呼吉尔特矿区深埋工作面顶板水文地质特征

徐圣集

（陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西 榆林719000）

鄂尔多斯盆地是燕山运动期形成的中生代大型内陆坳陷[1]，在中侏罗世早期（延安组），盆地主要被泥砂质冲积体系和递进于低能淡水湖泊中的三角洲体系充填[2]，构造条件较稳定和源区粗粒碎屑供应相对贫乏，导致了稳定的煤层堆积和丰富的煤炭资源形成[3-4]。受特提斯构、古亚洲和环太平洋等构造域的联合作用[5]，在侏罗纪煤层顶板形成了白垩系志丹群、延安组三段真武洞砂岩、直罗组一段七里镇砂岩等[6]富水含水层。呼吉尔特矿区位于鄂尔多斯盆地北部侏罗纪深埋煤田区，是未来我国煤炭资源开发的重点区域，呼吉尔特矿区共规划有7 座矿井，目前除梅林庙矿井处于停工状态、沙拉吉达矿井未建外，其余的5 座矿井都已建成、处于生产阶段。呼吉尔特矿区白垩系含水层与主采煤层之间距离在300 m 左右，导水断裂带高度一般不大于130 m[7]，不会直接波及白垩系含水层。侏罗纪直罗组和延安组以辫状河、曲流河和湖泊相沉积为主[8]，具有横向上不连续性、垂向上与各粒级砂岩成互层状分布特点[9]，在浅部毛乌素沙漠强富水含水层水长期下渗作用下，煤层顶板直接充水含水层形成了“高水压、强富水、非均一”特征，对煤炭安全开采具有较严重的水害威胁[10]，工作面回采过程中不仅涌水量大，而且波动变化，容易产生影响综采面正常生产、工作面排水系统瘫痪、工作面被淹等水害问题。因此非常有必要针对呼吉尔特矿区的工作面开展顶板水文地质特征研究。

1 研究区概况

呼吉尔特矿区位于鄂尔多斯剥蚀高原向陕北黄土高原过渡地带，研究区位置示意图如图1，毛乌素沙漠占据了区内大部分地区，总的地形趋势是中东部高，海拔高度1340～1 410 m，最高处在水头梁-乌拉西壕一带，海拔高度在1 418 m 左右。整个呼吉尔特矿区属高原沙漠地貌特征，地表全部被第四系风积沙所覆盖，多为新月形或波状沙丘，没有基岩出露。井田内植被稀疏，为半荒漠地区，沙丘及沙地间常分布有大小不等的积水洼地，地形相对高差一般为10～30 m。研究区属北温带半干旱半沙漠高原大陆性气候，四季寒暑巨变，当地气温在-27.9~+36.6℃，年降水量为194.7～531.6 mm，多集中于7～9 3 个月；年蒸发量为2 297.4～2 833 mm，年蒸发量为年降水量的5～10 倍。地势平缓，地面多为第四系上更新统萨拉乌苏组松散岩类地层和全新统风积沙组成，渗透性能好，为大气降水入渗起到良好的导渗作用，地面很少形成沟谷和大的地表水体，因而区内地表水系极不发育，仅在地势低洼、地下水位埋深较浅的滩地，雨后可形成局部积水。

