礦井底板水文地質條件探查及可疏降性評價

李新汶 趙國宏 原澤文

(1.新汶集團伊犁能源公司一礦，新疆自治區伊寧市，835000；2.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇省徐州市，221000)

隨著我國煤炭開采重心的逐步西移，西部地區煤炭產量所占全國總產量的比重也逐年上升。“十二五”期間，國家加快了陜北、黃隴、蒙東、神東、寧東、新疆等大型煤炭基地的建設。截至“十二五”末，西部礦區煤炭產量占全國煤炭產量約65%，未來我國煤炭資源的主要供給地將主要集中在內蒙古、新疆、陜西、山西等地區。

受西部地區成煤時代及自然地理環境的控制，該區含煤地層具有形成時代晚、成巖程度差等顯著特征，與東部石炭—二疊系含煤地層相比有著非常顯著的差異。隨著我國東部礦區開采水平不斷向深部 (部分礦井已進入1000 m以下水平)拓展，東部礦區所面臨的底板水害不斷加劇，而西部礦區煤層普遍埋深較淺，在已有認識基礎上，一般不會受到底板水害威脅，但在煤炭開發過程中同樣出現了底板水害問題。由于地質條件的特殊性，東部礦區總結的開采經驗已不能完全適用于西部，且目前針對西部礦區，尤其是新疆地區的水害問題研究很少，研究深度不夠。因此，對于西部煤礦開采中的防治水問題，應加大力度研究，對西部特殊水文地質條件、水害形式及防治技術進行基礎研究，從而進一步防治礦井水害的發生，保障礦井安全生產。

伊犁一礦位于伊南煤田，是新汶礦業集團公司伊犁礦區建設的第一個特大型現代化礦井，煤層賦存條件好，資源儲量巨大，僅3#、5#煤層資源儲備就達647億t。3#、5#煤層厚度大(3#煤層平均12.4 m，5#煤層平均19.21 m)，儲量豐富，煤層穩定，煤質好。試采煤層為5#煤層，煤層厚度9.20～23.95 m，平均厚度19.21 m，資源儲量約8.7億t。礦井計劃生產能力1000萬t/a，設計服務年限為160 a。

已有勘探資料表明，伊犁一礦開采技術條件與我國東部煤田差異較大，礦井建設及生產過程存在以下水文地質問題：本區位于南天山山前，地下水直接接受雪融水補給，補給較充沛、徑流條件較好；地表松散的礫石層厚，覆蓋各含隔水層露頭，水文地質條件復雜；5#煤層底板隔水層薄，承壓高、富水性好，且補給、徑流條件復雜，對5#煤層開采威脅大，水文地質參數、涌水量等有待進一步評價和計算。

針對上述問題，以1502W試采面為例，在水文地質補勘工程的基礎上，通過進行底板疏放水試驗，利用地下水動力學原理，獲取了該礦試采面底板含水層的滲透系數，并結合試驗過程中水壓變化及降落漏斗擴展情況，對該含水層的可疏降性進行了評價，為礦井防治水工作提供了依據。

1 試采面概況

1502W工作面位于伊犁一礦混合斜井以西。運輸巷標高+1124.3～+1138.8 m ，回風巷標高+1116.0～+1128.6 m 。工作面走向長941 m，斜長83 m，平均煤厚18.3 m，工作面水平面積為80368 m2。地面標高+1259～+1269 m，平均標高+1264.0 m，工作面平均埋深124.42 m。

據前期勘探資料，試采面直接頂為泥質細砂巖或硅質、碳質泥巖，巖石強度低，平均抗壓強度為10～20 MPa，屬于軟弱覆巖類型；直接底為泥巖或粉砂巖，泥質含量較高，有遇水泥化、崩解的特征，厚度7.5～17.5 m，平均厚度9 m；其下為細砂巖或粉砂巖，厚度5.3～25.1 m，平均厚度22.4 m，透水性和富水性較好。試采面地質構造條件簡單，呈寬緩向斜構造，煤層傾角為6°～8°。

