桌子山煤田下组煤开采底板水害防治问题及对策探讨

杨志斌

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710054)

桌子山煤田主体位于乌海市境内，鄂尔多斯盆地西缘北段毛乌素沙漠和巴丹吉林沙漠间的干旱气候区 (年均降雨量140mm，年均蒸发量3600mm，干旱指数12)［1］，地质构造属于华北板块的西北缘［2－5］，受秦岭—祁连山构造带和西侧阿拉善地块长期活动的影响，地质构造较复杂，形成以南北向逆断层为主，东西向正断层为辅的构造格局，西北地区第一例岩溶陷落柱即在此构造格局中形成［6－8］。煤田西以岗德尔西来峰逆断层为界，东至桌子山，北侧为千里山，向南延伸至宁夏境内，以桌子山背斜轴为界，主采煤层为二叠系山西组9号煤 (上组煤)和石炭系太原组16号煤 (下组煤)。

截至2010年3月，整个煤田未对奥陶系做过专门的水文地质勘探工作，对奥灰水文地质条件研究不多，认为奥灰富水性较差［9］，神华集团平沟、骆驼山煤矿井底大巷即坐落在奥灰岩中。2010年3月1日，骆驼山煤矿在16号煤+870m回风大巷掘进过程中发生了特大奥灰水突出事故，最大突水量达65000m3/h，暴露出奥灰水文地质条件与先前研究结论严重不符，现有研究程度远不能满足区内矿井防治水工作需要。通过总结后续开展的奥灰水文地质补勘及专项研究工作，指出区内水害防治应关注的重点问题，对关键技术问题给出了初步解决思路，制定了指导性的矿井水害防治对策，对桌子山煤田后续防治水研究的开展及防治水技术体系的形成具有重要意义。

1 煤系沉积基底含隔水层分布调查

研究区地层分区跨越华北地层西缘地层分区和鄂尔多斯地层分区，因长期地质构造活动影响，煤系沉积基底差异较大，不同层位与上覆石炭系假整合接触。根据前人研究成果和近年来一系列奥灰水文地质补勘及专项研究工作［10－11］，煤系沉积基底主要为奥陶系中统克里摩里组 (O2k)、桌子山组(O2Z)和震旦系长城统 (Z)，不同沉煤基底顶部岩层水文地质性质不同，渗流特性差异很大，详见图1及表1。

调查结果表明，克里摩里组沉煤基底厚度大于185.77m，岩性为黑色致密泥质石灰岩，局部夹泥岩，渗透性很差，可以作为开采16号煤防治底板奥灰水突出的隔水关键层加以利用。

图1 桌子山煤田煤系沉积基底综合地质柱状

表1 桌子山煤田煤系沉积基底顶部岩层水文地质特性调查

桌子山组沉煤基底厚度大于186.19m，厚层灰岩，为开采16号煤底板主要充水含水层，水压高，水量丰富，富水性及渗透性极不均一，原始导升带高度最大达51.8m，对16号煤带压开采构成重大突水威胁。

震旦系长城统沉煤基底直接与煤系假整合接触，剖面缺失整个下古生界，厚度大于100m，岩性为灰白色、肉红色及紫色石英砂岩，局部夹砾石层，渗透性很差，为隔水性能良好的隔水层，16号煤开采不存在底板水害问题。

2 构造控水特征调查

岩溶作用除与可溶岩岩性有关外，还与构造作用有关，构造不仅影响岩溶发育程度，而且影响岩溶发育方位。鄂尔多斯盆地西缘构造带属分隔中国东部和西部两大特征明显不同构造域的南北构造带的北段，新构造运动明显，研究区处于其北段，中生代形成的断裂构造在新生代多被活化，为岩溶发育和地下水储移提供了良好空间和通道。

对研究区奥灰岩溶水源井分布位置调查结果表明，水源井多分布在东西向正断层和南北向逆断层交汇的断裂破碎带，棋盘井第一、第二水源地即位于棋盘井逆断层、苛乌素逆断层与两者之间东西向正断层交汇的断裂破碎带上，单井出水量在1200m3/d以上，棋盘井第三水源地则沿黑龙贵逆断层与两侧东西向正断层交汇的断裂破碎带位置布置，单井出水量在2000m3/d以上;分布在非断裂破碎带位置的水源井单井出水量一般在240m3/d以下。

对神华集团3对矿井9起奥灰突水事故调查结果表明，地质构造与井下奥灰突水点位置联系紧密，是矿井的主要突水通道，见表2.

