侏罗系宝塔山砂岩水文地质特征与解危开采研究——以新上海一号煤矿为例

吕玉广，刘宝开，赵宝峰，吕文卿，韩 港，王永宝

侏罗系宝塔山砂岩水文地质特征与解危开采研究——以新上海一号煤矿为例

吕玉广1,2，刘宝开2，赵宝峰3，吕文卿4，韩 港2，王永宝2

(1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2. 内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 016299；3. 中煤科工集团西安研究院有限公司, 陕西 西安 710077； 4. 江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116)

西部矿区是我国重要的能源战略基地，侏罗纪煤田可采煤层多、资源储量丰富，中下组煤受“宝塔山砂岩”含水层严重威胁，但目前国内对该含水层研究较少、资料匮乏。以新上海一号煤矿“11·25”突水事故为例，采用延深排水钻孔、水文地质补充勘探、井下放水试验等手段，查明该含水层具有沉积结构复杂、富水性不均、静储量丰富、水头高、水压大、容易疏放等特点；通过安全隔水层厚度计算，说明“11·25”事故突水原因。SEM镜下显示砂岩为泥质胶结，块状结构，内生孔隙发育。以砂岩总厚度、砂地比、单位涌水量、渗透系数为主控因素，分析含水层富水性规律；预计正常情况下开采涌水量1 200.7 m3/h，最大涌水量1 860.84 m3/h，超出矿井排水能力。在水文地质单元边界条件分析的基础上，利用Visual MODFLOW建立非稳定渗流场三维数值模型，模拟4个放水阶段的解危效果，结果表明，历时215 d，放水量约487.6万m3，一分区18煤突水危险可以解除。

侏罗纪煤田；宝塔山砂岩；水文地质特征；放水试验；解危开采

砂岩含水层以其内部原生或次生孔隙裂隙为物理储水空间，砂岩与泥岩交互沉积，共同组成复杂的含水体系[1-2]。孔隙裂隙发育的复杂性及隔水层空间结构的复杂性，决定含水层富水程度不均一[3-5]。通常砂岩含水层富水性较弱，采场涌水持续时间短、总量少，但也有例外。

侏罗纪煤炭资源主要分布在晋、陕、甘、宁、蒙等地区，探明和预测的资源总量超过6 000亿t，已建成神东、陕北、宁东等大型煤炭基地，年产原煤超过10亿t[6-7]。目前多处于上组煤(5煤及以上煤层)开采阶段，受顶板侏罗系直罗组、白垩系洛河组及第四系萨拉乌苏组等含水层影响[8-9]。“宝塔山砂岩”是延安组含煤地层最下部含水层，王双明等[10]在《鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭资源评价》中进行了简略分析，后续鲜有研究，可供参考的资料十分匮乏，致使早期进入中、下组煤开采的矿井遭受突水后难以判断突水原因。不同于以往对砂岩含水层的认识，宝塔山砂岩具有水头高、水量丰富等水文地质特点，严重威胁着下组煤甚至是中组煤的开采安全。

2007年国家批准内蒙古上海庙矿区总体规划，矿区探明储量142亿t，远景储量500亿t，其中侏罗纪煤炭储量约占90%[11-12]，规划建设14对大型矿井，总产能约45 Mt/a。2015年11月25日，矿区新上海一号煤矿胶带暗斜井掘进过程中底板突水，稳定水量约3 600 m3/h，24 h内淹没矿井(“11·25”突水事故)。据后期水文地质补充勘探成果，证明21煤底板为宝塔山砂岩，水压高、富水性好，为“11·25”突水水源。事故调查时专家们根据突水特点，多倾向于深部奥灰突水的观点，推测未查明的隐伏构造导通灰岩水，可见对“宝塔山砂岩”认识的不足。笔者以新上海一号煤矿为例，详细介绍对宝塔山砂岩的认识过程，研究其水文地质特征、水化学特征及通过疏水降压解除18煤底板突水危险的可行性，推动上海庙能源化工基地建设，同时为西部侏罗纪中下组煤安全开采提供有益参考。

