侏羅紀(jì)煤田煤層底板砂巖水害特征與防治技術(shù)

趙寶峰，呂玉廣

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西省西安市，710054;(2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省西安市，710177;(3.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，016299)

西北侏羅紀(jì)煤炭資源儲(chǔ)量達(dá)3.46×1012t以上，占全國(guó)煤炭資源總量的62.3%左右[1]，隨著我國(guó)煤炭生產(chǎn)重點(diǎn)的西移，侏羅紀(jì)煤炭資源開(kāi)發(fā)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位[2]，這一區(qū)域主要開(kāi)采煤層的上覆巖層中廣泛發(fā)育有砂巖裂隙含水層和第四系松散含水層，受頂板水害威脅嚴(yán)重[3]，近些年來(lái)圍繞頂板水害條件探查與分析[4-7]、涌水量預(yù)測(cè)[8-9]、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度[10-11]、水害形成機(jī)理[12-15]、綜合防控技術(shù)[16-19]等方面開(kāi)展了大量研究，取得豐碩的成果，保障了受頂板水害威脅工作面的安全生產(chǎn)。

隨著侏羅紀(jì)煤田開(kāi)拓水平逐步向深部延伸，一種新型的水害開(kāi)始引起人們關(guān)注——底板砂巖水害。神東礦區(qū)布爾臺(tái)礦22201工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)時(shí)，揭露E91封閉不良鉆孔導(dǎo)通22號(hào)煤層底板煤系地層底界延安組三疊系頂界延長(zhǎng)組之間的粗砂巖含水層，單孔涌水量達(dá)70 m3/h，水壓0.22 MPa[20]；寧東煤田鴛鴦湖礦區(qū)梅花井煤礦6號(hào)煤層和10號(hào)煤層工作面2次揭露同一個(gè)封閉不良鉆孔，導(dǎo)通底板寶塔山砂巖含水層，涌水量分別為25 m3/h和31 m3/h，18號(hào)煤層首采工作面機(jī)巷施工過(guò)程中發(fā)生底板涌水，涌水量為60 m3/h，水壓0.25 MPa；碎石井礦區(qū)靈新煤礦風(fēng)井掘進(jìn)揭露封閉不良鉆孔發(fā)生集中涌水，底板涌水量達(dá)120 m3/h。

以往認(rèn)為延安組含煤巖系含水層富水性和滲透性較差，特別是煤層底部的寶塔山砂巖含水層厚度較薄，對(duì)煤層開(kāi)采的影響和威脅程度較小，從而忽視了對(duì)其水文地質(zhì)條件的探查及采取相應(yīng)的防治水措施，當(dāng)封閉不良鉆孔或巷道揭露含水層后，就造成了底板砂巖水害事故的發(fā)生。筆者以鄂爾多斯盆地西緣新上海一號(hào)煤礦膠帶暗斜井掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生的底板砂巖水害事故為例，針對(duì)侏羅紀(jì)煤田煤層底板砂巖含水層水文地質(zhì)條件開(kāi)展系統(tǒng)研究，通過(guò)專項(xiàng)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探、大流量大降深放水試驗(yàn)和水化學(xué)分析等，查明了底板砂巖含水層水文地質(zhì)條件，對(duì)底板砂巖水害特征進(jìn)行了總結(jié)，并提出具體的防治技術(shù)。

1 礦井及水文地質(zhì)條件

1.1 礦井概況

鄂爾多斯盆地西緣新上海一號(hào)煤礦主采侏羅紀(jì)延安組煤層，資源儲(chǔ)量5.19億t，可采儲(chǔ)量3.37億t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4.0 Mt/a，服務(wù)年限60.2 a。礦井分為2個(gè)水平，一水平大巷標(biāo)高+880 m，布置在八煤層，二水平大巷標(biāo)高+733 m，布置在二十一煤層，兩個(gè)水平大巷之間采用暗斜井聯(lián)系。

