侏罗纪煤田煤层底板砂岩水害特征与防治技术

2021-10-08赵宝峰吕玉广

中国煤炭 2021年9期

赵宝峰，吕玉广

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西省西安市，710054;(2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西省西安市，710177;(3.内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，016299)

西北侏罗纪煤炭资源储量达3.46×1012t以上，占全国煤炭资源总量的62.3%左右[1]，随着我国煤炭生产重点的西移，侏罗纪煤炭资源开发在国民经济发展中具有重要的战略地位[2]，这一区域主要开采煤层的上覆岩层中广泛发育有砂岩裂隙含水层和第四系松散含水层，受顶板水害威胁严重[3]，近些年来围绕顶板水害条件探查与分析[4-7]、涌水量预测[8-9]、导水裂隙带发育高度[10-11]、水害形成机理[12-15]、综合防控技术[16-19]等方面开展了大量研究，取得丰硕的成果，保障了受顶板水害威胁工作面的安全生产。

随着侏罗纪煤田开拓水平逐步向深部延伸，一种新型的水害开始引起人们关注——底板砂岩水害。神东矿区布尔台矿22201工作面回风巷掘进时，揭露E91封闭不良钻孔导通22号煤层底板煤系地层底界延安组三叠系顶界延长组之间的粗砂岩含水层，单孔涌水量达70 m3/h，水压0.22 MPa[20]；宁东煤田鸳鸯湖矿区梅花井煤矿6号煤层和10号煤层工作面2次揭露同一个封闭不良钻孔，导通底板宝塔山砂岩含水层，涌水量分别为25 m3/h和31 m3/h，18号煤层首采工作面机巷施工过程中发生底板涌水，涌水量为60 m3/h，水压0.25 MPa；碎石井矿区灵新煤矿风井掘进揭露封闭不良钻孔发生集中涌水，底板涌水量达120 m3/h。

以往认为延安组含煤岩系含水层富水性和渗透性较差，特别是煤层底部的宝塔山砂岩含水层厚度较薄，对煤层开采的影响和威胁程度较小，从而忽视了对其水文地质条件的探查及采取相应的防治水措施，当封闭不良钻孔或巷道揭露含水层后，就造成了底板砂岩水害事故的发生。笔者以鄂尔多斯盆地西缘新上海一号煤矿胶带暗斜井掘进过程中发生的底板砂岩水害事故为例，针对侏罗纪煤田煤层底板砂岩含水层水文地质条件开展系统研究，通过专项水文地质补充勘探、大流量大降深放水试验和水化学分析等，查明了底板砂岩含水层水文地质条件，对底板砂岩水害特征进行了总结，并提出具体的防治技术。

1 矿井及水文地质条件

1.1 矿井概况

鄂尔多斯盆地西缘新上海一号煤矿主采侏罗纪延安组煤层，资源储量5.19亿t，可采储量3.37亿t，设计生产能力4.0 Mt/a，服务年限60.2 a。矿井分为2个水平，一水平大巷标高+880 m，布置在八煤层，二水平大巷标高+733 m，布置在二十一煤层，两个水平大巷之间采用暗斜井联系。

1.2 矿井水文地质条件

井田内主要含水层由上至下分别为新生界松散潜水含水层和基岩裂隙承压含水层，后者又可进一步分为白垩系、直罗组与含煤岩系含水层(包括八煤层顶板、八煤层至十五煤层、十五煤层至二十一煤层、二十一煤层至三叠系含水层)，根据地质勘探与浅部含水层水文地质补充勘探资料，白垩系与含煤岩系含水层富水性均为弱，直罗组含水层除了小范围富水性为中等，其他大部分区域富水性为弱，井田主要含水层水文地质参数见表1。从前期勘探成果分析，井田内主要含水层富水性弱，水文地质条件简单。

表1 井田主要含水层水文地质参数

2 侏罗纪煤田煤层底板砂岩水文地质条件与水害特征

2.1 煤层底板砂岩水害概况

井田分为4个分区2个水平开采，2个水平分别为+880 m和+733 m，前期采掘活动在一分区一水平内，二水平大巷设计在二十一煤层内，一水平和二水平通过3条暗斜井联系。一分区胶带暗斜井设计坡度-14°，下山总长度550.9 m，掘进至520 m(掘进工作面标高+746.4 m)处巷道底鼓，继而发生集中涌水，涌水量峰值3 620 m3/h左右。涌水点位置如图1所示。

