大佛寺煤矿顶板涌水规律及影响因素

2018-08-10武谋达王建辉侯恩科吴继铎郝宝利

西安科技大学学报 2018年4期

武谋达，王建辉，侯恩科，吴继铎，郝宝利

(1.陕西彬长矿业集团有限公司，陕西咸阳 712000；2.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054)

0 引言

顶板水是黄陇侏罗纪煤田彬长矿区煤层开采的主要水害类型，近年来矿区水害问题凸显，许多学者对矿区顶板水害的研究集中在洛河组砂岩裂隙承压含水层富水性分布特征、导水裂隙带发育高度探查研究及区内出现的疑似离层水形成机理等方面。穆鹏飞等研究认为洛河组在构造凹陷地带和地表出露地段富水，洛河组沉积相为沙漠相沙丘亚相，含水层厚度与富水性呈正相关[1]；陈通等采用多源地学信息融合方法提出了区内洛河组砂岩含水层富水性分区方案[2]；刘英锋在矿区水害及防治水工作的基础上，指出了水害防治及理论研究方面的不足和亟需解决的关键技术难题[3]；刘英锋等围绕导水裂隙带发育高度进行了探查研究，认为区内裂高采厚比介于15.09～17.12倍，平均16.02倍[4-5]；高喜才通过模拟研究认为顶板裂隙主要发育在开切眼及工作面端头附近，裂隙彼此连接贯通形成数条可能导水通道，工作面后方采空区中部冒落岩块随周期性来压逐渐压实导致局部导水裂隙闭合[6]；韩江水、张严静等都认为研究区内顶板涌水具有离层水特征，区内特殊的地层岩性组合和关键层的存在使得导水裂隙带、弯曲变形带内发育有离层空间和离层水，随着开采影响形成工作面充水[7-8]；Robert Bindschadler、乔伟等则对顶板离层水的发育机理进行了研究，认为砂泥岩不同的力学性质是形成离层水的先决条件，顶板地层中关键层在离层水形成过程中起着决定作用[9-13]。

综上所述，前人多是针对具体某一个关键技术进行了深入研究，文中以大佛寺矿不同开采区域的不同涌水形式为实例，在整理分析区内大量钻孔资料和前人研究的基础上，分析形成不同水害形式的主控因素，并评价了各主控因素在矿井涌水中的作用；重点从岩性及地层结构两方面解释了砂泥岩互层型隔水层及地质构造对矿井中厚煤层开采顶板涌水的影响，对区内煤层开采顶板水害机理和导水裂隙带发育研究具有借鉴意义。

1 开采概况

大佛寺井田位于彬长矿区南部，矿井目前开采4煤401采区和4上煤411采区，4上煤是4煤的上分叉煤层，局部可采，411采区与4煤401采区西翼北区重叠。401采区内4煤平均厚度约12 m，由北向南煤厚逐渐减小，首采区域为401采区东翼，布置了40106，40108等东西走向综放工作面，采区西翼北区上下煤层联合开采，先综采上部4上煤(均厚4 m)，1～2年后再综放下部4煤(采厚约11 m)，上下工作面近乎重叠；401采区西翼南区则布置了2个南北走向的综放工作面。各工作面布置情况如图1所示。

2 地质及水文地质条件

研究区位于大佛寺井田东南部，区内有2个褶曲，从北往南依次为祁家背斜和师家店向斜，地层产状受褶曲影响明显。含煤地层倾角一般3°～5°，但在褶曲两翼地层倾角较大，局部可达8°～10°，祁家背斜北翼倾角最大达17°～21°.区内断层构造发育较多，且多为正断层，井下巷道揭露落差一般4～6 m，最大落差13 m，揭露断层时伴有少量涌水。

区内煤系以上基岩地层由老到新依次为侏罗系延安组、直罗组、安定组，白垩系宜君组、洛河组，地质构造剖面图如图2所示。

图2 区域地质构造剖面Fig.2 Regional geological structure section

延安组(J1-2y)是区内唯一含煤地层，下段含4煤和4上煤，地层厚度56.8～113.6 m，岩性以泥岩、砂质泥岩、粉细砂岩与中粗砂岩互层为主，其中砂岩含水，但富水性弱，单位涌水量0.000 679 L/s·m，渗透系数0.005 m/d，水质类型为CL-Na型，矿化度13 880～16 150 mg/L.

直罗组(J2z)岩性为灰绿色中粗粒长石石英砂岩，夹灰绿色泥岩、砂质泥岩，层厚15.9～43.7 m，上部泥岩、砂质泥岩具隔水性，下部中粗粒砂岩含水，含水砂岩粒度中部细，东西粗，富水性极弱，水质类型CL-Na型，矿化度5 531～2 0450 mg/L.

