榆橫礦區(qū)水文地質(zhì)特征及對(duì)煤層開采的影響研究

丁煥德，毛仲敏，何 琪

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 江蘇 徐州市 221116；2.華電煤業(yè)集團(tuán)有限公司， 北京 100044)

陜北侏羅系煤田榆林橫山礦區(qū)地處陜西省北部，礦區(qū)內(nèi)各煤層煤以低～特低灰、低～特低磷、高～特高熱值為特點(diǎn)，煤類以長焰煤、弱粘煤為主，少量氣煤，是良好的發(fā)電、動(dòng)力用煤、氣化用煤及低溫干餾用煤。小紀(jì)汗煤礦目前開采的2號(hào)煤層為含水層的特殊覆巖水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系，煤層存在大量的由上至下的豎向裂縫，其在井下工作面回采過程中發(fā)現(xiàn)涌水量非常大，并伴隨著液體硫磺流出，煤層突水和自燃傾向性加劇，對(duì)煤礦安全開采帶來嚴(yán)重的威脅。針對(duì)這個(gè)問題，本文對(duì)榆橫礦區(qū)的水文地質(zhì)條件以及對(duì)煤層開采的影響進(jìn)行了研究，為該礦區(qū)富水煤層安全高效開采提供一定的理論依據(jù)。

1 礦區(qū)地層賦存特征

礦區(qū)地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)東勝—環(huán)縣小區(qū)，主要為中生界三疊系、侏羅系、白堊系及新生界蓋層，其中侏羅系中統(tǒng)延安組為主要的含煤地層。各時(shí)代地層主要特征見表1。

礦區(qū)構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地次級(jí)構(gòu)造單元-陜北斜坡中部，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造簡單，斷裂構(gòu)造一般不發(fā)育。侏羅系延安組中共含有12組煤層，主采煤層為2、4-2煤層，其中2號(hào)煤層為現(xiàn)主采煤層。

2號(hào)煤層產(chǎn)于延安組第四段下旋回頂部，埋藏淺，層位穩(wěn)定。煤層埋深173.98～460.36 m，厚度0.68～8.64 m，平均3.41 m，傾向300°左右，平均傾角0.7°。煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般不含夾矸，局部含1～3層0.04～0.75 m的炭質(zhì)泥巖、泥巖夾矸。煤層直接頂板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，次為中～細(xì)粒長石砂巖，少量炭質(zhì)泥巖，直接底板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，次為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)粒長石砂巖。煤層與其頂?shù)装寰鶠槊黠@接觸。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

礦區(qū)水文地質(zhì)條件受區(qū)域水文地質(zhì)條件的控制，顯示了與區(qū)域水文地質(zhì)特征的統(tǒng)一性。但由于受地層分布、埋藏及其地貌的影響，又顯示了小區(qū)域性的差異性。根據(jù)礦區(qū)地下水的賦存條件及水力特征，將礦區(qū)地下水劃分為兩種類型，5個(gè)含水巖層(組)(見圖1)。

圖1 礦區(qū)地下水劃分類型

礦區(qū)含水底層正常涌水量為2100 m3/h，最大涌水量為3000 m3/h。侏羅系延安組2號(hào)煤層裂隙承壓含水層：2號(hào)煤層裂隙特別發(fā)育，具有承壓型和較高的水頭壓力，正常涌水量為100 m3/h，最大涌水量120 m3/h，最大單位涌水量為1.496 L/s·m，依據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》中含水層富水性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，侏羅系延安組2號(hào)煤層裂隙承壓含水層具有強(qiáng)富水性。

表1 區(qū)域地層系統(tǒng)

就本區(qū)2號(hào)主采煤層而言，2號(hào)煤層厚度在礦區(qū)內(nèi)變化較大，東部厚0.80～2.37 m，西部厚2.50～8.64 m，全區(qū)平均厚3.43 m。煤層開采過程中形成的冒落導(dǎo)水裂隙帶高度按原煤炭工業(yè)部頒發(fā)的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》推薦的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即：

(1)

式中：H冒—冒落帶最大高度，m；

Hli—導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；

M—累計(jì)采厚，m。

區(qū)內(nèi)所有鉆孔中2號(hào)導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算值及所穿越的含水層厚度見表2。

表2 2號(hào)煤層冒落導(dǎo)水裂隙帶及穿越含水層厚度

由表2可知,2號(hào)煤層的導(dǎo)水裂隙帶一般為21.99～55.19 m。因?yàn)槊簩泳嚯x上覆巖層最近的一個(gè)侏羅系直羅組砂巖含水層高度約50～100 m，該含水層裂隙不發(fā)育，補(bǔ)給條件差，通過抽水試驗(yàn)，富水性弱,對(duì)煤礦生產(chǎn)建設(shè)不會(huì)構(gòu)成危害。所以對(duì)2號(hào)煤層開采構(gòu)成危害的主要是2號(hào)煤層本身的煤層裂隙承壓含水層。

3 采煤工作面頂板富水特性

為了進(jìn)一步了解煤層頂板裂隙富水情況，以小紀(jì)汗煤礦首采區(qū)11203工作面膠運(yùn)順槽和回風(fēng)順槽兩巷道為例，采用礦井瞬變電磁法對(duì)工作面頂板巖層含水情況進(jìn)行了探測。

