蒙陕矿区深埋工作面顶板水可疏降性及预疏放标准研究

杨 建 ，孙 洁，梁向阳，黄 浩 ，王强民

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710054）

鄂尔多斯盆地位于我国西北地区东部，属黄河中游，面积约 27.5×104km2[1]，煤层以厚和特厚煤层为主，煤田地质构造简单[2-3]，煤层赋存稳定，煤层倾角2°～5°，很少有断层、褶曲，水文地质条件简单，瓦斯含量较少，易开采，开发成本低，具备建设大型和特大型矿井的条件[4]。其中，蒙陕矿区深埋煤田区矿床水文地质条件的勘探和研究程度较低[5]，其多旋回陆相沉积特征[6-7]、多相变层叠地层结构[8-9]和复合含水层系统，地层的高度非均质、各向异性和非连续性，造成含水层富水性极不均匀[10]，具有不连续的块段分布特征，甚至在 1 个含水层不能形成统一的地下水水头面。为了保障深埋煤层工作面的安全回采，在工作面回采前，一般对其顶板含水层开展预疏放工作[11]，避免回采过程中涌水量的突然增加，超过工作面排水能力，导致工作面被淹。但是由于区域性地质和水文地质条件的不均一性，不同矿井工作面回采过程中，顶板涌水量差异极大，目前工作面顶板水预疏放仍缺少相关研究。为此总结出鄂尔多斯盆地北部深埋煤田区水文地质控水机理、工作面顶板水预疏放变化规律、安全回采控制参数等成果。

1 研究区概况

研究区位于鄂尔多斯盆地北部蒙陕接壤区（图1），包括新街、呼吉尔特、纳林河、榆横等矿区，自西北向东南倾斜，以中生代侏罗纪和白垩纪岩石为骨架，分为基岩台地、沙地、黄土沟壑3 类地貌。其中大部分地区在晚第四纪风成作用下，覆盖着不同流动或固定程度的沙丘与沙地，沙丘高度一般在5～10 m以下，风积沙以细砂、中砂为主，0.25～0.50 mm 粒径的约占90%，第四系风积沙厚度不一，葫芦素井田内厚度为 4.50～61.58 m（平均 25.57 m），巴彦高勒井田内厚度为 73.92～161.60 m（平均 118.74 m），单位涌水量 q=1.290～1.573 L/(s·m)，富水性强，是煤层顶板含水层较丰富的充水水源；新街矿区主要为基岩志丹群出露，富水性弱，红庆河井田白垩系含水层段单位涌水量 q=0.020 6～0.032 81 L/(s·m)；榆横南区为黄土沟壑地貌，第四系含水层弱富水性，魏墙井田第四系含水层 q=0.088 L/(s·m)。

图1 研究区位置示意图（红线内为研究区）Fig.1 Schematic map of research area

2 工作面顶板水可疏降性

2.1 顶板水文地质特征

鄂尔多斯盆地中生代发生了3 期构造抬升与剥蚀事件，分别对应三叠系延长组-侏罗系、侏罗系延安组-直罗组、侏罗系安定组-白垩系志丹群等地层不整合面；构造运动造成的凹凸不平剥蚀面上，沉积以填平补齐为特点，形成了早侏罗底部宝塔砂岩、直罗组底部七里镇砂岩、白垩系底部砂岩等富水含水层；另外，由于沉积环境的变化，还发育了延三段裴庄砂岩、延五段真武洞砂岩、直二段高桥砂岩等含水层。根据煤矿建设和生产过程中对这些含水层的揭露，发现上组煤开采防治水关键层主要包括真武洞砂岩、延安组-直罗组不整合面、七里镇砂岩、志丹群砂岩等，其中真武洞和七里镇砂岩位于煤炭开采导水断裂带范围内（图2）；下组煤开采防治水关键层主要包括延长组-延安组不整合面、宝塔砂岩等。

