呼吉尔特矿区矿井涌水特征及其沉积控制

梁向阳，杨 建，曹志国

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077；3.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 102211)

鄂尔多斯盆地北部为单斜构造，侏罗纪延安期较稳定的构造条件和粗粒碎屑供应相对贫乏[1-2]，形成了丰富的煤炭资源沉积[3-4]，其中蒙陕接壤区的呼吉尔特矿区煤层埋深超过600 m，属于深埋煤田区。燕山运动作用下的多旋回沉积[5]，在呼吉尔特矿区煤层顶板导水裂缝带范围内主要发育侏罗系直罗组七里镇砂岩、延安组真武洞砂岩含水层[6-9]，具有水压高、水量大、富水性不均一等特点，给煤矿防治水工作带来了极大困难。近些年，为了查清鄂尔多斯盆地北部侏罗纪深埋煤田区煤层顶板富水规律，利用地质勘探、井下巷道揭露、工作面顶板钻孔、覆岩破坏实测等，开展了导水裂缝带发育规律、直接充水含水层富水性特征[10-11]、工作面涌水量预测[12]和预疏降效果[13]、水文地球化学特征[14]等研究，基本确定了呼吉尔特矿区煤层顶板富水性较强，各矿井之间顶板富水性和矿井涌水量差异较大的特点；但对于各矿井煤层顶板水文地质条件巨大差异的原因尚未查明。根据前期煤田地质勘探和矿井建设过程中对煤层顶板地层的实际揭露发现，由于延安组与直罗组之间为不整合接触，直罗组早期对延安组顶部冲刷切割剧烈，导致矿井之间延安组和直罗组地质沉积条件存在较大差异，可能是造成呼吉尔特矿区顶板富水性差异的控制性因素。因此，笔者从煤层顶板地质沉积相方面展开研究，分析其与钻孔出水层位、钻孔涌水量、工作面涌水量等方面的关系，以期查清呼吉尔特矿区矿井涌水特征及其沉积控制作用，为矿区水害防治工作提供科学依据。

1 研究区概况

呼吉尔特矿区位于鄂尔多斯剥蚀高原与陕北黄土高原过渡地带[15-16]的蒙陕接壤区，中东部地势较高，海拔1 340～1 410 m。呼吉尔特矿区属高原沙漠地貌特征，地表被毛乌素沙漠的第四系风积沙所覆盖[17-18]，多为新月形或波状沙丘，无基岩出露，地势平缓，渗透性能好，为大气降水入渗起到良好的导渗作用[19-21]；区内地表水系极不发育，仅在地势低洼、地下水位埋深较浅的滩地，雨后可形成局部积水。矿区属北温带半干旱半沙漠高原大陆性气候，四季寒暑巨变，当地气温在–27.9～+36.6℃，年降水量为194.7～531.6 mm；年蒸发量为2 297.4～2 833 mm，年蒸发量为年降水量的5～10 倍，植被稀疏，为生态环境极为脆弱的半荒漠区。呼吉尔特矿区主要生产矿井由北到南分别为葫芦素、门克庆、母杜柴登和巴彦高勒煤矿(图1)，主采侏罗系延安组2 号煤或3号煤，煤层埋深普遍大于600 m，属于典型的西部侏罗纪深埋煤田区。

图1 呼吉尔特矿区内各矿井相对位置示意Fig.1 Schematic diagram of the relative positions of the mines in Hujirt mining area

2 研究区沉积相特征

2.1 地层沉积规律

井下覆岩破坏实测结果表明，研究区煤炭开采形成的导水裂缝带可发育至直罗组底部，因此，主采煤层顶板延安组和直罗组是工作面回采过程中采空区涌水的直接充水水源，这两段地层各发育一套厚层粗—中砂岩段，其中，延安组的真武洞砂岩，岩性为灰白细粒硬砂质长石砂岩，砂岩段厚度3.2～16.0 m，发育板状斜层理、底冲刷侵蚀面；直罗组一段底部的七里镇砂岩，与下覆延安组呈不整合冲刷接触，厚度5.1～75.2 m，属于曲流河沉积。由于该区域直罗组古河流对延安组的冲刷侵蚀，导致呼吉尔特矿区局部区域2–1煤缺失，包括梅林庙井田南翼、门克庆井田南翼、沙拉吉达全井田、母杜柴登全井田以及巴彦高勒井田北部局部区域。