2 煤层顶板地质特征

图1 研究区位置示意图

呼吉尔特矿区地层属于鄂尔多斯分区乌审旗小区，据煤田地质钻探揭露，矿区中生代地层发育较齐全、厚度大，以侏罗纪延安组为底，顶板地层自老而新依次是中侏罗直罗组和安定组、下白垩统志丹群伊金霍洛组和东胜组、新近系上新统、第四系上更新统萨拉乌素组和全新统。由于延安组主采煤层开采形成的导水断裂带只发育至直罗组，因此煤层顶板延安组三段和直罗组是工作面回采过程中的直接充水含水层。延安组三段从主采煤层砂泥岩顶板之上的砂岩开始至延安组顶界面，厚度22.2~134 m，平均83.9 m；由灰白色含砾粗、中粒砂岩夹深灰色粉砂岩、砂质泥岩及2 煤组构成；低异常电阻率值，曲线形态起伏不大，声波时差值低异常，曲线形态低平，自然伽玛值为中高异常，曲线形态中上部高，中下部低。直罗组发育2 个沉积韵律，每个韵律底部为细砾岩或者含砾粗砂岩；下部直罗组一段以灰绿色、青灰色中粗粒长石砂岩为主，局部夹粉砂岩、砂质泥岩；上部直罗组二段以灰绿色砂质泥岩、泥岩与灰绿、黄绿色粉砂岩互层为主。直罗组与延安组平行不整合，厚度71.1~238.4 m，平均161.2 m。

受沉积旋回控制，以较厚层砂岩为旋回底界标志，结合区域性标志层（薄煤层及泥岩）和岩性、颜色变化特征，延安组三段和直罗组一段分别发育了一厚层粗-中砂岩段，其中真武洞砂岩位于延安组三段，岩性为灰白略带黄色细粒硬砂质长石砂岩，厚度3.2～14 m，平均9.7 m，发育板状斜层理、底冲刷侵蚀面；七里镇砂岩位于直罗组底部，与下覆延安组呈冲刷接触，厚度14.6～31 m，平均26.3 m，以曲流河沉积为主，局部发育薄煤层或煤线。

3 顶板水文地质特征

3.1 含水层与煤层距离

延安组三段真武洞砂岩含水层与3-1 煤顶板间距0～23.4 m，厚度分布极不均一，富水性变化也非常显著；巷道掘进过程中锚索和锚杆可穿透顶板隔水层较薄的区段，形成巷道顶板的大面积淋水；顶板隔水层厚度较大的区段，在工作面回采阶段将形成采空区涌水，成为直接充水含水层。直罗组一段七里镇砂岩在距离煤层顶板25～37.1 m 和65.2～75.1 m 位置分别出现，该层砂岩含水层处于工作面采后顶板垮落导水断裂带发育范围之内，是工作面回采最主要的直接充水含水层。

3.2 含水层富水特征

鉴于七里镇砂岩是呼吉尔特矿区煤层开采最主要的直接充水含水层，针对该含水层开展了井下顶板探放水钻孔施工和放水试验，七里镇砂岩含水层水量和水压变化特征如图2。结果表明：第1 阶段：钻孔初次揭露七里镇砂岩含水层底部（永久煤仓附近），尽管钻孔涌水量在45~49 m3/h，但水压高达6 MPa；第2 阶段：随着井下巷道掘进的持续进行，多个出水点（或钻孔）对该含水层进行了长期的疏降，在首采工作面中部，顶板探放水钻孔水压减小至4.7 MPa 左右，单孔涌水量在140~150 m3/h；第3 阶段：工作面切眼附近钻孔施工期间，由于工作面放水试验作用，钻孔水压减小至3 MPa 左右，由于切眼附近富水性较强，单孔涌水量在150~160 m3/h 之间；第4 阶段：由于七里镇砂岩含水层疏放水强度加大，工作面后续钻孔水压降至2 MPa 以下，单孔涌水量降至80~120 m3/h。根据七里镇砂岩的钻孔实际揭露情况，可以确定七里镇砂岩未扰动条件下水压约6 MPa，单孔涌水量150~160 m3/h；根据首采工作面中部放水试验结果，计算得到七里镇砂岩含水层平均渗透系数K 为0.648 m/d，最大为1.25 m/d，影响半径为1 825 m。