1 研究区概况

1.1 井田地质

新上海一号煤矿(简称一号煤矿)位于内蒙古自治区鄂托克前旗境内，距离宁夏回族自治区银川市约48 km，是基地最早建设的2对矿井之一[13]，设计生产能力4.0 Mt/a。侏罗系延安组含可采或局部可采煤层共21层，编号1—5层为上组煤，大部分遭受剥蚀；6—15层为中组煤，其中8煤、15煤为主采煤层；16—21层为下组煤，其中18煤、20煤为主采煤层。井田南北长约12.5 km，东西宽2.0~3.5 km，面积26.6 km2，总体为向东倾伏的单斜构造。井田东西两侧受落差大于150 m的逆断层控制，北以21煤层隐伏露头为界，南与榆树井井田相邻，井田内构造简单。风积沙丘、沙漠型地貌，地面高程约1 320 m。三叠系延长组为煤系基底，目前开采8煤、15煤，接续18煤。上海庙能源化工基地规划如图1所示。

图1 上海庙能源化工基地规划

根据2012年9月提交的《新上海一号煤矿建井地质报告》，矿井地层综合柱状如图2所示，此报告对宝塔山砂岩水文地质特征无描述。

矿井地层(含水层)自下而上简述如下：三叠系延长组(T3)，揭露厚度522.03 m，内陆湖泊相碎屑岩沉积建造，富水性弱，与上覆延安组假整合接触；侏罗系延安组(J2)厚度159.75~345.94 m，平均288.29 m，单位涌水量0.000 7~0.002 6 L/(s·m)，渗透系数0.003 0~0.186 5 m/d；侏罗系直罗组(J2)厚度0~270.05 m，平均119.07 m，河湖相沉积，下部中粗粒砂岩发育，单位涌水量0.008 4~0.117 0 L/(s·m)，渗透系数0.023 3~0.281 2 m/d，与上覆地层角度不整合接触。白垩系志丹群(K1)厚度122.03~300.10 m，平均188.28 m，上部以中、细碎屑岩为主，下部以砾岩为主，单位涌水量0.006 5~0.057 8 L/(s·m)，渗透系数0.005 5~0.288 3 m/d，与上覆地层角度不整合接触。古近系(E)厚度9.2~75.45 m，平均31.75 m，以砖红色泥岩为主，局部夹灰白色细砂岩、粉砂岩、中粗砂岩等，半胶结。第四系(Q)风积沙丘或冲积沙土，厚度1.00~29.4 m，平均6.86 m。

图2 新上海一号煤矿井田地层综合柱状图

1.2 井田开拓布局

矿井设计2个水平，一水平大巷高程+880 m，位于8煤内；二水平大巷高程+733 m，设计在21煤内。

井田东西两侧边界断层落差均大于150 m，为逆断层。井田内部以2条近东西向、落差15~20 m的断层为界，划分为3个分区，分区内2个水平间以暗斜井沟通，井田开拓布局如图3所示。

图3 井田开拓布局

目前采掘活动主要集中在一分区，开采8煤及15煤，正在准备二分区的8煤、15煤生产系统，计划5 a后接续开采一分区的18煤。

2 宝塔山砂岩水文地质条件探查

2.1 勘探与补充勘探

1953年开始，先后有石油系统、煤炭系统在本区开展地质勘探工作；1966—2004年，多家地质勘探单位在井田外围开展工作。2004年核工业地质勘查院在井田外围施工2个钻孔，二维地震测线35.13 km。2005年煤田勘探单位在井田内施工2个钻孔，均未对宝塔山砂岩含水层进行针对性探查。

2007年，井田内施工钻孔46个，共完成抽水试验9层次，其中的3层次混合抽水试验包含宝塔山砂岩的部分层段(表1)，混合抽水试验导致水文地质参数明显偏小，成果报告据此做出下组煤地层富水性极弱的结论。

