呼吉爾特礦區(qū)深埋煤層頂板“七里鎮(zhèn)砂巖”富水特征研究

孫 潔

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

呼吉爾特礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地中北部，以毛烏素沙漠高原地貌為主[1-2]，地形波狀起伏，切割較弱，屬干旱—半干旱大陸性氣候[3]，降水稀少[4]，蒸發(fā)強(qiáng)烈，生態(tài)環(huán)境十分脆弱[5-6]。在區(qū)域上，由于中生代較穩(wěn)定的構(gòu)造條件和相對貧乏的粗粒碎屑供應(yīng)，形成了非常豐富的煤炭資源。呼吉爾特礦區(qū)的含煤地層埋藏深度普遍超過500m[7-8]，煤質(zhì)優(yōu)良[9-10]、構(gòu)造簡單[11]。延安組沉積之后，燕山構(gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致研究區(qū)地層全面抬升，在延安組頂部形成區(qū)域性的侵蝕不整合面，造成延安組上部不同程度的剝蝕；在直羅組早期發(fā)育了一套河流相沉積，延安組侵蝕面之上形成直羅組一段“七里鎮(zhèn)砂巖”[12-13]，是該地區(qū)對煤炭開采有較大水害威脅的直接充水含水層[14]。但是，呼吉爾特礦區(qū)相對于鄰近的神東礦區(qū)，屬于新開發(fā)區(qū)域，已經(jīng)開發(fā)建設(shè)的礦井，煤層賦存條件、頂板地層結(jié)構(gòu)和“七里鎮(zhèn)砂巖”富水性等存在一定差異，反映了研究區(qū)水文地質(zhì)條件不太清楚[15-16]，導(dǎo)致難以形成有針對性的和科學(xué)有效的防治水技術(shù)，多個(gè)礦井在基建和生產(chǎn)過程中發(fā)生了多種類型的水害問題[17-19]，其突水水源基本為煤層頂板的“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層水，例如巴彥高勒首采工作面回采過程中，就出現(xiàn)了工作面涌水量突然急劇增大，導(dǎo)致工作面部分被淹，因此非常有必要開展該區(qū)域煤層頂板沉積相發(fā)育及巖相古地理特征研究，確定“七里鎮(zhèn)砂巖”等砂巖段空間展布規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上利用礦井采掘活動對直接充水含水層的揭露，查清煤炭開采擾動下的含水層之間水力聯(lián)系、“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層富水性等水文地質(zhì)特征，為呼吉爾特礦區(qū)深部煤炭資源安全開采提供防治水方面的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

礦區(qū)位于蒙陜交界的呼吉爾特礦區(qū)，總面積為3 331.7km2，其中位于礦區(qū)中南部的先期開采區(qū)面積417km2，母杜柴登、葫蘆素、門克慶和巴彥高勒等礦井已經(jīng)進(jìn)入生產(chǎn)階段。礦區(qū)地表全部被第四系風(fēng)積沙覆蓋，多為新月形或波狀沙丘，沒有基巖出露；植被稀疏，為半荒漠地區(qū)，沙丘及沙地間常分布有大小不等的積水洼地，沒有地表水系，地形相對高差為10～30m。

根據(jù)鉆孔揭露，呼吉爾特礦區(qū)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，可采煤層包括2、3、4、5、6號煤組，其中2-2煤、3煤、6煤為全區(qū)可采的較穩(wěn)定—穩(wěn)定煤層，2-1煤為大部可采的較穩(wěn)定—穩(wěn)定煤層。依據(jù)沉積旋回和巖性組合特征，煤層頂板以上主要發(fā)育中侏羅統(tǒng)直羅組和安定組、下白堊統(tǒng)志丹群、第四系，具體特征如下：

1)直羅組上部為灰紫、暗紫色泥巖，中夾灰綠色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖呈互層出現(xiàn)；下部為灰綠、青灰色中—粗砂巖，含炭屑，中夾粉砂巖、砂質(zhì)泥巖；地層厚度175.4～216.15m，平均195.78m，與下伏延安組呈平行不整合接觸。

2)安定組為淺灰、灰綠、黃紫褐色泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖及粉砂巖，含鈣質(zhì)結(jié)核，與頂部的志丹群相比，泥巖及砂質(zhì)泥巖的含量明顯增多；地層厚度53.3～82.18m，平均67.74m，與下伏直羅組呈整合接觸。

