榆林矿区厚松散层矿井水文地质特征与井筒涌水分析

2019-09-04王秀娟张付涛熊锦翔李红海

煤炭工程 2019年8期

刘巍，王秀娟，张付涛，熊锦翔，李红海

(1.榆阳中能袁大滩矿业有限公司，陕西榆林 719000；2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东青岛 266590； 3.山东方舟新材料有限公司，山东泰安 271026； 4.内蒙古安邦安全科技有限公司，内蒙古呼和浩特 010090)

矿井水害是威胁矿井安全生产的主要灾害之一。矿井水害主要包括底板承压突水和顶板裂隙导水，对于东部矿区的矿井突水和淋水研究已经相对成熟[1-3]。王洪波等[4]基于动水注浆治理工程需求，提出一种以粉煤灰为主的地聚合物和以水玻璃为主的添加剂双组份动水注浆材料。许万忠[5]等通过节理裂隙岩体注浆渗透模型的分析，获得了平板裂隙径向、辅向的流动公式。李术才等[6]研发了准三维裂隙动水注浆模型试验台，进行裂隙岩体涌突水的动水注浆模型试验研究。

西北地区地质构造和岩层含水条件不同于东部地区。西北部早中侏罗系成煤作用最强，其含煤层由陆相粉砂岩、泥岩、砂砾岩和煤层组成，是典型的陆相沉积地层，以裂隙含水层为主[7，8]。榆林矿区煤层厚度大、埋藏浅，地质结构特殊，当地降水丰富、表土及浅部岩石受风化作用严重等因素导致该地区浅部岩层含水丰富。部分学者对西北地区地质结构、采矿条件、顶板覆岩运动规律等[9，10]进行了一定的研究。但是，目前对西北榆林地区地质结构和矿井防水的研究尚不成熟，有待进一步研究。

基于此，本文以袁大滩煤矿为工程背景，分析了该矿井水文地质特征，计算了矿井井筒涌水量，并与相邻矿井进行对比分析。此研究为保障该煤矿安全生产具有重要意义，可为榆林矿区其他类似矿井提供参考。

1 工程地质概况

袁大滩煤矿位于鄂尔多斯盆地之次级构造单元陕北斜坡中部，总体构造形态呈向北西或北西西微倾的单斜构造，地层倾向约为305°，倾角小于1°。地质构造简单，井筒区地表全部被第四系风积沙覆盖。井筒区地层由老至新依次有：侏罗系中统延安组、直罗组、安定组，第四系中更新统离石组，第四系上更新统萨拉乌苏组与全新统风积沙。

井筒勘探钻孔揭露至2号煤层，2煤层赋存于延安组第四段顶部，是区内主要可采煤层，煤层可采厚度1.66～2.05m，平均值1.87m，属中厚煤层。一般不含夹矸或含1层夹矸，厚度0.17m左右，岩性为粉砂岩；结构较简单，埋深为315.41～334.64m，煤层底板标高887.47～900.59m。但由于厚风沙层覆盖及西北特殊地质条件，矿井含水丰富，对井筒安全使用存在威胁。

2 水文地质特征

2.1 含水层

根据地下水的赋存条件、水力特征及含水层的纵向分布结构，将矿区内含水层由上至下划分为4层。分别为由全新统风积砂、第四系上更新统萨拉乌苏组及第四系离石组黄土组成的松散层孔隙潜水含水层；侏罗系中统安定组孔隙裂隙承压含水层；侏罗系中统直罗组孔隙裂隙承压含水层；侏罗系中统延安组第五段孔隙裂隙承压含水层。

2.2 隔水层

从井筒检查孔揭露地层的岩性组成特征分析，井筒范围内的隔水层主要是基岩中的泥岩和粉砂岩。从井筒检查孔揭露地层的岩性组成特征分析，各地层中的泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩均呈互层状沉积，岩性粒度小，孔隙率小，胶结致密，分选性好，一般以水平层理为特征，是本次井筒检查孔上、下含水层段之间相对较好的隔水层。

2.3 充水通道

井筒的直接充水水源为井筒所穿越的松散层含水层及各砂岩含水层。在井筒掘进过程中，以井筒为通道会沟通各个含水层，而井筒的充水通道为各含水层内在的节理和裂隙。裂隙的发育情况是井筒充水强度的主要因素之一。

3 井筒涌水量分析

正常基岩中的泥岩、砂质泥岩、粉砂岩视为隔水层。对主、副斜井、进风立井及回风立井的涌水量进行计算，并对各含水层涌水量进行分段计算。将竖井井筒看作独立的大的集水井，采用“大井法”。因主、副斜井的倾角小于45°，将主、副斜井视为水平坑道，采用水平狭长廊道法公式计算其涌水量。各含水层段均按照全降深计算井筒穿越该层的涌水量。

3.1 计算方法

3.1.1 水平廊道法

潜水：采用潜水完整井公式。

承压水：采用承压转无压水完整井公式。

3.1.2 “大井法”