表1 宝塔山砂岩部分层段抽水试验成果

2013年提交的《新上海一号井田水文地质补充勘探设计》以上部含水层为勘查对象，对下部含水层没有开展实质性水文工作，勘探成果报告参照以往区内其他矿井资料做出“18煤底板灰白色宝塔山砂岩易于识别……下组煤层段富水性极弱”的结论，煤矿设计院据此将二水平大巷设计在21煤内，为“11·25突水”埋下隐患。

区域上，宁东矿区灵新煤矿最下部煤层为18煤，19—21煤沉缺；上海庙矿区榆树井煤矿东南部19—21煤沉缺，西北部19—21煤均有赋存；新上海一号井田19—21煤全井田赋存。宝塔山砂岩位于煤系底部，为21煤的直接底板。

2.2 矿井突水

新上海一号煤矿一分区胶带暗斜井从+880 m水平巷开门，以–14°下山向+733 m水平延深，斜长543 m，地质剖面如图4所示。2015年11月25日上午8时左右，下山巷道掘进503 m时底板突水，伴有爆鸣声，实测突水量3 600 m3/h，经统计总突水量约1.34×106m3(“11·25”突水事故)，无人员伤亡。

由于胶带暗斜井和轨道暗斜井穿过18煤底板时未见含水层，以往施工的8煤111采区上山与胶带暗斜井在平面上重叠，未揭露过断层或其他构造，三维地震时间剖面上未发现构造异常，因此，限于当时资料不足，无法准确分析突水原因。

图4 一分区暗斜井地质剖面

2.3 排水钻孔延深

突水后，将矿井原定为强排系统钻孔的地面直1排水孔向下延深钻进，为了探查21煤底板是否有含水层，此钻孔与突水点平面距离约158 m。该孔向下延深钻进147.9 m发现21煤底板砂岩发育，单位涌水量0.246 9 L/(s·m)，渗透系数0.689 3 m/d。在井下正在涌水时开展的抽水试验，取得的参数偏小，预计该含水层富水性比试验结果更强。

2016年1月23日，该钻孔具备水位观测条件，2月29日堵水成功时，孔内水位高程+1 082.783 m，3月1日水位开始回升，2017年8月27日水位高程+1 194.437 m，回升了111.654 m。水位变化历时曲线如图5所示。

2019年7月，直1排水孔水位稳定在+1 198 m左右，如果考虑水头永久性损失，突水前原始水位应该高于+1 198 m。突水点高程+746 m，巷道底板下距含水层约13 m，则突水时巷道底板隔水层承受的水压超过4.65 MPa。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(2017年版)提供的经验公式，计算掘进巷道底板安全隔水层厚度：

式中：h为安全隔水层厚度，m；L为巷道底板宽度，取5.2 m；γ为底板隔水层平均容重，取0.026 MN/m3；KP为实测值0.3 MPa；p为隔水层承受的实际水压，取4.65 MPa。

计算的安全隔水层厚度略大于实际隔水层厚度，可以认定“11·25”突水原因为：21煤底板宝塔山砂岩水压高，突水前底板隔水层承受的水压达到了突水临界值。

2.4 补充勘探

依据2期水文地质补充勘探结果，宝塔山砂岩含水层由多层含砾粗砂岩和泥岩组合而成，砂岩有灰白色、砖红色2种，胶结疏松，岩心可用手搓碎(图6)。完成的13层次抽水试验结果显示，单位涌水量0.040 4~1.331 5 L/(m·s)，渗透系数0.286 0~2.105 3 m/d，富水性弱至强。

根据扫描电子显微镜(SEM)，从宏观(图7a)和细观(图7b)对比观测砂岩组成结构。砂岩为泥质胶结，或泥质与钙质混合胶结，块状结构，孔隙性较好，以中小孔隙为主；孔隙无序分布，呈多孔隙连通网络的复合结构。

图6 宝塔山砂岩岩心

2.5 井下放水试验

a.第1次放水试验 井下放水试验获取的水文地质参数更加符合实际[14]。以宝塔山砂岩为放水试验目标层，设计井下放水孔4个(编号F1—F4)，集中布置，孔间距15 m；井下观测孔7个(编号G1—G7)，分散布置，与地面B-6、ZH5、直1观测孔配合，形成观测网(图8)。井下钻孔在15煤巷道内开孔(15煤底板下距含水层约105 m)，穿过含水层5 m时终孔。

