矿井底板水文地质条件探查及可疏降性评价

李新汶 赵国宏 原泽文

(1.新汶集团伊犁能源公司一矿，新疆自治区伊宁市，835000；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221000)

随着我国煤炭开采重心的逐步西移，西部地区煤炭产量所占全国总产量的比重也逐年上升。“十二五”期间，国家加快了陕北、黄陇、蒙东、神东、宁东、新疆等大型煤炭基地的建设。截至“十二五”末，西部矿区煤炭产量占全国煤炭产量约65%，未来我国煤炭资源的主要供给地将主要集中在内蒙古、新疆、陕西、山西等地区。

受西部地区成煤时代及自然地理环境的控制，该区含煤地层具有形成时代晚、成岩程度差等显著特征，与东部石炭—二叠系含煤地层相比有着非常显著的差异。随着我国东部矿区开采水平不断向深部 (部分矿井已进入1000 m以下水平)拓展，东部矿区所面临的底板水害不断加剧，而西部矿区煤层普遍埋深较浅，在已有认识基础上，一般不会受到底板水害威胁，但在煤炭开发过程中同样出现了底板水害问题。由于地质条件的特殊性，东部矿区总结的开采经验已不能完全适用于西部，且目前针对西部矿区，尤其是新疆地区的水害问题研究很少，研究深度不够。因此，对于西部煤矿开采中的防治水问题，应加大力度研究，对西部特殊水文地质条件、水害形式及防治技术进行基础研究，从而进一步防治矿井水害的发生，保障矿井安全生产。

伊犁一矿位于伊南煤田，是新汶矿业集团公司伊犁矿区建设的第一个特大型现代化矿井，煤层赋存条件好，资源储量巨大，仅3#、5#煤层资源储备就达647亿t。3#、5#煤层厚度大(3#煤层平均12.4 m，5#煤层平均19.21 m)，储量丰富，煤层稳定，煤质好。试采煤层为5#煤层，煤层厚度9.20～23.95 m，平均厚度19.21 m，资源储量约8.7亿t。矿井计划生产能力1000万t/a，设计服务年限为160 a。

已有勘探资料表明，伊犁一矿开采技术条件与我国东部煤田差异较大，矿井建设及生产过程存在以下水文地质问题：本区位于南天山山前，地下水直接接受雪融水补给，补给较充沛、径流条件较好；地表松散的砾石层厚，覆盖各含隔水层露头，水文地质条件复杂；5#煤层底板隔水层薄，承压高、富水性好，且补给、径流条件复杂，对5#煤层开采威胁大，水文地质参数、涌水量等有待进一步评价和计算。

针对上述问题，以1502W试采面为例，在水文地质补勘工程的基础上，通过进行底板疏放水试验，利用地下水动力学原理，获取了该矿试采面底板含水层的渗透系数，并结合试验过程中水压变化及降落漏斗扩展情况，对该含水层的可疏降性进行了评价，为矿井防治水工作提供了依据。

1 试采面概况

1502W工作面位于伊犁一矿混合斜井以西。运输巷标高+1124.3～+1138.8 m ，回风巷标高+1116.0～+1128.6 m 。工作面走向长941 m，斜长83 m，平均煤厚18.3 m，工作面水平面积为80368 m2。地面标高+1259～+1269 m，平均标高+1264.0 m，工作面平均埋深124.42 m。

据前期勘探资料，试采面直接顶为泥质细砂岩或硅质、碳质泥岩，岩石强度低，平均抗压强度为10～20 MPa，属于软弱覆岩类型；直接底为泥岩或粉砂岩，泥质含量较高，有遇水泥化、崩解的特征，厚度7.5～17.5 m，平均厚度9 m；其下为细砂岩或粉砂岩，厚度5.3～25.1 m，平均厚度22.4 m，透水性和富水性较好。试采面地质构造条件简单，呈宽缓向斜构造，煤层倾角为6°～8°。

2 研究区地质及水文地质条件

2.1 地质条件

本矿区位于伊南煤田，地层由老至新为：古生界石炭系、二叠系，中生界三叠系、侏罗系、白垩系，新生界第三系、第四系。地层简述如下：

(1)第四系。第四系厚度39.50～82.60 m，平均厚度62.62 m，由南向北略有增厚。岩性由砂碎石和砾石组成，砾石砾径不一，成分多为火山喷发岩类和花岗岩类、石灰岩砾石等，上部有风成黄土，下部有冰水堆积物。第四系和下伏地层呈角度不整合接触。

(2)新近系。新近系厚度0.70～25.70 m，平均厚度11.88 m。岩性为棕红、褐红、土黄色及灰白色中粗砂岩、砂砾岩夹粉砂岩、泥质粉砂岩，底部为厚度5 m左右的粉砂岩或粘土岩，具有良好的隔水性能。新近系和下伏地层呈角度不整合接触。

(3)侏罗系。侏罗系厚度平均为230 m左右。岩性为灰黄色、灰绿色、灰色砂砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩和煤层。共含煤12层，自上而下分别为1#煤层、2#煤层、3#煤层、4-1#煤层、4-2#煤层、5#煤层、6#煤层、8#煤层、9-1#煤层、9#煤层、10#煤层和12#煤层。其中3#煤层、5#煤层全区分布稳定，为主要可采煤层。侏罗系底部发育有一层砾岩，前人称之为“达拉地砾岩”，是区域性标志层。

矿区总体上为一走向近东西、向北倾的单斜构造。地层沿走向、倾向较为稳定。走向上等高线略有起伏，呈现出宽缓的向、背斜构造。三维地震在试采区共发现断层7条，落差多在5 m以下，只有DF20落差达到8 m，对矿井生产影响不大。