在11203工作面兩側(cè)巷道內(nèi)以10 m點(diǎn)距布置瞬變電磁測點(diǎn)，對(duì)工作面頂板含水層富水性進(jìn)行探測，煤層頂板直接含水層與2號(hào)煤層直接接觸，施工時(shí)使線圈法線與煤層夾角為30°可以對(duì)該含水層富水性進(jìn)行探測；2號(hào)煤層直接含水層以上距離煤層約70 m處存在另一厚度較大砂巖含水層，施工時(shí)使線圈法線與煤層夾角為60°可以對(duì)該含水層富水性進(jìn)行探測，其11203工作面瞬變電磁法探測布置方案見圖2。

本區(qū)域探測起點(diǎn)位于11203工作面切眼位置，探測點(diǎn)距為10 m，共計(jì)布置365個(gè)測點(diǎn)，其側(cè)線總長度為3630 m。

圖2 11203工作面瞬變電磁法探測方向

根據(jù)以上布置方案，探測得到了煤層不同位置的電阻率等值線分布(見圖3)，由于篇幅所限，本文僅列出了11203工作面回風(fēng)順槽內(nèi)的電阻率分布圖。

綜合11203工作面回風(fēng)順槽視電阻率等值線分布圖可知，可將回風(fēng)順槽劃分為A、B、C三個(gè)水文等級(jí)及8個(gè)水文地質(zhì)異常區(qū)。A級(jí)水文異常區(qū)為主要水文地質(zhì)異常區(qū)，為Y1異常區(qū)(250～280 m位置)、Y4異常區(qū)(640～730 m位置)和Y11異常區(qū)(1600～1640 m位置)；B級(jí)水文地質(zhì)異常區(qū)相對(duì)于A級(jí)次之，主要有Y3異常區(qū)(380～470 m位置)和Y10異常區(qū)(1460～1490 m位置)；C級(jí)水文地質(zhì)異常區(qū)富水性一般，包含Y2、Y5和Y6異常區(qū)。

圖311023工作面回風(fēng)順槽頂板不同位置視電阻率等值線

為了進(jìn)一步了解水文異常區(qū)的富水特性，通過在探測到的水文異常區(qū)補(bǔ)打頂板探測孔，探測結(jié)果顯示：水文地質(zhì)異常區(qū)最大涌水量約為5 m3/h，且持續(xù)時(shí)間較短，因此可得，影響2煤層開采的主要水體為2煤層裂隙承壓水。

4 影響煤層開采的因素分析

由上文分析可知，2號(hào)煤層為礦井的主要承壓含水層,工作面頂板水文地質(zhì)異常區(qū)分布復(fù)雜，具有承壓型和較高的水頭壓力，由于煤層為含水層的特殊覆巖水文地質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng),使得小記汗煤礦突水問題異常嚴(yán)重，此外含水煤層裂隙較為發(fā)育，對(duì)工作面回采和支護(hù)造成嚴(yán)重影響。當(dāng)富水煤層發(fā)生突然涌水時(shí)，工作面涌出的大量水體和切落的煤混合一起形成大量的煤泥水，將對(duì)工作面的正常生產(chǎn)和推進(jìn)造成顯著影響。

煤體存在大量的天然裂縫，裂縫明顯，是煤體含水及涌水的主要通道，從11203工作面煤體表面裂縫結(jié)構(gòu)可以看出，形成的裂縫多為由上至下的豎向裂縫，裂縫擴(kuò)展致使裂隙貫通，形成了小紀(jì)汗煤礦煤體特殊的片狀賦存特征。為了進(jìn)一步了解煤體內(nèi)部微裂隙的分布特征，通過電鏡掃描SEM對(duì)煤體的內(nèi)部致密度進(jìn)行了分析，得到不同分辨率條件下富水煤體的SEM圖片(見圖4)。由電鏡掃描結(jié)果可知，小紀(jì)汗開采煤體內(nèi)含有大量的微細(xì)孔隙，煤體結(jié)構(gòu)松散，存在許多粗大孔洞及裂隙，這些都形成了水體儲(chǔ)存空間及水體流失的良好通道，也為水體流失后空氣進(jìn)入創(chuàng)造了條件，且隨著工作面的推進(jìn)，煤體裂隙在超前支承壓力作用下不斷擴(kuò)展，空氣進(jìn)入煤體裂隙通道的深度不斷加大，并伴隨著液體硫磺流出(見圖5)，超前支承壓力影響范圍內(nèi)的煤體氧化程度不斷增大，煤層自燃現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重。

圖4 不同分辨率條件下含水煤體的SEM圖

圖5 煤層裂隙內(nèi)的硫磺

5 結(jié) 論

(1) 榆橫礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，2號(hào)煤層上覆巖層中分布著5組含水層，通過計(jì)算2號(hào)煤層的導(dǎo)水裂隙帶高度，可知對(duì)本煤層開采構(gòu)成危害的主要是煤層本身的煤層裂隙承壓含水層。

(2) 以小記汗煤礦11203首采工作面兩順槽為研究對(duì)象，采用瞬變電磁法探測了兩巷頂板富水狀況，得到兩巷有A、B、C 3個(gè)等級(jí)的水文地質(zhì)異常，共14個(gè)部位，結(jié)合現(xiàn)場鉆孔抽放試驗(yàn)法，異常區(qū)頂板最大涌水量僅為5 m3/h，可知2號(hào)煤層裂隙承壓水仍為煤層開采的關(guān)鍵。

(3) 影響11203工作面開采的主要因素包括開采中2煤層裂隙承壓水的突然涌出，工作面煤泥水的處理和伴隨有液體硫磺流動(dòng)下的煤體裂隙空洞的自燃3個(gè)方面。

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