梅河煤礦殘采復(fù)采區(qū)第四系砂礫含水層富水特性分析

宋　偉，張玉軍，單　超

(1.吉林省煤業(yè)集團(tuán)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.中煤科工能源投資有限公司，北京 100013)

梅河煤礦殘采復(fù)采區(qū)第四系砂礫含水層富水特性分析

宋偉1，張玉軍2，單超3

(1.吉林省煤業(yè)集團(tuán)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.中煤科工能源投資有限公司，北京 100013)

[摘要]第四系砂礫含水層作為淺部殘采區(qū)的直接充水水源、深部采空區(qū)的補(bǔ)給水源以及井下潰泥災(zāi)害的動(dòng)力源，對(duì)其富水特性的研究有極其重要的意義。通過(guò)對(duì)殘采階段第四系含水層的水文補(bǔ)勘、地面鉆孔疏降觀測(cè)、物理探測(cè)等方法，研究了殘采區(qū)第四系砂礫含水層的賦存特性。結(jié)果表明：受多年采動(dòng)的影響，含水砂礫層富水性具有明顯的條帶狀分布特征，總體補(bǔ)給條件較差，形成了目前靠近露頭接近疏干的降落漏斗，對(duì)于后續(xù)工作面的開(kāi)采，第四系砂礫巖向工作面充水主要是以消耗含水層動(dòng)儲(chǔ)量為主。研究結(jié)果為礦井生產(chǎn)期間防治水措施的制定提供了依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]殘采復(fù)采；第四系砂礫含水層；富水特性；鉆孔疏降；物理探測(cè)

梅河煤礦歷經(jīng)40余年的開(kāi)采，目前呈煤炭資源枯竭狀態(tài)，已基本進(jìn)入殘采期。礦井先后采用水砂充填采煤方法、巷柱式采煤方法、金屬網(wǎng)假頂采煤方法，自1989年開(kāi)始采用水平分層綜放采煤方法。多年來(lái)的煤炭開(kāi)采使得礦井遺留大量的煤柱和小塊段煤量，同時(shí)也使地面沿煤層走向形成較深的地表塌陷區(qū)(溝)，先后在多處發(fā)生煤巖層局部抽冒。梅河整個(gè)礦區(qū)覆蓋10～20m的第四系流砂層，直接覆蓋在煤層露頭上面，是影響淺部煤層開(kāi)采的直接充水含水層。同時(shí)，由于礦井初期開(kāi)采露頭淺部區(qū)時(shí)，采動(dòng)影響直接波及到了上覆流砂層，形成了進(jìn)入井下的導(dǎo)水通道，而且礦井為提高煤炭資源的回收率，在原防水煤巖柱內(nèi)采用水砂充填及金屬網(wǎng)采法，開(kāi)采了部分防水煤巖柱內(nèi)的煤炭資源，也造成第四系砂層水可以通過(guò)充填砂滲入井下，成為礦井的直接補(bǔ)給水源。梅河礦區(qū)煤系地層為第三系地層，固結(jié)程度差，頂板厚層泥巖和底板砂巖，風(fēng)化后強(qiáng)度大幅降低，浸水后易軟化。由于開(kāi)采煤層為急傾斜煤層，開(kāi)采分層數(shù)多，地點(diǎn)集中，對(duì)采空區(qū)內(nèi)的垮落泥、砂巖產(chǎn)生反復(fù)采動(dòng)擾動(dòng)影響。因此，第四系砂礫含水層、頂板采空區(qū)積水以及采空區(qū)賦存垮落泥沙是梅河礦區(qū)殘采區(qū)綜放安全復(fù)采的主要威脅，也是亟待解決的重要問(wèn)題[1-2]。

多年來(lái)的采動(dòng)影響，造成第四系砂礫層水位大幅度下降，使得包括第四系底部含水砂礫層在內(nèi)的原始地層賦存狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化。雖然在煤層露頭地段砂礫層水位已基本降至含水層底板，形成了以露頭地段為中心的降落漏斗，但是作為礦井生產(chǎn)尤其是殘采階段淺部的直接充水水源，深部采空區(qū)積水的補(bǔ)給來(lái)源，以及井下潰泥災(zāi)害的動(dòng)力源，對(duì)其富水特征的分析有重要的意義。

