推覆體下含水層水動態異常原因淺析

史正景 陳新宏

（中煤新集能源股份有限公司技術中心，安徽 淮南 232100）

1 問題的提出

新集一礦與新集二礦為相鄰礦井，均開采巨厚推覆體下二疊系煤層群。其中新集一礦南東翼采區與新集二礦西翼2401 采區以1 線為技術邊界。新集一礦南東翼采區主要開采上下石盒子組煤層，已于2015 年回采結束并封閉。推覆體含水層觀測孔105#孔即位于該采空區上方。新集二礦2401 接替采區正在實施密集定向分支孔的區域探查治理工程，對底板太原組12 灰進行隱伏垂向導水構造探查和注漿改造，以消除奧灰高承壓水對1 煤開采的威脅。

根據區域探查治理方案，5#主孔布置在1 線附近，設計的順層定向分支孔在施工過程中，發現了105#推覆體下含水層水文觀測孔水位異常波動。為此，有必要對該長觀孔水位變化原因展開分析，以掌握地下水流場受采掘影響變化關系，進一步提高礦井安全生產保障能力。

2 1 線附近地質、水文地質環境

2.1 推覆體地層發育特征

105#孔位于6 煤底板地層，用于觀測推覆體夾片含水層水動態。S1 孔位于105#孔南側，是1 煤底板太原組薄層灰巖觀測孔。

推覆體自南向北推覆于原地煤系地層之上，向南止于壽縣～老人倉斷層。位于其下部的C～P 地層俗稱下夾片地層，呈楔形嵌入阜鳳逆沖斷層帶與原地煤系地層間，厚度及起伏變化較大。在南側壽縣～老人倉斷層附近原地太灰、奧灰與夾片灰巖地層直接對接，如圖1。

圖1 1 線南段地質剖面圖

2.2 推覆體夾片及原地灰巖水文地質特征

根據該區群孔抽水資料，原地太灰與深部奧灰和上覆推覆體夾片灰巖間水力聯系不密切。

受推覆構造影響，下夾片巖層破壞嚴重，完整性差，局部富水。據313 孔抽水資料：水位標高+19.35 m，q=0.005 931 L/（s·m），原新集五礦副井放水試驗q=0.422 L/（s·m），井筒揭露該地層時最大突水量達594 m3/h。說明夾片灰巖地層富水性不均，局部巖溶裂隙發育，水力聯系好，富水性較強。

2.3 新集一礦南東翼開采

新集一礦南東翼采區從1993 年投產至2015 年封閉，服務時間較長，自上而下開采13-1、11-2、9、8、7-2、6-1等煤層，主要充水水源為上覆推覆體及夾片含水體，開采初期涌水量較大，常年涌水量在100 m3/h 以上，采區封閉后涌水量緩慢下降，2021 年降至16～20 m3/h。

2.4 新集二礦1 煤開采

新集二礦1 煤埋深大，下距太原組灰巖18 m左右。為消除底板高承壓灰巖水威脅，按照水害治理方式劃分，1 煤層開采分兩個階段：以工作面為單元的筏基礎上開采（2008 年—2018 年），以采區為單位的地面區域治理條件下開采（2018 年至今）。

2.4.1 以工作面為單元的筏基礎上開采

從2008 年開始開展1 煤底板灰巖補勘和底板高承壓水害防治研究，通過在1 灰頂板施工1 煤層底板截水巷，并在該巷向下部灰巖方向施工密集注漿鉆孔，對太原組上段4 灰～6 灰進行注漿加固改造，建立以外延至工作面外各60 m為單元的筏基礎，成功回采了2101 采區和2201 采區大部分工作面。

2.4.2 以采區為單元的地面區域探查治理工程

為確保高承壓水上開采安全，實現從局部治理向區域治理轉變要求。從2018 年引進推廣了超前地面區域探查治理技術。2018 年12 月—2019 年底對2201 采區剩余塊段和2301 采區實施地面區域探查治理，治理層位選擇在12 灰，重點查治隱伏垂向導水通道，消除底板奧灰水突水威脅。

2020 年開始實施2401 采區（與新集一礦南東翼相鄰）地面超前區域探查治理工程[1-4]。共設計3個主孔，其中S5 主孔布置在1 線附近南端，具體布置如圖2。

3 推覆體含水層水位動態分析

3.1 水位動態觀測數據分析

自2010 年礦井安裝水動態觀測系統以來，通過105#孔對推覆體水位長期觀測，歷時約11 年。其水位隨時間變化曲線如圖3，大致可分為2010 年12月6日—2018年12月24日和2018年12月24日—2021 年12 月15 日兩個階段。

圖3 2010.12.06—2021.12.15 水位動態圖

第一階段：水位呈緩降、快降、緩升特點。期 間2010 年12 月6 日—2012 年9 月9 日，水 位從-185.22 m 緩降至-188.10 m，此后快降至2013年7 月8 日水位-271.06 m（次低點），接著水位波動緩升至2018 年12 月24 日水位-200.65 m。涌水量呈采中大、采后逐年遞減特點，其中開采期間涌水量達100 m3/h，自2015 年采掘活動結束后水量在60～80 m3/h，至2021 年底降至16～20 m3/h。總體水位上升與水量減少呈一定的同比關系。

第二階段：水位呈快降、緩升兼波動特點。期間水位自2018 年底—2019 年6 月24 日降至-278.16 m 最低點，此后水位總體緩慢回升，2021 年12 月15 日水位升至-223.09 m，呈現趨緩但較期初水位低（約38 m）的特點，這是長期采動對水位影響所致。

