基于綜合探查手段的深埋礦井工作面頂板富水性分區(qū)

梁向陽

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710077）

我國鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田深埋區(qū)位于盆地 中部，由于煤層埋深相對(duì)較大（一般超過600 m），區(qū)內(nèi)礦井在開發(fā)前期的投入力度較小。近年來，隨著東部區(qū)域礦井資源的枯竭，以及煤礦開采技術(shù)的不斷提高，加之本區(qū)煤層的良好品質(zhì)和豐富儲(chǔ)量，對(duì)區(qū)內(nèi)深埋礦井的開發(fā)利用規(guī)模則日益增大[1-2]。但隨著各深埋煤礦建設(shè)、生產(chǎn)進(jìn)度的不斷發(fā)展，礦井頂板水害問題逐漸凸顯，為煤層采掘工作帶來前所未有的困難和挑戰(zhàn)[3-4]。如何合理防治頂板水害以及高效開發(fā)煤炭資源則成為了區(qū)內(nèi)礦井亟需解決一大問題[5-6]。在此期間，諸多學(xué)者和科研人員從不同角度出發(fā)、通過多種手段對(duì)區(qū)內(nèi)的頂板水害防治進(jìn)行了探索和研究。

邸春生[7]等采用沉積地質(zhì)學(xué)方法研究礦井含水層空間展布規(guī)律，對(duì)直羅組含水層進(jìn)行識(shí)別、定位和精細(xì)劃分圈定頂板砂體富水條帶，并通過井下探放水進(jìn)行驗(yàn)證。楊建[8]等從地形地貌、含水層沉積特征和水力聯(lián)系、工作面涌水量變化等方面分析，提出“地貌-沉積”控制含水層富水性。徐圣集[9]從地質(zhì)沉積、空間分布、富水規(guī)律和涌水量等方面進(jìn)行分析，對(duì)侏羅系煤田“真武洞砂巖”和“七里鎮(zhèn)砂巖”具有高水壓、強(qiáng)富水、非均一的特征開展研究。方剛[10]等通過選取6 種分區(qū)指標(biāo)，采用層次分析法計(jì)算權(quán)重、構(gòu)建指數(shù)模型，對(duì)侏羅系延安組、直羅組含水層富水性進(jìn)行劃分。黃歡[11]等基于“富水性指數(shù)法”建立模型，對(duì)煤層頂板侏羅系中下統(tǒng)含水層涌水進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。李梁寧[12]等通過研究聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與有效孔隙度相關(guān)關(guān)系，分析含水層空間展布特征，預(yù)測(cè)砂巖含水層富水性。劉基[13]等通過地層沉積相和砂體展布規(guī)律，選取砂地比和砂巖厚度主控因素，運(yùn)用AHP 和GIS 方法劃分煤層頂板砂巖富水性。黃浩[14]等通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬、相似材料模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段對(duì)深埋區(qū)侏羅系煤層頂板導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度進(jìn)行研究，為后期防治水工作提供依據(jù)。

綜上，目前取得的各類成果均有助于區(qū)內(nèi)深埋礦井的頂板水害防治工作開展。以位于鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田深埋區(qū)內(nèi)的巴彥高勒煤礦311101 首采工作面為例，通過物探和鉆探工程的成果分析，對(duì)礦井首采工作面頂板富水區(qū)進(jìn)行劃分，而后根據(jù)對(duì)工作面回采過程中的涌水量監(jiān)測(cè)，通過涌水量變化趨勢(shì)驗(yàn)證前期頂板富水區(qū)劃分的真實(shí)效果。研究區(qū)在煤層開采過程中的主要頂板充水水源為侏羅系延安組和直羅組含水層水，由于其地質(zhì)歷史時(shí)期均為陸相沉積，導(dǎo)致其砂巖含水層富水性具有極不均一性，對(duì)于礦井及工作面水量的預(yù)測(cè)往往比較困難。因此，通過本次礦井首采工作面對(duì)頂板含水層富水性分區(qū)的準(zhǔn)確劃分，可有效指導(dǎo)礦井后期各工作面防治水工作的有效開展。