本文通過(guò)對(duì)殘采階段第四系含水層的水文補(bǔ)勘、地面鉆孔疏降觀測(cè)、物理探測(cè)等方法，研究了殘采區(qū)第四系砂礫含水層的富水特性，為礦井生產(chǎn)期間防治水措施的制定提供了依據(jù)。

1第四系砂礫層富水性的補(bǔ)充勘探分析

1.1第四系砂礫含水層概況

梅河礦區(qū)第四系覆蓋整個(gè)井田。第四系沖積層由粗、中、細(xì)砂及礫石組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，上部為黏土層，下部為砂礫層。一級(jí)階地表土厚0.5～5.0m，砂礫層厚15～20m；二級(jí)階地表土厚10～30m，二級(jí)階地砂礫層厚10～18m。井田內(nèi)砂礫層底部普遍發(fā)育約有0.2～0.5m厚的礫石，其礫徑10～40mm，滾圓度好。砂礫層滲透系數(shù)19.9～23.6m/d，單位涌水量q=1.5～2.5L/(s·m)。砂礫層含水豐富，透水性強(qiáng)，主要接受大氣降水間接補(bǔ)給。由于砂礫層底部與煤層露頭直接接觸，通過(guò)露頭向礦井充水是砂礫層水的主要排泄途徑。

1.2水文補(bǔ)勘和涌水量分析

為重新認(rèn)識(shí)第四系砂礫層經(jīng)過(guò)多年的疏降影響后的水文地質(zhì)特征，梅河四井于2006年9月對(duì)砂礫層進(jìn)行了水文補(bǔ)充勘探，共布置2個(gè)勘探孔，分別為觀1和觀2，并進(jìn)行了抽水試驗(yàn)。其中觀1揭露表土層厚度為18.6m，砂礫層厚度為16.5m。觀2揭露表土層厚度為15.3m，砂礫層厚度為19.4m。鉆孔施工結(jié)束后觀1水位埋深5.9 m，抽水6h，水量10m3/h，水位埋深穩(wěn)定在6.5m；觀2水位埋深32m，由于埋深大，抽水設(shè)備不能滿足抽水要求，該孔沒(méi)有抽水。2007年5月對(duì)兩個(gè)補(bǔ)勘孔水位進(jìn)行了觀測(cè)，觀1水位埋深5.8m，觀2水位埋深29.5m。

分析砂礫層水的賦存情況和水位變化情況，觀1和觀2相距150m左右，其中觀1在疏降漏斗邊緣，水位較高；而觀2靠近露頭，位于疏降漏斗中心區(qū)，因此水位低，已經(jīng)接近疏干。同時(shí)據(jù)水位觀測(cè)結(jié)果，2個(gè)孔水位相差23.7m。這就表明，第四系砂礫層水補(bǔ)給條件較差，周圍沒(méi)有豐富的補(bǔ)給水源，補(bǔ)給量小于排泄量，形成了目前靠近露頭接近疏干的降落漏斗。

同時(shí)根據(jù)梅河四井多年來(lái)礦井最大涌水量變化可知，多年來(lái)礦井涌水量變化不大，變化范圍120～182m3/h。其中1993年涌水量最小，這是因?yàn)?992年對(duì)第四系砂礫層進(jìn)行了地面疏降，造成了第四系砂礫層水位大幅度下降，對(duì)礦井的充水影響變小。同時(shí)由于第四系砂礫層存在一定的側(cè)向補(bǔ)給，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，水位逐漸恢復(fù)，礦井涌水量又恢復(fù)到原有水平。從礦井涌水量來(lái)看，第四系砂礫層對(duì)深部工作面的充水影響基本穩(wěn)定。

2殘采區(qū)第四系砂礫含水層地面鉆孔疏降分析

2.1地面疏水鉆孔布置

梅河三井為了查明第四系砂礫含水層經(jīng)歷多年回采疏降后的水文地質(zhì)特征，于2008年6～9月間，共在0305-2殘采面地面設(shè)計(jì)施工了17個(gè)鉆孔。因鉆孔循環(huán)水漏失無(wú)法成井5個(gè)，實(shí)際抽水孔為9個(gè)，觀測(cè)孔為4個(gè)(觀4與抽8同孔)。其中抽1～抽7孔、觀1、觀2孔和廢1～廢3孔均位于12號(hào)煤底板一側(cè)；廢4、廢5和觀3孔位于12號(hào)煤采空區(qū)內(nèi)；觀4(抽8)位于12號(hào)煤頂板一側(cè)。抽水鉆孔布置如圖1所示。