图1 涌水点位置

从井田主要含水层水文地质条件来看，除了直罗组含水层小范围区域为中等富水性外，其余各含水层均为弱富水性，不具备作为高强度涌水水源的条件，并且出水点附近地层完整，不存在断层等导水构造。根据前期勘探资料分析，一分区胶带暗斜井涌水点水源及通道的准确判别存在较大难度。由于涌水点位于巷道底板，并且距离煤层底板宝塔山砂岩含水层较近，下一步拟对此含水层开展专项水文地质探查工作。

2.2 煤层底板砂岩含水层水文地质条件精细探查

2.2.1 抽水试验

井田地质勘探阶段对二十一煤层底部含水层开展了抽水试验，包括二十一煤层底板至三叠系上部含水层，其富水性和渗透性弱，后期未专门针对二十一煤层底板宝塔山砂岩含水层进行抽水试验，已有水文地质资料不能满足下组煤安全生产。

为了查明宝塔山砂岩含水层水文地质条件，分别于胶带暗斜井底板集中涌水后的2017年和2019年施工了13个水文地质钻孔，对宝塔山砂岩含水层进行抽水试验，详细查明了其厚度、水位标高、单位涌水量、渗透系数等。根据抽水试验成果，单位涌水量为0.037 7～1.070 9 L/(s·m)，渗透系数为0.105 7～2.060 3 m/d，除了井田西南部含水层富水性为弱、中部为强，其余区域均为中等。

根据专门针对宝塔山砂岩含水层开展的抽水试验成果，含水层的单位涌水量和渗透系数均大于地质勘探报告中的数值。以往认为宝塔山砂岩含水层对矿井的威胁较小，主要是因为将其与下部三叠系含水层作为一个抽水层段进行混合抽水，由于三叠系含水层富水性弱，导致混合抽水试验计算的宝塔山砂岩含水层水文地质参数与实际相比偏小。

在宝塔山砂岩含水层开展的抽水试验查明了含水层的水文地质条件，但受到地面抽水试验限制，部分水文地质特征未能查明，如宝塔山砂岩含水层是否具备作为高强度出水水源的条件、大流量大降深疏放水的可行性、长时间疏水降压时水量的衰减特征等，需要进一步开展水文地质勘探工作。

2.2.2 放水试验

(1)水量衰减情况。为了进一步探查宝塔山砂岩含水层水文地质条件，在井下开展了大流量大降深放水试验[21]。放水孔为F1、F2、F3和F4钻孔，观测孔为水文地质补充勘探施工的长观孔，如图1(a)所示。放水试验包括单孔放水试验(2019年8月23日至10月8日)和多孔放水试验(2019年10月8日至12月1日)，单孔放水试验和多孔放水试验放水量历时变化曲线如图2和图3所示。

图2 单孔放水试验放水量历时变化曲线

图3 多孔放水试验放水量历时变化曲线

由图2和图3可知，单孔放水平均水量为237.91 m3/h，多孔放水试验3个阶段平均水量分别为206.52、332.93和444.10 m3/h。从图2可以看出，当放水孔水量为237.91 m3/h时，在长达624 h的单孔放水过程中，水量未发生明显衰减。从图3可以看出，多孔放水试验第3阶段4个放水孔叠加放水时初始水量为510 m3/h左右，随着放水时间的延长，水量逐渐衰减为410 m3/h左右，说明宝塔山砂岩含水层具备大流量大降深疏放水的条件，并且在大流量疏放水时水量会发生明显的衰减。

(2)水文地质参数。本次非稳定流放水试验采用了配线法、Aquifer test和直线图解法3种方法，利用距离放水孔最近的B6、B7、B44和B45观测孔水位降深资料计算了含水层渗透系数，分别为1.569、0.991、1.218、1.381 m/d，与抽水试验结果较为接近。

本次放水试验利用F2放水孔资料获取宝塔山砂岩钻孔单位涌水量，F2放水孔单位放水试验时水量为237.91 m3/h(66.09 L/s)，水压从3.1 MPa降到0.6 MPa(水位降深250 m)，计算得到宝塔山砂岩含水层钻孔单位涌水量q为0.264 3 L/(s·m)。

