巨厚充水含水层疏放水层位优化研究

黄 欢

(1.煤炭科学研究总院有限公司，北京市朝阳区，100013；2.中煤科工西安研究院〈集团〉有限公司，陕西省西安市，710077)

东胜煤田是我国最大的侏罗纪煤田，该煤田可划分为东、西、中3个含煤带，其主体部分是中部侏罗世含煤带[1-2]。由于该区域的呼吉尔特矿区、纳林河矿区、新街矿区等煤层埋深和厚度大[3-6]，矿井水害问题日益突出，主要表现为煤层顶板含水层厚度大和水压高、顶板覆岩组合和水文地质条件复杂。

该区域含水层自上至下依次是第四系全新统风积砂层孔隙潜水含水层、第四系上更新统萨拉乌素组孔隙潜水含水层、白垩系下统志丹群含水层、侏罗系中统直罗组含水层、侏罗系中下统延安组含水层。其中，侏罗系中统直罗组含水层和白垩系下统志丹群含水层是矿井先期开采2-2号煤层的直接充水含水层[7]。

研究区志丹群及直罗组含水层厚度大，且不同矿区差异较大，如呼吉尔特矿区石拉乌素煤矿志丹群含水层厚度123～295 m，直罗组含水层厚度83～223 m；纳林河矿区营盘壕煤矿志丹群含水层厚度252～450 m，直罗组含水层厚度90～230 m。以往均是将志丹群含水层和直罗组含水层视为一完整的统一含水层，作为一整段含水层进行抽水试验获取水文地质参数[8-10]。

纳林河矿区营盘壕煤矿2-2号煤层导水裂隙波及直罗组含水层，工作面回采前会对直罗组含水层下段进行疏放[11-13]，疏放水钻孔水压及涌水量衰减较快，但采空区涌水量依然较大，表明工作面超前疏放后还存在较大补给量。笔者通过分析营盘壕煤矿直罗组地层垂向岩性特征及富水性特征，采用分层抽水试验和井下放水试验，查明直罗组含水层分层性，精细划分直罗组含水层的垂向分层性，并掌握其不同层段间的水力联系，为优化矿井疏放水工程提供了依据[14-15]。

1 研究区概况

营盘壕矿井位于纳林河矿区，井田内含煤地层为侏罗系延安组，含2、3、4、5、6、7共6个煤组。该组地层厚度307.80～393.14 m，平均地层厚度355.07 m，含煤5～17层，煤层厚度17.20～22.15 m，平均厚度19.89 m。先期开采区域内的2-2号煤层厚度3.73～10.24 m，平均厚度6.67 m。2-2号煤层直接充水含水层为直罗组含水层，直罗组(J2z)为灰绿色、灰白色中粗粒砂岩，夹灰色、浅灰色砂质泥岩、粉砂岩和各粒级的砂岩，全区皆有分布，含水层富水性弱。

针对煤层顶板直罗组含水层水害问题，营盘壕煤矿在2217工作面采用疏放水钻孔对直罗组含水层进行超前疏放。2217工作面开采2-2号煤层，煤层厚度5.64～7.33 m，平均厚度6.41 m，平均埋深731.4 m，工作面范围直罗组含水层平均厚度193 m，其中中粗砂岩厚度47 m。疏放水钻孔垂深140～150 m，钻孔进入直罗组含水层约60 m，仅对直罗组含水层下段进行疏放。疏放2个月后钻孔水压由初始5.5 MPa衰减至1.0 MPa以下，且钻孔涌水量衰减较快，2217工作面采前疏放水钻孔涌水量及水压变化趋势如图1所示。

图1 2217工作面采前疏放水钻孔涌水量及水压变化趋势

2217工作面疏放水量与采空区涌水量对比如图2所示。由图2可以看出，2217工作面超前预疏放后回采时采空区涌水量依然较大，最高可达600 m3/h，工作面采空区较大涌水量与超前预疏放效果相矛盾。从采空区涌水量变化趋势可知，2-2号煤层顶板含水层仍具有相对较大的静储量。

