呼吉爾特礦區(qū)礦井涌水特征及其沉積控制

梁向陽(yáng)，楊 建，曹志國(guó)

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077；3.煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102211)

鄂爾多斯盆地北部為單斜構(gòu)造，侏羅紀(jì)延安期較穩(wěn)定的構(gòu)造條件和粗粒碎屑供應(yīng)相對(duì)貧乏[1-2]，形成了豐富的煤炭資源沉積[3-4]，其中蒙陜接壤區(qū)的呼吉爾特礦區(qū)煤層埋深超過(guò)600 m，屬于深埋煤田區(qū)。燕山運(yùn)動(dòng)作用下的多旋回沉積[5]，在呼吉爾特礦區(qū)煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)主要發(fā)育侏羅系直羅組七里鎮(zhèn)砂巖、延安組真武洞砂巖含水層[6-9]，具有水壓高、水量大、富水性不均一等特點(diǎn)，給煤礦防治水工作帶來(lái)了極大困難。近些年，為了查清鄂爾多斯盆地北部侏羅紀(jì)深埋煤田區(qū)煤層頂板富水規(guī)律，利用地質(zhì)勘探、井下巷道揭露、工作面頂板鉆孔、覆巖破壞實(shí)測(cè)等，開(kāi)展了導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律、直接充水含水層富水性特征[10-11]、工作面涌水量預(yù)測(cè)[12]和預(yù)疏降效果[13]、水文地球化學(xué)特征[14]等研究，基本確定了呼吉爾特礦區(qū)煤層頂板富水性較強(qiáng)，各礦井之間頂板富水性和礦井涌水量差異較大的特點(diǎn)；但對(duì)于各礦井煤層頂板水文地質(zhì)條件巨大差異的原因尚未查明。根據(jù)前期煤田地質(zhì)勘探和礦井建設(shè)過(guò)程中對(duì)煤層頂板地層的實(shí)際揭露發(fā)現(xiàn)，由于延安組與直羅組之間為不整合接觸，直羅組早期對(duì)延安組頂部沖刷切割劇烈，導(dǎo)致礦井之間延安組和直羅組地質(zhì)沉積條件存在較大差異，可能是造成呼吉爾特礦區(qū)頂板富水性差異的控制性因素。因此，筆者從煤層頂板地質(zhì)沉積相方面展開(kāi)研究，分析其與鉆孔出水層位、鉆孔涌水量、工作面涌水量等方面的關(guān)系，以期查清呼吉爾特礦區(qū)礦井涌水特征及其沉積控制作用，為礦區(qū)水害防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

呼吉爾特礦區(qū)位于鄂爾多斯剝蝕高原與陜北黃土高原過(guò)渡地帶[15-16]的蒙陜接壤區(qū)，中東部地勢(shì)較高，海拔1 340～1 410 m。呼吉爾特礦區(qū)屬高原沙漠地貌特征，地表被毛烏素沙漠的第四系風(fēng)積沙所覆蓋[17-18]，多為新月形或波狀沙丘，無(wú)基巖出露，地勢(shì)平緩，滲透性能好，為大氣降水入滲起到良好的導(dǎo)滲作用[19-21]；區(qū)內(nèi)地表水系極不發(fā)育，僅在地勢(shì)低洼、地下水位埋深較淺的灘地，雨后可形成局部積水。礦區(qū)屬北溫帶半干旱半沙漠高原大陸性氣候，四季寒暑巨變，當(dāng)?shù)貧鉁卦讪C27.9～+36.6℃，年降水量為194.7～531.6 mm；年蒸發(fā)量為2 297.4～2 833 mm，年蒸發(fā)量為年降水量的5～10 倍，植被稀疏，為生態(tài)環(huán)境極為脆弱的半荒漠區(qū)。呼吉爾特礦區(qū)主要生產(chǎn)礦井由北到南分別為葫蘆素、門(mén)克慶、母杜柴登和巴彥高勒煤礦(圖1)，主采侏羅系延安組2 號(hào)煤或3號(hào)煤，煤層埋深普遍大于600 m，屬于典型的西部侏羅紀(jì)深埋煤田區(qū)。