1.2 礦井水文地質(zhì)條件

井田內(nèi)主要含水層由上至下分別為新生界松散潛水含水層和基巖裂隙承壓含水層，后者又可進(jìn)一步分為白堊系、直羅組與含煤巖系含水層(包括八煤層頂板、八煤層至十五煤層、十五煤層至二十一煤層、二十一煤層至三疊系含水層)，根據(jù)地質(zhì)勘探與淺部含水層水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探資料，白堊系與含煤巖系含水層富水性均為弱，直羅組含水層除了小范圍富水性為中等，其他大部分區(qū)域富水性為弱，井田主要含水層水文地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。從前期勘探成果分析，井田內(nèi)主要含水層富水性弱，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

表1 井田主要含水層水文地質(zhì)參數(shù)

2 侏羅紀(jì)煤田煤層底板砂巖水文地質(zhì)條件與水害特征

2.1 煤層底板砂巖水害概況

井田分為4個(gè)分區(qū)2個(gè)水平開(kāi)采，2個(gè)水平分別為+880 m和+733 m，前期采掘活動(dòng)在一分區(qū)一水平內(nèi)，二水平大巷設(shè)計(jì)在二十一煤層內(nèi)，一水平和二水平通過(guò)3條暗斜井聯(lián)系。一分區(qū)膠帶暗斜井設(shè)計(jì)坡度-14°，下山總長(zhǎng)度550.9 m，掘進(jìn)至520 m(掘進(jìn)工作面標(biāo)高+746.4 m)處巷道底鼓，繼而發(fā)生集中涌水，涌水量峰值3 620 m3/h左右。涌水點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 涌水點(diǎn)位置

從井田主要含水層水文地質(zhì)條件來(lái)看，除了直羅組含水層小范圍區(qū)域?yàn)橹械雀凰酝?，其余各含水層均為弱富水性，不具備作為高?qiáng)度涌水水源的條件，并且出水點(diǎn)附近地層完整，不存在斷層等導(dǎo)水構(gòu)造。根據(jù)前期勘探資料分析，一分區(qū)膠帶暗斜井涌水點(diǎn)水源及通道的準(zhǔn)確判別存在較大難度。由于涌水點(diǎn)位于巷道底板，并且距離煤層底板寶塔山砂巖含水層較近，下一步擬對(duì)此含水層開(kāi)展專項(xiàng)水文地質(zhì)探查工作。

2.2 煤層底板砂巖含水層水文地質(zhì)條件精細(xì)探查

2.2.1 抽水試驗(yàn)

井田地質(zhì)勘探階段對(duì)二十一煤層底部含水層開(kāi)展了抽水試驗(yàn)，包括二十一煤層底板至三疊系上部含水層，其富水性和滲透性弱，后期未專門針對(duì)二十一煤層底板寶塔山砂巖含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)，已有水文地質(zhì)資料不能滿足下組煤安全生產(chǎn)。

為了查明寶塔山砂巖含水層水文地質(zhì)條件，分別于膠帶暗斜井底板集中涌水后的2017年和2019年施工了13個(gè)水文地質(zhì)鉆孔，對(duì)寶塔山砂巖含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)，詳細(xì)查明了其厚度、水位標(biāo)高、單位涌水量、滲透系數(shù)等。根據(jù)抽水試驗(yàn)成果，單位涌水量為0.037 7～1.070 9 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.105 7～2.060 3 m/d，除了井田西南部含水層富水性為弱、中部為強(qiáng)，其余區(qū)域均為中等。

根據(jù)專門針對(duì)寶塔山砂巖含水層開(kāi)展的抽水試驗(yàn)成果，含水層的單位涌水量和滲透系數(shù)均大于地質(zhì)勘探報(bào)告中的數(shù)值。以往認(rèn)為寶塔山砂巖含水層對(duì)礦井的威脅較小，主要是因?yàn)閷⑵渑c下部三疊系含水層作為一個(gè)抽水層段進(jìn)行混合抽水，由于三疊系含水層富水性弱，導(dǎo)致混合抽水試驗(yàn)計(jì)算的寶塔山砂巖含水層水文地質(zhì)參數(shù)與實(shí)際相比偏小。