图2 2217工作面疏放水量与采空区涌水量对比

通过超前预疏放效果及采后采空区涌水量对比分析，认为，以往疏放水钻孔仅进入直罗组含水层约60 m，未对导水裂隙范围内含水层进行有效疏放，疏放水层位不合理，未对充水含水层进行有效疏放，致使采空区涌水量依旧较大。因此，需对直罗组含水层垂向岩性特征及富水性特征进行分析，采用分层抽水试验查明直罗组含水层分层性，精细划分直罗组含水层的垂向富水性，优化疏放水层位，提高疏放水效果。

2 直罗组含水层水文地质特征

2.1 含水层岩性特征

2-2号煤层上覆直接充水含水层为直罗组孔隙裂隙含水层、直罗组底与2-2号煤层间孔隙裂隙含水层。直罗组孔隙裂隙含水层厚度1.6～128.0 m，平均厚度53.04 m，单位涌水量0.041 480～0.096 684 L/(s·m)，渗透系数0.080～410.261 m/d，含水层富水性弱。直罗组底与2-2号煤层间孔隙裂隙含水层厚度0～63.83 m，平均厚度20.46 m，单位涌水量0.004 66 L/(s·m)，渗透系数为0.018 8 m/d，含水层富水性弱。

从井田钻孔揭露资料可知，直罗组地层由粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩、泥岩、砂质泥岩、粗粒砂岩组成，含水层并非由中粗粒砂岩连续构成，中间夹有泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，且厚度相对较厚，即含水层层间呈互层状态，并非为一完整的连续状态。含隔水层空间位置关系如图3所示。

图3 含隔水层空间位置关系

2.2 含水层垂向分层特征

营盘壕煤矿针对直罗组含水层开展过多孔次抽水试验，但均是对直罗组下部进行了抽水试验。此次在直罗组含水层探查过程中，通过现场岩芯判别，在埋深582.23～600.56 m处存在厚度为18.33 m的粉砂岩，600.56～602.36 m处存在厚度为1.82 m的泥质砂岩，该范围上下段分别为中粒砂岩、细粒砂岩，岩性与其上下范围的岩性差别大，可将其作为直罗组含水层上、下段的分层，将封隔器下放至分层位置，利用封隔器将含水层上、下段隔开，开展分层抽水试验[16-18]。抽水试验于2022年1月4日开始，曲线如图4所示。

图4 抽水试验曲线

利用封隔器将直罗组含水层上下段隔离，对上段进行抽水试验，3次降深分别为51.35、34.54、17.44 m，单位涌水量为0.014 0～0.016 1 L/(s·m),渗透系数为0.221 m/d。上段抽水时下段水位基本无变化，表明直罗组含水层上下段间水力联系弱，进一步证明了其分层性。

直罗组含水层上段抽水试验完成后，计划对直罗组含水层下段进行试抽，但由于矿井采掘及井下长期疏放等原因，造成直罗组含水层下段水位快速下降且恢复缓慢，故未对直罗组含水层下段开展抽水试验。但直罗组含水层下段水量小、恢复慢，也表明直罗组含水层上段、下段间的水力联系弱，其具有分层性，不能视为一统一的完整含水层。

3 直罗组含水层放水试验

3.1 钻孔施工

2215工作面回采前在运输巷顶板向上施工2个直罗组含水层探查钻孔，开展简易放水对比试验。其中ZL-01钻孔按照以往原则进入直罗组含水层约60 m；ZL-02钻孔考虑到工作面回采塌陷角影响而选择与巷道一定距离，钻孔进入直罗组含水层顶部，即导水裂缝带范围，并对直罗组含水层下段下管封堵隔离。井下钻孔结构示意如图5所示。