图2 七里镇砂岩含水层水量和水压变化特征

3.3 工作面采前预疏放

通过对工作面顶板含水层地质沉积相和富水规律研究，发现主采煤层顶板各含水层（特别是七里镇砂岩）尽管表现为“高水压、强富水、非均一”特征，但随着井下采掘过程的持续揭露和疏水，各含水层的水压和水量衰减较快，因此制定了工作面回采前对顶板导水断裂带范围内含水层水实施分段预疏放的方案。首先在切眼附近600 m 段（先期预疏放段）施工了83 个顶板水预疏放钻孔，钻孔倾角45°，终孔孔深150 m，垂高100 m。先期预疏放段七里镇砂岩含水层水压变化曲线如图3。

图3 先期预疏放段七里镇砂岩含水层水压变化曲线

经过2 个月的采前预疏放，先期预疏放段的总预疏放水量165.3×104m3，钻孔总涌水量从1 107 m3/h 衰减值356 m3/h，并基本保持稳定，平均单孔涌水量为6.47 m3/h。预疏放段的两端对含水层水起到截流作用，单孔涌水量相对较大，其余钻孔单孔涌水量均小于5 m3/h；3 个压力观测孔的压力分别为0.75、0.75、0.61 MPa，先期预疏放段含水层压力已经疏降至1 MPa 以下。

3.4 采空区涌水量

工作面回采过程中，随着回采进尺的增加，覆岩呈周期性垮落，并发育导水断裂带沟通真武洞砂岩和七里镇砂岩，导致这2 个含水层水持续涌入采空区，工作面回采过程中采空区涌水量变化曲线如图4。采空区涌水量表现为如下规律：①0~530 m：由于长期疏放水作用，采空区涌水缓慢增加，但涌水量相对较小，最大水量为101 m3/h；②530~1 010 m：工作面回采至538~561 m 段（进尺23 m），采空区涌水量经历了1 次较大的台阶式增加，由101 m3/h 突增至327 m3/h，之后涌水量较为平稳；③1 010~2 800 m：采空区涌水量呈线性增加趋势，水量由436 m3/h 增至863 m3/h，其中1 500~1 750 m 和2 000~2 500 m段涌水量基本稳定在600 m3/h 和700 m3/h 左右；④2 800 m~回采结束（3 200 m）：采空区涌水量总体上趋于稳定，水量稳定在900 m3/h 左右，上下波动幅度在20 m3/h 以内。总体上，工作面回采过程中采空区涌水量随着回采进尺的增加而增加，最终采空区总涌水量为621.7×104m3，。

工作面煤层平均厚度5.2 m，实际采出煤炭资源量530 万t，工作面总排水量为787×104m3，根据富水系数计算公式：

图4 工作面回采过程中采空区涌水量变化曲线

式中：Kp为矿井富水系数（吨煤排水量）；Q 为某一时期内矿井（或工作面）排水量；P 为同一时期的开采量。

计算得到该工作面富水系数为Kp=1.48，远大于神府、新街等黄土沟壑和基岩台地区的富水系数（普遍<0.3），表明呼吉尔特矿区主采煤层顶板直接充水含水层（包括七里镇砂岩和真武洞砂岩）富水性较强。

4 结 论

1）呼吉尔特矿区主采煤层顶板受河流相（曲流河）沉积控制，在延安组三段和直罗组一段形成了砂泥岩互层结构，其中导水断裂带范围内的真武洞砂岩和七里镇砂岩是最主要的中粗砂岩段。

2）受毛乌素沙漠强富水松散层水下渗作用，真武洞砂岩和七里镇砂岩具有“高水压、强富水、非均一”特征，特别是七里镇砂岩含水层，未扰动条件下水压为6 MPa，井下单孔涌水量为150~160 m3/h。

3）放水试验和采前预疏放结果显示，直接充水含水层具有良好的可疏降性，先期开采段（0~600 m）采前大部分顶板钻孔水量降至5 m3/h 以下，水压降至1 MPa 以下，具备安全回采的水文地质条件。

4）整个工作面回采的过程中，总的排水量高达787×104m3，富水系数为1.48，远大于神府、新街等矿区，表明呼吉尔特矿区煤层顶板直接充水含水层富水性较强。