3)志丹群為一套淺紫、紫紅色細(xì)砂巖與灰白色中—細(xì)砂巖互層，巖石成分以石英、長石為主，分選及磨圓度較差，泥質(zhì)膠結(jié)，具大型槽狀、板狀交錯(cuò)層理；地層厚度332.1～355.05m，平均343.6m，與下伏安定組呈不整合接觸。

4)第四系主要由全新統(tǒng)風(fēng)積物和更新統(tǒng)薩拉烏蘇組沖湖積物組成，厚度17.17～44.5m，平均27.76m。全新統(tǒng)主要由淺黃色、灰白色砂及亞砂土組成，全區(qū)分布；薩拉烏蘇組主要由細(xì)砂、粉砂、亞黏土、亞砂土組成，與上部風(fēng)積沙構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一含水體；第四系與下伏白堊系志丹群呈不整合接觸。

受層序地層格架、巖性組合特征及地下水水力性質(zhì)控制，煤層頂板主要發(fā)育第四系松散孔隙含水層、白堊系孔隙裂隙含水層和侏羅系砂巖裂隙含水層，具體特征如下：

1)第四系松散孔隙含水層由全新統(tǒng)風(fēng)積砂和更新統(tǒng)薩拉烏蘇組沖湖積砂組成，地下水位埋深較淺，含水層厚度8.59～29.99m，鉆孔單位涌水量0.37～4.13 L/(s·m)，滲透系數(shù)4.01～15.17m/d。

2)白堊系與上覆第四系孔隙含水層無穩(wěn)定隔水層，砂巖孔隙裂隙發(fā)育，連通性好，滲流暢通，徑流條件較好；砂巖厚度含水層厚度217.7～328.4m，分布較為穩(wěn)定，鉆孔單位涌水量0.11～0.29L/(s·m)，滲透系數(shù)0.003 3～0.114 1m/d，富水性中等，富水性均勻。

3)侏羅系砂巖裂隙含水層(2煤頂板)固結(jié)程度較高、泥巖及砂質(zhì)泥巖的含量明顯增多、部分地段裂隙被充填，含水層厚度52.5～149.374m，水位標(biāo)高+1 276.13～+1 310.21m，鉆孔單位涌水量0.003 3～0.177 0L/(s·m)，滲透系數(shù)0.002 0～0.152 8m/d，砂巖含水層富水性弱—中等。

2 頂板地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)侏羅系整體表現(xiàn)為曲流河、三角洲沉積，白堊系為沙漠沉積。由于安定組時(shí)期淺湖沉積面積進(jìn)一步擴(kuò)大，巖性以砂質(zhì)泥巖和泥巖為主，為區(qū)域性隔水性能較好的相對隔水層，且與煤層距離較大(>150m)，因此延安組三段和直羅組中富水層段是煤層開采的直接充水含水層。利用巖心、露頭、測井和高分辨率地震剖面，進(jìn)行高分辨率層序地層學(xué)研究，識別準(zhǔn)層序級界面，河流是內(nèi)陸盆地中最為活躍的活動水系，是陸源碎屑的主要攜帶者，根據(jù)河道砂體幾何形態(tài)、相序特征和相變關(guān)系，確定直羅組一段下部(即“七里鎮(zhèn)砂巖”)為辮狀河沉積(圖1)，河道基底侵蝕沖刷面上為厚層粗粒砂巖，厚度以10～20m居多，東薄西厚；利用不同級次基準(zhǔn)面旋回中砂地比值，可以確定研究區(qū)直羅組一段發(fā)育有河床(砂地比>0.4)、古河道邊部(砂地比0.3～0.4)和河漫灘(砂地比<0.3)，其中有多條古河床呈NNW-SSE向展布，河床之間依次為河床邊部、河漫灘、泛濫平原沼澤沉積。直羅組二段為大型板狀交錯(cuò)層理的河道砂壩沉積，頂部為不發(fā)育的洪泛平原亞相薄層泥巖，自下而上顯正旋回層序。

延安組三段上部以曲流河沉積為特點(diǎn)，主要由河道砂壩亞相和河漫灘亞相組成，垂向上具有下粗上細(xì)的“二元結(jié)構(gòu)”，以河漫灘沉積較發(fā)育為特征，旋回比較完整，其中較粗粒巖段為“真武洞砂巖”，砂體保存差異性較大，大部分地區(qū)厚度為4.0～10m；“真武洞砂巖”段古河床也為NNE-SSW向展布，河床寬緩，河床邊部或分流河道邊部的砂地比值為0.3～0.4，古河道中部的砂地比為不小于0.6。