表2 神华集团3对矿井井下主要奥灰突水点情况统计

3 存在的主要防治水问题

基于研究区煤系沉积基底含隔水层分布及构造控水特征调查，结合以往相关研究成果，研究认为桌子山煤田存在的主要防治水问题有:

(1)沉煤基底地质成因研究不足 针对煤系沉积基底差异，在区内开展了多次专项调查研究工作，但研究结果不能完全满足生产实际需要。如奥陶系虽不如中央隆起以东的华北海沉积旋回明显，但也经历了鄂尔多斯盆地边缘沉积相的演化，奥陶系不同残留层位为煤系沉积基底，而据棋盘井煤矿东区奥灰水文地质补勘，煤系沉积基底为震旦系长城统，剖面缺失整个下古生界 (寒武系、奥陶系、志留系)。不同的沉煤基底决定16号煤开采底板水害防治技术体系的构建，需继续开展区内沉煤基底地质成因研究工作。

(2)构造控水机理研究不足 调查结果表明研究区构造控水特征明显，但构造如何对地下水的赋存和运动的控制作用及其规律研究明显不足，无法预测构造突水灾害的发生，如岩溶陷落柱的发育一般受区域性一、二级大构造和局部三级小构造控制，而造成骆驼山煤矿“3.1”特大奥灰水突出事故发生的西北地区第一例岩溶陷落柱既非受煤田区域性大构造控制，也非受矿区局部小构造控制，该岩溶陷落柱沿古地下水强径流带发育于煤田浅部，后被煤系所覆盖，受煤层构造影响较小。

(3)含导水构造精细探查程度研究不足 研究区地质构造较复杂，区内以往探查含导水构造多采用地面瞬变电磁结合井下钻探，一方面因为地面瞬变电磁对埋深较大、体积较小的含导水构造较难准确反映且易受地面各种因素干扰，另一方面仅凭钻探“一钻之见”虽更为直观，但存在打偏、漏掉的可能，且钻探周期和成本均较高。运用瑞利波和直流电超前探对巷道前方、音频电透视和直流电测深对工作面和巷道底板、槽波和坑透对工作面内部的含导水构造精细探查结合井下钻探验证是区内防治水工作的重点，不仅可以大幅降低钻探周期和成本，还可通过各种矿井水文物探技术的对比得到适应本区的异常区划分标准和假异常的剔除方法，提高区内含导水构造精细探查精度。

(4)有效隔水层厚度分布规律研究不足 首先，研究区缺少底板采动破坏深度的试验观测研究，目前区内只能依据经验公式来进行预计［12－16］，可通过现场试采对煤层底板采动破坏带深度进行研究;其次，奥灰水导升带发育高度及分布情况不明，因骆驼山煤矿“3.1”特大奥灰水突出事故发生以来16号煤尚未进行带压开采，从地面到奥灰顶部距离太深，致使物探仪器探查奥灰水导升带发育高度受到一定限制［17－18］，可采用统计分析和钻孔探测方法研究奥灰水导升带发育高度及分布情况;第三，未开展底板有效隔水层阻水能力测试研究，有效隔水层带是决定煤层底板阻水能力及安全性预测的关键带，通过现场试验可获取高压水对底板岩体起作用的各类实测数据、原始地应力及其对底板阻水能力的影响等资料，如水力压裂试验［19］。

4 防治水对策探讨

根据研究区存在的主要防治水问题，结合以往相关研究成果，制定桌子山煤田下组煤开采底板水害防治对策如下:

(1)利用研究区奥灰岩溶水源地及井下奥灰出水点长期疏水形成的奥灰水位自然降幅，建立井下独立奥灰水排水系统，将井下奥灰水排至地面供水系统，实现奥灰水疏供结合，使得区内带压面积及带压程度逐年降低。

(2)建立地面注浆站，对底板带压程度较高且存在奥灰突水危险区进行含 (隔)水层注浆改造与加固，增强底板隔水层抗突水和阻抗水压的能力。

(3)建立健全矿井水害预警系统和排水系统，确保矿井具备一定的防灾抗灾能力。

(4)开展防治水专项研究工作，如沉煤基底地质成因、构造控水机理、含导水构造精细探查程度、有效隔水层厚度分布规律等，以解决区内主要防治水问题。

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