推覆體下含水層水動態(tài)異常原因淺析

史正景 陳新宏

（中煤新集能源股份有限公司技術中心，安徽 淮南 232100）

1 問題的提出

新集一礦與新集二礦為相鄰礦井，均開采巨厚推覆體下二疊系煤層群。其中新集一礦南東翼采區(qū)與新集二礦西翼2401 采區(qū)以1 線為技術邊界。新集一礦南東翼采區(qū)主要開采上下石盒子組煤層，已于2015 年回采結束并封閉。推覆體含水層觀測孔105#孔即位于該采空區(qū)上方。新集二礦2401 接替采區(qū)正在實施密集定向分支孔的區(qū)域探查治理工程，對底板太原組12 灰進行隱伏垂向?qū)畼嬙焯讲楹妥{改造，以消除奧灰高承壓水對1 煤開采的威脅。

根據(jù)區(qū)域探查治理方案，5#主孔布置在1 線附近，設計的順層定向分支孔在施工過程中，發(fā)現(xiàn)了105#推覆體下含水層水文觀測孔水位異常波動。為此，有必要對該長觀孔水位變化原因展開分析，以掌握地下水流場受采掘影響變化關系，進一步提高礦井安全生產(chǎn)保障能力。

2 1 線附近地質(zhì)、水文地質(zhì)環(huán)境

2.1 推覆體地層發(fā)育特征

105#孔位于6 煤底板地層，用于觀測推覆體夾片含水層水動態(tài)。S1 孔位于105#孔南側，是1 煤底板太原組薄層灰?guī)r觀測孔。

推覆體自南向北推覆于原地煤系地層之上，向南止于壽縣～老人倉斷層。位于其下部的C～P 地層俗稱下夾片地層，呈楔形嵌入阜鳳逆沖斷層帶與原地煤系地層間，厚度及起伏變化較大。在南側壽縣～老人倉斷層附近原地太灰、奧灰與夾片灰?guī)r地層直接對接，如圖1。

圖1 1 線南段地質(zhì)剖面圖

2.2 推覆體夾片及原地灰?guī)r水文地質(zhì)特征

根據(jù)該區(qū)群孔抽水資料，原地太灰與深部奧灰和上覆推覆體夾片灰?guī)r間水力聯(lián)系不密切。

受推覆構造影響，下夾片巖層破壞嚴重，完整性差，局部富水。據(jù)313 孔抽水資料：水位標高+19.35 m，q=0.005 931 L/（s·m），原新集五礦副井放水試驗q=0.422 L/（s·m），井筒揭露該地層時最大突水量達594 m3/h。說明夾片灰?guī)r地層富水性不均，局部巖溶裂隙發(fā)育，水力聯(lián)系好，富水性較強。

2.3 新集一礦南東翼開采

新集一礦南東翼采區(qū)從1993 年投產(chǎn)至2015 年封閉，服務時間較長，自上而下開采13-1、11-2、9、8、7-2、6-1等煤層，主要充水水源為上覆推覆體及夾片含水體，開采初期涌水量較大，常年涌水量在100 m3/h 以上，采區(qū)封閉后涌水量緩慢下降，2021 年降至16～20 m3/h。

2.4 新集二礦1 煤開采

新集二礦1 煤埋深大，下距太原組灰?guī)r18 m左右。為消除底板高承壓灰?guī)r水威脅，按照水害治理方式劃分，1 煤層開采分兩個階段：以工作面為單元的筏基礎上開采（2008 年—2018 年），以采區(qū)為單位的地面區(qū)域治理條件下開采（2018 年至今）。

2.4.1 以工作面為單元的筏基礎上開采

從2008 年開始開展1 煤底板灰?guī)r補勘和底板高承壓水害防治研究，通過在1 灰頂板施工1 煤層底板截水巷，并在該巷向下部灰?guī)r方向施工密集注漿鉆孔，對太原組上段4 灰～6 灰進行注漿加固改造，建立以外延至工作面外各60 m為單元的筏基礎，成功回采了2101 采區(qū)和2201 采區(qū)大部分工作面。