在陸相古地理環(huán)境演化和沉積成巖作用下，在煤層頂部形成了數(shù)層區(qū)域上較穩(wěn)定的中粗砂巖、砂礫巖層段，包括延安組三段的“真武洞砂巖”、直羅組一段的“七里鎮(zhèn)砂巖”，其中“七里鎮(zhèn)砂巖”段厚度大、粒徑粗，具備較好的賦水條件。

圖1 研究區(qū)H09孔直羅組一段辮狀河沉積柱狀圖

3 頂板含水層富水特征

3.1 頂板鉆孔疏放水特征

根據(jù)呼吉爾特礦區(qū)導(dǎo)水裂縫帶實(shí)測結(jié)果[1，20]，煤層開采后(綜采一次采全高)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為采高的25倍左右，礦區(qū)葫蘆素、門克慶、母杜柴登和巴彥高勒4個(gè)礦的導(dǎo)水裂縫帶均可發(fā)育至直羅組一段的“七里鎮(zhèn)砂巖”。由于葫蘆素開采2號煤，其主要充水含水層為“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層；門克慶、母杜柴登和巴彥高勒開采3-1煤，主要充水含水層為延安組“真武洞砂巖”含水層和直羅組“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層。根據(jù)門克慶、母杜柴登和巴彥高勒的鉆孔涌水情況可以發(fā)現(xiàn)，鉆孔涌水主要由“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層貢獻(xiàn)，“真武洞砂巖”含水層涌水量極小，甚至很多鉆孔在該含水層并不出水，因此可以確定，“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層是該地區(qū)煤層頂板最主要的直接充水含水層。各礦井首采工作面疏放水鉆孔的初始水量和水壓結(jié)果顯示，不同礦井的“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層富水性差異極大(表1)，其中礦區(qū)中部區(qū)域(門克慶和母杜柴登)富水性較好，礦區(qū)兩側(cè)區(qū)域(葫蘆素和巴彥高勒)富水性較差。

表1 礦井首采面頂板疏放水孔水量和水壓特征

結(jié)合研究區(qū)古地理環(huán)境演化和層序地層結(jié)構(gòu)分析，母杜柴登和門克慶井田2-1煤缺失，相應(yīng)的延安組頂部“七里鎮(zhèn)砂巖”底板標(biāo)高較低、砂巖段發(fā)育較厚(17.7～75.2 m)，母杜柴登井田的局部區(qū)域侵蝕較深，2-2煤也存在部分缺失；與之相反，葫蘆素和巴彥高勒井田的2-1煤較完整，“七里鎮(zhèn)砂巖”底板標(biāo)高較高，砂巖段發(fā)育較薄(5.1～32.4 m)。鉆孔涌水量與“七里鎮(zhèn)砂巖”厚度的對應(yīng)性較好，表明“七里鎮(zhèn)砂巖”是研究區(qū)煤層頂板充水關(guān)鍵含水層。

3.2 單個(gè)礦井涌水特征

以巴彥高勒礦井為例，整個(gè)礦井從井下巷道掘進(jìn)開始，隨著多個(gè)工作面回采，礦井涌水量逐漸增大，可以大致分為以下幾個(gè)階段：

1)2011年5月10日至2013年5月8日為建井階段，隨著巷道掘進(jìn)進(jìn)尺的增加，礦井涌水量從0.0m3/h逐漸增大至248.0m3/h。

2)2013年5月8日至2016年11月10日為11盤區(qū)3個(gè)工作面回采期，礦井涌水量從248.0m3/h增至939.0m3/h。

3)2016年11月10日至2017年5月30日為2盤區(qū)201工作面回采期，礦井涌水量從939.0m3/h增至1 346.0m3/h。

巴彥高勒礦井涌水量總體呈現(xiàn)出“臺階式”上升的趨勢，隨著采空區(qū)面積的增大而不斷增大。此過程中還出現(xiàn)了兩個(gè)現(xiàn)象：一是由于頂板含水層富水性不均一，回采過程中覆巖周期性發(fā)育，導(dǎo)致小的涌水峰值周期性出現(xiàn)；二是每個(gè)盤區(qū)的首采工作面開始回采，礦井涌水量會出現(xiàn)較大增長，例如11盤區(qū)的311101工作面和12盤區(qū)的311201工作面。另外，礦井涌水量“臺階式”上升的特點(diǎn)，在其他礦井也存在相似的規(guī)律。