2 研究區地質及水文地質條件

2.1 地質條件

本礦區位于伊南煤田，地層由老至新為：古生界石炭系、二疊系，中生界三疊系、侏羅系、白堊系，新生界第三系、第四系。地層簡述如下：

(1)第四系。第四系厚度39.50～82.60 m，平均厚度62.62 m，由南向北略有增厚。巖性由砂碎石和礫石組成，礫石礫徑不一，成分多為火山噴發巖類和花崗巖類、石灰巖礫石等，上部有風成黃土，下部有冰水堆積物。第四系和下伏地層呈角度不整合接觸。

(2)新近系。新近系厚度0.70～25.70 m，平均厚度11.88 m。巖性為棕紅、褐紅、土黃色及灰白色中粗砂巖、砂礫巖夾粉砂巖、泥質粉砂巖，底部為厚度5 m左右的粉砂巖或粘土巖，具有良好的隔水性能。新近系和下伏地層呈角度不整合接觸。

(3)侏羅系。侏羅系厚度平均為230 m左右。巖性為灰黃色、灰綠色、灰色砂礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖和煤層。共含煤12層，自上而下分別為1#煤層、2#煤層、3#煤層、4-1#煤層、4-2#煤層、5#煤層、6#煤層、8#煤層、9-1#煤層、9#煤層、10#煤層和12#煤層。其中3#煤層、5#煤層全區分布穩定，為主要可采煤層。侏羅系底部發育有一層礫巖，前人稱之為“達拉地礫巖”，是區域性標志層。

礦區總體上為一走向近東西、向北傾的單斜構造。地層沿走向、傾向較為穩定。走向上等高線略有起伏，呈現出寬緩的向、背斜構造。三維地震在試采區共發現斷層7條，落差多在5 m以下，只有DF20落差達到8 m，對礦井生產影響不大。

2.2 水文地質條件

研究區內主要含水層有第四系及新近系孔隙含水層(Ⅰ)和侏羅系裂隙—孔隙承壓含水層(Ⅱ)，侏羅系裂隙-孔隙承壓含水層自上而下又分為Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3和Ⅱ4含水層，其中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3均位于5#煤層頂板，滲透性差，富水性弱，對5#煤層開采影響較小。Ⅱ4含水層(以下簡稱“5底砂”)位于5#煤層底板，距離5#煤層僅0～16.22 m(其間巖性主要為泥巖及粉砂巖)，平均距離6.07 m，含水層厚度5.32～20.64 m，平均厚度15.22 m，巖性以含礫粗砂巖為主，其次為細砂巖，泥質膠結疏松。據補充勘探資料，該含水層承壓水位+1130.73 m，工作面巷道內平均水壓1.01 MPa，為試采面開采時的主要底板充水含水層。

3 試采面疏放水試驗

針對5底砂含水層，礦區前期勘探已進行過單孔抽水試驗及群孔放水試驗，但由于放水流量小、持續時間短，且觀測孔數量偏少，試驗取得的水文地質參數精度較低。為此，特別在試采面內進行了一次群孔疏放水試驗，進一步查明5底砂含水層的主要水文地質參數，以更好地指導礦井防治水工作。

本次試驗利用補充勘探施工的4個放水孔、2個觀測孔，結合前期施工的5底砂sy-9孔及5底砂x-2孔，共計8個孔進行井下放水試驗。由于試放水階段，原計劃作為放水孔的FS2孔流量較小，臨時改作觀測孔，將GC1孔作為放水孔。放水階段，FS1孔、GC1孔、FS3孔、FS4孔和5底砂sy-9孔共計5個孔同時放水，歷時96 h，穩定總流量80 m3/h，累計放水總量為8200 m3；FS2孔、GC2孔和5底砂x-2孔觀測，其中觀測到的水位最大降深為GC2孔的降深68 m。各鉆孔平面布置如圖1所示。