研究区4 座生产矿井中，中部的门克庆井田南翼和母杜柴登井田属于2–1煤缺失区域。直罗组一段七里镇砂岩底板标高较低，砂岩段发育较厚(17.7～75.2 m)；母杜柴登井田的局部区域侵蚀较深，使2–2煤也存在部分缺失(H128 钻孔)；北部的葫芦素井田、门克庆井田北翼及南部的巴彦高勒井田属于2–1煤发育区域，七里镇砂岩底板标高较高，砂岩段发育较薄(5.1～32.4 m)(图2)。

图2 呼吉尔特矿区煤层及七里镇砂岩发育情况剖面示意图Fig.2 Schematic diagram of the section of coal seam and Qilizhen sandstone development in Hujirt mining area

2.2 沉积作用分析

鄂尔多斯盆地延安组沉积之后，受燕山运动影响，研究区全面抬升，在其顶部形成一个区域性的侵蚀不整合面，造成延安组上部不同程度的剥蚀，且改变了延安组温湿气候、湖洼及湖沼地的古地理景观，在直罗组早期发育了一套河流相沉积，底界形成大型冲刷侵蚀面，侵蚀面之上为直罗组一段的七里镇砂岩，即七里镇砂岩由古河床冲刷形成，其底界面埋深反映古河床的下切深度，而砂岩厚度则反应古河床的发育规模。对比呼吉尔特矿区2–1煤缺失和七里镇砂岩发育条件发现，母杜柴登井田和门克庆井田南翼处于古河床冲刷带的中部[22]，岩性以中粗粒砂岩为主，河床宽度较大(井田尺度)，底部下切较深；而门克庆井田北翼、葫芦素井田及巴彦高勒井田则处于古河床冲刷带的两岸，在一个工作面范围内分流河道与分流间湾交替出现，形成七里镇砂岩段砂体的条带状分布特征。

3 直接充水含水层富水规律

3.1 直接充水含水层

研究区内葫芦素煤矿主采2–1煤，采高约2.5 m；门克庆、母杜柴登和巴彦高勒煤矿主采3–1煤，采高为4.5～5.0 m。根据巴彦高勒煤矿开展的井下导水裂缝带实测结果，呼吉尔特矿区煤层开采后(综采一次采全高)，导水裂缝带发育高度不超过采高的25 倍。因此，葫芦素煤矿2–1煤采后，导水裂缝带平均发育高度为62.5 m；门克庆、母杜柴登和巴彦高勒煤矿3–1煤采后，导水裂缝带发育高度不超过125.0 m。根据导水裂缝带发育范围内含水层地层结构，葫芦素煤矿的直接充水含水层为七里镇砂岩含水层，门克庆煤矿、母杜柴登煤矿和巴彦高勒煤矿的直接充水含水层为真武洞砂岩含水层和七里镇砂岩含水层。

3.2 疏放水钻孔涌水特征

为保障首采工作面的安全回采，各矿井对各工作面均施工了超前预疏放钻孔，结果发现，门克庆、母杜柴登和巴彦高勒煤矿的疏放水钻孔涌水主要来自七里镇砂岩含水层，真武洞砂岩含水层涌水量普遍较小甚至为干孔。以门克庆煤矿首采工作面(11-3101 工作面)为例，所有疏放水钻孔在揭露真武洞砂岩含水层时均未出水，钻孔出水点均位于2–2煤顶板的七里镇砂岩含水层。另外，巴彦高勒煤矿311201工作面采前共施工54 个预疏放钻孔，钻遇真武洞砂岩含水层时，涌水量为0～24.0 m3/h(平均4.7 m3/h)；当钻遇七里镇砂岩含水层时，涌水量为0.2～78.0 m3/h(平均涌水量14.89 m3/h)(图3)。总体上，真武洞砂岩含水层富水性显著弱于七里镇砂岩含水层。同时，真武洞砂岩含水层距离3–1煤较近，巷道掘进过程中已经对该含水层进行了一定的超前探放，因此，真武洞砂岩含水层富水性较弱、涌水量较小，属于工作面回采过程中的次要充水水源。