3.3 煤礦群排水特征

呼吉爾特礦區(qū)的葫蘆素、門克慶、母杜柴登、巴彥高勒四個(gè)煤礦均已進(jìn)入正式生產(chǎn)階段，從礦井建設(shè)到工作面回采，在井下采掘擾動作用下，實(shí)際上對呼吉爾特礦區(qū)煤層頂板直接充水含水層(“七里鎮(zhèn)砂巖”段和“真武洞砂巖”段)進(jìn)行了將近10a的大型煤礦群(近4 000萬t產(chǎn)能)超大型疏放水，這4個(gè)煤礦的總涌水量(圖2)和總排水量呈如下規(guī)律：

1)呼吉爾特礦區(qū)從2012年開始，礦區(qū)涌水量也隨著井下巷道掘進(jìn)進(jìn)尺的增加而持續(xù)增加，但增加幅度較緩慢(從0.0m3/h逐漸增至約1 000.0m3/h)。

2)2014年5月開始，呼吉爾特礦區(qū)第一個(gè)工作面開始回采(巴彥高勒煤礦311101工作面)，頂板導(dǎo)水裂縫帶溝通“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層(回采進(jìn)尺320m)，涌水量出現(xiàn)了一個(gè)臺階式增加，從1 013.74 m3/h增至1 683.63m3/h。

3)2016年10月以后，四個(gè)煤礦均開始工作面回采，隨著采空區(qū)范圍逐漸增大，導(dǎo)致對煤層頂板直接充水含水層的破壞也越來越大，礦區(qū)涌水量從3 065.17m3/h快速增加至7 029.75 m3/h。

呼吉爾特礦區(qū)煤礦群的直接充水含水層超大型疏放，形成了延安組三段“真武洞砂巖”含水層和直羅組一段“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層的區(qū)域性降落漏斗(圖4)，總體呈以下規(guī)律：

1)“真武洞砂巖”含水層在2014年12月的水位標(biāo)高為+1 254.01m，由于工作面回采過程中覆巖破壞發(fā)育至該含水層，到2015年10月，急劇降低至+942.56m，累計(jì)下降了311.45m，后期隨著多個(gè)工作面的持續(xù)回采，水位呈繼續(xù)下降趨勢，現(xiàn)階段水位約+800m。

圖2 煤礦群排水過程中含水層水位變化曲線

2)“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層兩個(gè)監(jiān)測孔，距離回采工作面較近的SD1孔，水位累計(jì)下降156.62m；距離回采工作面較遠(yuǎn)的SK3孔，水位累計(jì)下降57.24m，表明“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層水位也出現(xiàn)了明顯下降，且以降落漏斗形式存在。

3)淺部白堊系含水層水位(觀1孔)基本穩(wěn)定在+1 300.0m，表明白堊系含水層與深部侏羅系延安組和直羅組含水層之間水力聯(lián)系較差，煤炭開采不會對白堊系地下水產(chǎn)生直接影響。

4 結(jié)論

1)陸相古地理環(huán)境演化和沉積成巖作用下，呼吉爾特礦區(qū)中生代地層主要發(fā)育砂泥巖互層結(jié)構(gòu)，在延安組煤層頂部形成了“真武洞砂巖”“七里鎮(zhèn)砂巖”等顆粒較粗、孔隙率較大的層段，具備較好的賦水條件。

2)研究區(qū)頂板疏放水鉆孔涌水量呈“兩側(cè)小、中間大”的特點(diǎn)，且出水點(diǎn)主要位于“七里鎮(zhèn)砂巖”段，頂板疏放水鉆孔涌水量與“七里鎮(zhèn)砂巖”厚度的對應(yīng)性較好，表明“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層是該地區(qū)煤層頂板最主要的直接充水含水層。

3)各礦井涌水量總體呈現(xiàn)出“臺階式”上升的趨勢，隨著采空區(qū)面積的增大而不斷增大；由于頂板含水層富水性不均一，回采過程中覆巖周期性發(fā)育，導(dǎo)致小的涌水峰值周期性出現(xiàn)。

4)對呼吉爾特礦區(qū)煤層頂板直接充水含水層進(jìn)行大型煤礦群超大型疏放水，礦區(qū)涌水量隨著井下采掘活動強(qiáng)度的增加而持續(xù)增加，這個(gè)過程中“真武洞砂巖”和“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層水位下降明顯，白堊系水位基本不變，表明研究區(qū)煤炭開采不會對白堊系地下水產(chǎn)生直接影響。