安定组(J2a)是岩性以泥岩、砂质泥岩为主的砂泥岩互层型地层，夹中粗粒砂岩，层厚56.6～87.9 m，是区内主要隔水地层。

宜君组(K1y)层厚16.2～29.5 m，块状砾岩，分选性差，钙质胶结，中下部裂隙发育，富水性弱-中等含水层。

洛河组(K1l)岩性以中粗粒砂岩为主，区内地层厚度28.5～236 m，由东向西逐渐增大，属富水性弱-中等含水层，水质类型HCO3·SO4-Na·Mg，矿化度317～1 176 mg/L，由东向西逐渐降低。

3 开采涌水规律

研究区411采区和401采区煤层开采时都出现了不同程度涌水，各工作面参数及涌水量统计见表1.

由表1知，401采区东翼各工作面回采过程中正常涌水量仅30 m3/h，涌水的频率和峰值也较小，一般单个工作面出现1～2次较大涌水，水量峰值为180～220 m3/h；在西翼联合开采区域，工作面正常涌水量约50～80 m3/h，但最大涌水量骤增，仅3.5 m采厚的4上煤开采时就出现高频次、大水量的涌水现象，水量峰值一般为300 m3/h，最大达到500～600 m3/h，下部4煤开采时工作面涌水强度更大，水量峰值多为400～600 m3/h，最大竟达到1 500 m3/h；西翼南部工作面的正常、最大涌水量都比较大，且回采结束后涌水量维持在200 m3/h左右。

表1 研究区工作面参数及涌水量Table.1 Working surface parameters and water gushing statistics in the study area

各工作面涌水均采样进行了水质化验，各区涌水颜色均为灰白色或灰紫色，水质类型和矿化度略有不同。401采区东翼涌水水质类型为CL·HCO3-Na，矿化度2 017～5 054 mg/L；401采区西翼涌水水质类型为CL·HCO3·SO4-Na，矿化度1 176～1 532 mg/L；411采区涌水水质类型为CL·HCO3·SO4-Na，矿化度1 701～2 696 mg/L.经水质类型和矿化度对比分析，认为各工作面涌水为洛河组砂岩水与下部含水层水的混合。结合现场观测情况，研究区顶板涌水有以下特点

1)工作面涌水主要来自洛河组砂岩含水层，从不同区域涌水矿化度差异分析，研究区西部洛河组参与工作面涌水的强度更大；

2)工作面涌水脉冲型变化明显，具有顶板离层涌水相似特征；

3)从工作面涌水峰值及180 m3/h以上涌水频率分析，研究区顶板涌水强度自东向西呈增大趋势；

4)同区域上下煤层开采涌水点位置具有一致性，下部4煤开采强度大，涌水强度也相对较大。

4 涌水影响因素

煤层开采时，影响工作面涌水的因素较多，大致可分为2类：开采因素和地质因素。

4.1 开采因素

开采因素包括煤层采厚、工作面宽度、开采速度等。大佛寺矿煤炭日产量稳定，正常情况下匀速推采，故开采速度对涌水的影响不予考虑。根据表1有关统计信息分析，同煤层采煤工作面宽度虽有差异，但工作面宽度普遍大于180 m，相关研究结果表明彬长矿区工作面临界宽度约180 m，当宽度大于180 m后顶板导水裂隙发育高度不再受工作面宽度增大影响[14]；工作面涌水强度与煤层采厚相关性明显，同煤层工作面采厚越大，涌水强度和频率越大，涌水与采厚呈正相关。

4.2 地质因素

地质构造、含水层、隔水层以及煤层与含(隔)水层位置关系等地质因素通过控制充水含水层富水性和导水通道发育程度进而影响工作面涌水强度[15-16]。

4.2.1 洛河组富水性与涌水的关系

洛河组是研究区内工作面涌水的主要充水含水层，其富水性取决于单位涌水量大小和地层厚度。据D9，B3，D30(位置如图1)以及研究区以西的D52水文地质钻孔抽水试验，洛河组单位涌水量q=0.013 3～0.180 9 L/s·m，单位涌水量由东向西逐渐增大，地层厚度28.5～236 m，由东向西南逐渐增厚，洛河组含水层富水性由东向西逐渐增强，与区内煤层开采顶板涌水强度变化趋势一致。洛河组厚度变化与采面涌水对应关系如图3，图中数字编号为各采面主要涌水峰值位置。

图3 洛河组厚度与涌水对应关系Fig.3 Relation of the thickness of Luohe Formation and the water gushing

由图可知，区内顶板涌水主要分布在洛河组厚度大于100 m的区域。在洛河组厚度小于100 m的区域，虽然导水裂隙带发育至洛河组，但其充水强度小，对工作面涌水影响很小；而西部区域洛河组整体厚度大，最大厚度236 m，故在开采强度相似的条件下，煤层开采顶板涌水强度由东向西呈增大趋势。

4.2.2 煤层与含水层间距对涌水的影响

煤层与含水层间距决定着在一定开采强度下导水裂隙能否发育至含水层。区内宜君组含水层与洛河组之间没有明显的隔水层，故在计算煤层与洛河组隔厚时，将宜君组、洛河组视为统一的含水层(组)。研究区4煤与洛河-宜君组间隔厚110～200 m，煤层与含水层间距变化如图4所示。