圖1 呼吉爾特礦區(qū)內(nèi)各礦井相對(duì)位置示意Fig.1 Schematic diagram of the relative positions of the mines in Hujirt mining area

2 研究區(qū)沉積相特征

2.1 地層沉積規(guī)律

井下覆巖破壞實(shí)測(cè)結(jié)果表明，研究區(qū)煤炭開(kāi)采形成的導(dǎo)水裂縫帶可發(fā)育至直羅組底部，因此，主采煤層頂板延安組和直羅組是工作面回采過(guò)程中采空區(qū)涌水的直接充水水源，這兩段地層各發(fā)育一套厚層粗—中砂巖段，其中，延安組的真武洞砂巖，巖性為灰白細(xì)粒硬砂質(zhì)長(zhǎng)石砂巖，砂巖段厚度3.2～16.0 m，發(fā)育板狀斜層理、底沖刷侵蝕面；直羅組一段底部的七里鎮(zhèn)砂巖，與下覆延安組呈不整合沖刷接觸，厚度5.1～75.2 m，屬于曲流河沉積。由于該區(qū)域直羅組古河流對(duì)延安組的沖刷侵蝕，導(dǎo)致呼吉爾特礦區(qū)局部區(qū)域2–1煤缺失，包括梅林廟井田南翼、門(mén)克慶井田南翼、沙拉吉達(dá)全井田、母杜柴登全井田以及巴彥高勒井田北部局部區(qū)域。

研究區(qū)4 座生產(chǎn)礦井中，中部的門(mén)克慶井田南翼和母杜柴登井田屬于2–1煤缺失區(qū)域。直羅組一段七里鎮(zhèn)砂巖底板標(biāo)高較低，砂巖段發(fā)育較厚(17.7～75.2 m)；母杜柴登井田的局部區(qū)域侵蝕較深，使2–2煤也存在部分缺失(H128 鉆孔)；北部的葫蘆素井田、門(mén)克慶井田北翼及南部的巴彥高勒井田屬于2–1煤發(fā)育區(qū)域，七里鎮(zhèn)砂巖底板標(biāo)高較高，砂巖段發(fā)育較薄(5.1～32.4 m)(圖2)。

圖2 呼吉爾特礦區(qū)煤層及七里鎮(zhèn)砂巖發(fā)育情況剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of the section of coal seam and Qilizhen sandstone development in Hujirt mining area

2.2 沉積作用分析

鄂爾多斯盆地延安組沉積之后，受燕山運(yùn)動(dòng)影響，研究區(qū)全面抬升，在其頂部形成一個(gè)區(qū)域性的侵蝕不整合面，造成延安組上部不同程度的剝蝕，且改變了延安組溫濕氣候、湖洼及湖沼地的古地理景觀，在直羅組早期發(fā)育了一套河流相沉積，底界形成大型沖刷侵蝕面，侵蝕面之上為直羅組一段的七里鎮(zhèn)砂巖，即七里鎮(zhèn)砂巖由古河床沖刷形成，其底界面埋深反映古河床的下切深度，而砂巖厚度則反應(yīng)古河床的發(fā)育規(guī)模。對(duì)比呼吉爾特礦區(qū)2–1煤缺失和七里鎮(zhèn)砂巖發(fā)育條件發(fā)現(xiàn)，母杜柴登井田和門(mén)克慶井田南翼處于古河床沖刷帶的中部[22]，巖性以中粗粒砂巖為主，河床寬度較大(井田尺度)，底部下切較深；而門(mén)克慶井田北翼、葫蘆素井田及巴彥高勒井田則處于古河床沖刷帶的兩岸，在一個(gè)工作面范圍內(nèi)分流河道與分流間灣交替出現(xiàn)，形成七里鎮(zhèn)砂巖段砂體的條帶狀分布特征。