本地区现阶段主采煤层为2 号煤或3 号煤，通过在巴彦高勒和纳林河二号矿井的覆岩破坏高度实测，本地区导水断裂带发育高度一般为煤层开采高度的 20～25 倍，即最大发育高度在 100～130 m，已经进入直罗组一段地层。该层段厚度70～100 m，平均85 m，底部的七里镇砂岩平行不整合覆岩在延安组三段上，以中粗砂岩为主，厚度17～24 m（平均19 m），自然伽马曲线表现为低值，是本地区2 煤和3煤开采过程中最主要的防治水目的层。但是，不同矿井的直罗组含水层水文地质条件差异较大，其中渗透系数k 和单位涌水量q 作为含水层渗透和出水能力大小的重要指标（图3），黄土沟壑区的魏墙矿k=0.004 m/d、q=0.002 5 L/(s·m)，基岩台地区的红庆河矿 k=0.003 6 m/d、q=0.011 7 L/(s·m)，而沙漠区k=0.01～0.149 m/d、q=0.024～0.077 L/(s·m)，沙漠区直罗组含水层富水性（渗透能力和出水能力）远大于黄土沟壑区和基岩台地区。

图2 研究区地层结构图Fig.2 Stratigraphic profile of research area

2.2 顶板水可疏降性

矿井工作面探放水钻孔水量和水压特征见表1。

图3 各矿井直罗组渗透系数k 和单位涌水量q 对比图Fig.3 Comparison of permeability coefficient k and unit water inflow q of Zhiluo formation

表1 各矿井工作面探放水钻孔水量和水压特征Table 1 Water inflow and pressure of roof boreholes of working face

由表1 可知：钻孔的初始水量和水压差异极大，经采前预疏放后，1～3 个月可实现大部分（90%）顶板钻孔水量＜10 m3/h、水压＜1.2 MPa，具有较好的可疏降性。大致分为3 类：①初始水量q0＜10.0 m3/h，初始水压p0≤4.0 MPa，包括红庆河和魏墙煤矿，通过对顶板含水层的预疏放，累计疏放水量分别为 0.93×104m3和 2.0×104m3，最终实现工作面回采前单孔水量 q1=0.4～2.7 m3/h 和 0～0.5 m3/h，水压已不可测；②初始水量 q0≤60.0 m3/h，初始水压p0≤6.0 MPa，包括葫芦素、巴彦高勒、营盘壕，工作面预疏放后，累计疏放水量分别为19.3×104m3、17.9×104m3和 83.3×104m3，最终实现工作面回采前单孔水量分别达到 0.1～3.5 m3/h、0.2～6.0 m3/h、2.0～20.0 m3/h，水压 p1≤1.2 MPa；③大部分钻孔的初始水量 q0＞100.0 m3/h，甚至达到 150.0～160.0 m3/h，初始水压也以 4.0～6.0 MPa 为主，包括门克庆、母杜柴登和纳林河二号，工作面预疏放后，累计预疏放水量分别为 130.0×104m3、165.3×104m3和 142.6×104m3，最终实现工作面回采前单孔水量分别达0.3～26.3、＜11.0、1.0～9.6 m3/h，水压 p1≤1.2 MPa。

3 工作面顶板预疏放标准

3.1 是否预疏放的标准

红庆河等8 个矿井在首采工作面回采过程中均未出现涌水量突然增大的情况，实现了首采工作面的安全回采，由此可以初步确定满足安全回采的顶板疏放水钻孔水量和水压条件，即单孔涌水量≤10.0 m3/h（90%）、水压≤1.2 MPa，该条件在红庆河和魏墙煤矿的工作面顶板探放水钻孔施工过程中，初始水量就已经满足要求。另外，新街矿区的马泰壕煤矿首采工作面顶板探放水钻孔初始水量和水压与红庆河煤矿相似，未进行工作面预疏放，已经实现首采工作面的安全回采，因此水压不是必要指标，可作为参考指标。

葫芦素煤矿首采工作面回采前，在工作面中段某富水区附近选择 11 个钻孔开展了放水试验，钻孔初始水量 1.0 m3/h≤q0≤60.0 m3/h，累计疏放水量Q=21.7×104m3（图4），其中水量q0＞20.0 m3/h 的钻孔 4 个，占 36.4%，累计疏放水量 18.1×104m3，占83.34%；另外，该矿首采工作面回采前的疏放水过程中，除了1 个钻孔初始水量为26 m3/h，其余26 个钻孔初始水量均小于 20.0 m3/h（且＞10.0 m3/h 的钻孔不超过 20%），94 d 累计疏放水量为 11.4×104m3，单孔平均1.87 m3/h，这种条件下可不进行预疏放工作；而初始水量 20.0＜q0＜60.0 m3/h 的钻孔，往往位于顶板富水区，须针对顶板富水区开展预疏放工作，以避免回采过程中采空区涌水量的突然增大。