图5 井下钻孔结构示意

ZL-01钻孔进入直罗组含水层60 m(直罗组含水层下段)，除安装孔口管外，其余段裸孔，钻孔水压约1 MPa，涌水量9 m3/h。ZL-02钻孔在垂深0～146.3 m下管固结，垂深146.3～214.0 m，基本位于直罗组含水层上段，钻孔终孔水压稳定在2.3 MPa，涌水量约15 m3/h。

3.2 放水试验

在2215工作面回采前，对ZL-01(直罗组含水层下段)及ZL-02(直罗组含水层上段)钻孔开展放水试验，对比分析直罗组含水层不同层段间的水力联系[19-20]。放水试验于2022年6月27日开始，持续时间为20 d。ZL-01钻孔放水时，涌水量初始为8 m3/h，由于矿井长期对直罗组含水层下段进行疏放，ZL-01钻孔衰减相对较快；ZL-02钻孔监测到直罗组含水层上段水压由2.30 MPa衰减至2.15 MPa，水压降幅较小。ZL-02钻孔放水时，涌水量初始为16 m3/h，其衰减相对ZL-01钻孔涌水量较慢，稳定在约6 m3/h；ZL-01钻孔监测到直罗组含水层下段水压由0.6 MPa衰减至0.5 MPa，水压降幅较小。放水试验放水量与水压对比如图6所示。

图6 放水试验直罗组含水层上、下段放水量与水压对比

从ZL-01及ZL-02钻孔简易放水试验对比可知，直罗组含水层上、下段分别放水时，含水层上、下段水压变化小，两者之间相互影响较小，表明直罗组含水层上、下段间水力联系弱，并非为一统一的含水层。

3.3 水文动态观测

ZL-01及ZL-02钻孔放水试验完成后，在工作面回采至该位置前后对直罗组含水层上、下段水压进行观测，如图7所示。

图7 直罗组含水层上下段水压变化

2215工作面回采至ZL-01及ZL-02钻孔位置区域以前，直罗组含水层上、下段水压较稳定。工作面回采至此区域附近时，直罗组含水层上、下段水压呈现缓慢下降趋势，其中直罗组含水层下段最为明显，在11月11日工作面回采至该钻孔位置以前，直罗组含水层上、下段水压已大幅下降，其中直罗组含水层下段水压已降至0。工作面推采过后，直罗组含水层上段由于与煤层距离相对较大，仍有0.2 MPa的残余水压。

从2215工作面回采至ZL-01及ZL-02钻孔位置前后直罗组含水层上、下段水压变化趋势可知，含水层上、下段水力联系弱，煤层开采使导水裂隙波及至直罗组含水层上段，直罗组含水层上段参与井下涌水。

4 直罗组含水层疏放层位优化

从直罗组含水层岩性特征分析得知直罗组含水层层间呈互层状态，并非一完整的连续状态，含水层具有分层性。通过直罗组含水层分层抽水试验、井下放水试验和含水层水文动态观测可知，直罗组含水层具有明显的分层性，上下端含水层水位有区别，不同层段含水层间水力联系微弱。因而，以往仅对直罗组含水层下段60 m范围进行预疏放，未实现对导水裂隙波及范围内含水层段的有效疏放，致使采空区涌水量依然较大。

直罗组含水层的分层性是以往仅疏放直罗组含水层下段后采空区涌水量依然较大的主要原因。为降低工作面回采后采空区涌水量，工作面回采前需对直罗组含水层进行预疏放，疏放水层位应为导水裂隙波及范围的整个直罗组含水层段。

5 结论

(1)通过对直罗组含水层岩性特征分析，得知直罗组含水层层间有泥岩、砂质泥岩存在，呈互层状态，并非一完整的连续状态，含水层具有分层性。

(2)通过对直罗组含水层进行分层抽水试验、放水试验、水位分层监测，结果均表明直罗组含水层呈现出非完整的统一含水层，具有明显的分层性，且不同层段间水力联系微弱。

(3)研究得知，直罗组含水层的分层性是以往仅疏放直罗组含水层下段后采空区涌水量依然较大的主要原因。工作面回采前需对导水裂隙波及范围的直罗组含水层进行整体疏放。