通过放水试验，说明宝塔山砂岩含水层水位高、渗透性和富水性较强，单孔和多孔放水水量大，具备作为高强度涌水水源的条件，下一步拟采用水化学方法进一步论证胶带暗斜井涌水来自宝塔山砂岩含水层。

2.2.3 水质分析

(1)水化学分析。将涌水点及其周边钻孔水样进行水化学分析。涌水点与井田主要含水层水化学piper图见图4。由图4可以看出，涌水点水质与八煤层顶板、十五煤层顶板、宝塔山砂岩含水层地下水水质较为接近，其矿化度也相差不大，通过水化学分析可以排除第四系、白垩系与直罗组含水层作为涌水点水源的可能性，但是涌水点水质与煤系间含水层(八煤层顶板和十五煤层顶板含水层)差异不大，难以区分。

图4 涌水点与井田主要含水层水化学piper图

(2)三维荧光光谱分析(3DEEM)。三维荧光光谱(Three-dimensional excitation emission matrix，3DEEM)采用HITACHI F-7000型荧光分光亮度计检测，数据采用Origin软件进行处理，以等值线图表征。

涌水点地下水天然有机质荧光峰强度较低，出现了Ⅰ区、Ⅲ区和Ⅳ区的荧光峰，荧光峰强度分别为106RU、476 RU和273RU，如图5(a)所示；八煤层顶板含水层中，地下水天然有机质荧光光谱特征差异较大，其中水样中主要荧光峰在Ⅰ区和Ⅳ区，Ⅰ区有2个主荧光峰，Ⅰ荧光峰强度为9 885 RU/4 674 RU，如图5(b)所示；十五煤层顶板含水层中，地下水天然有机质荧光光谱特征差异也较大，如图5(c)所示，水样中主要出现了Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅳ区的荧光峰，Ⅳ区有2个主荧光峰，荧光峰强度分别为364 RU、676 RU和295 RU /286 RU；宝塔山砂岩含水层中，地下水天然有机质的荧光峰强度较低，且荧光峰数量也较少，如图5(d)所示，只出现了Ⅰ区、Ⅲ区和Ⅳ区的荧光峰，荧光峰强度分别为110 RU、453 RU和267 RU，与出水点地下水三维荧光光谱相似。

图5 涌水点与井田内主要含水层天然有机质3DEEM特征

通过地下水水化学分析，排除了第四系、白垩系和直罗组为涌水点水源的可能性，根据三维荧光光谱分析，涌水点与宝塔山砂岩含水层地下水中天然有机质较为一致，可以判断胶带暗斜井涌水点水源为宝塔山砂岩含水层。

2.3 煤层底板砂岩水害形成机理及特征

2.3.1 煤层底板砂岩含水层水文地质特征

通过对宝塔山砂岩含水层开展抽水试验、放水试验和水化学分析等，查明了其水文地质条件：厚度14.21～127.10 m，平均值为59.46 m；单位涌水量0.037 7～1.070 9 L/(s·m)，平均值为0.482 0 L/(s·m)，富水性弱-中等；渗透系数0.105 7～2.060 3 m/d，平均值为0.939 4 m/d；水化学类型为Cl·SO4-Na，矿化度1 426.57～7 625.00 mg/L，平均值为3 125.54 mg/L；水位标高+1 171.52 m～+1 233.79 m，平均值为+1 191.45 m。宝塔山砂岩含水层总体上表现为非均质性，厚度较大，且分布不均，富水性弱-强，地下水矿化度较高，水位远高于下组煤标高。

2.3.2 胶带暗斜井底板砂岩水害形成机理

由于集中涌水点位于暗斜井的底板，现采用《煤矿防治水细则》附录五提供的掘进工作面安全隔水层厚度计算方法判断暗斜井涌水点底板隔水层厚度是否满足要求，计算公式如下：

(1)

式中：t——安全隔水层厚度，m；

L——巷道底板宽度，一分区胶带暗斜井底板宽5.1 m；

γ——底板隔水层的平均重度，取2.5 t/m3=0.025 MN/m3；

Kp——底板隔水层的平均抗拉强度，取0.3 MPa；

p——底板隔水层承受的实际水压，取4.46 MPa。

根据式(1)计算胶带暗斜井底板安全隔水层厚度为13.92 m。

根据距离涌水点最近的钻孔资料，涌水点距离宝塔山砂岩含水层12.23 m，小于暗斜井底板安全隔水层厚度13.48 m，说明胶带暗斜井底板集中涌水原因为宝塔山砂岩含水层高承压水突破巷道底板隔水层，造成底板砂岩水害事故。

