袁大滩煤矿煤体含水形成机理及防治对策研究

刘瑞瑞

(陕西中能煤田有限公司，陕西 榆林 719000)

煤炭是由植物遗骸经过生物化学作用(泥炭化阶段)与物理化学作用(煤化阶段)而转变成的沉积有机矿产，是多种高分子化合物和矿物质组成的混合物。煤层一般被认为是良好的隔水层，而矿井开采期间的水害防治也主要集中于煤层顶、底板砂岩裂隙水或灰岩水的富水性研究，对于煤体含水的现象无论是揭露情况还是研究程度则较为缺乏，但煤体含水对采掘安全的威胁性却是不容小觑。袁大滩煤矿11201运顺掘进期间至1 712 m处，工作面煤层出水量增大明显，实测涌水量为152.48 m3/h，榆横矿区北部小纪汗煤矿2煤生产期间也出现煤体出水的情况。因此有针对性地分析煤体含水的形成机理，分析其赋存特征，制定有效的防治措施，对矿井水害防治具有重要的意义。

1 矿井地质及水文地质

袁大滩煤矿矿井地层由老至新依次为三叠系上统永坪组(T3y)、侏罗系下统富县组(J1f)、中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，白垩系下统洛河组(K1l)、第四系中更新统离石组(Q2l)、上更新统萨拉乌苏组(Q3s)及全新统风积沙(Q4eol)。袁大滩井田中生代地层简表详见表1。侏罗系中统延安组为主要的含煤地层，可采煤层共有7层，其中，2煤可采厚度约0～4.12 m，平均厚约2.09 m，煤层裂隙较为发育，一般充填有方解石脉。煤层顶板主要为细粒砂岩、粉砂岩，次为泥岩或中粒砂岩，底板主要为粉砂岩，次为细粒砂岩，中粒砂岩，炭质泥岩，砂质泥岩。

矿井主要含水层为第四系松散层及白垩系下统洛河组孔隙、裂隙潜水含水层、侏罗系直罗组砂岩孔隙、裂隙承压含水层及2-3-1煤间砂岩孔隙、裂隙承压含水层。矿井两个相对隔水层分别为侏罗系安定组相对隔水层及侏罗系延安组顶部至2煤顶板粉细砂岩相对隔水层，具体可见袁大滩煤矿先期开采地段含、隔水层段相对位置关系(图1)。其中，侏罗系直罗组砂岩孔隙、裂隙承压含水层是2煤开采的主要充水水源，含水层富水性极不均一。袁大滩煤矿巷道掘进期间始终伴随着煤层出水的情况，2煤巷道掘进直接充水水源为2煤煤层裂隙水和2煤顶板延安组砂岩孔隙裂隙水，主要充水方式以巷道顶板、侧帮滴淋水，出水量较大，但出水时间较短，与传统对煤岩层水文地质特征的认识有着很大的不同。

表1 袁大滩井田中生代地层

图1 袁大滩煤矿先期开采地段含、隔水层段相对位置关系

2 煤体含水形成机理分析

煤体含水层的形成应包含3个条件：① 煤体中应具有储水空间；② 具备储存地下水的地质结构；③ 具有一定的补给水源。三者缺一不可。

2.1 煤体孔隙、裂隙发育所形成的储水空间

煤体内的储水空间主要是由煤层内孔隙、裂隙组成。因此，其储水能力的大小受制于孔隙、裂隙发育的规模，而煤岩层孔隙、裂隙发育程度又受煤体本身结构、地压、地质构造等多因素影响。

袁大滩煤矿2煤组作为侏罗系延安组煤层，相较于石炭、二叠系含煤地层来说其沉积变质程度较低，属低煤阶煤层。煤层自身的孔隙较为发育，为煤体储水提供了储水空间。根据三维地震勘探成果，袁大滩煤矿共查明断层12条，古冲沟1处。断层全部为正断层，落差最大约为6 m，断层倾角一般约为45°～65°，其中可靠断层1条DF04：正断层，位于11201工作面中东部，Y3-4钻孔与Y4-4钻孔之间，走向NWW，倾向NEE，倾角45°～55°，落差0～6 m，区内延展长度80 m，切割2煤，顺槽掘进过程中未揭露。较为活跃地质构造活动，使煤体完整性遭到破坏，煤层裂隙密集发育，裂隙内一般充填有方解石脉或黄铁矿条带，使煤体具备了形成储水空间条件。

2.2 含隔水层的不同架构所形成的储水地质结构

含水层的构成一般包括2种类型：① “透水—含水—隔水”型；② “隔水—含水—隔水”型。只有在透水层下部形成有效的隔水层才能保证地下水不流失，形成具备储水能力的含水层。