3 直接充水含水層富水規(guī)律

3.1 直接充水含水層

研究區(qū)內(nèi)葫蘆素煤礦主采2–1煤，采高約2.5 m；門(mén)克慶、母杜柴登和巴彥高勒煤礦主采3–1煤，采高為4.5～5.0 m。根據(jù)巴彥高勒煤礦開(kāi)展的井下導(dǎo)水裂縫帶實(shí)測(cè)結(jié)果，呼吉爾特礦區(qū)煤層開(kāi)采后(綜采一次采全高)，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度不超過(guò)采高的25 倍。因此，葫蘆素煤礦2–1煤采后，導(dǎo)水裂縫帶平均發(fā)育高度為62.5 m；門(mén)克慶、母杜柴登和巴彥高勒煤礦3–1煤采后，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度不超過(guò)125.0 m。根據(jù)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍內(nèi)含水層地層結(jié)構(gòu)，葫蘆素煤礦的直接充水含水層為七里鎮(zhèn)砂巖含水層，門(mén)克慶煤礦、母杜柴登煤礦和巴彥高勒煤礦的直接充水含水層為真武洞砂巖含水層和七里鎮(zhèn)砂巖含水層。

3.2 疏放水鉆孔涌水特征

為保障首采工作面的安全回采，各礦井對(duì)各工作面均施工了超前預(yù)疏放鉆孔，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，門(mén)克慶、母杜柴登和巴彥高勒煤礦的疏放水鉆孔涌水主要來(lái)自七里鎮(zhèn)砂巖含水層，真武洞砂巖含水層涌水量普遍較小甚至為干孔。以門(mén)克慶煤礦首采工作面(11-3101 工作面)為例，所有疏放水鉆孔在揭露真武洞砂巖含水層時(shí)均未出水，鉆孔出水點(diǎn)均位于2–2煤頂板的七里鎮(zhèn)砂巖含水層。另外，巴彥高勒煤礦311201工作面采前共施工54 個(gè)預(yù)疏放鉆孔，鉆遇真武洞砂巖含水層時(shí)，涌水量為0～24.0 m3/h(平均4.7 m3/h)；當(dāng)鉆遇七里鎮(zhèn)砂巖含水層時(shí)，涌水量為0.2～78.0 m3/h(平均涌水量14.89 m3/h)(圖3)。總體上，真武洞砂巖含水層富水性顯著弱于七里鎮(zhèn)砂巖含水層。同時(shí)，真武洞砂巖含水層距離3–1煤較近，巷道掘進(jìn)過(guò)程中已經(jīng)對(duì)該含水層進(jìn)行了一定的超前探放，因此，真武洞砂巖含水層富水性較弱、涌水量較小，屬于工作面回采過(guò)程中的次要充水水源。

呼吉爾特礦區(qū)葫蘆素、門(mén)克慶、母杜柴登和巴彥高勒礦井的工作面頂板疏放水鉆孔涌水量差異顯著(表1)，工作面疏放水鉆孔涌水量與其頂板沉積相有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即位于古河床沖刷帶中部的門(mén)克慶南翼和母杜柴登煤礦鉆孔涌水量較大，最大鉆孔涌水量達(dá)到187 m3/h，平均涌水量分別為118 m3/h 和100 m3/h；位于古河床沖刷帶兩側(cè)的葫蘆素和巴彥高勒煤礦鉆孔涌水量較小，最大鉆孔涌水量不超過(guò)90 m3/h，平均涌水量不超過(guò)30 m3/h。

圖3 呼吉爾特礦區(qū)巴彥高勒煤礦工作面頂板鉆孔涌水量組成Fig.3 Composition of the water inflow from the roof aquifers of the working face of Bayangaole mine in Hujirt mining area

表1 呼吉爾特礦區(qū)各礦井首采工作面疏放水鉆孔涌水量對(duì)比Table 1 Comparison of water inflow from drainage boreholes in the first mining face of different mines in Hujirt mining area

