寧夏東部靈鹽含煤區地層水量分析及疏降排協同技術研究

呂兆海 趙長紅 張藝耘 岳曉軍 靳亞軍 靳 華 李立波

(國家能源集團寧夏煤業有限責任公司，寧夏回族自治區銀川市，750001)

寧夏主要含煤區位于北部的石嘴山-沙巴臺-石炭井-呼魯斯太一帶，西部的香山地區，東部的橫城和韋州和南部的王洼一帶。其中，二疊紀含煤區為線馱石一帶，中生代含煤地層主要分布在賀蘭山的汝萁溝、東部的碎石井-鴛鴦湖至萌城、西部的下流水-窯山等地。寧夏作為全國富煤省(區)，境內含煤面積1.17萬km2，煤炭遠景儲量2041億t，探明儲量319億t。其中，寧東煤田含煤面積3500 km2，探明地質儲量273.14億t，占全寧夏探明儲量的88.6%，是國內少有的整裝煤田。寧夏氣候具有西北干旱少雨典型特征，年均大氣降水量不足蒸發量的10%。礦區水患多為第三系-第四系孔隙水、地表徑流水(洪水)、構造裂隙水、死火區-燒變巖區或采空區積水，少數礦井地層富存承壓含水層。

1 靈鹽含煤區含水層分布規律

鴛鴦湖礦區、馬家灘礦區、積家井礦區區域地下水的分布呈現出西北地區特有的干旱-半干旱區的地質特征。含水層按賦存條件和水力性質不同，可主要劃分為松散巖類孔隙潛水含水層、碎屑巖類裂隙～孔隙承壓水含水層。其中，松散巖類孔隙潛水含水層由各種成因類型的第四系松散堆積層組成，分布于山間小型洼地及溝谷等；碎屑巖類裂隙～孔隙承壓水含水層由古近系、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系與石炭系等碎屑巖構成，影響本勘查區的主要含水層為侏羅系含水層，含水層分類如圖1所示，第四系含水層分布如圖2所示。

1.1 松散巖類孔隙水含水層

靈鹽臺地松散巖類孔隙含水層為坳谷洼地潛水，巖性以砂礫石為主，厚度小于10 m，水位埋深1～5 m，其富水性受匯水面積與含水層厚度和廣度控制，多數地區富水性弱，但坳谷洼地的局部區域富水性較強，鉆孔涌水量可達100～1000 m3/d。

圖2 第四系含水層分布區域

1.2 碎屑巖類裂隙～孔隙水含水層

碎屑巖類裂隙～孔隙含水層分布于靈鹽臺地西部的磁窯堡至石驛溝一帶，在構造有利的條件下，可形成富水段。

(1)古近系主要分布于本區以北橫山堡礦區、鴛鴦湖礦區，鉆孔揭露最大厚度220 m，上部為紅色粘土巖，富含石膏，下部主要為泥巖和粉細砂巖互層，含水層富水性弱。

(2)白堊系主要分布在面子山、四耳山、清水營井田北部及馬柳斷層以東。巖性以礫巖為主，據資料顯示，鉆孔單位涌水量為0.5 L/(s·m)。

(3)侏羅系砂巖含水層分布在碎石井礦區、鴛鴦湖礦區及馬家灘礦區。侏羅系砂巖含水層包括侏羅系中統直羅組、延安組和侏羅系下統富縣組砂巖裂隙～孔隙含水層。直羅組底部厚層粗粒砂巖單位涌水量0.006～0.1988 L/(s·m)；延安組砂巖含水層富水性較弱，鉆孔單位涌水量為0.0043～0.5408 L/(s·m)。

(4)三疊系主要分布于劉家莊、鴛鴦湖背斜核部。巖性為中、細粒砂巖、粉砂巖及泥巖、含礫長石粗粒砂巖。鉆孔單位涌水量0.00159～0.000373 L/(s·m)，屬富水性弱的含水層。

2 承壓含水層水害案例及因素分析

2.1 典型水害案例

靈鹽含煤區承壓含水層主要分布在侏羅系中統直羅組裂隙孔隙承壓含水層，在工作面掘進、開采過程中揭露地質構造帶形成導水通道或人工鉆孔等形成的導水通道將直接導致含水層水涌入開采區域[1-2]。如麥垛山煤礦在掘進2#煤層輸送機巷揭露F26正斷層時，由于掘進過程中巷道覆巖結構失穩、含水層平衡狀態打破，導水裂隙帶與直羅組下段含水層貫通，誘發大面積潰沙涌水，最大涌水量達到400 m3/h；紅柳煤礦201工作面，其頂板結構為厚度14.6～47.17 m的直羅組下段下分層粗砂巖含水層，其上為厚度7～25.5 m的粉砂巖、泥巖(平均厚度20 m)隔水層，再向上為厚度29.07～41.76 m的直羅組下段上分層粗砂巖含水層，回采期間先后發生了4次不同規模的突水，最大涌水量達到3000 m3/h。