图7 砂岩SEM扫描图

由于地层厚度变化，第1个钻孔(G4)钻进至96 m，尚未达到下二级止水套管深度时，孔内开始渗水，30 min后呈喷涌状态，实测水量约380 m3/h，泥砂质量分数约5%(图9a)，携带的颗粒物最大直径8 cm(图9b)。

图8 第1次放水试验钻孔布置

图9 孔内冲出的泥砂与砾石

由于水量、水压超出预期，且二级止水套管来不及下入，为确保安全，G4孔注浆封闭，第1次放水试验终止。

b.第2次放水试验 吸取第1次放水试验经验，将试验方案进行了修改，井下4个放水孔数量不变，施工地点调整为在8煤巷道内开孔(8煤下距含水层约180 m)；利用地面13个宝塔山砂岩水文长观孔观测水位；由二级套管改为三级套管。放水孔与观测孔平面布置如图10所示。

图10 第2次放水试验钻孔布置

放水孔揭露含水层后孔内顶钻现象严重，4个放水孔均未达到设计孔深，进入含水层5~12 m即终孔，施工现场出水情况如图11所示。

图11 钻孔揭露含水层出水现象

试验过程分为试放水、单孔放水、多孔叠加放水、水位恢复4个阶段，共历时88 d，总放水量388 679 m3。单孔平均放水水量237.91 m3/h，多孔平均放水水量444.10 m3/h。B-45观测孔水位下降101.91 m(与放水孔平距560 m)，B-37观测孔水位下降6.1 m(5 km以外)，放水试验期间各观测孔水位历时曲线如图12所示，每次观测时间为当天零时零分。求得含水层单位涌水量平均0.928 1 L/(s·m)，渗透系数平均0.827 m/d。限于篇幅，其他试验结果不再详述。

2.6 宝塔山砂岩水文地质特征

综合地面勘探资料和放水试验成果，总结宝塔山砂岩水文地质特征如下：

a.沉积结构复杂 宝塔山砂岩由3~9层含砾粗砂岩和4—11层泥岩交替沉积，构成结构复杂的含水岩组，总厚度76.5~126.8 m，其中砂岩厚度18.55~95.05 m，平均54.23 m。21煤与含水层之间隔水层厚度0~29.55 m，平均5.62 m；18煤与含水层之间隔水层厚度22.47~83.8 m，平均51.63 m。

图12 观测孔水位变化历时曲线

b.富水性不均 采用多因素融合方法[15-16]初步评价宝塔山砂岩富水性规律，砂岩厚度、砂地比(砂岩厚度与地层厚度比值)、单位涌水量、渗透系数4个地质参数作为富水性控制因素，数据见表2。由于参数较少、层次结构简单，直接采用专家评分方法对各参数权重赋值。专家认为，4个参数同等重要，权重值均为0.25。各参数原值乘以权重值后进行归一化处理，归一化后的各参数值相加，再次进行归一化处理，取值区间[0,1]，得到富水性指数(表2)，绘制宝塔山砂岩富水性指数等值线，如图13所示。

表2 富水性指数

图13 富水性指数等值线

从图13可以看出，含水层富水性有明显差异，较强富水区斜跨井田，南北部富水性较弱。

c.水头高、水压大 目前，含水层水位高程+1 181.800~1 230.527 m；水位埋深87.39~144.39 m，平均127.18 m(图14)。18煤底板承受水头压力2.602~ 6.580 MPa，平均4.349 MPa，含水层具有水头高、水压大的特点。经计算，18煤底板突水系数为0.04~0.36 MPa/m，绝大部分区块有突水危险。

