神府−东胜矿区高强度开采顶板涌水特征及防治技术

许 峰 ，靳德武 ，杨茂林 ，王世东 ,3，黄 欢 ,3，党亚堃 ,3

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077；4.神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719315)

目前，西部矿区是我国煤炭资源开发供给的主战场，随着综合机械化采煤工艺日渐成熟，在煤层赋存条件较为理想的基础上，大部分矿井布设长距离、大跨度工作面进行高强度开采。在其煤炭资源开发过程中面临顶板水害威胁，同时采煤活动对地下水资源的扰动及影响成为了西部矿区煤炭高效保水采煤需要解决的主要矛盾。因此，近年来围绕我国西部煤炭资源高效开发与顶板水害有效防控、地下水资源保护协调发展等方面的研究越来越多，已成为目前的研究热点之一[1-7]。其中，在西部矿区顶板水害防控及涌水规律研究方面，李东等[8]总结了鄂尔多斯盆地北部煤矿顶板水害的特征及形成机理，包括离层水害、薄基岩突水溃砂灾害和巨厚砂砾岩含水层顶板水害等，并提出了相应的防治措施与方法；蔺成森[9]基于彬长矿区与巴彦高勒矿区顶板巨厚含水层水文地质特征及水害防治问题，提出了“三个体系”与“十法”相结合的防治水思路与方法；董书宁等[10]总结研究了鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田4 种典型顶板水害的形成机理、判识方法、主控因素和防控技术等，为遏制顶板水害事故的发生提供了技术支撑；赵春虎等[11-12]提出榆神矿区煤层开采顶板涌水的3 种模式：浅埋煤层侧向直接涌水、中深煤层侧向与垂向复合涌水以及深埋煤层侧向涌水与垂向弱涌水，并采用数值方法进行了分析，同时提出基于预裂–改性注浆(P-G)的煤层顶板失水控制技术思路，对榆神矿区采煤工作面顶板含水层失水控制方法进行了探讨；王洋等[13]针对蒙陕矿区深部侏罗系矿井开采顶板水害提出了“断源截流、集中疏排、源头预防、超前治理”的治理思路，总结了4 种地下水截流治理模式等；乔伟等[14]总结西部矿井顶板离层水害形成机制与致灾机理，并提出离层水害的预测预警与防治关键技术等；武谋达等[15]通过对大佛寺煤矿顶板洛河组含水层进行分析，认为洛河组富水性、开采强度及煤与含水层间距是影响区内4 煤层开采过程中顶板涌水的主要因素，隔水层岩性及结构变化、区域构造则在4上煤开采涌水过程中发挥重要作用。

以上及其他一系列研究[16-21]极大丰富了我国西部矿区顶板水害防控技术、顶板涌水规律及理论体系等。但以往研究大部分集中在顶板水害防控方面，对于顶板涌水规律尚未进行系统的划分，尤其是采煤工作面尺度的煤−水空间组合与涌水规律之间的对应关系缺乏系统分类研究。为此，笔者以神府−东胜矿区矿井为研究对象，统计了区内50 个已回采工作面的涌水数据，并进行分类分析，提出相应防治水对策，以期为相似矿井的顶板水害防治提供科学依据。

1 研究区水文地质结构特征

1.1 覆岩地层分布及特征

神府−东胜矿区位于鄂尔多斯盆地北部，开采侏罗纪煤层，是我国煤炭开发的重要基地，同时，该区位于毛乌素沙漠与黄土高原的接壤地带，为干旱半干旱地区，区内地貌以风积沙、黄土及河谷地貌为主。区域地层由老至新分别为：三叠系上统延长组，侏罗系富县组、延安组、直罗组、安定组，白垩系志丹群，新近系保德组，第四系离石组、萨拉乌苏组和风积层及冲积层，区域地层划分见表1。其中侏罗系延安组为区域含煤地层，主要可采煤层包括1−2、2−2、3−1、4−2、5−2煤层，受鄂尔多斯盆地总体构造特征影响，该区地层呈向西倾斜的单斜构造，自东向西主采煤层埋深也逐渐加大。