圖1 鉆孔平面布置圖

4 水文地質參數的確定

根據地下水動力學原理，群孔抽水試驗任一點的降深由承壓完整井非穩定流抽水的Theis公式計算得出:

(1)

式中：s——觀測孔水位降深，m；

Q——抽水井的流量，m3/h；

T——導水系數，m2/d；

t——自抽水開始到計算時刻的時間，h；

W(u)——井函數，與a、t、r有關；

r——觀測孔據抽(放)水孔的距離，m；

a——壓力傳導系數，m2/d；

*——貯水系數。

根據3個觀測孔的實際觀測數據，利用配線法原理進行求參，具體步驟如下：

(1)在雙對數坐標紙上繪制W(u)-1/u標準曲線。

(2)在另一張模數相同的透明雙對數紙上繪制實測的s-t/r2曲線。

(3)將實際曲線置于標準曲線上，在保持對應坐標軸彼此平行的條件下相對平移，直至兩曲線重合為止。

(4)任取一匹配點(在曲線上或曲線外均可)，讀出匹配點的對應坐標值:W(u)，1/u，s和t/r2，帶入式(1)計算參數。

上述求參過程可在EXCLE中編寫成計算機程序，將抽(放)水試驗的觀測數據輸入EXCLE中即可得到求參結果，具體求參過程見圖2～圖4，求參結果見表1。

圖2 FS2觀測孔Theis配線圖

圖3 GC2觀測孔Theis配線圖

圖4 5底砂x-2觀測孔Theis配線圖

表1 配線法求參結果

因此，將配線法得出的5底砂含水層滲透系數的平均值K=0.65 m/d作為推薦選用參數。

5 底板可疏降性評價

疏干降壓(簡稱“疏降”)是借助專門的工程(如疏水巷道、抽水鉆孔、防水鉆孔、吸水鉆孔等)及相應的排水設備，積極地、有計劃、有步驟地影響采掘安全的含水層降低水位(水壓)或造成不同規模的降落漏斗，使之局部或全部疏干，在調節水量及水壓、保證采掘安全等方面起著積極作用。前已述及，5底砂總體上滲透性較好，富水性中等，由于其具有承壓性，對5#煤層開采具有威脅，若5底砂可被疏干降壓，則會大大降低開采成本。

在放水試驗過程中，5個放水孔穩定總流量只有80 m3/h，但3個觀測孔均在較短的時間水壓急劇下降，如圖5～圖7所示，降深明顯，表明放水試驗所形成的降落漏斗明顯，含水層疏降效果較好。另外，放水過程共計96 h，在關閉閥門128 h后，近距離的2個觀測孔的水位與初始水位仍有一定差距(128 h后未進行觀測)，表明5底砂含水層雖接受天山雪融水補給，但其補給條件較差，補給強度不高，具有可疏降性，因此在開采前可對其進行適當疏降。

圖5 FS2水壓變化曲線圖

圖6 GC2水壓變化曲線圖

圖7 5底砂x-2水壓變化曲線

綜上，1502W試采面雖距離天山較近，5底砂含水層接受雪融水補給，滲透性較好，但其補給量有限，試采面較易被疏降，可在回采前于適當位置放水鉆孔，將底板水壓降至安全水壓以下，消除試采面的底板水害威脅。

6 結論

(1)在補勘工程基礎上，設計伊犁一礦試采面5底砂放水試驗，通過試驗取得的數據，運用配線法對5底砂含水層進行水文地質求參，并利用Boulton模型進行矯正，求參結果為K=0.65 m/d。

(2)放水試驗及水位恢復試驗過程中各觀測孔的水壓變化情況，表明5底砂含水層補給量有限，具有良好的可疏降性，在試采面回采前可通過布置疏降工程消除底板水害威脅。

(3)研究表明，西部礦區地層條件特殊，同樣存在底板水害的問題。在明確其水文地質條件的基礎上，亦可通過疏降工程等措施消除底板水害威脅，對西部礦區底板防治水工作的開展有一定的借鑒意義。