图14 水位埋深等值线

d.静储量丰富 第2次放水试验总排水近40万m3，恢复水位后水头损失仅20 m左右。井田内仅有直罗组含水层1个抽水试验点达到弱富水条件，其他含水层及边界断层外侧延长组含水层的富水性均为极弱，外来补给水源十分有限，可以说明宝塔山砂岩自身弹性释水能力较强。采用大井法预计18煤开采时正常涌水量1 200.79 m3/h，最大涌水量1 860.84 m3/h，远超过矿井排水能力。

e.水化学特征 水质类型为Cl·SO4-Na型，矿化度1 453.37~3 219.84 mg/L，pH值8.05~9.21。

f.容易疏降 采用下式判别含水层可疏放性：

式中：为水位降深，m；为涌水量，m3/min。0>10时，补给较弱，容易疏降；3 min/m2≤0≤10 min/m2，补给较强，可以疏降；0<3 min/m2，补给很强，不易疏降。

根据一号煤矿13个钻孔抽水试验数据及井下放水试验数据计算，宝塔山砂岩含水层0min/m2值为10.9~442.2 min/m2，远大于10，结合补给水源、渗透系数数据，综合判断宝塔山砂岩水容易疏降。

3 解危设计与效果预计

3.1 放水钻场

根据矿井生产计划，18煤首先开采一分区。根据井下巷道条件，设计4个放水钻场(图15)。1号钻场：利用第2次放水试验4个放水孔放水，开孔层位8煤，高程+883 m，距离中央水仓较近，便于排水。2号钻场：位于114采区轨道上山与胶带上山联络巷内，开孔层位15煤，高程+916 m，便于敷设排水管路排水。3号钻场：位于一分区胶带暗斜井，开孔层位18煤，高程+766 m，在2号钻场放水掩护下施工。4号钻场：位于井田东部114辅助轨道下山内，开孔层位15煤，高程+735 m。

3.2 效果预计

根据《煤矿防治水细则》(2018版)规定，采煤工作面底板受构造破坏地段突水系数一般不得大于0.06 MPa/m，隔水层完整无构造破坏的地段不得大于0.1 MPa/m。本区煤层底板为弱胶结软岩地层，岩石单轴抗压强度平均5.9 MPa[17]，故将0.06 MPa/m设为临界突水系数，断层则留设防水煤(岩)柱。

Visual MODFLOW是目前国际上最常用的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统[18]，基于该系统建立宝塔山砂岩含水层地下水非稳定流三维数值模型，上下边界及东部边界为隔水边界，西部、北部及南部为给定水头边界(GHB)[19-20]，分别设定含水层边界导水系数，模型边界条件见表3。

根据矿井排水能力，分4个阶段递进式控制放水并预计疏降解危效果。

第1阶段：1号钻场4个放水孔同时放水，按单孔流量2 000 m3/d，模型运行时间3 480 h(145 d)后，渗流场趋于稳定。根据模拟水位及隔水层厚度，绘制18煤底板突水系数等值线图(图15a)，仅小范围内突水系数小于0.06 MPa/m。

图15 分阶段放水突水系数预测

表3 数值模型边界条件设定

注：为导水系数，m2/d。

第2阶段：1号和2号钻场(6孔)同时放水，单孔流量按2 000 m3/d，模型总运行时间4 224 h(176 d)时，2号钻场水位趋近于孔口高程，渗流场趋于稳定。此时，18煤底板突水系数等值线如图15b所示，安全区进一步扩大。

第3阶段：第2阶段放水末期3号钻场投入使用，单孔流量控制2 000 m3/d，模型总运行时间4 872 h(203 d)后，1号钻水位趋近于孔口高程，水量趋于零，渗流场趋于稳定。18煤底板突水系数等值线如图15c所示，一分区大部分突水系数小于0.06 MPa/m。

第4阶段：在第3阶段放水末期4号钻场投入使用。单孔流量均控制2 000 m3/d，模型总运行5 160 h(215 d)后，渗流场趋于稳定。18煤底板突水系数等值线如图15d所示，一分区95%的范围内突水系数小0.06 MPa/m，达到疏干解危状态。

数值模拟过程表明，经历4个放水阶段、总历时215 d后，预计放水量约487.6万m3，一分区18煤底板突水危险得到解除，后期放水量稳定在4 000 m3/d左右。第2个放水阶段结束后，西部埋藏较浅的工作面可以回采，实现回采与后续放水同步进行。