2.2 水害形成因素分析

(1)水害與地質構造的關系。工作面開采過程中，煤層頂底板與上下部承壓含水層之間的隔水層厚度太小、強度偏低，無法承受含水層水頭壓力，或巷道掘進作業鄰近斷層時頂板受擾動作用進而誘發導水帶破裂，引發水源突水[3-4]。

(2)水害與頂板隔水層的關系。煤層頂板突水主要受地質構造、隔水層厚度及承受水壓、底板組合巖性和應力因素等影響。在采動應力的作用下，采空區形成明顯的“三帶”特征[5]，頂板產生裂隙并向上擴展延伸，在高承壓水條件下，擴張裂隙形成導水通道，最終使采掘空間與頂板含水層聯通而導致突水。

(3)水害與含水層水壓的關系。覆巖破斷與導水裂隙帶的理論表明，覆巖中存在離層蓄水空間，頂板含水層水壓是導致工作面瞬時出水量大的根本原因[6-8]。在工作面回采期間，隨著采空區懸頂距離、面積的擴大，上覆隔水層彎曲變形達到極限，瞬時產生大量裂隙，導水裂隙帶高度隨之增加。因此，采取有效的疏降水技術、降低水壓對預防工作面突水有明顯效果。

(4) 侏羅系含水層之間的水力聯系。延安組含水層與直羅組下段含水層水力聯系密切，存在導水通道時，直羅組下段含水層將成為其補給來源，在回采過程中應重點控制。圖3是侏羅系延安組含水層放水試驗期間含水層水位變化情況，從圖3可以看出通過疏放水孔對延安組含水層放水，直羅組下段含水層水位下降幅度隨著放水孔水量增大而增大，其響應時間隨放水孔水量增大而縮短、水壓也隨之減小。

圖3 侏羅系含水層間水力聯系變化流場平面圖

3 工作面涌水量變化分析

工作面涌水量由靜態水量和動態水量組成，靜態水量隨著工作面疏放水量的增加，靜態水量、水壓逐漸減弱；動態水量主要由導通、連通其他含水層及地面水構成，對工作面的危害較大[9-10]。

3.1 靜態水量分析

工作面周期性涌水中頂板砂巖含水層封存地下水靜態水量為主要來源，考慮到該含水層水壓和彈性釋水系數的影響較小，靜態水量僅考慮重力給水的水量值。

工作面頂板含水層靜態水量采用下式計算：

式中：Q靜態——地下水靜態水量，m3；

Q重力——重力給水量，m3；

Q彈性——地下水彈性儲存量，m3；

μd——含水層重力給水度；

F——疏干范圍面積，m2；

h——含水層厚度，m。

以雙馬煤礦I0104105工作面為例，利用靜態水量計算公式對工作面頂板砂巖水頂板周期來壓步距(60 m)范圍內含水層的靜態水量及全工作面靜態水量進行估算，見表1，為工作面探放水鉆孔布置提供科學依據。由給水度、靜態水量數值，可以看出頂板含水層孔隙度均勻、給水來源穩定。

表1 地下水靜態水量計算表

3.2 動態補給量分析

動態補給量即工作面周期來壓后，工作面老頂垮落后形成的穩定涌水量，動態補給量采用大井法估算。大井法基于把礦區水平坑道系統所占面積等價于一個理想的大井面積，整個坑道系統的涌水量就相當于大井的涌水量，其計算公式如下：

(3)

式中：Q——涌水量，m3/h；

K——滲透系數；

M——含水層厚度，m；

H——水頭高度，m；

R0——引用影響半徑，m；

r0——引用半徑，m。

礦坑所在含水層概化為均質無限分布，天然水位近似水平，影響半徑R0可采用下式計算：

(4)

式中：S——水位降深，m。

根據礦井采掘工程平面圖，工作面形狀近似一個矩形，計算半徑公式為：

(5)

