小青煤矿北二采区4煤层顶板含水砂岩富水性研究

杨晓光

（铁法煤业（集团）有限责任公司小青煤矿，辽宁 调兵山 112700）

1 概况

1.1 井田概况

小青井田为隐伏井田，埋藏深度大于360m。地层由下至上依次是前震旦系、白垩系、第四系。小青井田煤系地层主体为一短轴向斜，其轴部位于F74断层附近，走向大体呈北北东向，两翼煤岩层都比较平缓，倾角一般都在5°以内，局部受断层的影响稍大，但也不超过10°。北二采区位于小青井田的东北部，其南北长平均为2.45km，东西宽平均为1.98km，面积为4.85km2。北二采区主要开采4-2煤层。4-2煤层的伪顶为灰色泥岩、深灰色炭质泥岩，松软易碎，遇水成泥状，厚度0.51～0.73m，一般0.62m左右。直接顶为灰色粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩互层，层理明显，块状构造，其厚度为1.76～2.71m，一般2m左右。老顶为白色粗砂岩、砂砾岩及中砂岩，胶结性差，其厚度为5～10m，一般为8m左右。

1.2 采区水文地质概况

小青井田煤系地层及煤系地层之上共有四个含水层，三个隔水带。含水层从上至下分别是：第四系砂及砂砾承压含水层；下白垩系泉头组砂岩、砂砾岩承压含水层；下白垩系阜新组砂岩、砂砾岩承压含水层；构造及岩浆岩裂隙含水带。隔水层从上至下分别是：第四系隔水层；白垩系上部隔水层和下部隔水层。北二采区4煤层直接充水水源为下白垩系阜新组砂岩、砂砾岩承压含水层。

下白垩系阜新组砂岩、砂砾岩承压含水层，伏于白垩系泉头组之下，在本井田发育良好，西薄东厚，总厚度可达800～1230m，主要由砂岩、砂砾岩、泥岩、煤层等组成，多为泥质胶结，部分为钙质胶结及砂质胶结。含水层厚度为46.58m（上含煤段22.78m，下含煤段23.80m），以灰白色粗砂岩和砂砾岩为主，多在4煤层及7煤层直接顶或间接顶板。根据535孔抽水试验，其渗透系数为0.00717m/d，单位涌水量为0.006L/m·s，460孔及489孔的渗透系数为0.000597～0.00583m/d，单位涌水量为0.00048～0.0028L/m·s。根据井筒检查孔白垩系泉头组和阜新组含水层混合抽水试验，其渗透系数为0.001402～0.006267m/d，单位涌水量为 0.001～0.002L/m·s。水质属氯化钾钠型水。

2 顶板砂岩沉积形式与形成原因

顶板砂岩沉积形式和形成原因对研究区域内的岩体分布规律具有一定的指导意义。

由于铁法煤田的区域沉积特征为一断陷型盆地，东部为侵蚀沉积的边界，小青井田位于铁法煤田的中东部，因此，受侵蚀沉积的影响较为强烈，尤其是在井田的东北部（即北二采区）发育有越岸冲刷带和沉积后分流河道冲刷带。以上两种冲刷带是本区煤层顶板砂岩形成的主要原因。

越岸冲刷带是按照沉积环境划分的冲刷带，是指河道或分流河道的洪水以漫流或决堤方式越岸进入岸后泥炭沼泽而形成的冲刷带。由于越岸的水流流速较缓，冲刷程度有限，因此表现出来的特征是煤层整体未受侵蚀。但是煤层的伪顶会被局部侵蚀，或整体被侵蚀，并且冲刷带内岩体颗粒较为细小，颗粒一般小于0.5mm。

分流河道冲刷带是三角洲平原分流河道冲蚀泥炭而形成的以砂质沉积物为主的地质体。由于三角洲平原颗粒较粗，冲刷对煤层的影响相对越岸冲刷更大，冲刷较为明显，冲刷带内的岩体以粗砂岩和砂砾岩为主。

北二采区的冲刷以越岸冲刷为主，只有局部发育分流河道冲刷。

3 富水性影响因素

北二采区4煤层顶板富水性分析主要考虑顶板砂岩厚度、砂泥岩组合、砂岩含量和构造复杂程度等因素。

3.1 顶板砂岩岩性变化

根据施工探眼，北二采区4煤层顶板砂岩自北向南依次发育有粉砂岩、细砂岩、粉砂岩，局部地点为粗砂岩。岩性的不同，透水性也不尽相同，采用渗透系数评价岩石透水性，松散粉砂渗透系数0.5～1.0m/d，松散粗砂渗透系数20～50m/d。由此可见，岩体颗粒直径越大，渗透系数越大，渗透性越好。