圖1　抽水鉆孔布置及含水砂礫層底界等值線

2.2疏放水成果分析

截止到9月30日，各鉆孔疏放水過(guò)程中其鉆孔水位標(biāo)高均不同程度地下降到含水砂礫層頂界標(biāo)高以下，而觀測(cè)孔水位標(biāo)高仍然都不同程度地高于含水砂礫層頂界標(biāo)高。疏放鉆孔7月1日與9月30日的水位對(duì)比情況如圖2所示。實(shí)測(cè)水位變化趨勢(shì)如圖3所示。由圖2，3可知，疏放水過(guò)程中各疏放鉆孔水位下降趨勢(shì)緩慢，表明鉆孔排水量較小，與鉆孔充水量基本相當(dāng)，即當(dāng)前的排水量不足以使含水砂礫層水位明顯下降。而觀1孔距抽2孔僅3.2m，當(dāng)抽2孔水位降至低于含水砂礫層頂界標(biāo)高3.6m時(shí)，而觀1孔水位標(biāo)高僅降至高于含水砂礫層頂界標(biāo)高0.4m。表明疏放水鉆孔降落漏斗的影響半徑很小。從各疏放鉆孔水位下降趨勢(shì)預(yù)測(cè)，在不增加疏放水鉆孔的前提下，預(yù)計(jì)本區(qū)疏放水將是一個(gè)長(zhǎng)期和緩慢的過(guò)程。

圖2　含水砂礫層疏降前后水位變化

圖3　各疏放鉆孔實(shí)測(cè)水位變化趨勢(shì)

同時(shí)，由于各疏放鉆孔處于0305-2區(qū)不同的位置，特別是其與地表塌陷區(qū)(溝，坑區(qū))的相對(duì)位置不同，表現(xiàn)出地層的可鉆性、含水砂礫層富水性、水位變化等均有較明顯的差異。

2.2.1地層的可鉆性分帶特征

以地表塌陷區(qū)的塌陷坑連線為軸線(以下稱為塌陷坑軸線)，根據(jù)地表移動(dòng)規(guī)律可知[3-4]，地表裂縫延展方向平行于該軸線。沿該軸線的走向，抽1～抽5孔、觀1和觀2孔均處于煤層底板一側(cè)，處于平行于該軸線距離約54～113m的同一個(gè)帶狀范圍內(nèi)；廢1～廢3孔也處于煤層底板一側(cè)，處于平行于該軸線距離約為138～190m的帶狀范圍內(nèi)；廢4、廢5孔和觀3孔基本處在地表塌陷區(qū)內(nèi)軸線上；觀4(抽8)孔單獨(dú)處于煤層頂板一側(cè)，距離該軸線約185m的位置。這些鉆孔處于不同的巖層移動(dòng)特征帶內(nèi)，其地層的可鉆性明顯不同，鉆孔成孔難易程度也不同。

在裂縫發(fā)育帶內(nèi)，含水砂礫層水沿基巖裂隙大量滲漏，形成帶狀局部降落漏斗或無(wú)水帶。當(dāng)鉆孔施工揭露含水砂礫層時(shí)，其循環(huán)水大量漏失，導(dǎo)致鉆孔成孔困難，成為廢孔。

(1)廢1～廢3孔條帶內(nèi)為地裂縫發(fā)育帶，地層的可鉆性差，成孔困難。鉆孔在施工過(guò)程中遇到這種開(kāi)裂縫，其循環(huán)水發(fā)生漏失最終使其成為廢孔。同時(shí)也表明在該裂縫發(fā)育帶內(nèi)第四系底部砂礫含水層已不富水或富水性極差。

(2)廢4、廢5孔和觀3孔處于地表塌陷區(qū)坑(區(qū))軸線上，該部位條帶內(nèi)地層主要水平下沉，由于煤層開(kāi)采強(qiáng)度極不均勻(局部抽冒等)，地層破壞現(xiàn)象更為復(fù)雜，地層的可鉆性分布也不均勻。廢4、廢5孔鉆進(jìn)至第四系底部砂礫含水層一定深度后循環(huán)水發(fā)生漏失，表明該條帶內(nèi)地層的可鉆性差，成孔困難，第四系底部砂礫含水層不富水或富水性差。