3.2 采掘活動影響分析

3.2.1 新集一礦采掘影響分析

新集一礦先后對南東翼11-2、8、9、6-1、7-2等煤層進行了充分回采，上覆巖層破壞頻繁，與推覆體堅硬巖層發生差異性沉降，并使原本富水性弱且不均一的推覆構造活化。上覆巖層長期處于破壞活躍期，使天然狀態的含（隔）水層界限被打破，補徑排關系改變，形成大范圍的含水體，并補充井下采動空間，導致該區域長期大量排水。2009 年8 月開始，區內各含水層水位均同步大幅度下降，持續近1 年。2010 年6 月105#孔水位-187.62 m，而同期原地奧灰水位-42.63 m。2013 年7 月105#孔水位降至-271.06 m，此后水位緩慢回升，表明采掘活動及井下涌水對水位影響密切。2015 年底該采區封閉后，頂板破壞巖層處于自我修復期，早先產生的各種裂隙經泥巖水解、充填，形成再生隔水層，垂向水力聯系減弱甚至阻斷，從南東翼密閉墻涌水量50～60 m3/h 緩慢下降至2018 年底16 m3/h 可得到證實。

3.2.2 新集二礦采掘影響分析

（1）新集二礦上下石盒子組開采影響分析

新集二礦2009—2015 年間對11-2、9、8、6-1等煤層進行非充分回采，同時期新集一礦南東翼采區仍有采掘活動。兩對礦井采掘活動主要集中在上下石盒子組煤系地層，2013 年后兩對礦井在該區域的開采強度均有所減少，至2015 年全部結束。105#孔水位于2013 年7 月降至最低，主要因采動導致涌水向采空區排泄所致，隨開采強度降低而緩慢回升，且時段與采掘大趨勢較吻合，分析認為前期因開采煤層距底板灰巖較遠，其水位變化受灰巖水影響不明顯。

（2）新集二礦1 煤組開采影響分析

新集二礦于2012 年開始回采推覆體下山西組1煤層，至2021 年底-650 m 以上2101、2201 采區基本回采結束，1 煤層回采過程中礦井均未出現過明顯涌水。

隨著1 煤層開采及底板灰巖水超前探放治理，改變了深部灰巖含水層地下水流場，逐漸形成以已回采區域為中心的底板灰巖水降落漏斗，中心最大水位降至-435 m。隨著采掘活動接近尾聲，影響范圍內灰巖觀測孔水位已止跌回升。據2020 年7 月—2021 年10 月對230102 和220106 工作面回采活動微震監測數據分析，83%的微震事件發生在1 煤頂15 m 至底20 m（太原組1 灰）范圍，且多為小能量事件，中或大能量事件僅零星發生。最大頂板破壞高度77.26～82.01 m，底板最大影響深度73 m（太原組8 灰附近），且主要發生在構造帶附近，證明開采1 煤因上距推覆體較遠，同樣不足以引起105#孔水位異常波動。

（3）地面超前區域治理對水位變化影響分析

新集二礦自2018 年開始實施地面超前區域探查治理工程，目標層位為太原組12 灰，目的以探查深部隱伏垂向導水通道并通過注漿消除深部奧灰對1 煤開采威脅。一期工程包括220106、220102工作面和2301 采區，已于2019 年12 月結束。二期工程主要為2401 采區，設計S3、S4、S5 三個主孔。S5 主孔位于井田西邊界，共布置15 個分支孔，于2020 年12 月開始施工，截至2022 年2 月上旬施工結束。其中S5-6 和S5-8 分支孔注入水泥量超千噸，推覆體105#孔水動態波動明顯。特別是2021 年9月—12 月，近邊 界的S5-4、S5-5、S5-2、S5-3、S5-1 等分支孔陸續施工，受分支孔壓水、注漿等階段性影響，105 孔水位出現頻繁的短時波動，二者有較好的對應關系。2021 年8 月28 日—2021 年12月30 日水位震蕩性波動曲線圖如圖4。

圖4 2021.8.28—2021.12.30 日水動態曲線圖

說明地面區域治理的高水壓作用是推覆體含水層水位異常波動的主要原因，但105#孔水位因采掘活動減少，總體緩慢回升的態勢未發生改變。

4 結論與建議

（1）受新集一礦南東翼回采破壞和覆巖差異性沉降影響，在推覆體下方發育離層空間，加之構造裂隙活化，加劇地下水力聯系，改變了推覆構造帶（含）導水特征。停采后，覆巖裂隙逐漸彌合，形成再生隔水層，降低上覆推覆體含水層滲透能力，使得105#孔水位恢復性上升。開采全過程呈現“下降—回升—穩定”規律。

（2）根據水文地質勘探及水動態觀測表明，雖然推覆體后緣與原地灰巖地層直接接觸，天然狀態下總體富水性弱且不均，但是各含水層水動態存在不同程度波動，表明天然狀態下的富水性為弱平衡狀態，易受井下疏排水或高壓注漿等外在擾動影響，從而加劇地下水流場的復雜性。

（3）從新集二礦1 煤層開采微震監測結果分析，1 煤層開采雖不足以影響到推覆體及太原組10 灰以下地層，但更深層位的治理，頻繁高壓注漿（注水）形成的水壓差仍會造成推覆體含水層水位的短期小幅波動。