民興煤礦煤層底板砂巖含水層水文地質(zhì)條件分析

束建軍

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局325地質(zhì)隊(duì)，安徽 淮北 235000）

0 引 言

鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田煤炭資源開發(fā)中面臨的主要礦井水文地質(zhì)問題是煤層的頂板涌（突）水，相關(guān)的研究成果豐碩[1-2]。但是隨著開采深度的逐漸增加，較為少見的煤層底板高承壓水害問題也開始在部分煤礦中突顯[3-6]，且一般在早期的煤田資源勘探階段，由于對煤層底板砂巖含水層的勘探程度較低，其富水性和可疏放性均缺乏有力的評價(jià)依據(jù)，底板砂巖水害已成為制約煤層開采的重要因素之一[7-8]。

陜西省銅川市民興煤礦在1301首采工作面開采過程中發(fā)生了明顯的底板涌水現(xiàn)象，最大涌水量達(dá)82 m3/h，且截至該工作面回采完畢，涌水量也一直穩(wěn)定在60 m3/h左右，嚴(yán)重影響了該礦的安全生產(chǎn)和接續(xù)計(jì)劃。此次研究基于對民興煤礦地質(zhì)條件的分析，結(jié)合1301工作面底板涌水的規(guī)律和水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果，分析了充水因素，并綜合評價(jià)了煤層底板含水層的水害威脅情況。研究成果為未來接續(xù)的一采區(qū)范圍內(nèi)的底板砂巖水害防治提供了參考。

1 地質(zhì)概況

陜西省銅川市民興煤礦位于鄂爾多斯盆地黃隴侏羅紀(jì)煤田焦坪礦區(qū)中南部，該礦于2020年建成并投入生產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120萬t/a，井田面積為20.310 7 km2，礦井采用斜井單水平開拓方式，水平標(biāo)高+988 m。

（1）地層、煤層。

井田內(nèi)含煤地層為中侏羅統(tǒng)延安組，礦井可采煤層為延安組第二段的3號煤層和延安組第一段的4號煤層，目前主采3號煤層。3號煤層全區(qū)分布，煤層埋深較大，在404～823 m，該煤層厚度0～4 m，平均厚度2.05 m，煤層層位穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，煤厚變化較小，屬于穩(wěn)定煤層。

（2）地質(zhì)構(gòu)造。

礦井總體構(gòu)造形態(tài)為一傾向北西的單斜構(gòu)造，地層傾角一般4°～8°；且在單斜構(gòu)造的基礎(chǔ)上又發(fā)育了次級的褶皺構(gòu)造，其中B1背斜構(gòu)造的核部位于井田的中部，軸向由南北向轉(zhuǎn)為NE向。B1背斜東南部還發(fā)育有X1向斜構(gòu)造，該向斜軸向近東西，橫穿了1301工作面的中部。

（3）水文地質(zhì)。

開采3號煤層時(shí)，主要充水通道是煤層開采擾動(dòng)形成的頂?shù)装宀蓜?dòng)裂隙，主要充水水源為煤層頂?shù)装宓纳皫r含水層水，其中煤層頂板的延安組、直羅組含水層富水性弱，回采時(shí)礦井涌水量的占比極小，且易于疏干，這一特征在1301工作面回采時(shí)得到了印證。因此，煤層底板砂巖含水層水是目前3號煤層開采的主要充水威脅。

2 工作面涌水情況

2.1 工作面概況

1301首采工作面位于礦井一采區(qū)西側(cè)，由北向南回采，首采工作面設(shè)計(jì)走向長度1 308 m，傾向長度180 m。工作面煤層平均厚度2.1 m，煤層底板標(biāo)高+945—+979 m，煤層平均埋深約540 m。

工作面掘進(jìn)及回采期間未揭露斷層，褶皺構(gòu)造揭露3處，切眼處發(fā)育B1背斜，工作面中段為X1向斜，南部靠近停采線附近發(fā)育B2背斜，煤層底板起伏不明顯，工作面最大落差34 m，煤層傾角4°～6°；受B1背斜影響，切眼附近巷道揭露一構(gòu)造薄煤帶，煤層厚度降至0.4 m，推測是由于成煤時(shí)期沉積基底隆起，造成煤層變薄。1301工作面構(gòu)造分布及涌水點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 1 301工作面構(gòu)造分布及涌水點(diǎn)位置Fig.1 The structure and water inflowpoint location distribution of No.1301 face