表1 区域地层Table 1 Regional strata

1.2 含(隔)水层分布及特征

根据研究区历年勘探资料表明，区内含水层主要划分为第四系松散岩类孔隙含水层组、碎屑岩孔隙−裂隙含水层组和烧变岩孔隙裂隙含水层。隔水层主要为保德组土层，侏罗系安定组等，含隔水层的空间分布如图1 所示，各自特征见表2。

表2 神府−东胜矿区含(隔)水层特征Table 2 Characteristics of aquifers(aquifuges) in Dongsheng Mining Area of Shenfu Coalfield

图1 神府−东胜矿区煤–水空间关系Fig.1 Schematic diagram of coal-water spatial relationship in Dongsheng Mining Area of Shenfu Coalfield

第四系松散岩类孔隙含水层组主要包括第四系全新统风积层潜水(Q4eol)、河谷冲积层潜水(Q4al)以及上更新统萨拉乌苏组潜水(Q3s)含水层。碎屑岩孔隙−裂隙含水层组主要包括白垩系下统志丹群伊金霍洛组潜水(K1zh2)、侏罗系中统直罗组裂隙潜水−承压水(J2z)以及侏罗系中下统延安组裂隙承压水(J1-2y) 含水层。烧变岩孔洞裂隙潜水含水层在矿区内主要分布在煤层露头，沿大型沟谷呈条带状及片状分布，含水层受到大气降水及上覆含水层补给，一般厚度4.2～11.5 m，渗透系数8.5 m/d，富水性中等–强。

矿区内主要隔水层为保德组红土，分布广泛，是第四系松散含水层与基岩裂隙含水层之间的稳定隔水层，隔水性能良好。

2 不同煤−水组合下顶板涌水规律

笔者统计区内50 个已回采工作面的涌水数据，经过分析，总结划分为5 种典型的涌水特征：动态补给主导的持续增长型；“动–静”储量共同作用的先增后稳型；微涌水持续稳定型；水文地质条件差异化局部凸显型以及静储量主导先增后减型，以下对5 种典型工作面涌水特征的成因机制进行分析。

2.1 持续增长型

1) 涌水规律

在工作面回采过程中，随着回采距离的增加，采空区涌水量一直呈现出增加趋势，直至回采末期，涌水量达到高峰，如图2 所示。该类涌水特征的典型工作面如锦界煤矿31401、31409、31201 工作面，回采末期工作面涌水量达到800 m3/h 以上，个别工作面甚至超过1 000 m3/h，给工作面临时排水带来巨大压力。

图2 锦界煤矿3 个典型工作面涌水量随回采距离变化趋势Fig.2 Variation trend of water inflow with mining distance in three typical working faces of Jinjie Coal Mine

2) 成因分析

上述典型工作面均为锦界煤矿盘区首采面，其3−1煤层开采主要充水含水层为顶板直罗组基岩风化裂隙含水层(图3)，含水层厚度为15～70 m。根据前期勘探资料，风化岩含水层单位涌水量为0.040 2～0.666 0 L/(s·m)，渗透系数为0.142～0.882 m/d，富水性弱–中等。工作面范围内该含水层的静储量以及侧向补给充沛，导水裂隙带直接贯穿整个风化基岩含水层，随着工作面回采，采动范围增加，“采动大井”范围亦随之增加，导致侧向涌水量补给增大。同时，采动波及的顶板风化岩含水层厚度呈增大趋势，释放的静储量也随之增加。在侧向动态补给与静储量补给共同作用下，工作面采空区涌水量较大且一直呈上升趋势。

图3 锦界矿典型工作面煤–水空间关系(回采方向)Fig.3 Coal-water spatial relationship of typical working faces(advancing direction) in Jinjie Coal Mine