3.3 采空區(qū)涌水量變化規(guī)律

3.3.1 采空區(qū)涌水量變化特征

以母杜柴登煤礦首采工作面和巴彥高勒煤礦首采工作面涌水量變化過(guò)程為例，研究工作面回采過(guò)程中涌水量變化特征，并進(jìn)行對(duì)比分析。

a.母杜柴登30201 工作面

母杜柴登煤礦首采工作面(30201 工作面)主采3–1煤，回采過(guò)程中涌水量的變化過(guò)程可以分為3 個(gè)階段(圖4)：

第一階段：0～538 m 段。涌水量隨著回采進(jìn)尺的增加呈線(xiàn)性緩慢增加，總體涌水量較小，僅為0～100 m3/h。這是由于工作面采前疏放水時(shí)間較長(zhǎng)，疏放較為徹底，頂板含水層靜儲(chǔ)量已基本疏放完全；且工作面頂板導(dǎo)水裂縫帶是個(gè)緩慢向上發(fā)育的過(guò)程，該階段只發(fā)育至真武洞砂巖含水層，未波及七里鎮(zhèn)砂巖含水層。

第二階段：538～561 m 段。隨著工作面推采的持續(xù)進(jìn)行，頂板破壞程度不斷增大，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度不斷上升，在工作面回采至538～561 m 時(shí)，工作面基本頂發(fā)生大幅度垮落，導(dǎo)水裂縫帶全面發(fā)育至七里鎮(zhèn)砂巖含水層，該含水層水首次大量涌入工作面采空區(qū)，且該含水層富水性相對(duì)較強(qiáng)，導(dǎo)致工作面涌水量在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)一次“臺(tái)階式”增加，回采進(jìn)尺僅23 m，涌水量卻由100 m3/h 突增至327 m3/h。

561～2 853 m 段。母杜柴登井田處于古河床沖刷帶的中心位置，頂板含水層富水性整體較強(qiáng)且較為均一，采空區(qū)涌水量隨著導(dǎo)水裂縫帶在頂板直接充水含水層波及面積的增大而呈線(xiàn)性增加，中間小幅波動(dòng)主要由工作面頂板周期性垮落造成，導(dǎo)致涌水量從327 m3/h 逐漸增至927 m3/h。

第三階段：2 853 m 至工作面回采結(jié)束(3 417 m)。工作面采空區(qū)范圍內(nèi)導(dǎo)水裂縫帶已對(duì)七里鎮(zhèn)砂巖含水層形成了充分的破壞，含水層疏降的降落漏斗范圍基本穩(wěn)定，工作面涌水量趨于穩(wěn)定，采空區(qū)總涌水量穩(wěn)定在920 m3/h 左右。

圖4 呼吉爾特礦區(qū)母杜柴登礦井首采面涌水量變化曲線(xiàn)Fig.4 Curve of water inflow in the first working face of the Muduchaideng mine in Hujirt mining area

b.巴彥高勒311101 工作面

巴彥高勒煤礦首采工作面(311101 工作面)主采3–1煤，工作面回采過(guò)程中，涌水量經(jīng)歷了5 個(gè)階段的變化(圖5)：第一階段(0～300 m)，隨著回采進(jìn)尺增加，涌水量由0 逐漸增至100 m3/h；第二階段(300～1 000 m)，回采至338 m，涌水量由172 m3/h增至327 m3/h，之后基本保持穩(wěn)定；第三階段(1 000～1 750 m)，回采至1 031～1 074 m，涌水量由300 m3/h 增至398 m3/h，之后基本保持穩(wěn)定；第四階段(1 750～2 500 m)，回采至1 805 m，涌水量由404 m3/h 增至417 m3/h；回采至2 037 m，涌水量由426 m3/h 增至464 m3/h；回采至2 160 m，涌水量由464 m3/h 增至482 m3/h(為工作面最大涌水量)，該涌水量基本保持至工作面回采結(jié)束。整個(gè)工作面回采過(guò)程中，涌水量顯著增加的階段，基本與頂板含水層富水條帶一致，頂板預(yù)疏放鉆孔揭露發(fā)現(xiàn)該富水條帶砂巖厚度較大，表明工作面煤層頂板含水層富水條帶控制著回采過(guò)程中采空區(qū)涌水量的變化；在回采經(jīng)過(guò)非富水條帶區(qū)域時(shí)，涌水量也未出現(xiàn)下降，則表明該區(qū)域頂板含水層側(cè)向補(bǔ)給較好。