2.2 涌水情況

1301工作面自2020年7月試回采開始，未出現(xiàn)明顯的大范圍頂板淋水現(xiàn)象，工作面排水系統(tǒng)主要排出工業(yè)用水。自2021年5月15日，工作面回采至392 m時(shí)，1301運(yùn)順?biāo)畟}（距推采位置268 m）幫部開始涌水，涌水量約6 m3/h，涌水清澈透明，無色，呈輕微帶壓泉水狀涌出（水涌出底板約3～4 cm）；隨推采進(jìn)度，出水點(diǎn)增多，主要是780 m、770 m（運(yùn)順?biāo)畟}附近），1號支架（運(yùn)順機(jī)頭）等處底板開始出水，涌水量逐漸增大，工作面運(yùn)順一側(cè)推采至606 m時(shí)（距離運(yùn)順?biāo)畟}54 m），涌水量約73.5 m3/h，工作面推采至距離運(yùn)順?biāo)畟}16 m處時(shí)，涌水量達(dá)到最大值約82 m3/h；推采過運(yùn)順?biāo)畟}位置后，工作面超前段巷道位置不再有底板涌水點(diǎn)，涌水主要來自工作面運(yùn)順隅角，原有涌水點(diǎn)仍在持續(xù)涌水，但涌水量緩慢減小并趨于穩(wěn)定，目前涌水量穩(wěn)定在60 m3/h左右。

將涌水量觀測值、推采位置與涌水點(diǎn)距離繪制相關(guān)因素曲線圖（圖2）可得，1301工作面涌水點(diǎn)涌水量隨著推采位置接近逐漸增大，在回采至涌水點(diǎn)附近時(shí)，涌水量達(dá)到最大值，約82 m3/h，推采過涌水點(diǎn)位置后，工作面涌水量緩慢降低，涌水量與推采位置距向斜軸部距離關(guān)系明顯。

圖2 1 301工作面涌水量和與涌水點(diǎn)距離歷時(shí)曲線Fig.2 The duration curve of the water inflowand the distance from the water inflow point of No.1301 face

據(jù)觀測數(shù)據(jù)，1301工作面涌水點(diǎn)在工作面距切眼635 m處的運(yùn)輸巷底板處，其余位置均未見明顯的頂板淋水或底板涌水現(xiàn)象，涌水點(diǎn)位于向斜構(gòu)造最低點(diǎn)附近，涌水相對穩(wěn)定，未見明顯突增或突降現(xiàn)象。說明向斜軸部等相對低洼區(qū)，由于應(yīng)力集中，節(jié)理、裂隙發(fā)育，儲(chǔ)水空間大，在受到采動(dòng)影響后，易于發(fā)生涌水現(xiàn)象。

2.3 充水因素分析

1301工作面煤層埋深大于500 m，頂板無明顯淋水現(xiàn)象，導(dǎo)水裂隙帶一般不會(huì)直接波及地表，且工作面周邊不存在采空區(qū)積水，因此可以排除采空區(qū)水或地表水作為充水水源直接向工作面充水。

在工作面涌水期間，礦方多次采取涌水水樣進(jìn)行了水質(zhì)分析，并采取了井筒涌水水樣進(jìn)行了對比。結(jié)果顯示，礦井井筒在洛河組砂巖含水層位置有持續(xù)涌水現(xiàn)象，采取井筒涌水分析可得，頂板洛河組砂巖含水層水礦化度僅654.85 mg/L，pH值8.16，呈 弱堿性，水質(zhì)類型HCO3·SO4-Na·Ca·(Mg)，屬于淺埋深受大氣降水補(bǔ)給較多的含水層水。而1301工作面涌水水樣分析結(jié)果表明，礦化度均高于3 500 mg/L，水質(zhì)類型SO4·Cl-Na，其中SO42-離子含量較其他兩種涌水明顯偏大，屬徑流緩慢的深層含水層水。

水化學(xué)Piper三線圖（圖3）也顯示，工作面涌水水樣的分布位置與其他水樣差別很大，主要表現(xiàn)為SO42-離子含量相對較高，工作面涌水與井筒涌水、崔家溝采空區(qū)水應(yīng)不屬于同一水源。

圖3 水質(zhì)分析Pi per圖Fig.3 Piper diagram of water quality analysis

根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，1301工作面頂板涌水水質(zhì)類型與井筒涌水、臨礦采空區(qū)水均不一致，頂板洛河組含水層水與崔家溝采空區(qū)水不是工作面直接充水水源。根據(jù)涌水水質(zhì)特征以及可以觀測到的底板涌水現(xiàn)象分析，1301工作面涌水為底板砂巖承壓含水層水。

3 煤層底板含水層水文地質(zhì)條件分析

3.1 煤層底板巖性分布

勘探資料顯示，延安組為該井田含煤地層，厚度14.63～96.63 m，平均厚度48.16 m。巖性由深灰色、灰黑色砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層組成，富水性弱。延安組地層自上而下可以劃分為3段（對應(yīng)沉積學(xué)中的旋回），3號煤層位于延安組第二段，4號煤層位于延安組第一段。