2.2 水文地质条件

研究区内主要含水层有第四系及新近系孔隙含水层(Ⅰ)和侏罗系裂隙—孔隙承压含水层(Ⅱ)，侏罗系裂隙-孔隙承压含水层自上而下又分为Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3和Ⅱ4含水层，其中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3均位于5#煤层顶板，渗透性差，富水性弱，对5#煤层开采影响较小。Ⅱ4含水层(以下简称“5底砂”)位于5#煤层底板，距离5#煤层仅0～16.22 m(其间岩性主要为泥岩及粉砂岩)，平均距离6.07 m，含水层厚度5.32～20.64 m，平均厚度15.22 m，岩性以含砾粗砂岩为主，其次为细砂岩，泥质胶结疏松。据补充勘探资料，该含水层承压水位+1130.73 m，工作面巷道内平均水压1.01 MPa，为试采面开采时的主要底板充水含水层。

3 试采面疏放水试验

针对5底砂含水层，矿区前期勘探已进行过单孔抽水试验及群孔放水试验，但由于放水流量小、持续时间短，且观测孔数量偏少，试验取得的水文地质参数精度较低。为此，特别在试采面内进行了一次群孔疏放水试验，进一步查明5底砂含水层的主要水文地质参数，以更好地指导矿井防治水工作。

本次试验利用补充勘探施工的4个放水孔、2个观测孔，结合前期施工的5底砂sy-9孔及5底砂x-2孔，共计8个孔进行井下放水试验。由于试放水阶段，原计划作为放水孔的FS2孔流量较小，临时改作观测孔，将GC1孔作为放水孔。放水阶段，FS1孔、GC1孔、FS3孔、FS4孔和5底砂sy-9孔共计5个孔同时放水，历时96 h，稳定总流量80 m3/h，累计放水总量为8200 m3；FS2孔、GC2孔和5底砂x-2孔观测，其中观测到的水位最大降深为GC2孔的降深68 m。各钻孔平面布置如图1所示。

图1 钻孔平面布置图

4 水文地质参数的确定

根据地下水动力学原理，群孔抽水试验任一点的降深由承压完整井非稳定流抽水的Theis公式计算得出:

(1)

式中：s——观测孔水位降深，m；

Q——抽水井的流量，m3/h；

T——导水系数，m2/d；

t——自抽水开始到计算时刻的时间，h；

W(u)——井函数，与a、t、r有关；

r——观测孔据抽(放)水孔的距离，m；

a——压力传导系数，m2/d；

*——贮水系数。

根据3个观测孔的实际观测数据，利用配线法原理进行求参，具体步骤如下：

(1)在双对数坐标纸上绘制W(u)-1/u标准曲线。

(2)在另一张模数相同的透明双对数纸上绘制实测的s-t/r2曲线。

(3)将实际曲线置于标准曲线上，在保持对应坐标轴彼此平行的条件下相对平移，直至两曲线重合为止。

(4)任取一匹配点(在曲线上或曲线外均可)，读出匹配点的对应坐标值:W(u)，1/u，s和t/r2，带入式(1)计算参数。

上述求参过程可在EXCLE中编写成计算机程序，将抽(放)水试验的观测数据输入EXCLE中即可得到求参结果，具体求参过程见图2～图4，求参结果见表1。

图2 FS2观测孔Theis配线图

图3 GC2观测孔Theis配线图

图4 5底砂x-2观测孔Theis配线图

表1 配线法求参结果

因此，将配线法得出的5底砂含水层渗透系数的平均值K=0.65 m/d作为推荐选用参数。

5 底板可疏降性评价

疏干降压(简称“疏降”)是借助专门的工程(如疏水巷道、抽水钻孔、防水钻孔、吸水钻孔等)及相应的排水设备，积极地、有计划、有步骤地影响采掘安全的含水层降低水位(水压)或造成不同规模的降落漏斗，使之局部或全部疏干，在调节水量及水压、保证采掘安全等方面起着积极作用。前已述及，5底砂总体上渗透性较好，富水性中等，由于其具有承压性，对5#煤层开采具有威胁，若5底砂可被疏干降压，则会大大降低开采成本。

在放水试验过程中，5个放水孔稳定总流量只有80 m3/h，但3个观测孔均在较短的时间水压急剧下降，如图5～图7所示，降深明显，表明放水试验所形成的降落漏斗明显，含水层疏降效果较好。另外，放水过程共计96 h，在关闭阀门128 h后，近距离的2个观测孔的水位与初始水位仍有一定差距(128 h后未进行观测)，表明5底砂含水层虽接受天山雪融水补给，但其补给条件较差，补给强度不高，具有可疏降性，因此在开采前可对其进行适当疏降。

图5 FS2水压变化曲线图

图6 GC2水压变化曲线图

图7 5底砂x-2水压变化曲线

综上，1502W试采面虽距离天山较近，5底砂含水层接受雪融水补给，渗透性较好，但其补给量有限，试采面较易被疏降，可在回采前于适当位置放水钻孔，将底板水压降至安全水压以下，消除试采面的底板水害威胁。

6 结论

(1)在补勘工程基础上，设计伊犁一矿试采面5底砂放水试验，通过试验取得的数据，运用配线法对5底砂含水层进行水文地质求参，并利用Boulton模型进行矫正，求参结果为K=0.65 m/d。

(2)放水试验及水位恢复试验过程中各观测孔的水压变化情况，表明5底砂含水层补给量有限，具有良好的可疏降性，在试采面回采前可通过布置疏降工程消除底板水害威胁。

(3)研究表明，西部矿区地层条件特殊，同样存在底板水害的问题。在明确其水文地质条件的基础上，亦可通过疏降工程等措施消除底板水害威胁，对西部矿区底板防治水工作的开展有一定的借鉴意义。