呼吉尔特矿区葫芦素、门克庆、母杜柴登和巴彦高勒矿井的工作面顶板疏放水钻孔涌水量差异显著(表1)，工作面疏放水钻孔涌水量与其顶板沉积相有较好的对应关系，即位于古河床冲刷带中部的门克庆南翼和母杜柴登煤矿钻孔涌水量较大，最大钻孔涌水量达到187 m3/h，平均涌水量分别为118 m3/h 和100 m3/h；位于古河床冲刷带两侧的葫芦素和巴彦高勒煤矿钻孔涌水量较小，最大钻孔涌水量不超过90 m3/h，平均涌水量不超过30 m3/h。

图3 呼吉尔特矿区巴彦高勒煤矿工作面顶板钻孔涌水量组成Fig.3 Composition of the water inflow from the roof aquifers of the working face of Bayangaole mine in Hujirt mining area

表1 呼吉尔特矿区各矿井首采工作面疏放水钻孔涌水量对比Table 1 Comparison of water inflow from drainage boreholes in the first mining face of different mines in Hujirt mining area

3.3 采空区涌水量变化规律

3.3.1 采空区涌水量变化特征

以母杜柴登煤矿首采工作面和巴彦高勒煤矿首采工作面涌水量变化过程为例，研究工作面回采过程中涌水量变化特征，并进行对比分析。

a.母杜柴登30201 工作面

母杜柴登煤矿首采工作面(30201 工作面)主采3–1煤，回采过程中涌水量的变化过程可以分为3 个阶段(图4)：

第一阶段：0～538 m 段。涌水量随着回采进尺的增加呈线性缓慢增加，总体涌水量较小，仅为0～100 m3/h。这是由于工作面采前疏放水时间较长，疏放较为彻底，顶板含水层静储量已基本疏放完全；且工作面顶板导水裂缝带是个缓慢向上发育的过程，该阶段只发育至真武洞砂岩含水层，未波及七里镇砂岩含水层。

第二阶段：538～561 m 段。随着工作面推采的持续进行，顶板破坏程度不断增大，导水裂缝带发育高度不断上升，在工作面回采至538～561 m 时，工作面基本顶发生大幅度垮落，导水裂缝带全面发育至七里镇砂岩含水层，该含水层水首次大量涌入工作面采空区，且该含水层富水性相对较强，导致工作面涌水量在短时间内出现一次“台阶式”增加，回采进尺仅23 m，涌水量却由100 m3/h 突增至327 m3/h。

561～2 853 m 段。母杜柴登井田处于古河床冲刷带的中心位置，顶板含水层富水性整体较强且较为均一，采空区涌水量随着导水裂缝带在顶板直接充水含水层波及面积的增大而呈线性增加，中间小幅波动主要由工作面顶板周期性垮落造成，导致涌水量从327 m3/h 逐渐增至927 m3/h。

第三阶段：2 853 m 至工作面回采结束(3 417 m)。工作面采空区范围内导水裂缝带已对七里镇砂岩含水层形成了充分的破坏，含水层疏降的降落漏斗范围基本稳定，工作面涌水量趋于稳定，采空区总涌水量稳定在920 m3/h 左右。