(3)觀4(抽8)孔單獨(dú)處于煤層頂板一側(cè)，因?yàn)樗啃《臑橛^測(cè)孔。采用小流量水泵后仍保持2.6m3/h的排水量，水位下降到低于含水砂礫層頂界標(biāo)高5.8 m。表明煤層頂板一側(cè)條帶內(nèi)地層的可鉆性較好，鉆孔較易于成孔，但第四系底部砂礫含水層富水性較差。

2.2.2疏放鉆孔的水位變化特征

地層臺(tái)階狀塌陷和臺(tái)階狀裂縫使得地層具有可鉆性差和水量小的條帶狀分布特征外，疏放鉆孔的水位變化和由鉆孔排水量表現(xiàn)出的含水砂礫層富水性也具有條帶狀分布特征。根據(jù)疏放鉆孔距離地表塌陷區(qū)軸線的遠(yuǎn)近，鉆孔水位變化或排水量表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性差別。

(1)抽6、抽7孔距地表塌陷坑軸線相對(duì)最遠(yuǎn)，約為277～290m，位于廢1～廢3孔地裂縫發(fā)育帶以北。兩孔水位變化基本相同，水柱高度下降了7.3～7.4 m，水位標(biāo)高下降到低于含水砂礫層頂界標(biāo)高6.5～6.6 m。

(2)抽3孔位于距地表塌陷坑軸線約114m左右，位于廢1～廢3孔地裂縫發(fā)育帶以南。在5個(gè)抽水孔中，該孔單孔排水量最大，水位也下降最大，水柱高度下降了10.5m，水位標(biāo)高下降到低于含水砂礫層頂界標(biāo)高10.1 m。

(3)抽1、抽2和抽4、抽5孔分別位于距地表塌陷坑軸線約92～93m和67～71m，位于廢1～廢3孔地裂縫發(fā)育帶以南，其水位變化兩兩基本相同。其中抽1、抽2孔水柱高度下降了4.9～5.6m，水位標(biāo)高下降到低于含水砂礫層頂界標(biāo)高3.6～5.9 m；抽4、抽5孔水柱高度下降了3.9～4.0m，水位標(biāo)高下降到低于含水砂礫層頂界標(biāo)高2.2～3.3 m。

(4)觀2孔距地表塌陷坑軸線相對(duì)最近，約為55m，位于廢1～廢3孔地裂縫發(fā)育帶以南。觀測(cè)孔的水位變化普遍與抽水孔不同，水柱高度上升了21.4m。表明該孔附近含水砂礫層富水性弱，滲透性差。

2.2.3第四系含水砂礫層空間分布特征

從圖1第四系含水砂礫層底界等值線圖可以看出，含水砂礫層底界等值線的分布趨勢(shì)與上述富水性特征帶的分布極其相似。

(1)含水砂礫層底界在底板一側(cè)呈北高南低的趨勢(shì)，其走向近東西方向，與富水性特征帶走向一致。這進(jìn)一步提供了受地表移動(dòng)規(guī)律控制的地層破壞沿走向呈帶狀分布的依據(jù)。

(2)含水砂礫層底界在塌陷區(qū)域內(nèi)呈東高西低的趨勢(shì)，表明東部較之西部地層下沉量相對(duì)較小。

(3)經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采,第四系底部含水砂礫層的賦存狀態(tài)與投產(chǎn)初期相比發(fā)生了很大的變化，第四系底部含水砂礫層底界相對(duì)原始狀態(tài)最大下沉了約25m。含水砂礫層厚度總體上呈北薄南厚的分布趨勢(shì)。含水砂礫層等厚線在采空區(qū)的走向與塌陷坑軸線方向基本相同。

3第四系砂礫含水層富水性物理探測(cè)

為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)梅河四井淺部第四系砂礫層的賦存情況、第四系砂礫層和采空區(qū)的溝通及水力聯(lián)系情況，采用EH-4在地表分別布置了2條測(cè)線。圖4和圖5分別為測(cè)線1和測(cè)線2的視電阻率等值線剖面圖。

