煤礦厚層砂巖裂隙水精細疏放與綜合利用技術研究

賀曉浪 穆鵬飛 王 英 閆嘉平

(1. 中煤能源研究院有限責任公司，陜西省西安市，710054； 2. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054； 3. 西安科技大學地質與環境學院，陜西省西安市，710054； 4.陜西煤業化工集團黃陵礦業公司建北煤礦，陜西省黃陵市，727304 )

對礦井水進行處理并加以利用，不但可防止水資源流失，避免對水環境造成污染，而且對于緩解礦區供水不足、改善礦區生態環境、最大限度地滿足生產和生活需要具有重要意義。但現有對礦井水的綜合利用技術需要多道工序，具有經濟成本高、技術難度較大、水資源利用率低等不足。

建北煤礦位于黃隴侏羅紀煤田黃陵礦區南部，影響煤礦安全開采的是洛河砂巖裂隙含水層，該含水層具有厚度大、富水性好的特點，是礦井主要的充水水源。為了減小洛河組砂巖含水層水對建北煤礦中部盤區開采的威脅，需對該含水層進行疏放。目前煤層頂板水疏放主要分為地表疏放、井下疏放和聯合疏放3 種基本方式?？紤]到煤礦在工業廣場現已布置了8口井，聯合抽水后水量會很小，同時，建設地面抽水井要面臨煤礦區地形復雜、林區植被茂盛及征地困難等一系列問題，因此建北煤礦需從井下進行含水層疏放。

建北煤礦生活用水匱乏，而現有礦井水凈化處理后大多只能用做工業用水。為此提出了針對砂巖裂隙水進行精確定點疏放，同時隔絕不符合生活用水標準的其他含水層水方法，使得疏水孔還可以兼具生活用水井功能，較好地解決了礦區供水緊張、正常生產受到水害威脅問題。砂巖裂隙水精細鉆孔疏放與高效綜合利用技術路線如圖1所示。

圖1 砂巖裂隙水精細鉆孔疏放與高效綜合利用技術路線圖

1 礦井水文地質條件

1.1 砂巖裂隙含水層補徑排條件

洛河砂巖裂隙含水層上部(淺部)含水段風化裂隙頗為發育，為地下水賦存、徑流提供了良好空間和通道。它們同時接受大氣降水、上部含水層和地表水的補給，徑流方向受巖層產狀和地形的雙重控制，分別沿孔隙裂隙向下或沿巖層傾向整體向北西徑流。當遇局部隔水層阻隔或上部下滲補給量大于下部下滲量時，會形成上層滯水，并受地形切割而以下降泉的形式泄出地表。

而在建莊川以西地區，洛河砂巖孔隙裂隙含水層下部(深部)含水段因埋深加大、風化裂隙減少，并受層間局部隔水層的影響而具有承壓性質，補給區位于建莊川及其以東地區。徑流方向受巖層產狀控制而向北西徑流，排泄區位于井田以外的北部和西部地區。

1.2 砂巖裂隙含水層富水性分析

洛河砂巖含水層為河流相沉積，主要由細-粗粒砂巖組成，間夾多層凸鏡狀泥巖、粉砂巖和礫巖薄層。無論在橫向上還是在垂向上，巖性變化復雜，膠結類型多變，巖質結構疏密程度和軟硬程度差異很大，層序結構極不穩定，層內非均質性極強，從而導致不同層段、不同區域富水性和透水性變化極為復雜。

1.2.1 富水性垂向變化特征

根據主副井筒出水情況觀測結果，結合主副井和風井地質編錄資料得出：洛河組強富水和中等富水層段多位于具有隔水性質巖層以上透水性較好的巖層底部，向上富水性變差，有的充滿整個透水層段。富水和出水層段主要集中在水位埋深30～80 m之間，最深達103.35 m。另據勘探報告描述，洛河砂巖含水層為復合含水層，由淺部至深部，比較富水的層段逐漸增多。分析主斜井井筒出水狀況和X502孔測井資料得出：實際含水層段集中分布于宜君礫巖頂面以上30～100 m范圍內，厚度在50～75 m左右，水位埋深10～15 m。

1.2.2 富水性橫向變化特征

在以大氣降水為補給來源而不考慮地表水補給的前提下，根據潛水含水層富水性隨厚度增加而相對較好的基本規律，結合本區潛水含水層厚度變化特征及洛河砂巖滲透性較差的基本條件，以含水層厚度大于300 m為界，可將本區劃分為東部和西部兩個相對富水區域，如圖2所示。西部富水區位于建莊川以西，垂向補給區為其分布區，側向補給區為建莊川，側向補給源為建莊川河流及其支流；東北部富水區位于建莊川和新村川分水嶺區域，面積較小，垂向補給區亦為其分布區，側向補給區為新村川及其以東地區，側向補給源為新村川及其支溝溪流，由于新村川溪流量小，故其補給強度有限，建莊川是其主要的排泄區。

圖2 洛河砂巖含水層相對富水區分布圖

1.3 礦井充水條件及含水層水質情況

礦井直接充水水源中富水性最好的是洛河組砂巖裂隙含水層，其單位涌水量為0.06121～0.1864 L/s·m，該含水層是建北煤礦礦井充水最主要直接充水水源，也是威脅建北煤礦安全生產的重大水害隱患之一。

另依照《中華人民共和國生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)，對地質勘探過程中采自洛河砂巖含水層中的水樣水質分析檢測結果和礦井建設過程中施工于洛河砂巖含水層中的水源井水質分析檢測結果進行對比后發現，絕大部分水樣水質符合國家標準，個別水樣的部分指標不符合國家標準。