图4 煤与洛河组间距变化和涌水对应关系Fig.4 Correspondence between coal and Luohe Formation spacing and water gushing

根据大佛寺矿实测“两带”发育高度，裂高采厚比为17.0～26.8倍，区内4煤开采厚度均在8～11 m，虽然计算得出的导水裂隙带都已发育至洛河组，但同一工作面涌水强度变化和煤与含水层间距具有一定的负相关性；4上煤采动产生的导水裂隙带高度约为59.5～93.8 m，一般发育至直罗组顶部或安定组中下部地层，在隔水层隔水性良好的条件下，洛河组不会对4上煤开采产生影响。

因此，煤层与含水层间距对4煤开采涌水强度起着一定控制作用，影响着导水裂隙波及含水层的厚度。间距越大，导水裂隙在含水层内的发育高度越小，涌水强度也越小。

4.2.3 隔水层与涌水的关系

安定组以泥岩为主的砂泥岩互层型地层，是区内主要隔水层，其对涌水的影响主要表现在3个方面

1)隔水层内砂岩的存在利于导水裂隙在层内延伸，并可在局部形成导水“天窗”，减小其有效隔水厚度。通过分析区内岩石物理力学测试成果，认为安定组地层内中砂岩、细砂岩脆性较好，受力后易产生裂隙，粗砂岩孔隙率和含水率较高，局部富水，会对地层隔水性产生负面影响；而粉砂岩、泥质砂岩、泥岩抗剪、抗拉强度较高，受力后多表现为塑性变形，不利于导水裂隙发育延伸，可作为有效隔水层。砂泥岩比越高，泥岩相对厚度越小，隔水性越差。基于上述分析确定了区内砂泥岩厚度和比值[17](式1)，并绘制砂泥岩厚度比直线图(图5)。

式中ξ为砂泥岩比；H1为脆性砂岩累加厚度；H2为塑性岩层累加厚度。

图5 安定组砂泥岩厚度比与涌水对应关系Fig.5 Relation of sand mudstone thickness ratio in Anding Formation and water gushing

由于区内砂泥岩比值仅0.5左右，泥岩厚度约是砂岩厚度的2倍，因此隔水层内的砂岩对导水裂隙发育的影响较小，但从局部钻孔数据发现隔水层岩性的变化减小了煤层与含水层间距，从而影响顶板涌水发生。

2)砂泥岩互层型隔水层利于导水裂隙发育。导水裂隙在安定组砂泥岩互层型地层中发育程度不仅要根据泥岩厚度判断，还应考虑砂岩与泥岩的相互影响。在同一区域相同地应力环境中，泥岩能够有效减小砂岩应变能，从而增大砂岩产生裂隙的难度，砂岩则增大了泥岩应变能，利于裂隙在泥岩内延伸。根据砂泥岩互层型地层裂缝发育理论[18-20]，砂岩、泥岩厚度越薄越容易产生裂隙，因此，互层型地层层数越多，结构越复杂，越有利于导水裂隙发育延伸。文中用一定厚度地层内不同岩性层数与该地层厚度的比值来反映地层结构的复杂程度，称为结构系数式(2)。

式中K为结构系数；n为层数，H为地层总厚度。

图6 安定组结构系数与涌水对应关系Fig.6 Relation of structural coefficient in Anding Formation and water gushing

从绘制的安定组结构系数曲线(图6)可以看出，该因素与涌水强度具有较强的相关性，特别与4上煤开采时的涌水规律一致性明显。分析认为研究区内安定组岩性变化减小了煤层与含水层间距，砂泥岩互层型地层利于导水裂隙发育更高，从而延伸至上部含水层，这些因素综合作用下洛河组具备了参与采厚仅3.5 m的4上煤开采充水，并且隔水层砂岩含量越高、结构越复杂，充水强度越大。

3)砂泥岩互层型隔水层具备产生离层水的条件。由于砂泥岩互层型地层中砂岩与泥岩受采动引起的垂向变形程度不同，易产生离层空间，当导水裂隙带与离层储水空间导通，大量静态游离水迅速溃入工作面，随着离层水排空工作面涌水恢复正常，这也是工作面出现脉冲型涌突水的根本原因。

4.2.4 地质构造与涌水的关系

地质构造一般从2个方面影响涌水：一是控制沉积厚度。区内师家店向斜区洛河组厚度增大，从而对相应区域涌水产生影响。二是影响导水裂隙发育。从单个工作面涌水位置看，涌水多发于煤层倾角变化较大区域。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》中的单一煤层开采垮落带高度计算公式推断，垮落带高度与煤层倾角具有正相关性：即煤层倾角越大，垮落带高度越高。而往往垮落带高度越大，导水裂隙带发育也越高[21]。本区域发育的祁家背斜和师家店向斜两翼煤层倾角变化大，最大达到21°，有利于顶板垮落带和导水裂隙带发育，且祁家背斜和师家店向斜轴部间距小，落差大，其间发育了大量的裂隙带(甚至是断层)，为地下水参与工作面涌水创造了有利条件。