2.2 先增后稳型

1) 涌水规律

在工作面回采初期，采空区涌水呈现快速增加趋势，但随着回采的进行，涌水量不再持续增加，直至回采结束，涌水量基本变幅不大，稍有波动，但整体维持稳定，如图4 所示。该类涌水特征的典型工作面如锦界煤矿31407、31114 工作面，在回采初期(工作面前500 m)涌水量迅速增加至300 m3/h 左右，随后直至回采结束，涌水量依然维持在300 m3/h 左右。

图4 锦界煤矿2 个典型工作面涌水量随回采距离变化趋势Fig.4 Variation trend of water inflow with mining distance in two typical working faces of Jinjie Coal Mine

2) 成因分析

该类工作面大都位于盘区中部，与已采工作面采空区相邻。在回采初期上覆含水层静储量与动态补给的共同作用导致涌水量增加，但由于相邻采空区使含水层侧向动态补给量大幅下降，随着回采持续，工作面上方的静储量补给成为涌水量的主要组成，并使得涌水量持续维持稳定状态。

2.3 持续稳定型

1) 涌水规律

在工作面回采的整个周期内，采空区涌水量均较小，通常小于50 m3/h，且一直维持稳定，如图5 所示。典型工作面如上湾煤矿12401 工作面、柳塔煤矿12122 工作面、榆家梁煤矿52210 工作面等。

图5 3 个典型工作面涌水量随回采距离变化趋势Fig.5 Variation trend of water inflow with mining distance in three typical working faces of coal mines

2) 成因分析

该类工作面煤层开采顶板主要充水含水层为延安组和直罗组基岩裂隙含水层，其渗透系数一般为0.000 7～0.042 9 m/d，单位涌水量一般为0.004 4～0.008 0 L/(s·m)，渗透系数与单位涌水量的数量级均在10−2以下。由于富水性和渗透性弱，主要充水含水层侧向动态补给量少，工作面涌水基本为弱含水层的静储量，随着回采面积的增加，涌水持续维持稳定的较低水平。

2.4 局部凸显型

1) 涌水规律

工作面回采期间，采空区涌水变化较大，往往在工作面回采方向的某一区域涌水量突然增大，当回采过这一范围后，涌水量又恢复为较低水平。典型工作面如哈拉沟煤矿22410、22519 工作面和补连塔煤矿12413 工作面等。

2) 成因分析

通过前期勘探表明，哈拉沟煤矿22410 工作面距切眼100～1 050 m 范围内为基岩裂隙含水层的富水区域(图6)，而根据工作面涌水量随回采距离的变化趋势来看，在工作面回采至256～1 262 m 时，涌水量呈现出增大趋势，且基本大于30 m3/h，当回采过富水区后，工作面涌水量逐渐下降，并维持较小的水平(图7)。通过对比，工作面涌水较大区段与顶板基岩裂隙含水层富水区域基本吻合。

图6 哈拉沟煤矿22410 工作面顶板基岩裂隙含水层强富水性区域分布Fig.6 Distribution of water rich zone of bedrock fissure aquifer in working face 22410 of Halagou Coal Mine

图7 哈拉沟煤矿22410 工作面涌水量随回采距离变化趋势Fig.7 Variation trend of water inflow with mining distance in working face 22410 of Halagou Coal Mine

由哈拉沟煤矿22519 工作面涌水量随回采距离变化趋势(图8)可以看出，在距切眼1 214～1 647 m 处时，涌水量呈局部增大。对照采掘平面图(图9)，在距切眼1 132 m 处为三元沟，沟内松散层较厚，且富水，煤层开采导水裂隙带已沟通松散含水层，导致涌水增大。同时，在往终采线方向回采时，基岩裂隙含水层变厚，也是导致工作面回采后期涌水增大的原因。

图8 哈拉沟煤矿22519 工作面涌水量随回采距离变化趋势Fig.8 Variation trend of water inflow of working face 22519 with mining distance in Halagou Coal Mine