1 研究區(qū)概況

1.1 基本情況

巴彥高勒礦井位于蒙陜接壤區(qū)的呼吉爾特礦區(qū)內(nèi)東南部，行政區(qū)劃屬鄂爾多斯市烏審旗管轄，是淄礦集團(tuán)在鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田深埋區(qū)建設(shè)的1對(duì)大型現(xiàn)代化礦井，也是該區(qū)域首個(gè)投產(chǎn)的礦井。礦井311101 首采工作面是呼吉爾特礦區(qū)的第1 個(gè)回采工作面。工作面位于礦井首采區(qū)（11 采區(qū)）的東部，主采3-1 煤，煤層厚度5.39～6.23 m，平均厚度5.72 m；煤層頂板埋深604.68～631.53 m，頂板標(biāo)高為+649.07～+666.68 m。

1.2 水文地質(zhì)條件

巴彥高勒煤礦3-1 煤回采過程中面臨的主要水害類型為頂板砂巖水害，煤層頂板自上而下發(fā)育有第四系孔隙潛水含水層、白堊系孔隙裂隙承壓含水層、安定組孔隙裂隙承壓含水層、直羅組孔隙裂隙承壓含水層以及煤層頂板延安組孔隙裂隙承壓含水層；在安定組頂部發(fā)育有安定組隔水層，在直羅組頂部發(fā)育有直羅組隔水層，在3-1 煤頂板發(fā)育有延安組隔水層[9,14]。

侏羅系深埋煤層開采過程中，裂高采厚比一般在20 倍左右，即巴彥高勒煤礦3-1 煤采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度為120 m 左右。根據(jù)各含水層與煤層頂板之間相對(duì)位置的關(guān)系，可以將頂板含水層分為直接和間接充水含水層。

在自然狀態(tài)下，位于導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育范圍以內(nèi)的侏羅系延安組和直羅組含水層會(huì)成為3-1 煤采后的直接充水含水層；位于導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育范圍以外的安定組、白堊系和第四系含水層會(huì)成為3-1 煤采后的間接充水含水層，若存在封閉不良鉆孔等人為原因形成的導(dǎo)水通道，這些含水層也可能成為3-1 煤采后的直接充水含水層。

分析311101 工作面范圍內(nèi)的鉆孔資料，在導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育范圍內(nèi)，延安組含水層總的厚度為20.25～53.00 m，直羅組含水層厚度16.16～29.10 m，但無論延安組還是直羅組均呈現(xiàn)出含隔水層互層的情況，不同鉆孔之間，含水層厚度差別較大，含水層不連續(xù)。

2 工作面頂板富水性分區(qū)

根據(jù)對(duì)311101 工作面頂板水文地質(zhì)條件的分析，由于含隔水層交互沉積，且含水層不連續(xù)，因此，根據(jù)含水層厚度對(duì)工作面頂板含水層進(jìn)行富水性分區(qū)可能效果不好。因此，采用物探和鉆探相結(jié)合的方法來進(jìn)行富水性分區(qū)。該方法的總體思路為“物探先行，鉆探驗(yàn)證”，即首先開展工作面頂板物探，劃定物探異常區(qū)；然后根據(jù)物探異常區(qū)分布情況，施工頂板探放水鉆孔，根據(jù)鉆孔終孔水量及水壓分布情況對(duì)物探異常區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證的排除，最后，綜合確定工作面頂板富水區(qū)分布情況。

2.1 物探工程

瞬變電磁法[15]、音頻電透視法[16]作為煤礦井下工作面富水異常區(qū)的主要探查方法，其應(yīng)用廣泛、效果良好。因此，礦井超前311101 首采工作面頂板物探工程探查采用這2 種方法相結(jié)合開展。

礦井瞬變電磁法分別在311101 工作面主運(yùn)巷、回風(fēng)巷和切眼巷道的頂板施工探測(cè)，探測(cè)長(zhǎng)度分別為2 840、2 830、260 m，點(diǎn)距10 m，共布置測(cè)點(diǎn)596個(gè)。礦井音頻電穿透在311101 工作面回風(fēng)巷和主運(yùn)巷的頂板探測(cè)施工，探測(cè)長(zhǎng)度約2 830 m。

根據(jù)2 種探測(cè)方法探測(cè)結(jié)果的對(duì)應(yīng)情況，從工作面切眼開始，到工作面停采線，將311101 工作面頂板劃分為6 個(gè)富水異常區(qū)：