在寶塔山砂巖含水層開(kāi)展的抽水試驗(yàn)查明了含水層的水文地質(zhì)條件，但受到地面抽水試驗(yàn)限制，部分水文地質(zhì)特征未能查明，如寶塔山砂巖含水層是否具備作為高強(qiáng)度出水水源的條件、大流量大降深疏放水的可行性、長(zhǎng)時(shí)間疏水降壓時(shí)水量的衰減特征等，需要進(jìn)一步開(kāi)展水文地質(zhì)勘探工作。

2.2.2 放水試驗(yàn)

(1)水量衰減情況。為了進(jìn)一步探查寶塔山砂巖含水層水文地質(zhì)條件，在井下開(kāi)展了大流量大降深放水試驗(yàn)[21]。放水孔為F1、F2、F3和F4鉆孔，觀測(cè)孔為水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探施工的長(zhǎng)觀孔，如圖1(a)所示。放水試驗(yàn)包括單孔放水試驗(yàn)(2019年8月23日至10月8日)和多孔放水試驗(yàn)(2019年10月8日至12月1日)，單孔放水試驗(yàn)和多孔放水試驗(yàn)放水量歷時(shí)變化曲線如圖2和圖3所示。

圖2 單孔放水試驗(yàn)放水量歷時(shí)變化曲線

圖3 多孔放水試驗(yàn)放水量歷時(shí)變化曲線

由圖2和圖3可知，單孔放水平均水量為237.91 m3/h，多孔放水試驗(yàn)3個(gè)階段平均水量分別為206.52、332.93和444.10 m3/h。從圖2可以看出，當(dāng)放水孔水量為237.91 m3/h時(shí)，在長(zhǎng)達(dá)624 h的單孔放水過(guò)程中，水量未發(fā)生明顯衰減。從圖3可以看出，多孔放水試驗(yàn)第3階段4個(gè)放水孔疊加放水時(shí)初始水量為510 m3/h左右，隨著放水時(shí)間的延長(zhǎng)，水量逐漸衰減為410 m3/h左右，說(shuō)明寶塔山砂巖含水層具備大流量大降深疏放水的條件，并且在大流量疏放水時(shí)水量會(huì)發(fā)生明顯的衰減。

(2)水文地質(zhì)參數(shù)。本次非穩(wěn)定流放水試驗(yàn)采用了配線法、Aquifer test和直線圖解法3種方法，利用距離放水孔最近的B6、B7、B44和B45觀測(cè)孔水位降深資料計(jì)算了含水層滲透系數(shù)，分別為1.569、0.991、1.218、1.381 m/d，與抽水試驗(yàn)結(jié)果較為接近。

本次放水試驗(yàn)利用F2放水孔資料獲取寶塔山砂巖鉆孔單位涌水量，F(xiàn)2放水孔單位放水試驗(yàn)時(shí)水量為237.91 m3/h(66.09 L/s)，水壓從3.1 MPa降到0.6 MPa(水位降深250 m)，計(jì)算得到寶塔山砂巖含水層鉆孔單位涌水量q為0.264 3 L/(s·m)。

通過(guò)放水試驗(yàn)，說(shuō)明寶塔山砂巖含水層水位高、滲透性和富水性較強(qiáng)，單孔和多孔放水水量大，具備作為高強(qiáng)度涌水水源的條件，下一步擬采用水化學(xué)方法進(jìn)一步論證膠帶暗斜井涌水來(lái)自寶塔山砂巖含水層。