2.2.1 顶板含水层分析

不同的沉积环境塑造了不同的地层结构，不同岩相组合所形成的不同地层结构导致了其含(隔)水性上的差异。根据《袁大滩煤矿首采区水文地质条件及水害立体防治技术研究》项目的研究成果，袁大滩煤矿直罗组主体以三角洲与河流沉积体系为主。三角洲与河流沉积相主要由河道沙坝亚相和河漫滩亚相组成，河道砂坝主要为中、细砂岩，具底冲刷面，见滞留沉积及大量植物碎片和碳屑。河漫滩亚相主要为粉砂岩与粉砂质泥岩或泥岩互层，见各种虫孔构造。根据袁大滩井田直罗组一段砂岩厚度图(图2)，先期开采地段井田北部直罗组一段含水岩层的砂体厚度及展布范围明显大于南部，砂体厚度达7.3～44.4 m，平均为23.9 m，砂体展布具有明显的条带性，总体方向呈NW-SE向。

图2 袁大滩井田直罗组一段砂岩厚度

根据以往的水文地质研究表明，袁大滩煤矿直罗组含水层距2煤顶板为0～67.23 m左右，厚度77.70～195.74 m，平均132.37 m。根据富水性强度的不同又将其划分为2段：① 直罗组上段厚度40.24～109.80 m，平均66.05 m，富水性较弱；② 直罗组下段厚度30.90～117.29 m，平均66.32 m，富水性较强，且富水性不均一，具有条带性。

2.2.2 底板隔水层分析

根据矿井钻孔剖面图，可以明显的发现，2煤底板一般沉积有1—2层厚约3～15 m的以砂质泥岩、泥岩为主的灰白色隔水层，其含泥量较高，在掘进中常出现遇水泥化的情况。

综合上述分析，2煤顶板直接充水水源为直罗组含水层，其富水性弱～强，距煤层顶板较近，具有条带式分布的特征，这一特征使煤体含水强弱存在一定的差异性和条带性；2煤底板为稳定的砂质泥岩、泥岩所构成的隔水层。总体的地层显现出“透水—含水—隔水”的结构特征，使煤体具备了成为含水层的条件。

2.3 地下水补给水源

含水层形成的第3个条件是需要稳定的补给水源，形成稳定的地下水流场。

根据《袁大滩煤矿先期开采地段水文地质补充勘探报告》成果，通过对ZLC-3、ZLC-7、ZLC-8号钻孔延安组煤系地层基岩裂隙含水层进行抽水试验，同时观测ZLG-3、ZLG-8、ZLG-10号钻孔侏罗系直罗组含水层水位变化情况并总结分析可知，延安组煤系地层基岩裂隙含水层富水性不均一，且与侏罗系直罗组含水层有一定的水力联系。

如图3所示，本区局部地区(如Y1-4、Y4-1钻孔附近)，由于直罗组时期古河床的冲刷作用，导致2煤顶板延安组地层(主要为J2y5岩性段)缺失，即缺失了第二相对隔水层段，隔水性能变差，直罗组含水层直接与2煤顶板接触，使得煤层直接顶板即为强富水含水层，这就为煤层富水提供了补给水源。

图3 煤层富水形成原因示意

2.4 形成机理总结

根据上述对煤体储水结构、地层结构、补给水源的多方面分析，基本理清了煤层成为含水层的几个要素，结合矿井采掘巷道实际出水情况，袁大滩煤矿2煤具备成为含水煤体的条件，煤层富水的主要原因为：直罗组强含水层与煤层顶板接触，且煤层本身裂隙较为发育，使得直罗组含水层中的水可以补给并储存在煤层中，造成煤层富水。

3 煤体含水的防治措施

根据煤层水害形成的特点分析，结合袁大滩煤矿井下采掘巷道涌水实际，总结煤体含水主要有以下3个特点。

(1)静储量为主，补给有限。由于煤层本身并非含水层，而只是储水空间，因此煤层水主要以静储量为主，补给有限。

(2)先期涌水量较大，后期会逐渐衰落。袁大滩煤矿煤层富水的情况与小纪汗煤矿极为相似，由于煤层含水以静储量为主，前期刚揭露时，涌水量较大，且随着揭露面积的增大，涌水量大幅增大，后期随着对煤层储水空间中静储量的消耗，涌水量会逐渐衰减。

(3)富水性不均一。由于煤层中裂隙发育程度不同，与补给区的距离不同等因素，煤层在不同区域富水性差别较大。

煤体的储水结构、煤岩层所构成的地层结构是人力无法改变或较难改变的。针对煤体含水的特点，结合当下较为有效的水害防治技术，提出了以“探”、“疏”、“排”为要点的煤体水害防治思路。“探”即物探，利用物探手段圈定超前区域富水异常区；“疏”即超前疏放煤体含水量，并截断上覆含水层的补给水源；“排”即建立完善排水系统，并利用煤层自然起伏形成自然导流沟渠。

