呼吉尔特矿区深埋煤层顶板“七里镇砂岩”富水特征研究

孙 洁

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司,西安 710054； 2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室,西安 710054)

呼吉尔特矿区位于鄂尔多斯盆地中北部，以毛乌素沙漠高原地貌为主[1-2]，地形波状起伏，切割较弱，属干旱—半干旱大陆性气候[3]，降水稀少[4]，蒸发强烈，生态环境十分脆弱[5-6]。在区域上，由于中生代较稳定的构造条件和相对贫乏的粗粒碎屑供应，形成了非常丰富的煤炭资源。呼吉尔特矿区的含煤地层埋藏深度普遍超过500m[7-8]，煤质优良[9-10]、构造简单[11]。延安组沉积之后，燕山构造运动导致研究区地层全面抬升，在延安组顶部形成区域性的侵蚀不整合面，造成延安组上部不同程度的剥蚀；在直罗组早期发育了一套河流相沉积，延安组侵蚀面之上形成直罗组一段“七里镇砂岩”[12-13]，是该地区对煤炭开采有较大水害威胁的直接充水含水层[14]。但是，呼吉尔特矿区相对于邻近的神东矿区，属于新开发区域，已经开发建设的矿井，煤层赋存条件、顶板地层结构和“七里镇砂岩”富水性等存在一定差异，反映了研究区水文地质条件不太清楚[15-16]，导致难以形成有针对性的和科学有效的防治水技术，多个矿井在基建和生产过程中发生了多种类型的水害问题[17-19]，其突水水源基本为煤层顶板的“七里镇砂岩”含水层水，例如巴彦高勒首采工作面回采过程中，就出现了工作面涌水量突然急剧增大，导致工作面部分被淹，因此非常有必要开展该区域煤层顶板沉积相发育及岩相古地理特征研究，确定“七里镇砂岩”等砂岩段空间展布规律，并在此基础上利用矿井采掘活动对直接充水含水层的揭露，查清煤炭开采扰动下的含水层之间水力联系、“七里镇砂岩”含水层富水性等水文地质特征，为呼吉尔特矿区深部煤炭资源安全开采提供防治水方面的科学依据。

1 研究区地质及水文地质特征

矿区位于蒙陕交界的呼吉尔特矿区，总面积为3 331.7km2，其中位于矿区中南部的先期开采区面积417km2，母杜柴登、葫芦素、门克庆和巴彦高勒等矿井已经进入生产阶段。矿区地表全部被第四系风积沙覆盖，多为新月形或波状沙丘，没有基岩出露；植被稀疏，为半荒漠地区，沙丘及沙地间常分布有大小不等的积水洼地，没有地表水系，地形相对高差为10～30m。

根据钻孔揭露，呼吉尔特矿区含煤地层为侏罗系中统延安组，可采煤层包括2、3、4、5、6号煤组，其中2-2煤、3煤、6煤为全区可采的较稳定—稳定煤层，2-1煤为大部可采的较稳定—稳定煤层。依据沉积旋回和岩性组合特征，煤层顶板以上主要发育中侏罗统直罗组和安定组、下白垩统志丹群、第四系，具体特征如下：

1)直罗组上部为灰紫、暗紫色泥岩，中夹灰绿色砂质泥岩、粉砂岩呈互层出现；下部为灰绿、青灰色中—粗砂岩，含炭屑，中夹粉砂岩、砂质泥岩；地层厚度175.4～216.15m，平均195.78m，与下伏延安组呈平行不整合接触。

2)安定组为浅灰、灰绿、黄紫褐色泥岩、砂质泥岩、细砂岩及粉砂岩，含钙质结核，与顶部的志丹群相比，泥岩及砂质泥岩的含量明显增多；地层厚度53.3～82.18m，平均67.74m，与下伏直罗组呈整合接触。

3)志丹群为一套浅紫、紫红色细砂岩与灰白色中—细砂岩互层，岩石成分以石英、长石为主，分选及磨圆度较差，泥质胶结，具大型槽状、板状交错层理；地层厚度332.1～355.05m，平均343.6m，与下伏安定组呈不整合接触。

4)第四系主要由全新统风积物和更新统萨拉乌苏组冲湖积物组成，厚度17.17～44.5m，平均27.76m。全新统主要由浅黄色、灰白色砂及亚砂土组成，全区分布；萨拉乌苏组主要由细砂、粉砂、亚黏土、亚砂土组成，与上部风积沙构成一个统一含水体；第四系与下伏白垩系志丹群呈不整合接触。

受层序地层格架、岩性组合特征及地下水水力性质控制，煤层顶板主要发育第四系松散孔隙含水层、白垩系孔隙裂隙含水层和侏罗系砂岩裂隙含水层，具体特征如下：

1)第四系松散孔隙含水层由全新统风积砂和更新统萨拉乌苏组冲湖积砂组成，地下水位埋深较浅，含水层厚度8.59～29.99m，钻孔单位涌水量0.37～4.13 L/(s·m)，渗透系数4.01～15.17m/d。