4 结论

a.宝塔山砂岩是若干层含砾粗砂岩的组合，胶结疏松，孔隙及裂隙发育，水头高，水位埋藏浅，相对于煤层埋深水压大，弹性释水能力强，富水性不均，水质为Cl·SO4-Na型，矿化度1 453.37~ 3 219.84 mg/L，pH值8.05~9.21，具有较好的可疏性，对延安组中下组煤的开采安全威胁较大。

b.新上海一号煤矿“11·25突水”水源为宝塔山砂岩含水层，由于隔水岩层不足以抵抗4.65 MPa的水头压力而突水。18煤带压2.602~6.580 MPa，突水系数0.04~0.36 MPa/m，预计正常涌水量1 200.79 m3/h，最大涌水量1 860.84 m3/h，超出矿井排水系统的排水能力。

c.基于非稳定渗流场Visual MODFLOW数值模拟，设计4个放水钻场，控制流量分阶段放水，预计历时215 d，总放水量约487.6万m3，一分区10个采煤工作面突水危险可以解除。

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Hydrogeological characteristics and danger-solving mining of Jurassic Baotashan sandstone—A case study in New Shanghai No.1 coal mine

LYU Yuguang1,2, LIU Baokai2, ZHAO Baofeng3, LYU Wenqing4, HAN Gang2, WANG Yongbao2

(1. School of Resources and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. Inner Mongolia Shanghai Temple Mining Co. Ltd., Ordos 016299, China; 3. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 4. Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology, Xuzhou 221116, China)

The western mining area is an important energy strategic base in China. The Jurassic coalfields have many mineable coal seams and rich resources. The middle and lower coal seams are seriously threatened by the “Baotashan sandstone” aquifer. However, the research on this aquifer is few and the data is scarce in China. Taking the “11·25” water inrush hazard of New Shanghai No.1 coal mine as an example, the extended drainage drilling, supplementary hydrogeological exploration and underground water drainage test were carried out. It was found that the aquifer was characterized by complex sedimentary structure, uneven water-rich, abundant static reserves, high water head, large water pressure and easy drainage. SEM showed that the sandstone is of argillaceous cementation, massive structure, and endogenous pore development. Taking the total thickness of sandstone, the ratio of sand to land, the unit water inflow and the permeability coefficient as the main controlling factors, the law of water-rich property of the aquifer was analyzed. It was estimated that under normal conditions, the water inflow is 1 200.7 m3/h and the maximum water inflow is 1 860.8 m3/h, which excess the capacity of mine drainage. Based on the analysis of the boundary conditions of hydrogeological units, a three-dimensional numerical model of unsteady seepage field was established by Visual MODFLOW, and the crisis-solving effects of four drainage stages were simulated, the danger of water inrush from 18 coal seam in one district could be relieved.

Jurassic coalfield; Baotashan sandstone; hydrogeological characteristics; drainage test; crisis-relief mining

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TD713

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.023

1001-1986(2020)06-0170-09

2020-06-23；

2020-09-22

国家自然科学基金项目(41807221)；鄂尔多斯市2019年度科技计划资助项目

National Natural Science Foundation of China(41807221)；Science and Technology Plan Funding Project of Ordos City in 2019

吕玉广，1969年生，男，江苏宿迁人，博士研究生，研究员，从事煤矿水害防治技术管理工作. E-mail：lvyg691208@126.com

赵宝峰，1981年生，男，河北涉县人，博士，研究员，从事矿井水害防治与研究工作. E-mail：sunman1220@163.com

吕玉广，刘宝开，赵宝峰，等. 侏罗系宝塔山砂岩水文地质特征与解危开采研究——以新上海一号煤矿为例[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(6)：170–178.

LYU Yuguang，LIU Baokai，ZHAO Baofeng，et al. Hydrogeological characteristics and danger-solving mining of Jurassic Baotashan sandstone：A case study in New Shanghai No.1 coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：170–178.

(责任编辑 周建军)