3.2 顶板砂岩厚度

北二采区4煤层上部地层岩性由细砂岩、中砂岩、粗砂岩互层构成。根据北二采区的3个工作面，即：N2407工作面、N2406工作面和N2408工作面在掘进期间施工的顶板探眼揭露上覆砂岩的情况，绘制了顶板砂岩等厚线图。根据砂体厚度，划分2个区间，第一个区间：0～1.5m；第二个区间：1.5～3m。由图1可知，小青井田北二采区4煤层顶板砂岩在两个区段的分布范围。北二采区4煤层的顶板砂岩厚度在1.5～3m的区域面积139457m2，占整个区域的12%；厚度在0～1.5m的区域面积1202603m2，占整个区域的88%。通过计算分析，北二采区顶板砂岩厚度以0～1.5m为主，在采区中部及采区的北部区域零星分布有厚度1.5～3m的砂岩层。

从厚度变化形态看，北二采区顶板砂岩层厚度在采区内的变化较小，整体呈透镜状，即中部厚、南北两侧逐渐变薄的趋势特征。根据采掘实际揭露情况，顶板砂岩富水性强的区域主要分布在中部的1.5～3m段的砂岩层中。该区域砂岩层富水性强的主要原因是由于该砂岩层受上部含水层的不断补给，岩层内的水含量不断增加，同时，由于南北两侧的砂岩段厚度相对较薄，对较厚段的砂岩起到了一定的隔水作用，造成了此区域岩层的排泄通道不畅通，排泄条件较差，并且，该区域不断接受补给，而四周并无较好的排泄，最后该区域的岩层水含量达到饱和状态，形成岩层中的“堰塞湖”。这与自然界中堰塞湖的形成非常相似。自然界中所谓的堰塞湖是由火山熔岩流、冰碛物或由地震活动使山体岩石崩塌下来等原因引起山崩滑坡体等堵截山谷、河谷或河床后贮水而形成的湖泊。在掘进期间揭露“堰塞湖”时，类似与自然界中在堰塞湖外围打开了通路，形成排泄通道，使岩层中的水以顶板滴水、淋水和锚杆淋水等形式得到排泄。这就是小青煤矿北二采区顶板局部出水的最主要原因之一。

图1 北二采区4煤层顶板砂岩层分布图

3.3 砂泥岩组合和砂岩含量影响

砂泥岩组合厚度比是依据砂岩和泥岩的渗透系数存在较大差异，泥岩的渗透系数仅为2×10-10～8×10-9，而砂岩的渗透系数高达5.5×10-6，砂岩的富水性强于泥岩的富水性。同一砂岩层厚度越大，富水性越强；同一泥岩层厚度越大，隔水性越强。通过砂岩层和泥岩层厚度的比值大小可以有效反映出区域的富水性和隔水性，比值越大，富水性越强，水的流动性越强，反之富水性和流动性越差。北二采区泥岩分布范围较小，只有局部发育，并以4煤层伪顶为主。分析砂泥岩组合对顶板富水性的影响，主要以采掘实见的砂岩厚度与泥岩厚度比进行综合分析。砂岩厚度/泥岩厚度＞5，富水性偏强；砂岩厚度/泥岩厚度=2～5，富水性一般；砂岩厚度/泥岩厚度＜2，富水性较差。

3.4 地质构造的影响

根据揭露表明，在其他条件相近的情况，向斜轴部往往是富水性较强，距离断层轴线越近，富水性越强；在其他条件相近的情况，断层及受断层影响的裂隙附近往往富水性较强。

3.5 顶板富水性分布情况

北二采区顶板富水较好区域集中在采区的中部，该区域为冲刷带分布区域，其次为“堰塞湖”区域，并且砂岩层厚度厚。富水性一般的区域位于采区的东部-南部，该区域的砂岩层厚度较厚。富水性较差的区域位于本区域的西部-西北部，该区域砂岩层厚度薄，并且无构造和冲刷带等因素影响。

4 结论

北二采区冲刷以越岸冲刷为主，局部发育分流河道冲刷；岩体颗粒直径与渗透系数和渗透性成正比；区域内顶板砂岩层整体呈透镜状，富水性强的区域主要分布在中部的1.5～3m段的砂岩层中；砂、泥岩厚度比值大于5时富水性偏强，介于2～5时富水性一般；小于2时富水性较差；向斜轴部和距离断层轴线较近位置，富水性更强。