图4 呼吉尔特矿区母杜柴登矿井首采面涌水量变化曲线Fig.4 Curve of water inflow in the first working face of the Muduchaideng mine in Hujirt mining area

b.巴彦高勒311101 工作面

巴彦高勒煤矿首采工作面(311101 工作面)主采3–1煤，工作面回采过程中，涌水量经历了5 个阶段的变化(图5)：第一阶段(0～300 m)，随着回采进尺增加，涌水量由0 逐渐增至100 m3/h；第二阶段(300～1 000 m)，回采至338 m，涌水量由172 m3/h增至327 m3/h，之后基本保持稳定；第三阶段(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，之后基本保持稳定；第四阶段(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(为工作面最大涌水量)，该涌水量基本保持至工作面回采结束。整个工作面回采过程中，涌水量显著增加的阶段，基本与顶板含水层富水条带一致，顶板预疏放钻孔揭露发现该富水条带砂岩厚度较大，表明工作面煤层顶板含水层富水条带控制着回采过程中采空区涌水量的变化；在回采经过非富水条带区域时，涌水量也未出现下降，则表明该区域顶板含水层侧向补给较好。

图5 呼吉尔特矿区巴彦高勒矿井首采面涌水量与顶板富水条带关系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.沉积相对不同矿井工作面涌水量的控制作用

比较母杜柴登煤矿和巴彦高勒煤矿首采工作面涌水量可以发现，巴彦高勒煤矿首采工作面涌水量的变化过程与母杜柴登煤矿完全不同，不呈连续缓慢增长趋势，而总体呈现“台阶式”增加的变化过程，这是由于巴彦高勒井田位于直罗组一段古河床边缘的分流河道和间洼区域，七里镇砂岩含水层富水性相对较弱，且富水性极不均一，存在富水条带现象，是控制巴彦高勒矿井工作面涌水量大小和变化规律的主要因素，即在工作面回采过程中，当导水裂缝带沟通富水条带，涌水量即出现一次“台阶式”增加；在两处“富水条带”之间，由于富水性弱，涌水量则基本保持平稳。另外，工作面回采过程中涌水量的变化，还与工作面顶板垮落周期和导水裂缝带发育规律有关，其决定了顶板含水层水何时将进入工作面采空区。

3.3.2 各矿井采空区涌水量差异性

中生代地层沉积相和燕山构造运动作用下，呼吉尔特矿区4 对生产矿井的煤层顶板地质条件(沉积相)存在差异，该差异性控制了工作面顶板预疏放钻孔和回采过程中的涌水规律。

呼吉尔特矿区4 对矿井首采工作面回采结束后的稳定涌水量也存在较显著差异，葫芦素、门克庆、母杜柴登和巴彦高勒煤矿首采工作面采后稳定涌水量分别为592 m3/h、1 200 m3/h、920 m3/h 和490 m3/h (表2)，位于古河床冲刷带中部的门克庆南翼和母杜柴登煤矿首采工作面采后稳定涌水量最大；位于古河床冲刷带两侧的葫芦素和巴彦高勒煤矿首采工作面采后稳定涌水量较小。综上所述，地层沉积相是研究区煤层顶板充水条件的主控因素。

表2 呼吉尔特矿区4 对矿井首采工作面采后稳定涌水量对比Table 2 Comparison of stable water inflow after mining of the first working face

4 结论

a.呼吉尔特矿区导水裂缝带范围内，主要发育了曲流河沉积相的延安组真武洞砂岩段和直罗组七里镇砂岩段，厚度分别为3.2～16.0 m 和5.1～75.2 m。直罗组沉积期对延安组的冲刷侵蚀，导致门克庆、母杜柴登井田范围内2–1煤层缺失，且七里镇砂岩较厚(17.7～75.2 m)，其他未冲刷侵蚀区域的七里镇砂岩较薄(5.1～32.4 m)。

b.研究区各矿井工作面顶板预疏放钻孔涌水主要来自七里镇砂岩含水层，位于古河床冲刷带中部的矿井钻孔涌水量较大(平均大于100 m3/h)，位于古河床冲刷带两侧的矿井钻孔涌水量较小(平均小于30 m3/h)，与顶板沉积相有较好的对应关系；另外，工作面顶板砂岩厚度较大区域，往往在回采过程中采空区涌水量有显著增大现象。

c.煤层顶板地质条件(沉积相)的差异性，控制了工作面回采过程中涌水量大小，直罗组古河流冲刷带两侧广泛发育的富水条带，导致工作面涌水量呈“台阶式”变化。