图9 哈拉沟煤矿22519 工作面与三元沟位置Fig.9 Location of working face 22519 in Halagou Coal Mine and Sanyuangou

由补连塔煤矿12413 工作面涌水量随回采距离变化趋势图(图10)可以看出，当工作面回采至1 360 m时，涌水量增大至100 m3/h 以上，当回采过1 910 m后，涌水量逐渐减小至较低水平。通过图11 可以看出，涌水增大段为工作面回采过补连沟地段，由于过沟段松散含水层厚度大，且基岩较薄，煤层开采导水裂隙带沟通松散含水层，致使井下涌水增加。

图10 补连塔煤矿12413 工作面涌水量随回采距离变化趋势Fig.10 Variation trend of water inflow of working face 12413 with mining distance in Bulianta Coal Mine

图11 补连塔煤矿12413 工作面与补连沟位置关系Fig.11 Position relationship between working face 12413 and Buliangou in Bulianta Coal Mine

综上所述，该类工作面涌水基本与水文地质的差异性有关，如含水层厚度、富水性变化以及上覆存在其他富水体(如采空积水区)等，为工作面采空区涌水量变化的主控因素。

2.5 先增后减型

1) 涌水规律

工作面在回采过程中，采空区涌水量呈现出先增大后减少的特征，但总体涌水量不大，尤其在回采末期，涌水量降至较低水平。典型工作面如乌兰木伦煤矿31408、12403 工作面和布尔台煤矿22102 工作面等(图12)。

图12 乌兰木伦煤矿等3 个典型工作面涌水量随回采距离变化趋势Fig.12 Variation trend of water inflow with mining distance in three typical working faces of Ulan Mulun Coal Mine and Bu’ertai Coal Mine

2) 成因分析

该类涌水规律的工作面上覆存在多层充水含水层(图13)，但各含水层单位涌水量均小于0.058 8 L/(s·m)，渗透系数均小于0.074 7 m/d。由于含水层富水性弱，工作面开采后涌水以静储量为主，回采前期随着面积的增加，导水裂隙带波及多层含水层，使其静储量释放导致涌水增大。在中后期，由于静储量有限且动态补给微弱，涌水量逐渐减小，总体涌水量不大。

图13 乌兰木伦和布尔台煤矿煤–水空间分布特征Fig.13 Characteristics of coal-water spatial distribution in Ulan Mulun Coal Mine and Bu’ertai Coal Mine

3 不同涌水规律下水害防治对策分析

通过以上涌水规律及5 种典型涌水特征研究，分析其补给形式，进而提出相应的水害防治思路及措施，见表3。当工作面受侧向补给较强时，根据实际水文地质条件可采用帷幕截流措施为主、疏水降压措施为辅的防治手段；当工作面受顶板含水层静储量补给为主时，可提前疏水降压，削峰平谷；当工作面受到顶板含水层局部富水区域(或采空区)涌水补给时，可有针对性地采取疏放、注浆治理等综合措施，消除局部水患。

表3 不同工作面涌水类型及防治对策Table 3 Types of water inrush in different working faces and countermeasures

4 结论

a.通过对矿区内50 个已回采工作面的涌水数据分析，总结划分了5 种典型涌水特征：持续增长型、先增后减型、持续稳定性、局部凸显型以及先增后减型。

b.针对每种涌水规律，提出了相应的水害防治对策及思路：当工作面受侧向补给较强时，根据实际水文地质条件可采用帷幕截流措施为主、疏水降压措施为辅的防治手段；当工作面受顶板含水层静储量补给为主时，可提前疏水降压，削峰平谷；当工作面受到顶板含水层局部富水区域或采空区涌水补给时，可有针对性地采取疏放、注浆治理等综合措施，消除局部水患等。

c.本文研究成果为基于统计分析总结的涌水规律，对受顶板水害威胁的西部大型矿区水害防治工作具有一定的借鉴意义，但对于每种类型的涌水机理，有待于今后进一步研究。