1）2 號(hào)異常區(qū)。2 種勘探方法異常區(qū)平面位置基本一致，且異常區(qū)呈2 條帶分布在工作面上方，其中1 號(hào)異常區(qū)主要分布在距離切眼0～230 m 范圍，2號(hào)異常區(qū)分布在距離切眼300～480 m 范圍。

2）3 號(hào)異常區(qū)。2 種勘探方法異常區(qū)平面位置基本一致，且異常區(qū)呈條帶分布在工作面上方，分布在距離切眼920～1 120 m 范圍。

3）4 號(hào)異常區(qū)。2 種勘探方法異常區(qū)平面位置存在偏差，分布在距離切眼1 270～1 460 m 范圍。

4）5 號(hào)異常區(qū)。在音頻電穿透成果圖中呈條帶分布在工作面上方，2 種勘探方法異常區(qū)平面位置存在偏差，分布在距離切眼1 790～1 990 m 范圍。

5）6 號(hào)異常區(qū)。在2 種勘探方法成果圖中位置基本一致，分布在距離切眼2 100～2 380 m 范圍。

6）7 號(hào)異常區(qū)。在音頻電透視成果圖中表現(xiàn)為2個(gè)條帶分布，2 處富水性異常條帶與2 條巷道瞬變電磁異常區(qū)的2 個(gè)異常中心相對(duì)應(yīng)，分布在距離切眼2 490 m～停采線范圍。

2.2 鉆探工程

礦井311101 工作面采前，共施工56 個(gè)鉆孔，由于為礦井及區(qū)內(nèi)首采工作面，鉆孔總體按照“均勻布孔，全面覆蓋”的原則布置[17]。

根據(jù)鉆探結(jié)果可知，無論鉆孔終孔水量還是終孔水壓力均有較大的差異，工作面頂板含水層富水性極不均一。56 個(gè)鉆孔中，有7 個(gè)鉆孔單孔涌水量小于10 m3/h，25 個(gè)鉆孔單孔涌水量在10～20 m3/h之間，20 個(gè)鉆孔單孔涌水量在20～30 m3/h 之間，4個(gè)鉆孔單孔涌水量大于40 m3/h，工作面疏放水鉆孔涌水量及水壓分布圖如圖1。其中，涌水量最大的4個(gè)鉆孔為別為位于物探3 號(hào)異常區(qū)及其附近H6-1、H6-2 和H5-1 孔以及位于物探1 號(hào)和2 號(hào)異常區(qū)附近的H2-1 孔，終孔水量分別達(dá)到60、40 m3/h。

圖1 工作面疏放水鉆孔涌水量及水壓分布圖Fig.1 Distribution map of water inflow and water pressure in borehole for drainage on working face

2.3 富水性分區(qū)結(jié)果

綜合對(duì)比分析物探異常區(qū)和鉆探揭露水量、水壓分布情況，可綜合劃分工作面頂板富水性[18-19]。311101 工作面頂板物探與鉆探成果對(duì)比圖如圖2。

通過對(duì)比圖2（a）與圖2（b）可知，兩者之間具有較好的一致性，根據(jù)鉆孔實(shí)際揭露情況，發(fā)現(xiàn)311101 工作面頂板存在4 處富水區(qū)。

對(duì)比疏放水鉆孔揭露情況與工作面頂板物探揭露情況，可以看到，在物探非異常區(qū)施工的鉆孔，涌水量及水壓力均較小，表明本次物探成果無漏報(bào)的情況；在物探1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)、7 號(hào)異常區(qū)施工的鉆孔，涌水量及水壓力均較大，驗(yàn)證效果良好，在物探6 號(hào)異常區(qū)施工的鉆孔，涌水量及水壓力較小，驗(yàn)證效果較差，表明本次物探效果總體較好，錯(cuò)報(bào)率相對(duì)較低。

圖2 工作面頂板物探與鉆探工程成果對(duì)比圖Fig.2 Comparison of geophysical exploration and drilling engineering results of working face