圖5 呼吉爾特礦區(qū)巴彥高勒礦井首采面涌水量與頂板富水條帶關(guān)系Fig.5 The relationship between the water inflow in the first working face and the water-rich strip of the roof in Bayangaole mine in Hujirt mining area

c.沉積相對(duì)不同礦井工作面涌水量的控制作用

比較母杜柴登煤礦和巴彥高勒煤礦首采工作面涌水量可以發(fā)現(xiàn)，巴彥高勒煤礦首采工作面涌水量的變化過(guò)程與母杜柴登煤礦完全不同，不呈連續(xù)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，而總體呈現(xiàn)“臺(tái)階式”增加的變化過(guò)程，這是由于巴彥高勒井田位于直羅組一段古河床邊緣的分流河道和間洼區(qū)域，七里鎮(zhèn)砂巖含水層富水性相對(duì)較弱，且富水性極不均一，存在富水條帶現(xiàn)象，是控制巴彥高勒礦井工作面涌水量大小和變化規(guī)律的主要因素，即在工作面回采過(guò)程中，當(dāng)導(dǎo)水裂縫帶溝通富水條帶，涌水量即出現(xiàn)一次“臺(tái)階式”增加；在兩處“富水條帶”之間，由于富水性弱，涌水量則基本保持平穩(wěn)。另外，工作面回采過(guò)程中涌水量的變化，還與工作面頂板垮落周期和導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律有關(guān)，其決定了頂板含水層水何時(shí)將進(jìn)入工作面采空區(qū)。

3.3.2 各礦井采空區(qū)涌水量差異性

中生代地層沉積相和燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下，呼吉爾特礦區(qū)4 對(duì)生產(chǎn)礦井的煤層頂板地質(zhì)條件(沉積相)存在差異，該差異性控制了工作面頂板預(yù)疏放鉆孔和回采過(guò)程中的涌水規(guī)律。

呼吉爾特礦區(qū)4 對(duì)礦井首采工作面回采結(jié)束后的穩(wěn)定涌水量也存在較顯著差異，葫蘆素、門(mén)克慶、母杜柴登和巴彥高勒煤礦首采工作面采后穩(wěn)定涌水量分別為592 m3/h、1 200 m3/h、920 m3/h 和490 m3/h (表2)，位于古河床沖刷帶中部的門(mén)克慶南翼和母杜柴登煤礦首采工作面采后穩(wěn)定涌水量最大；位于古河床沖刷帶兩側(cè)的葫蘆素和巴彥高勒煤礦首采工作面采后穩(wěn)定涌水量較小。綜上所述，地層沉積相是研究區(qū)煤層頂板充水條件的主控因素。

表2 呼吉爾特礦區(qū)4 對(duì)礦井首采工作面采后穩(wěn)定涌水量對(duì)比Table 2 Comparison of stable water inflow after mining of the first working face

4 結(jié)論

a.呼吉爾特礦區(qū)導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)，主要發(fā)育了曲流河沉積相的延安組真武洞砂巖段和直羅組七里鎮(zhèn)砂巖段，厚度分別為3.2～16.0 m 和5.1～75.2 m。直羅組沉積期對(duì)延安組的沖刷侵蝕，導(dǎo)致門(mén)克慶、母杜柴登井田范圍內(nèi)2–1煤層缺失，且七里鎮(zhèn)砂巖較厚(17.7～75.2 m)，其他未沖刷侵蝕區(qū)域的七里鎮(zhèn)砂巖較薄(5.1～32.4 m)。

b.研究區(qū)各礦井工作面頂板預(yù)疏放鉆孔涌水主要來(lái)自七里鎮(zhèn)砂巖含水層，位于古河床沖刷帶中部的礦井鉆孔涌水量較大(平均大于100 m3/h)，位于古河床沖刷帶兩側(cè)的礦井鉆孔涌水量較小(平均小于30 m3/h)，與頂板沉積相有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；另外，工作面頂板砂巖厚度較大區(qū)域，往往在回采過(guò)程中采空區(qū)涌水量有顯著增大現(xiàn)象。

c.煤層頂板地質(zhì)條件(沉積相)的差異性，控制了工作面回采過(guò)程中涌水量大小，直羅組古河流沖刷帶兩側(cè)廣泛發(fā)育的富水條帶，導(dǎo)致工作面涌水量呈“臺(tái)階式”變化。