2.2.3 水質(zhì)分析

(1)水化學(xué)分析。將涌水點(diǎn)及其周邊鉆孔水樣進(jìn)行水化學(xué)分析。涌水點(diǎn)與井田主要含水層水化學(xué)piper圖見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，涌水點(diǎn)水質(zhì)與八煤層頂板、十五煤層頂板、寶塔山砂巖含水層地下水水質(zhì)較為接近，其礦化度也相差不大，通過(guò)水化學(xué)分析可以排除第四系、白堊系與直羅組含水層作為涌水點(diǎn)水源的可能性，但是涌水點(diǎn)水質(zhì)與煤系間含水層(八煤層頂板和十五煤層頂板含水層)差異不大，難以區(qū)分。

圖4 涌水點(diǎn)與井田主要含水層水化學(xué)piper圖

(2)三維熒光光譜分析(3DEEM)。三維熒光光譜(Three-dimensional excitation emission matrix，3DEEM)采用HITACHI F-7000型熒光分光亮度計(jì)檢測(cè)，數(shù)據(jù)采用Origin軟件進(jìn)行處理，以等值線圖表征。

涌水點(diǎn)地下水天然有機(jī)質(zhì)熒光峰強(qiáng)度較低，出現(xiàn)了Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)的熒光峰，熒光峰強(qiáng)度分別為106RU、476 RU和273RU，如圖5(a)所示；八煤層頂板含水層中，地下水天然有機(jī)質(zhì)熒光光譜特征差異較大，其中水樣中主要熒光峰在Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)，Ⅰ區(qū)有2個(gè)主熒光峰，Ⅰ熒光峰強(qiáng)度為9 885 RU/4 674 RU，如圖5(b)所示；十五煤層頂板含水層中，地下水天然有機(jī)質(zhì)熒光光譜特征差異也較大，如圖5(c)所示，水樣中主要出現(xiàn)了Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)的熒光峰，Ⅳ區(qū)有2個(gè)主熒光峰，熒光峰強(qiáng)度分別為364 RU、676 RU和295 RU /286 RU；寶塔山砂巖含水層中，地下水天然有機(jī)質(zhì)的熒光峰強(qiáng)度較低，且熒光峰數(shù)量也較少，如圖5(d)所示，只出現(xiàn)了Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)的熒光峰，熒光峰強(qiáng)度分別為110 RU、453 RU和267 RU，與出水點(diǎn)地下水三維熒光光譜相似。

圖5 涌水點(diǎn)與井田內(nèi)主要含水層天然有機(jī)質(zhì)3DEEM特征

通過(guò)地下水水化學(xué)分析，排除了第四系、白堊系和直羅組為涌水點(diǎn)水源的可能性，根據(jù)三維熒光光譜分析，涌水點(diǎn)與寶塔山砂巖含水層地下水中天然有機(jī)質(zhì)較為一致，可以判斷膠帶暗斜井涌水點(diǎn)水源為寶塔山砂巖含水層。

2.3 煤層底板砂巖水害形成機(jī)理及特征

2.3.1 煤層底板砂巖含水層水文地質(zhì)特征

通過(guò)對(duì)寶塔山砂巖含水層開(kāi)展抽水試驗(yàn)、放水試驗(yàn)和水化學(xué)分析等，查明了其水文地質(zhì)條件：厚度14.21～127.10 m，平均值為59.46 m；單位涌水量0.037 7～1.070 9 L/(s·m)，平均值為0.482 0 L/(s·m)，富水性弱-中等；滲透系數(shù)0.105 7～2.060 3 m/d，平均值為0.939 4 m/d；水化學(xué)類型為Cl·SO4-Na，礦化度1 426.57～7 625.00 mg/L，平均值為3 125.54 mg/L；水位標(biāo)高+1 171.52 m～+1 233.79 m，平均值為+1 191.45 m。寶塔山砂巖含水層總體上表現(xiàn)為非均質(zhì)性，厚度較大，且分布不均，富水性弱-強(qiáng)，地下水礦化度較高，水位遠(yuǎn)高于下組煤標(biāo)高。