綜合對(duì)比物探和鉆探成果，311101 工作面頂板共存在4 處富水區(qū)，其中，1 號(hào)富水區(qū)位于距離工作面切眼0～460 m 區(qū)域；2 號(hào)富水區(qū)位于距離工作面切眼860～1 320 m 區(qū)域；3 號(hào)富水區(qū)位于距離工作面切眼1 590～1 950 m 區(qū)域；4 號(hào)富水區(qū)位于距離工作面切眼2 380～2 580 m（停采線）區(qū)域。

3 探采對(duì)比驗(yàn)證

工作面頂板含水層富水性綜合分區(qū)結(jié)果與實(shí)際開采涌水量對(duì)比圖如圖3。

圖3 工作面頂板含水層富水性綜合分區(qū)結(jié)果與實(shí)際開采涌水量對(duì)比圖Fig.3 Comparison between the results of water-rich comprehensive zoning of the roof aquifer of the working face and the actual water inflow

隨著工作面的不斷推進(jìn)，其采空區(qū)涌水量曲線發(fā)生著“階梯式”增加變化，工作面富水異常區(qū)與涌水量明顯增長(zhǎng)變化節(jié)點(diǎn)有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。工作面每一區(qū)段的富水區(qū)基本能夠?qū)?yīng)涌水量增長(zhǎng)的起步點(diǎn)，而在增長(zhǎng)后的一段區(qū)域內(nèi)，水量變化較為穩(wěn)定，未有較大突變現(xiàn)象發(fā)生。通過前期工程探查和回采實(shí)際對(duì)比，可以驗(yàn)證針對(duì)此類水害問題選取方法和手段的可靠性和有效性。

同時(shí)，由工作面涌水情況可以分析，其煤層頂板含水層水基本以“靜儲(chǔ)量”為主、側(cè)向補(bǔ)給的“動(dòng)儲(chǔ)量”為輔，“靜儲(chǔ)量”總體有限、“動(dòng)儲(chǔ)量”補(bǔ)給不足，造成工作面初次見方后覆巖垮落面積增大，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р案叨燃涌焐仙?，使得工作面涌水量發(fā)生了較大的升高，而后覆巖含水層“靜儲(chǔ)量”有所消耗，同時(shí)由于含水層弱富水性，其補(bǔ)給緩慢，導(dǎo)致后期水量穩(wěn)中有進(jìn)，但突變現(xiàn)象不多。

總結(jié)分析工作面涌水量變化，可以看到主要由以下幾個(gè)較為明顯的臺(tái)階：

1）工作面回采至338 m 時(shí)，頂板第1 次充分垮落，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育至最高，且處于1 號(hào)富水區(qū)，涌水量由172 m3/h 增大到327 m3/h。

2）工作面回采至1 031～1 074 m 期間，進(jìn)入2 號(hào)富水區(qū)，涌水量由300 m3/h 增大到398 m3/h。

3）工作面回采至1 805 m 時(shí)，進(jìn)入3 號(hào)富水區(qū)，涌水量由404 m3/h 增大到417 m3/h。

4）工作面回采至2 037～2 160 m 時(shí)，進(jìn)入4 號(hào)富水區(qū)，涌水量由426 m3/h 增大到482 m3/h，涌水量達(dá)到最大。

最終，礦井311101 首采工作面涌水量穩(wěn)定在490 m3/h，直至工作面回采結(jié)束。

4 結(jié) 論

1）311101 首采工作面采后形成的覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞橹饕渌ǖ?，預(yù)計(jì)發(fā)育高度為120 m，礦井主要充水水源為侏羅系延安組和直羅組砂巖含水層水，這2 層含水層受沉積相控制，具有分布不連續(xù)，富水性不均一的特點(diǎn)。

2）采用“物探先行，鉆探驗(yàn)證”的思路，對(duì)比物探異常區(qū)分布情況及對(duì)應(yīng)鉆孔涌水量及水壓力分布情況，綜合確定劃分311101 首采工作面頂板的4 個(gè)富水異常區(qū)。

3）礦井311101 首采工作面在回采過程中，每經(jīng)過1 處富水異常區(qū)時(shí)，其工作面涌水量均會(huì)出現(xiàn)1次“臺(tái)階式”的增加，對(duì)基于物探和鉆探綜合劃分的頂板富水區(qū)進(jìn)行了良好的驗(yàn)證。