潜水：采用潜水完整井公式。

承压水：采用承压转无压水完整井公式。

式中，Q为井筒涌水量，m3/d；K为渗透系数，m/d；H为水柱高度，m；h0为剩余水柱高度，m；M为含水层厚度，m；S为水位降深，m；r为设计井筒掘进半径，m；R为各含水层影响半径，m；R0为引用影响半径，m，(R0=R+r)；B为进水层长度，m。

各井筒施工穿越的各含水层段有松散层段、侏罗系中统安定组、直罗组及侏罗系中统延安组。主、副斜井施工穿越的松散层采用水平廊道法潜水完整井公式，主、副斜井穿越的安定组、直罗组、延安组第五段采用水平廊道法承压转无压完整井公式；进风立井和回风立井穿越的松散层采用大井法潜水完整井公式，进风立井和回风立井穿越的安定组、直罗组、延安组第五段采用大井法承压转无压完整井公式。

3.2 计算结果及分析

3.2.1 主、副斜井井筒涌水量

松散段的渗透系数采用钻孔抽水试验成果，对斜井穿越砂层段涌水量进行计算，结果见表1。由表1可知，主斜井松散层、安定组、直罗组、延安组岩段的涌水量分别为182m3/h、7m3/h、53m3/h、1m3/h，松散层岩段涌水量远大于其他岩段，其次为直罗组岩段，因此，松散层岩段和直罗组岩段为主斜井涌水的主要来源。主斜井井筒涌水量合计为243m3/h。

副斜井第一松散层、第二松散层、安定组、直罗组、延安组岩段的涌水量分别为31m3/h、206m3/h、62m3/h、83m3/h、6m3/h，第二松散层岩段涌水量远大于其他岩段，其次为直罗组岩段和安定组岩段，因此，松散层岩段、直罗组岩段和安定组岩段为副斜井涌水的主要来源。副斜井井筒涌水量合计为388m3/h。

3.2.2 进、回风立井井筒涌水量

进、回风立井穿越各含水层的渗透系数及水柱高度采用两个检查钻孔的平均值。各含水层段均按照全降深计算井筒穿越该层的涌水量，结果见表2。

表1 主、副斜井井筒涌水量计算表

注：松散层0～180m段与180～730m段廊道重复不计入井筒总涌水量。

表2 进、回风立井井筒涌水量计算表

由表2可知，进风立井松散层、安定组、直罗组、延安组第五段的涌水量分别为1365m3/h、20m3/h、18m3/h、6m3/h，松散层岩段涌水量最高，其他岩段涌水量远小于松散层岩段，因此，松散层岩段为进风立井涌水的主要来源。进风立井井筒涌水量合计为1409m3/h。

回风立井松散层、安定组、直罗组、延安组第五段的涌水量分别为1347m3/h、22m3/h、15m3/h、4m3/h，松散层岩段涌水量最高，其他岩段涌水量远小于松散层岩段，因此，松散层岩段为回风立井涌水的主要来源。回风立井井筒涌水量合计为1388m3/h。

3.2.3 总结与评价

1)主斜井井筒涌水量合计为243m3/h，副斜井井筒涌水量合计为388m3/h，进风立井井筒涌水量合计为1409m3/h，回风立井井筒涌水量合计为1388m3/h。所以，袁大滩煤矿井筒水文条件为复杂型。

2)各含水层涌水量的计算参数由本次井筒检查取得。由于斜井为非直线型，进水断面长度受弯曲影响略有误差，实际涌水量的变化与井筒建造方法和进度有关，施工中一次性揭露含水层的厚度、长度对出水量有一定的影响。

3.3 临近矿井井筒施工涌水情况

1)榆阳煤矿。榆阳煤矿采用斜井开拓，斜井穿过松散层厚度16m左右，井筒涌水量约30m3/h；2003年榆阳煤矿井筒涌水量约70m3/h，2008年榆阳煤矿井筒涌水量10m3/h。

2)榆树湾煤矿。榆树湾煤矿初期开采2号煤层。榆树湾矿井在建井期间就已建立涌水量观测台。2008年主斜井涌水量：实测涌水量26.8～86.8m3/h，平均60.94m3/h；副斜井涌水量：实测涌水量49～85.2m3/h，平均68.5m3/h；回风立井涌水量：实测涌水量基本维持在3～8m3/h。

3.4 井筒涌水结果分析

通过榆林矿区井筒涌水计算结果分析，袁大滩煤矿比榆阳煤矿、榆树湾煤矿的井筒涌水量大，进风立井涌水量尤其显著，袁大滩煤矿各井筒涌水量有明显的差异，进风立井井筒涌水量最高，其井筒涌水量是主、副斜井井筒涌水量之和的两倍有余，回风立井井筒涌水量次之。从水文地质条件分析，影响涌水量的因素为存在厚松散层含水层、各砂岩含水层以及存在裂隙。所以，针对进风立井井筒涌水量较大的问题，应该采取一些措施来应对。