式中：a，b——矩形工作面的邊長；

η——不同幾何形態礦坑的系數。

根據鴛鴦湖礦區、馬家灘礦區、積家井礦區水文地質資料，回采工作面正常涌水量為200 ～300 m3/h，礦區各工作面最大涌水量與正常涌水量比值約為1.38。

3.3 礦井排水體系構建

針對不同含水層富含水條件及含水層之間的水力聯系、靜態水量、動態水量及涌水量大小不同的特點構建相應的排水體系，有效提高礦井抗災能力。

3.3.1 工作面排水系統

工作面水倉及排水系統設計取決于工作面最大涌水量。金家渠煤礦110301首采工作面排水泵房設在輔助運輸巷道，3個水倉有效容積1900 m3(甲倉550 m3、乙倉550 m3、丙倉800 m3)，甲、乙水倉各安裝3臺(MD280-4×35，250 kW型)礦用耐磨多級離心泵，采用2用1備方式；丙倉內安裝2臺應急潛水泵(BQS240-24×8-260 kW)。排水管路選用2趟?219 mm無縫鋼管，1趟應急?250 mm玻璃骨架樹脂鋼管，1趟?273 mm鋼質排水管路，正常排水能力626 m3/h，最大排水能力1140 m3/h。麥垛山煤礦130604工作面排水泵房設在130606工作面邊界排水巷，水倉有效容積設計900 m3，安裝3臺離心泵：2臺型號MD150-67×4、功率200 kW、額定流量150 m3/h；1臺型號MD450-60×6、功率800 kW、額定流量450 m3/h；采用2用1備方式，水泵揚程402 m，排水管路選用2趟?219 mm無縫鋼管和3趟?159 mm無縫鋼管。

3.3.2 礦井主排水系統

基于勘探階段全井田最大涌水量設計主排水系統，選取4個典型礦井的主排水系統，從水泵選型、水倉容積、排水管徑等方面進行優化。

(1)金家渠煤礦在+920 m水平(副立井井底)設置主排水系統，內外水倉設計蓄水量共計5000 m3，安裝5臺(MD500-57×10型)礦用耐磨多級離心泵，2用2備1檢修；排水管路選用2趟?377 mm無縫鋼管，1用1備；在主排水泵房附近設置抗災潛水泵硐室，敷設1趟?377mm管路，用于礦井透水時抗災搶險。

(2)紅柳煤礦在+1000 m水平設置礦井主排水系統，礦井有主水倉(5000 m3)、一號副水倉(4000 m3)、二號副水倉(3000 m3)3個水倉(設計蓄水量為12000 m3、有效蓄水量為9600 m3)，沿副立井敷設4趟DN350×17排水管路，安裝5臺MD450-60×9型耐磨多級離心泵和7臺MD650-80×7型耐磨多級離心泵；每臺MD450水泵配1臺YB2-710S1-4型隔爆型電動機，功率1000 kW，電壓10 kV；每臺MD650水泵配1臺YB2-560-4型隔爆型電動機，功率1600 kW，電壓10 kV。在主排水系統基礎上另外安裝了2臺潛水泵(水泵型號1100/595/2800 kW、揚程550 m、流量1100 m3/h、電壓等級10 kV、電機功率2800 kW)。

(3)雙馬煤礦在+1046 m水平設置礦井主排水系統，甲、乙、丙3條水倉設計蓄水量共計8003 m3，主排水泵房安裝5臺(MD500-57×6型)礦用耐磨離心式排水泵，2用2備1檢修；沿主斜井敷設3趟D377 mm×12 mm聚乙烯復合鋼管(基材無縫鋼管)材質的排水管路，礦井正常涌水期2趟工作，1趟備用，最大涌水期3趟工作。

(4)麥垛山煤礦在+868 m水平設置礦井主排水系統，3個主水倉設計蓄水量共計8487 m3(甲倉3176 m3、乙倉3062m3、丙倉2249 m3)，主水平泵房安裝5臺MD600-118×9型離心泵(2用2備1檢修，沿立井敷設3趟DN350排水管路。+925 m輔助水平排水系統設置2個主水倉(甲倉2481 m3、乙倉1730 m3)，設計蓄水量為4211 m3，安裝5臺MD360-95×9型離心泵(2用2備1檢修)，電機功率1000 kW，揚程665 m，流量360 m3/h，沿副斜井敷設2趟DN350排水管路，將礦井水排至主井集中水調節池。為提高礦井抗災能力在+868 m水平安裝了2臺抗災潛水電泵(水泵型號BQ725-662/25-1900/W-S、揚程662 m、流量725 m3/h、電壓等級10 kV、電機功率1600 kW)。各主排水系統水泵性能見表2。

表2 排水設備性能參數對比表

4 主要疏降水技術及效果評價

靜態水量是形成工作面水害的直接因素，采取合理的疏、降、排水技術對靜態水量進行疏放，可有效降低含水層區域水量及水壓[11-13]。在靜態水量的防治中主要采取靶向疏放水、群孔疏放水、邊界泄水巷集中疏放水、消峰平谷預疏放水等技術，對上述幾種疏放水技術可根據現場條件單獨使用，也可協同使用。