2)白垩系与上覆第四系孔隙含水层无稳定隔水层，砂岩孔隙裂隙发育，连通性好，渗流畅通，径流条件较好；砂岩厚度含水层厚度217.7～328.4m，分布较为稳定，钻孔单位涌水量0.11～0.29L/(s·m)，渗透系数0.003 3～0.114 1m/d，富水性中等，富水性均匀。

3)侏罗系砂岩裂隙含水层(2煤顶板)固结程度较高、泥岩及砂质泥岩的含量明显增多、部分地段裂隙被充填，含水层厚度52.5～149.374m，水位标高+1 276.13～+1 310.21m，钻孔单位涌水量0.003 3～0.177 0L/(s·m)，渗透系数0.002 0～0.152 8m/d，砂岩含水层富水性弱—中等。

2 顶板地质结构特征

研究区侏罗系整体表现为曲流河、三角洲沉积，白垩系为沙漠沉积。由于安定组时期浅湖沉积面积进一步扩大，岩性以砂质泥岩和泥岩为主，为区域性隔水性能较好的相对隔水层，且与煤层距离较大(>150m)，因此延安组三段和直罗组中富水层段是煤层开采的直接充水含水层。利用岩心、露头、测井和高分辨率地震剖面，进行高分辨率层序地层学研究，识别准层序级界面，河流是内陆盆地中最为活跃的活动水系，是陆源碎屑的主要携带者，根据河道砂体几何形态、相序特征和相变关系，确定直罗组一段下部(即“七里镇砂岩”)为辫状河沉积(图1)，河道基底侵蚀冲刷面上为厚层粗粒砂岩，厚度以10～20m居多，东薄西厚；利用不同级次基准面旋回中砂地比值，可以确定研究区直罗组一段发育有河床(砂地比>0.4)、古河道边部(砂地比0.3～0.4)和河漫滩(砂地比<0.3)，其中有多条古河床呈NNW-SSE向展布，河床之间依次为河床边部、河漫滩、泛滥平原沼泽沉积。直罗组二段为大型板状交错层理的河道砂坝沉积，顶部为不发育的洪泛平原亚相薄层泥岩，自下而上显正旋回层序。

延安组三段上部以曲流河沉积为特点，主要由河道砂坝亚相和河漫滩亚相组成，垂向上具有下粗上细的“二元结构”，以河漫滩沉积较发育为特征，旋回比较完整，其中较粗粒岩段为“真武洞砂岩”，砂体保存差异性较大，大部分地区厚度为4.0～10m；“真武洞砂岩”段古河床也为NNE-SSW向展布，河床宽缓，河床边部或分流河道边部的砂地比值为0.3～0.4，古河道中部的砂地比为不小于0.6。

在陆相古地理环境演化和沉积成岩作用下，在煤层顶部形成了数层区域上较稳定的中粗砂岩、砂砾岩层段，包括延安组三段的“真武洞砂岩”、直罗组一段的“七里镇砂岩”，其中“七里镇砂岩”段厚度大、粒径粗，具备较好的赋水条件。

图1 研究区H09孔直罗组一段辫状河沉积柱状图

3 顶板含水层富水特征

3.1 顶板钻孔疏放水特征

根据呼吉尔特矿区导水裂缝带实测结果[1，20]，煤层开采后(综采一次采全高)导水裂缝带发育高度为采高的25倍左右，矿区葫芦素、门克庆、母杜柴登和巴彦高勒4个矿的导水裂缝带均可发育至直罗组一段的“七里镇砂岩”。由于葫芦素开采2号煤，其主要充水含水层为“七里镇砂岩”含水层；门克庆、母杜柴登和巴彦高勒开采3-1煤，主要充水含水层为延安组“真武洞砂岩”含水层和直罗组“七里镇砂岩”含水层。根据门克庆、母杜柴登和巴彦高勒的钻孔涌水情况可以发现，钻孔涌水主要由“七里镇砂岩”含水层贡献，“真武洞砂岩”含水层涌水量极小，甚至很多钻孔在该含水层并不出水，因此可以确定，“七里镇砂岩”含水层是该地区煤层顶板最主要的直接充水含水层。各矿井首采工作面疏放水钻孔的初始水量和水压结果显示，不同矿井的“七里镇砂岩”含水层富水性差异极大(表1)，其中矿区中部区域(门克庆和母杜柴登)富水性较好，矿区两侧区域(葫芦素和巴彦高勒)富水性较差。

表1 矿井首采面顶板疏放水孔水量和水压特征

结合研究区古地理环境演化和层序地层结构分析，母杜柴登和门克庆井田2-1煤缺失，相应的延安组顶部“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，2-2煤也存在部分缺失；与之相反，葫芦素和巴彦高勒井田的2-1煤较完整，“七里镇砂岩”底板标高较高，砂岩段发育较薄(5.1～32.4 m)。钻孔涌水量与“七里镇砂岩”厚度的对应性较好，表明“七里镇砂岩”是研究区煤层顶板充水关键含水层。