2.4.2 以采區(qū)為單元的地面區(qū)域探查治理工程

為確保高承壓水上開采安全，實現(xiàn)從局部治理向區(qū)域治理轉變要求。從2018 年引進推廣了超前地面區(qū)域探查治理技術。2018 年12 月—2019 年底對2201 采區(qū)剩余塊段和2301 采區(qū)實施地面區(qū)域探查治理，治理層位選擇在12 灰，重點查治隱伏垂向?qū)ǖ?，消除底板奧灰水突水威脅。

2020 年開始實施2401 采區(qū)（與新集一礦南東翼相鄰）地面超前區(qū)域探查治理工程[1-4]。共設計3個主孔，其中S5 主孔布置在1 線附近南端，具體布置如圖2。

3 推覆體含水層水位動態(tài)分析

3.1 水位動態(tài)觀測數(shù)據(jù)分析

自2010 年礦井安裝水動態(tài)觀測系統(tǒng)以來，通過105#孔對推覆體水位長期觀測，歷時約11 年。其水位隨時間變化曲線如圖3，大致可分為2010 年12月6日—2018年12月24日和2018年12月24日—2021 年12 月15 日兩個階段。

圖3 2010.12.06—2021.12.15 水位動態(tài)圖

第一階段：水位呈緩降、快降、緩升特點。期 間2010 年12 月6 日—2012 年9 月9 日，水 位從-185.22 m 緩降至-188.10 m，此后快降至2013年7 月8 日水位-271.06 m（次低點），接著水位波動緩升至2018 年12 月24 日水位-200.65 m。涌水量呈采中大、采后逐年遞減特點，其中開采期間涌水量達100 m3/h，自2015 年采掘活動結束后水量在60～80 m3/h，至2021 年底降至16～20 m3/h?？傮w水位上升與水量減少呈一定的同比關系。

第二階段：水位呈快降、緩升兼波動特點。期間水位自2018 年底—2019 年6 月24 日降至-278.16 m 最低點，此后水位總體緩慢回升，2021 年12 月15 日水位升至-223.09 m，呈現(xiàn)趨緩但較期初水位低（約38 m）的特點，這是長期采動對水位影響所致。

3.2 采掘活動影響分析

3.2.1 新集一礦采掘影響分析

新集一礦先后對南東翼11-2、8、9、6-1、7-2等煤層進行了充分回采，上覆巖層破壞頻繁，與推覆體堅硬巖層發(fā)生差異性沉降，并使原本富水性弱且不均一的推覆構造活化。上覆巖層長期處于破壞活躍期，使天然狀態(tài)的含（隔）水層界限被打破，補徑排關系改變，形成大范圍的含水體，并補充井下采動空間，導致該區(qū)域長期大量排水。2009 年8 月開始，區(qū)內(nèi)各含水層水位均同步大幅度下降，持續(xù)近1 年。2010 年6 月105#孔水位-187.62 m，而同期原地奧灰水位-42.63 m。2013 年7 月105#孔水位降至-271.06 m，此后水位緩慢回升，表明采掘活動及井下涌水對水位影響密切。2015 年底該采區(qū)封閉后，頂板破壞巖層處于自我修復期，早先產(chǎn)生的各種裂隙經(jīng)泥巖水解、充填，形成再生隔水層，垂向水力聯(lián)系減弱甚至阻斷，從南東翼密閉墻涌水量50～60 m3/h 緩慢下降至2018 年底16 m3/h 可得到證實。

3.2.2 新集二礦采掘影響分析

（1）新集二礦上下石盒子組開采影響分析

新集二礦2009—2015 年間對11-2、9、8、6-1等煤層進行非充分回采，同時期新集一礦南東翼采區(qū)仍有采掘活動。兩對礦井采掘活動主要集中在上下石盒子組煤系地層，2013 年后兩對礦井在該區(qū)域的開采強度均有所減少，至2015 年全部結束。105#孔水位于2013 年7 月降至最低，主要因采動導致涌水向采空區(qū)排泄所致，隨開采強度降低而緩慢回升，且時段與采掘大趨勢較吻合，分析認為前期因開采煤層距底板灰?guī)r較遠，其水位變化受灰?guī)r水影響不明顯。