圖4　測(cè)線1視電阻率等值線

圖5　測(cè)線2視電阻率等值線

由圖4視電阻率等值線變化規(guī)律可以看出，整個(gè)視電阻率斷面圖在縱向上可以分為2層，其中0～20m深度視電阻率值橫向上變化不大，視電阻率值在8～170Ω·m之間，推測(cè)為第四系砂礫層，厚度沿測(cè)線方向由10m變?yōu)?0m左右，逐漸變厚；在有些區(qū)域出現(xiàn)視電阻率值為8～15Ω·m的相對(duì)低阻異常，推測(cè)為砂巖層含水性相對(duì)豐富的區(qū)域，但可以看出其連通性較差。

同時(shí)由圖5可以看出，整個(gè)視電阻率斷面圖在縱向上也分為2層。0～30m深度視電阻率值橫向上變化不大，視電阻率值在1～170Ω·m之間，推測(cè)為第四系的砂礫層，從圖中視電阻率等值線的變化可以看出，第四系沖積層的厚度沿測(cè)線方向由15m變?yōu)?0m左右，逐漸變厚；在橫向80～100m的區(qū)域出現(xiàn)視電阻率值為1～10Ω·m的相對(duì)低阻異常，推測(cè)為第四系砂層含水性相對(duì)豐富的區(qū)域。

4殘采區(qū)第四系砂礫含水層富水特性

根據(jù)梅河礦相關(guān)殘采區(qū)工作面對(duì)第四系砂礫含水層的補(bǔ)充勘探以及地面疏放結(jié)果分析，可以總結(jié)得到梅河礦區(qū)殘采區(qū)第四系砂礫含水層具有以下幾個(gè)方面的特征：

(1)第四系砂礫層水總體補(bǔ)給條件較差，周圍沒(méi)有豐富的補(bǔ)給水源，補(bǔ)給量小于排泄量，受多年的開(kāi)采影響，形成了目前靠近露頭接近疏干的降落漏斗。對(duì)于后續(xù)工作面的開(kāi)采，第四系砂礫巖向工作面充水主要是以消耗含水層動(dòng)儲(chǔ)量為主。

(2)含水砂礫層富水性具有明顯的條帶狀分布特征。以地表塌陷區(qū)的塌陷坑連線為軸線，地表裂縫延展方向平行于該軸線。在裂縫發(fā)育帶內(nèi)，含水砂礫層水沿基巖裂隙大量滲漏，形成帶狀局部降落漏斗或無(wú)水帶。在該裂縫發(fā)育帶內(nèi)第四系底部砂礫含水層不富水或富水性極差。

(3)第四系含水砂礫層底界等值線的分布趨勢(shì)與上述富水性特征帶的分布極其相似。經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采，第四系底部含水砂礫含水層的賦存狀態(tài)與投產(chǎn)初期相比發(fā)生了很大的變化，采動(dòng)沉陷引起含水砂礫的底界下沉，相對(duì)原始狀態(tài)最大下沉了約25m，含水砂礫層底界在塌陷區(qū)域內(nèi)呈東高西低的趨勢(shì)。

(4)煤層頂板一側(cè)條帶內(nèi)地層的可鉆性較好，鉆孔較易于成孔，但第四系底部砂礫含水層富水性較差。

(5)第四系含水砂礫層水徑流方向只能沿平行于塌陷坑軸線的富水帶呈東西方向徑流。相對(duì)富水帶均在底板裂縫角的影響范圍以外，受采動(dòng)影響后只能通過(guò)沿底板裂隙向井下滲水。

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[責(zé)任編輯：李青]

Water Abundance Character of Sandy Gravel Aquifer in Quaternary of Repeated Mining Area with Remaining Coal Mining of Meihe Coal Mine

[收稿日期]2016-01-26[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.034

[作者簡(jiǎn)介]宋偉(1969-)，男，吉林梅河口人，高級(jí)工程師，主要從事煤礦管理工作。

[中圖分類號(hào)]TD823.83

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)03-0128-04

[引用格式]宋偉，張玉軍，單超.梅河煤礦殘采復(fù)采區(qū)第四系砂礫含水層富水特性分析[J].煤礦開(kāi)采，2016，21(3)：128-131.