袁大滩煤矿始终坚持着“逢掘必探、先探后掘”的防治水原则，鉴于井田总体构造形态呈向北西或北西西微倾的单斜构造，倾角小于1°，受煤层起伏影响，一般超前探布置2个钻孔，一个沿巷道掘进方向水平布置探煤层，另一个向上微倾探煤层顶板。此类钻孔的布置方式基本保证了矿井掘进安全，但对于煤层富水的疏放，减少煤层含水对掘进的影响方面则作用相对较小。

针对矿井实际情况，结合临近矿井在煤体含水治理方面所开展的工作，提出如下几点防治措施。

(1)推广应用物探技术：煤体含水层富水性受煤层孔隙、裂隙发育情况，补给强度大小的影响，易形成局部的富水异常区，利用瞬变电磁法等勘探手段可以较准确地圈定较强的富水异常区。例如，袁大滩煤矿水文地质补勘期间对先期开采地段2号煤进行了系统的物探，初步确定了6个低阻异常区，为2煤巷道掘进期间水害防治提供了可靠技术保障。

(2)有针对性地高强度疏放：根据“物探先行、钻探验证”的防治水手段，对于物探圈定的富水异常区，结合沉积相研究成果，对强富水区域开展有针对性的超前疏放水工作，主要是利用打钻方式进行验证并超前疏放。结合袁大滩煤矿井下生产实际，巷道掘进至物探圈定的低阻异常区时，煤层出水量明显增大，利用超前探放水钻孔施工及巷道自然疏放相结合的方式基本可满足探放水需要，有效避免水害事故发生或影响正常掘进。需要明确说明的是，煤体含水其连通性一般较差，水头压力较小，因此，疏放水钻孔的布置不能仅凭借单个钻孔，应根据出水位置合理的成组布置钻孔，如图4利用普通钻机及定向钻机相结合的不同布孔方式。

图4 普通钻机及定向钻机相结合的不同布孔方式

(3)因地制宜建设排水系统：袁大滩煤矿2煤总体呈东南高、西北低的趋势。以井田北翼为例，巷道在掘进期间一般为下山，局部由于煤层起伏或地质构造影响而出现上山的情况。对于上山掘进建议开挖临时水沟，使煤层出水自流至临时水窝后外排。下山掘进巷道的排水则需要因地制宜的去考虑排水方案，有如下几点建议：① 开挖临时水窝，水窝大小应根据巷道出水情况及水窝布置的密度决定；② 在巷道内每隔30 m左右开挖小型的隔水沟槽，将掘进头后方煤层出水倒流至临时水窝内，同时起到过滤的作用；③ 上述2种方法实施后，掘进头附近主要有生产用水及揭煤出水，建议在掘进设备两侧靠后提前开挖小型水泵窝，布置排污能力较强的大排量泥浆泵；④坚持“永临”结合，根据涌水量大小，在临时排水系统的基础上逐步建立完善工作面永久排水系统。

(4)煤体出水应采取多种手段并用的防治技术措施，不能依靠单一的方法来解决复合问题。如袁大滩煤矿11202回风顺槽掘进期间1 270 m处施工的定向长钻孔(当时迎头里程约1 350 m)，孔深819 m，单孔最大出水量达31.6 m3/h，鉴于当时矿井建设任务重、工期紧，且定向长钻孔疏放水周期相对较长，不具备实施有利条件，仅是针对11202回顺富水煤层进行初步试验，未能大面积推广应用，若是能够采取物探手段超前探查圈定富水异常区，采取多孔联合布置的疏放手段，建立完善工作面排水系统，富水煤层中高效采掘问题完全可以得到很好的解决。

4 结 语

(1)袁大滩煤矿煤体含水赋存于“透水—含水—隔水”型的区域地层结构中，受上覆岩层水源补给、煤体本身孔隙、裂隙发育情况的影响，其富水性总体较弱，通常以静储量为主，补给有限，先期涌水量较大，后期会逐步衰弱，且煤层富水性分布不均一。

(2)针对煤体含水的特点，提出了以“探”、“疏”、“排”为要点的煤体水害防治思路。利用物探手段确定靶区，采取有针对性的钻孔组合布置，提前对煤体进行疏放水，并因地制宜根据采掘情况布置排水系统，减少因煤体出水而导致采掘效率下降的情况发生。

(3)通过袁大滩煤矿煤体含水形成机理及防治对策初步研究，对陕北侏罗纪煤田榆横矿区部分矿井煤层含水现象有了更为深刻的认识，同时对全国范围内类似矿井煤层水害防治具有一定的指导意义。