（2）新集二礦1 煤組開采影響分析

新集二礦于2012 年開始回采推覆體下山西組1煤層，至2021 年底-650 m 以上2101、2201 采區(qū)基本回采結束，1 煤層回采過程中礦井均未出現(xiàn)過明顯涌水。

隨著1 煤層開采及底板灰?guī)r水超前探放治理，改變了深部灰?guī)r含水層地下水流場，逐漸形成以已回采區(qū)域為中心的底板灰?guī)r水降落漏斗，中心最大水位降至-435 m。隨著采掘活動接近尾聲，影響范圍內(nèi)灰?guī)r觀測孔水位已止跌回升。據(jù)2020 年7 月—2021 年10 月對230102 和220106 工作面回采活動微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，83%的微震事件發(fā)生在1 煤頂15 m 至底20 m（太原組1 灰）范圍，且多為小能量事件，中或大能量事件僅零星發(fā)生。最大頂板破壞高度77.26～82.01 m，底板最大影響深度73 m（太原組8 灰附近），且主要發(fā)生在構造帶附近，證明開采1 煤因上距推覆體較遠，同樣不足以引起105#孔水位異常波動。

（3）地面超前區(qū)域治理對水位變化影響分析

新集二礦自2018 年開始實施地面超前區(qū)域探查治理工程，目標層位為太原組12 灰，目的以探查深部隱伏垂向?qū)ǖ啦⑼ㄟ^注漿消除深部奧灰對1 煤開采威脅。一期工程包括220106、220102工作面和2301 采區(qū)，已于2019 年12 月結束。二期工程主要為2401 采區(qū)，設計S3、S4、S5 三個主孔。S5 主孔位于井田西邊界，共布置15 個分支孔，于2020 年12 月開始施工，截至2022 年2 月上旬施工結束。其中S5-6 和S5-8 分支孔注入水泥量超千噸，推覆體105#孔水動態(tài)波動明顯。特別是2021 年9月—12 月，近邊 界的S5-4、S5-5、S5-2、S5-3、S5-1 等分支孔陸續(xù)施工，受分支孔壓水、注漿等階段性影響，105 孔水位出現(xiàn)頻繁的短時波動，二者有較好的對應關系。2021 年8 月28 日—2021 年12月30 日水位震蕩性波動曲線圖如圖4。

圖4 2021.8.28—2021.12.30 日水動態(tài)曲線圖

說明地面區(qū)域治理的高水壓作用是推覆體含水層水位異常波動的主要原因，但105#孔水位因采掘活動減少，總體緩慢回升的態(tài)勢未發(fā)生改變。

4 結論與建議

（1）受新集一礦南東翼回采破壞和覆巖差異性沉降影響，在推覆體下方發(fā)育離層空間，加之構造裂隙活化，加劇地下水力聯(lián)系，改變了推覆構造帶（含）導水特征。停采后，覆巖裂隙逐漸彌合，形成再生隔水層，降低上覆推覆體含水層滲透能力，使得105#孔水位恢復性上升。開采全過程呈現(xiàn)“下降—回升—穩(wěn)定”規(guī)律。

（2）根據(jù)水文地質(zhì)勘探及水動態(tài)觀測表明，雖然推覆體后緣與原地灰?guī)r地層直接接觸，天然狀態(tài)下總體富水性弱且不均，但是各含水層水動態(tài)存在不同程度波動，表明天然狀態(tài)下的富水性為弱平衡狀態(tài)，易受井下疏排水或高壓注漿等外在擾動影響，從而加劇地下水流場的復雜性。

（3）從新集二礦1 煤層開采微震監(jiān)測結果分析，1 煤層開采雖不足以影響到推覆體及太原組10 灰以下地層，但更深層位的治理，頻繁高壓注漿（注水）形成的水壓差仍會造成推覆體含水層水位的短期小幅波動。