图4 葫芦素放水试验过程中初始水量和疏放水量关系图Fig.4 Initial and drainage water inflow in drainage test of Hulusu Mine

门克庆、母杜柴登、纳林河二号等矿井水，由于大部分钻孔的初始水量q0＞100.0 m3/h、初始水压4.0～6.0 MPa，表现为“水量大、水压高”的特点，如果不进行预疏放工作，可能会造成2 方面问题：①工作面回采过程中，采空区涌水量较大，为满足工作面排水要求，须建设较大排水能力的排水系统，例如门克庆首采工作面，在开展顶板水预疏放的前提下，最终工作面涌水量仍达到了1 134.0 m3/h；②研究区为河流相沉积，每个工作面顶板均发育数个富水条带，工作面回采过程中，会出现阶段性涌水峰值，对排水系统造成巨大冲击，威胁工作面安全回采。因此，这类矿井工作面回采前，必须开展预疏放工作。基于上述不同钻孔涌水特征矿井，划分出是否开展预疏放的标准，工作面是否预疏放标准见表2。

表2 工作面是否预疏放标准Table 2 Standards for pre-drainage of working face

3.2 如何预疏放的标准

门克庆、母杜柴登和纳林河二号的工作面前600.0 m 预疏放水量分别为 130.0×104m3、165.3×104m3和 142.6×104m3，形成了回采前工作面约 400.0～700.0 m3/h 的排水量，因此必须开展工作面采前预疏放工作。以目前工作面涌水量最大的门克庆煤矿为例，在前期工作面顶板探放水钻孔施工已经预疏放一定量顶板水的条件下，仍需2～3 个月才能实现工作面回采前顶板的预疏放工作，即90%钻孔水量≤10.0 m3/h、水压≤1.2 MPa。由此可以针对“水量大、水压高”矿井工作面开展预疏放设计（表3）：研究区绝大部分矿井产能在 500.0～1 000.0 万 t，长度为 2 000.0～3 000.0 m 的单个工作面一般在 1 年内回采完成，以 600.0～1 000.0 m 为工作面回采段，提前3 个月进行顶板水预疏放，可实现预疏放和回采工作的顺利接续。

表3 “水量大、水压高”矿井工作面预疏放要求Table 3 Requirement for pre-drainage of working face with large amount and high pressure

4 结 论

1）研究区分为基岩台地、沙地、黄土沟壑 3 类地貌，其中沙地区第四系富水性强，是煤层顶板含水层丰富的充水水源，导致直罗组一段渗透系数和单位涌水量均远大于基岩台地区和黄土沟壑区。

2）不同矿井首采工作面探放水钻孔初始水量和累计放水量分为 3 类，基岩台地和黄土沟壑区的水量较小矿井（包括红庆河和魏墙），初始水量q0＜10.0 m3/h，累计疏放水量＜5.0×104m3；毛乌素沙漠区的水量中等矿井（包括葫芦素、巴彦高勒和营盘壕），初始水量q0≤60.0 m3/h，累计疏放水量10.0～100.0×104m3；毛乌素沙漠区的水量较大矿井（包括门克庆、母杜柴登和纳林河二号），大部分钻孔的初始水量 q0＞100.0 m3/h，累计预疏放水量＞100.0×104m3。

3）q0=0～10.0 m3/h 的矿井，不需要开展预疏放；q0=0～60.0 m3/h 的矿井，对钻孔初始水量＞20.0 m3/h的富水条带开展预疏放；q0＞ 60.0 m3/h 的矿井，必须开展全工作面预疏放。

4）“水量大、水压高”矿井工作面，以 600.0～1 000.0 m 为工作面回采段，提前3 个月进行顶板水分段预疏放，实现回采前90%钻孔水量≤10.0 m3/h、水压≤1.2 MPa。