其中，延安組第一段下部為灰色炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖，中部為4號煤，上部為泥巖、粉砂巖；延安組第二段底部為中—粗粒砂巖，以石英為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，底部含礫，中部沉積了3號煤層，上部為K2砂巖標(biāo)志層，為河床相的灰白色中、粗粒巖屑石英砂巖；延安組第三段主要為中粗粒砂巖夾薄層泥巖和細(xì)砂巖，頂部為紫雜色粉砂巖。整個(gè)延安組地層第二、三段中砂巖厚度占比較大，而第一段泥巖占比較大。

井田內(nèi)YK3-7號鉆孔對J2z+J2y地層進(jìn)行了混合抽水試驗(yàn)，鉆孔涌水量0.014 L/s，單位涌水量0.000 12 L/s·m，水位埋深190.12 m，滲透系數(shù)為0.000 066 m/d，礦化度0.645 g/L，水質(zhì)為SO4·HCO3-Na型水，直羅—延安組含水層富水性弱。延安組以下是全區(qū)分布的富縣組泥巖隔水層，平均厚度7.34 m。巖性為紫灰色、灰綠色、黃褐色泥巖，俗稱“花斑泥巖”。據(jù)此來看，1301工作面底板涌水主要來自3號煤層直接底板的砂巖。

3.2 煤層直接底板砂巖分布

3號煤層直接底板（4煤層頂板以上）發(fā)育有中厚層狀灰白色長石砂巖、石英長石砂巖，以中粗砂巖和粉細(xì)砂巖為主，泥質(zhì)膠結(jié)。該礦3號煤底板含水層與臨近礦井的4號煤頂板含水層為同一含水層，而且具有相似的涌水相關(guān)特征，砂巖含水層局部富水，均為承壓水，單個(gè)涌水點(diǎn)水量近似。

民興煤礦首采區(qū)內(nèi)3號煤層直接底板砂巖厚度0.5～20.4 m，平均厚度7.56 m，1301運(yùn)順向斜軸部涌水點(diǎn)處砂巖厚度約6～8 m，該層砂巖為1301工作面主要充水含水層。

中粗砂巖富水性及充水強(qiáng)度比粉細(xì)砂巖富水性好，而井田內(nèi)一采區(qū)3號煤層底板砂巖中局部存在中厚層狀中粗砂巖，3號煤底板至4號煤頂板（或延安組底板）的巖層以砂巖為主，中粗砂巖厚度變化較大，通過圈定3號煤層直接底板的中、粗砂巖區(qū)域，發(fā)現(xiàn)1301工作面幾乎為中粗砂巖（圖4）。

圖4 3號煤層底板中、粗砂巖分布范圍Fig.4 The distribution range of medium and coarse sandstone in No.3 coal seam floor

3.3 討 論

根據(jù)上文分析，礦井3號煤層底板砂巖含水層在井田內(nèi)廣泛分布，1301工作面煤層底板較厚的中、粗砂巖含水層是礦井的直接充水水源；充水通道以采動(dòng)底板裂隙為主，形式主要為局部裂隙點(diǎn)狀或區(qū)域狀涌水，涌水點(diǎn)與褶皺軸部等構(gòu)造裂隙發(fā)育區(qū)域具有較強(qiáng)相關(guān)性；充水強(qiáng)度較頂板直羅延安組含水層更大，但涌水量隨著工作面推進(jìn)呈穩(wěn)定增長趨勢，未見明顯涌水量波動(dòng)現(xiàn)象。

早期勘探的結(jié)果認(rèn)為延安組含水層富水性弱，但并未對3號煤層底板含水層開展專項(xiàng)水文地質(zhì)條件探查，首采面生產(chǎn)過程中在井下開展底板含水層探查的難度也較大，因此，未來1采區(qū)接續(xù)工作面回采前，需針對3號煤底板砂巖含水層水文地質(zhì)參數(shù)等詳細(xì)條件開展井下補(bǔ)充探查工作，明確含水層水位及區(qū)域富水性情況，為工作面防治水提供參考。

4 結(jié) 論

（1）民興煤礦1301工作面的底板涌水主要集中在向斜構(gòu)造軸部，水質(zhì)分析結(jié)果顯示，底板的涌水主要來源于3號煤層直接底板砂巖含水層；礦井開采3號煤層時(shí)，主要的充水水源為煤層底板的砂巖含水層水；主要充水通道為煤層開采擾動(dòng)形成的頂?shù)装宀蓜?dòng)裂隙，向斜構(gòu)造軸部的裂隙發(fā)育帶是次要的導(dǎo)水通道。

（2）工作面底板涌水是由煤層底板較發(fā)育的富水砂巖和構(gòu)造裂隙兩者共同作用的結(jié)果，且未來接續(xù)區(qū)域也同樣受到底板砂巖承壓水的威脅。