细砂和粗砂粒，巨厚层状[16]。主要颗粒成分有石英(41.6%～44.8%)、长石(37.4%～41.1%)，岩屑少量(6%～9%)，次圆状，点-线接触。部分石英及长石见次生加大边，云母具定向分布。岩石分选性中等～好，中粒间孔隙发育，粒间溶孔和粒内溶孔少量，孔隙连通性较好，面孔隙率3%～5%，未见明显裂隙，岩石密度1.94～1.96 g/cm3，有效孔隙度25.94%～26.9%，水平方向渗透率240～548 mD。

3.2 顶板关键含水层富水性

母杜柴登和门克庆南翼位于古直罗河中部，如图2所示，岩性以中粗粒砂岩和砾岩为主，河床宽度较大，对延安组下切较深，导致2-1煤普遍缺失，2-2煤局部缺失，该段七里镇砂岩含水层厚度普遍大于40 m，井下探放水钻孔初始涌水量普遍大于100 m3/h，其中门克庆南翼钻孔初始涌水量15～187 m3/h(平均116.2 m3/h)，母杜柴登钻孔初始涌水量80～150 m3/h(平均113.7 m3/h)，门克庆和母杜柴登首采工作面预疏放水量分别为130.0×104m3和165.0×104m3；葫芦素、门克庆北翼和巴彦高勒绝大部分区域则位于直罗河古河床的两岸，基本未切割2-1煤层，该段七里镇砂岩含水层厚度一般在20～30 m，井下探放水钻孔初始涌水量基本都小于30 m3/h，其中葫芦素钻孔初始涌水量1～10 m3/h(平均4.4 m3/h)，门克庆北翼钻孔初始涌水量10～68 m3/h(平均26.2 m3/h)，巴彦高勒钻孔初始涌水量0.2～60 m3/h(平均16.6 m3/h)，葫芦素和巴彦高勒首采工作面预疏放水量分别仅为39.0×104m3和17.9×104m3。另外，井下探查钻孔揭露直罗组古河道层段时，初始水压高达6.0 MPa，总体上表现为富水性强、承压水压高的特征[17，18]。

图2 七里镇砂岩剖面Fig.2 “qili town”sandstone profile

4 首采工作面涌水差异性

4.1 首采工作面涌水变化规律

为了开展对工作面涌水规律研究，利用工作面中转水仓下设的排水泵(排水量×排水时间)，统计工作面回采过程中涌水量数据，各矿井首采面涌水量如图3所示。由于受到主采煤层覆岩充水含水层水文地质条件控制，各矿井首采工作面回采过程中涌水量变化规律存在明显的差异。

图3 各矿井首采面涌水量Fig.3 Water inflow from the first mining face of each mine

1)葫芦素首采工作面回采过程中，0.0～2178.0 m阶段，涌水量呈逐渐增加趋势，最大涌水量为645.0 m3/h(回采至2178 m位置)，这个阶段由于受到导水裂隙带向上发育、周期性来压、顶板含水层富水性差异等影响，涌水量波动性较大，涌水量的增加存在陡增现象；2178.0～3963.0 m阶段，涌水量在500～600 m3/h之间波动，相对较为稳定；3963.0～4150.0 m阶段，涌水量出现下降，主要是受到接续工作面采掘影响。

2)门克庆首采工作面回采过程中，0.0～3277.0 m阶段，涌水量一直在持续增加，最大涌水量为1372.0 m3/h(回采至3277 m位置)，而且涌水量波动较小，反映了门克庆覆岩含水层(主要是七里镇砂岩)整体富水性较强；3277.0～4500.0 m阶段，涌水量呈“稳定—下降”趋势，后期也是受到接续工作面采掘的影响。

3)母杜柴登首采工作面回采过程中，0.0～2914.0 m阶段，涌水量呈持续增加趋势，最大涌水量为938.0 m3/h(回采至2914.0 m位置)，其中506～560 m阶段，由于导水裂隙带向上发育至七里镇强富水含水层，涌水量由92.0 m3/h，快速增加至327.0 m3/h，其他阶段则呈较为稳定增加趋势，反映了母杜柴登覆岩含水层(主要是七里镇砂岩)整体富水性较强；2914.0～3417.0 m阶段，涌水量基本稳定在910.0 ～940.0 m3/h之间。

4)巴彦高勒首采工作面回采过程中，0.0～2442.0 m阶段，涌水量呈台阶式增加，在回采至350 m、1050 m、2060 m，出现了比较明显的涌水量突增，增幅在60.0～200.0 m3/h，最终的最大涌水量为494.0 m3/h(回采至2380.0 m位置)；2442.0～2513.0 m阶段，涌水量出现了陡降，降幅高达92.0 m3/h，主要是受到了相邻次采工作面回采的影响。

4.2 首采工作面涌水差异性

首采工作面水文地质和涌水差异性参数见表1。四个矿井首采工作面涌水量，均随着工作面回采呈逐渐增加趋势，可以大致分为两类：

表1 首采工作面水文地质和涌水差异性参数Table 1 Hydrogeology and water inflow parameters of the first mining face

1)葫芦素和巴彦高勒矿井首采工作面位于直罗组古河床的两岸(漫滩)，顶板七里镇砂岩含水层厚度较薄、富水性较弱，工作面回采过程中涌水量相对偏小(最大涌水量分别为645.0 m3/h和494.0 m3/h)，且七里镇砂岩含水层不同区域存在富水性差异，导致涌水量的增加呈台阶式，波动性较大，可以总结为“含水层薄、钻孔涌水小、工作面涌水小和波动大”。

2)门克庆和母杜柴登矿井首采工作面位于直罗组古河床的中部，顶板七里镇砂岩含水层厚度较大、富水性较强，工作面回采过程中涌水量相对偏大(最大涌水量分别为1372.0 m3/h和938.0 m3/h)，且七里镇砂岩含水层整体富水性较强、富水性较均一，涌水量的增加呈平稳增加态势，波动性较小，可以总结为“含水层厚、钻孔涌水大、工作面涌水大和波动小”。

5 结 论

1)母杜柴登和门克庆南翼，钻孔初始涌水量普遍大于100 m3/h，首采工作面预疏放水量超过130.0×104m3；葫芦素和巴彦高勒钻孔初始涌水量基本都小于30 m3/h，首采工作面预疏放水量小于40.0×104m3。

2)葫芦素和巴彦高勒矿井首采工作面回采过程中涌水量相对偏小，七里镇砂岩含水层不同区域存在富水性差异，导致涌水量的增加呈台阶式，波动性较大，工作面最大涌水量小于650 m3/h；门克庆和母杜柴登矿井首采工作面回采过程中涌水量相对偏大，七里镇砂岩含水层整体富水性较强、富水性较均一，涌水量的增加呈平稳增加态势，波动性较小，工作面最大涌水量大于930 m3/h。