2.3.3 胶带暗斜井底板砂岩水害涌水特征

胶带暗斜井底板集中涌水后0.5 h涌水量即达到1 490 m3/h，4 h后涌水量迅速增加至2 480 m3/h，5 h时涌水量为3 620 m3/h，至24 h时涌水量无明显增大，随后水量逐渐衰减， 97 h时涌水量已经减小为1 000 m3/h左右。胶带暗斜井底板涌水点涌水量历时变化曲线如图6所示。通过对涌水量随着时间的变化分析可以看出：底板砂岩水害涌水量呈现出初期迅速增大，后期逐渐衰减。通过对宝塔山砂岩岩样的室内测试，砂岩主要为泥质胶结，胶结性较差，当暗斜井底板隔水层被宝塔山砂岩含水层地下水突破后，在高水压和大流量的底板涌水条件下，涌水通道会逐步扩大，这时涌水量会有一个迅速增加的过程，当过水通道达到一定规模时，可以满足地下水向暗斜井涌水的条件，涌水量呈稳定趋势，当暗斜井水位逐渐上升，静水压抵消了宝塔山砂岩含水层的水压，涌水量开始出现减少的趋势。

图6 胶带暗斜井底板涌水点涌水量历时变化曲线

2.3.4 煤层底板砂岩水害特征

基于宝塔山砂岩含水层的水文地质条件探查成果，煤层底板砂岩水害特征有以下几个方面。

(1)水位高。由于煤层底板宝塔山砂岩含水层标高较低，可接受上部含水层越流补给或上游地下水径流补给，导致其水位较高，下组煤所承受的水压较大；

(2)水量大。含水层厚度大，富水性与渗透性强，加之水压高，导致水害发生时的水量大；

(3)隐蔽性强。由于以往认为底板水害通常来源于灰岩，而对底板砂岩水害认识不足，忽视了对其开展勘探、分析和防治工作；

(4)突发性强。当采掘工作面与底板砂岩之间的隔水层不足以抵抗底板砂岩水时，底板砂岩水便会瞬间突破隔水层进入采掘工作面，造成底板集中涌水。

综上所述，侏罗纪煤田煤层底板砂岩水害与华北型煤田底板灰岩水害较为相似，在侏罗纪煤田开展井田地质勘探或者水文地质补充勘探时，需要对煤层底板砂岩含水层进行专项水文地质勘探，对底板砂岩水害的评价和防治可参照底板灰岩水害防治的相关内容。

3 煤层底板砂岩水害防治技术

3.1 注浆堵水治理技术

针对井田胶带暗斜井集中出水点采用地面注浆治理技术，设计了6个地面钻孔，包括4个长距离定向注浆钻孔、1个检查补充注浆钻孔和1个治理效果探查钻孔，实施了骨料、单液浆和双液浆注浆工程，在胶带暗斜井出水点上部建造了堵水墙，利用注浆终止压力、单位吸水率、水文孔水位观测、试排水等多种方法验证了注浆堵水的效果，实现了底板砂岩水害快速高效注浆治理。

3.2 疏水降压防控技术

井田下组煤首先开拓十八煤层，宝塔山砂岩含水层地下水水位标高超过十八煤层底板177.32～603.71 m，平均值为388.49 m；十八煤层底板隔水层厚度22.47～83.80 m，平均值为53.30 m；十八煤层底板宝塔山砂岩含水层突水系数为0.042～0.210 MPa/m，井田西部十八煤层底板标高较高区域突水系数小于0.06 MPa/m，井田东南部十八煤层底板标高最低处突水系数大于0.10 MPa/m，其余区域突水系数介于0.06～0.10 MPa/m之间。

根据放水试验结论，在长时间大流量疏放水条件下，宝塔山砂岩含水层水位显著下降，含水层具有可疏性。基于十八煤层的带压程度及突水系数分析，需要针对突水系数大于0.06 MPa/m的区域开展疏水降压，降低宝塔山砂岩含水层的水位，保障十八煤层不受底板砂岩水害的威胁。