2 洛河砂巖含水層疏放單孔涌水量

為確定疏水孔的數量以及為后續排水管路的敷設提供依據，需預測疏放單孔的涌水量。而洛河砂巖含水層為潛水含水層，局部具有承壓性質，由于疏放水鉆孔一般不會打穿洛河砂巖，因此分別采用潛水不完整井、承壓不完整井和承壓轉潛水公式進行試算，見表1。

綜合不同公式的計算結果，更為合理和接近實際的流量在15～30 m3/h之間，平均流量為20 m3/h。施工后，1#疏水孔出水量穩定后實測值約為15.8 m3/h，與預測值相差不大。

表1 疏放單孔涌水量計算表

3 砂巖裂隙含水層疏放孔設計

(1)疏水孔的數量?？紤]到設計各個鉆孔的涌水量約為20 m3/h，當前建北礦的生活用水缺口約為40 m3/h，設計3個疏放水孔。

(2)鉆窩的位置。根據井田補徑排條件、洛河砂巖裂隙含水層的富水情況，綜合考慮威脅建北煤礦中部盤區安全生產的主要是東部富水區，再結合疏水孔單孔影響半徑計算結果，選擇在輔助運輸大巷附近對洛河砂巖水進行預疏放，鉆窩位置如圖3所示。

圖3 鉆窩位置示意圖

為保證兼做生活用水井的疏放鉆孔有一定的使用壽命和足夠的補給流量，設計把疏放水孔的孔位位于在未來一段時間內不進行動采的區域，并與已采動影響區至少保持300 m(疏放水孔最小影響半徑)以上距離。

(3)疏放孔參數。疏放鉆孔為上仰孔，開孔高度2 m，開孔層位于4-2煤層上部，終孔層位于洛河砂巖實際含水層段頂面。前述洛河砂巖實際含水層段集中分布于宜君礫巖頂面以上30～100 m范圍內，故疏放孔進入洛河砂巖段的長度按100 m設計。根據鉆孔資料，1#疏放孔煤層頂面距宜君礫巖頂面(洛河組底面)的垂直距離為137.8 m，故終孔高度應為237 m，按75°仰角計算，則終孔深度為246.19 m。其他設計參數見圖4。

(4)疏放孔結構。由于疏放孔兼做水源孔，需要對不符合飲用標準的直羅砂巖水進行封隔，故疏放孔結構由孔口管段、封隔管段和裸孔段組成，疏放水鉆孔單孔結構設計示意圖如圖5所示。

1#疏放孔孔口距宜君礫巖底面斜距為138.3 m，故封隔套管(技術套管)長度設計為138.3 m。裸孔段(進水段)按鉆孔進入洛河砂巖下段100 m考慮，設計孔深103.5 m。根據《煤礦防治水規定》第九十七條“探水鉆孔終孔孔徑一般不得大于75 mm”。故裸孔段設計孔徑為75 mm，為了防止局部塌孔對流量的影響和為以后擴孔、提高單孔流量留有余地，故以?133 mm開孔，孔口管徑取127 mm，封隔管徑取108 mm。

圖4 疏放水鉆孔參數設計

圖5 疏放水鉆孔單孔結構設計示意圖

4 煤礦實際應用效果

經排水系統優化設計，現煤礦在總回延伸巷與6#聯絡巷交界處布置有1個疏放水孔(1#)和與之配套的環形水倉，安裝了2臺多級離心泵，疏放水經由敷設在回風大巷和副斜井中的排水管直接排至地面日用水泵房，疏放水直排地面管路布置如圖6所示。

圖6 疏放水直排地面管路布置圖

疏放水經陜西省飲用水產品質量監督檢驗站檢驗，符合GB5749-2006要求。相比于一般對影響礦井正常生產含水層的井下疏放，對砂巖裂隙含水層的精細疏放水技術免去了進行一系列繁雜的凈化工藝，可以直接飲用。此外，通過對洛河砂巖裂隙水的持續疏放，有效降低了該含水層對礦井正常開采的威脅，實現了井田水資源的高效綜合利用，創造了較高的經濟價值。

5 結論與展望

(1)洛河砂巖巖性、巖相復雜，變化較大，層內非均質性極強，富水性變化大。富水層段主要集中在距宜君礫巖相對隔水層面以上30～100 m范圍內，厚度在50～75 m左右；根據含水層厚度可分為建莊川以西和建莊川與新村川分水嶺區兩個富水區，中部盤區位于新村川與建莊川分水嶺富水區。

(2)輔助運輸大巷中布設的洛河砂巖水疏放點位于新村川與建莊川分水嶺富水區；所疏放的洛河砂巖水質較好，密閉疏放可直接作礦區生活用水。

(3)預測疏放水單孔出水量在15～30 m3/h之間，平均流量在20 m3/h左右，與實測值相差不大。

(4)對砂巖裂隙含水層的精細疏放水技術免去了進行一系列繁雜的凈化工藝，可以直接飲用。通過對洛河砂巖裂隙水的持續疏放，有效降低了該含水層對于礦井正常開采的威脅，實現了井田水資源的高效綜合利用，創造了較高的經濟價值，也為其他煤礦的綠色開采提供了參考和借鑒。

(5)由于疏放水孔的水質未受煤礦開采影響，同時其出水量易于觀測，建議下一步在現有基礎之上結合鉆孔水壓等數據，利用疏水孔定量評價疏水效果并對采區補徑排條件進行實時監測，保障煤礦生產安全。

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