4.1 靶向疏放水技術

以金家渠煤礦110301工作面為例，工作面自切眼向停采線方向施工疏放水鉆孔，將切眼附近300 m范圍作為疏放水試驗段，一是探查該區段頂板含水層的可疏放性，對該工作面開采前的防治水安全進行評價論證；二是根據疏放水鉆孔的放水效果，優化調整后期疏放水鉆孔的參數，以最少的鉆孔工程量實現最大限度的頂板水疏放。主要含水層靶向疏放水布置如圖4所示，根據試驗結果并按照靶向疏放水技術特點施工鉆場24個、鉆孔82個、鉆孔工程量12401 m，其中工作面回風巷道設計11個鉆場、鉆孔43個、鉆孔工程量6122 m，套管長度493 m，輔助運輸巷道設計12個鉆場、鉆孔33個、鉆孔工程量5389 m、套管長度603 m，離層水鉆場1個、鉆孔6個、鉆孔工程量890 m、套管長96 m。截至2018年10月7日疏放水量192.65萬m3，最大單孔涌水量由154 m3/h降至5 m3/h、含水層水頭壓力由0.82 MPa降至0 MPa。

圖4 主要含水層靶向疏放水布置

4.2 群孔疏放水技術

以紅柳煤礦I040203工作面為例，該工作面含水層(頂板直羅組砂巖含水層)位于采動冒裂帶范圍內，屬層狀承壓水含水層，工作面回采后將直接揭露該含水層。在工作面回采前期采用群孔疏放鉆孔進行疏放水，鉆孔為上仰孔，呈扇形布署，定向鉆孔布置在切眼下口硐室內，常規鉆孔布置在工作面上部600 m范圍(定向鉆孔未覆蓋區域)。定向鉆場1個，設計5個主孔1個分支疏放水鉆孔，設計工程量2407 m，孔口套管長度150 m；常規疏放水鉆場18個、鉆孔65個，其中在I040203工作面切眼下口布置2個鉆場、10個鉆孔，在I040203回風巷布置10個鉆場、36個鉆孔，在I040203運輸巷布置3個鉆場、7個鉆孔，在I040204回風巷布置3個鉆場、12個鉆孔、鉆孔工程量8893.9 m、安裝套管長度390 m。定向鉆孔疏水效果情況如表3所示，最大涌水量與開采前涌水量對比得出定向鉆孔疏放水效果顯著。

表3 定向鉆孔疏水效果統計表

4.3 邊界泄水巷集中疏放水技術

為開展采區疏放水工作在采區邊界布置專用泄水巷，由臨時水倉、泵房、排水管路等組成。邊界泄水巷集中疏放水技術一方面可減少煤炭資源損失，另一方面專用泄水巷受采動影響較小，巷道長期保持穩定，能在較長周期內為采區工作面疏放水工程服務。這種集中疏放水技術在金家渠煤礦、雙馬煤礦、紅柳煤礦等進行了很好的工程應用。

4.4 消峰平谷預疏放水技術

疏水降壓作為特定條件下采取的一種防治水技術手段，雙馬煤礦I0104105工作面上覆直羅組下段粗砂巖含水層和延安組砂巖含水層為工作面回采過程中的直接充水水源。在頂板砂巖含水層地下水流場處于原始狀態時，提前對2#～4#煤層間延安組含水層和直羅組下段粗砂巖含水層進行疏放，減小采后周期性冒落引起的峰值涌水量，實現消峰平谷。在I0104105工作面切眼附近400 m范圍內開展頂板水預疏放試驗，施工13個鉆場、53個鉆孔、鉆孔工程量4770 m。其中，風巷布置3個鉆場、11個鉆孔、鉆孔工程量1103 m，機巷布置10個鉆場、42個鉆孔、鉆孔工程量3667 m。風機兩巷頂板疏放水工作從2017年5月22日開展至2018年3月，累計疏放水量約18.7萬m3。

5 結論

(1) 工作面涌水量主要由靜態水量和動態水量構成，靜態水量隨著工作面疏放水量的增加，逐漸減弱；動態水量主要由水力聯系較強的相鄰含水層導通及地面水構成，對工作面危害較大，應重點加以控制。

(2) 靶向疏放水、群孔疏放水、邊界泄水巷集中疏放水、消峰平谷預疏放水技術對于工作面含水層靜態水量的疏放效果明顯，可明顯減弱水害的影響。

(3) 針對含水層富含水量的情況及不同含水層之間的水力聯系、涌水量大小構建不同的排水系統，可有效提高礦井的抗災能力。

(4) 動態水量即工作面老頂周期來壓后的穩定涌水量，采用“大井法”進行預計，工作面最大涌水量為正常涌水量的1.38倍。