2.3.2 膠帶暗斜井底板砂巖水害形成機(jī)理

由于集中涌水點(diǎn)位于暗斜井的底板，現(xiàn)采用《煤礦防治水細(xì)則》附錄五提供的掘進(jìn)工作面安全隔水層厚度計(jì)算方法判斷暗斜井涌水點(diǎn)底板隔水層厚度是否滿足要求，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：t——安全隔水層厚度，m；

L——巷道底板寬度，一分區(qū)膠帶暗斜井底板寬5.1 m；

γ——底板隔水層的平均重度，取2.5 t/m3=0.025 MN/m3；

Kp——底板隔水層的平均抗拉強(qiáng)度，取0.3 MPa；

p——底板隔水層承受的實(shí)際水壓，取4.46 MPa。

根據(jù)式(1)計(jì)算膠帶暗斜井底板安全隔水層厚度為13.92 m。

根據(jù)距離涌水點(diǎn)最近的鉆孔資料，涌水點(diǎn)距離寶塔山砂巖含水層12.23 m，小于暗斜井底板安全隔水層厚度13.48 m，說(shuō)明膠帶暗斜井底板集中涌水原因?yàn)閷毸缴皫r含水層高承壓水突破巷道底板隔水層，造成底板砂巖水害事故。

2.3.3 膠帶暗斜井底板砂巖水害涌水特征

膠帶暗斜井底板集中涌水后0.5 h涌水量即達(dá)到1 490 m3/h，4 h后涌水量迅速增加至2 480 m3/h，5 h時(shí)涌水量為3 620 m3/h，至24 h時(shí)涌水量無(wú)明顯增大，隨后水量逐漸衰減， 97 h時(shí)涌水量已經(jīng)減小為1 000 m3/h左右。 膠帶暗斜井底板涌水點(diǎn)涌水量歷時(shí)變化曲線如圖6所示。通過(guò)對(duì)涌水量隨著時(shí)間的變化分析可以看出：底板砂巖水害涌水量呈現(xiàn)出初期迅速增大，后期逐漸衰減。通過(guò)對(duì)寶塔山砂巖巖樣的室內(nèi)測(cè)試，砂巖主要為泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)性較差，當(dāng)暗斜井底板隔水層被寶塔山砂巖含水層地下水突破后，在高水壓和大流量的底板涌水條件下，涌水通道會(huì)逐步擴(kuò)大，這時(shí)涌水量會(huì)有一個(gè)迅速增加的過(guò)程，當(dāng)過(guò)水通道達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，可以滿足地下水向暗斜井涌水的條件，涌水量呈穩(wěn)定趨勢(shì)，當(dāng)暗斜井水位逐漸上升，靜水壓抵消了寶塔山砂巖含水層的水壓，涌水量開(kāi)始出現(xiàn)減少的趨勢(shì)。

圖6 膠帶暗斜井底板涌水點(diǎn)涌水量歷時(shí)變化曲線

2.3.4 煤層底板砂巖水害特征

基于寶塔山砂巖含水層的水文地質(zhì)條件探查成果，煤層底板砂巖水害特征有以下幾個(gè)方面。

(1)水位高。由于煤層底板寶塔山砂巖含水層標(biāo)高較低，可接受上部含水層越流補(bǔ)給或上游地下水徑流補(bǔ)給，導(dǎo)致其水位較高，下組煤所承受的水壓較大；

(2)水量大。含水層厚度大，富水性與滲透性強(qiáng)，加之水壓高，導(dǎo)致水害發(fā)生時(shí)的水量大；

(3)隱蔽性強(qiáng)。由于以往認(rèn)為底板水害通常來(lái)源于灰?guī)r，而對(duì)底板砂巖水害認(rèn)識(shí)不足，忽視了對(duì)其開(kāi)展勘探、分析和防治工作；

(4)突發(fā)性強(qiáng)。當(dāng)采掘工作面與底板砂巖之間的隔水層不足以抵抗底板砂巖水時(shí)，底板砂巖水便會(huì)瞬間突破隔水層進(jìn)入采掘工作面，造成底板集中涌水。