3.2 单个矿井涌水特征

以巴彦高勒矿井为例，整个矿井从井下巷道掘进开始，随着多个工作面回采，矿井涌水量逐渐增大，可以大致分为以下几个阶段：

1)2011年5月10日至2013年5月8日为建井阶段，随着巷道掘进进尺的增加，矿井涌水量从0.0m3/h逐渐增大至248.0m3/h。

2)2013年5月8日至2016年11月10日为11盘区3个工作面回采期，矿井涌水量从248.0m3/h增至939.0m3/h。

3)2016年11月10日至2017年5月30日为2盘区201工作面回采期，矿井涌水量从939.0m3/h增至1 346.0m3/h。

巴彦高勒矿井涌水量总体呈现出“台阶式”上升的趋势，随着采空区面积的增大而不断增大。此过程中还出现了两个现象：一是由于顶板含水层富水性不均一，回采过程中覆岩周期性发育，导致小的涌水峰值周期性出现；二是每个盘区的首采工作面开始回采，矿井涌水量会出现较大增长，例如11盘区的311101工作面和12盘区的311201工作面。另外，矿井涌水量“台阶式”上升的特点，在其他矿井也存在相似的规律。

3.3 煤矿群排水特征

呼吉尔特矿区的葫芦素、门克庆、母杜柴登、巴彦高勒四个煤矿均已进入正式生产阶段，从矿井建设到工作面回采，在井下采掘扰动作用下，实际上对呼吉尔特矿区煤层顶板直接充水含水层(“七里镇砂岩”段和“真武洞砂岩”段)进行了将近10a的大型煤矿群(近4 000万t产能)超大型疏放水，这4个煤矿的总涌水量(图2)和总排水量呈如下规律：

1)呼吉尔特矿区从2012年开始，矿区涌水量也随着井下巷道掘进进尺的增加而持续增加，但增加幅度较缓慢(从0.0m3/h逐渐增至约1 000.0m3/h)。

2)2014年5月开始，呼吉尔特矿区第一个工作面开始回采(巴彦高勒煤矿311101工作面)，顶板导水裂缝带沟通“七里镇砂岩”含水层(回采进尺320m)，涌水量出现了一个台阶式增加，从1 013.74 m3/h增至1 683.63m3/h。

3)2016年10月以后，四个煤矿均开始工作面回采，随着采空区范围逐渐增大，导致对煤层顶板直接充水含水层的破坏也越来越大，矿区涌水量从3 065.17m3/h快速增加至7 029.75 m3/h。

呼吉尔特矿区煤矿群的直接充水含水层超大型疏放，形成了延安组三段“真武洞砂岩”含水层和直罗组一段“七里镇砂岩”含水层的区域性降落漏斗(图4)，总体呈以下规律：

1)“真武洞砂岩”含水层在2014年12月的水位标高为+1 254.01m，由于工作面回采过程中覆岩破坏发育至该含水层，到2015年10月，急剧降低至+942.56m，累计下降了311.45m，后期随着多个工作面的持续回采，水位呈继续下降趋势，现阶段水位约+800m。

图2 煤矿群排水过程中含水层水位变化曲线

2)“七里镇砂岩”含水层两个监测孔，距离回采工作面较近的SD1孔，水位累计下降156.62m；距离回采工作面较远的SK3孔，水位累计下降57.24m，表明“七里镇砂岩”含水层水位也出现了明显下降，且以降落漏斗形式存在。

3)浅部白垩系含水层水位(观1孔)基本稳定在+1 300.0m，表明白垩系含水层与深部侏罗系延安组和直罗组含水层之间水力联系较差，煤炭开采不会对白垩系地下水产生直接影响。

4 结论

1)陆相古地理环境演化和沉积成岩作用下，呼吉尔特矿区中生代地层主要发育砂泥岩互层结构，在延安组煤层顶部形成了“真武洞砂岩”“七里镇砂岩”等颗粒较粗、孔隙率较大的层段，具备较好的赋水条件。

2)研究区顶板疏放水钻孔涌水量呈“两侧小、中间大”的特点，且出水点主要位于“七里镇砂岩”段，顶板疏放水钻孔涌水量与“七里镇砂岩”厚度的对应性较好，表明“七里镇砂岩”含水层是该地区煤层顶板最主要的直接充水含水层。

3)各矿井涌水量总体呈现出“台阶式”上升的趋势，随着采空区面积的增大而不断增大；由于顶板含水层富水性不均一，回采过程中覆岩周期性发育，导致小的涌水峰值周期性出现。

4)对呼吉尔特矿区煤层顶板直接充水含水层进行大型煤矿群超大型疏放水，矿区涌水量随着井下采掘活动强度的增加而持续增加，这个过程中“真武洞砂岩”和“七里镇砂岩”含水层水位下降明显，白垩系水位基本不变，表明研究区煤炭开采不会对白垩系地下水产生直接影响。