綜上所述，侏羅紀(jì)煤田煤層底板砂巖水害與華北型煤田底板灰?guī)r水害較為相似，在侏羅紀(jì)煤田開(kāi)展井田地質(zhì)勘探或者水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探時(shí)，需要對(duì)煤層底板砂巖含水層進(jìn)行專項(xiàng)水文地質(zhì)勘探，對(duì)底板砂巖水害的評(píng)價(jià)和防治可參照底板灰?guī)r水害防治的相關(guān)內(nèi)容。

3 煤層底板砂巖水害防治技術(shù)

3.1 注漿堵水治理技術(shù)

針對(duì)井田膠帶暗斜井集中出水點(diǎn)采用地面注漿治理技術(shù)，設(shè)計(jì)了6個(gè)地面鉆孔，包括4個(gè)長(zhǎng)距離定向注漿鉆孔、1個(gè)檢查補(bǔ)充注漿鉆孔和1個(gè)治理效果探查鉆孔，實(shí)施了骨料、單液漿和雙液漿注漿工程，在膠帶暗斜井出水點(diǎn)上部建造了堵水墻，利用注漿終止壓力、單位吸水率、水文孔水位觀測(cè)、試排水等多種方法驗(yàn)證了注漿堵水的效果，實(shí)現(xiàn)了底板砂巖水害快速高效注漿治理。

3.2 疏水降壓防控技術(shù)

井田下組煤首先開(kāi)拓十八煤層，寶塔山砂巖含水層地下水水位標(biāo)高超過(guò)十八煤層底板177.32～603.71 m，平均值為388.49 m；十八煤層底板隔水層厚度22.47～83.80 m，平均值為53.30 m；十八煤層底板寶塔山砂巖含水層突水系數(shù)為0.042～0.210 MPa/m，井田西部十八煤層底板標(biāo)高較高區(qū)域突水系數(shù)小于0.06 MPa/m，井田東南部十八煤層底板標(biāo)高最低處突水系數(shù)大于0.10 MPa/m，其余區(qū)域突水系數(shù)介于0.06～0.10 MPa/m之間。

根據(jù)放水試驗(yàn)結(jié)論，在長(zhǎng)時(shí)間大流量疏放水條件下，寶塔山砂巖含水層水位顯著下降，含水層具有可疏性。基于十八煤層的帶壓程度及突水系數(shù)分析，需要針對(duì)突水系數(shù)大于0.06 MPa/m的區(qū)域開(kāi)展疏水降壓，降低寶塔山砂巖含水層的水位，保障十八煤層不受底板砂巖水害的威脅。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)寶塔山砂巖含水層開(kāi)展專項(xiàng)水文地質(zhì)勘探，其單位涌水量和滲透系數(shù)最大值分別為1.070 9 L/(s·m)和2.060 3 m/d，單孔放水量可達(dá)237.91 m3/h，說(shuō)明侏羅紀(jì)煤田煤層底板寶塔山砂巖含水層富水性和滲透性強(qiáng)，其水文地質(zhì)條件較以往更加復(fù)雜。

(2)通過(guò)對(duì)水害實(shí)例的分析，侏羅紀(jì)煤田煤層底板砂巖水害形成機(jī)理與華北型煤田底板灰?guī)r水害類似，并且底板砂巖水害具有水位高、水量大、隱蔽性和突發(fā)性強(qiáng)的特征，在勘探時(shí)要對(duì)底板砂巖含水層開(kāi)展專項(xiàng)的水文地質(zhì)探查工作。

(3)侏羅紀(jì)煤田煤層底板砂巖水害形成機(jī)理和特征和東部礦區(qū)底板灰?guī)r相似，其防治可參考煤層底板灰?guī)r水害防治技術(shù)，針對(duì)治理和防控可分別采取注漿堵水和疏水降壓等措施。