银星一号煤矿侏罗系煤层顶板砂岩水害特征及防治技术

2022-02-10赵世军鹿存金刘保杰

煤矿安全 2022年12期

赵世军，鹿存金，边凯，刘保杰

（1.宁夏银星煤业有限公司银星一号煤矿，宁夏银川 750000；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；3.河北工程大学地球科学与工程学院，河北邯郸 056000）

随着煤炭生产重心加速西移，西部侏罗系煤炭资源是未来以煤为主能源结构的资源保障。近年来，宁夏宁东煤田作为亿吨级大型煤炭生产基地进行了大规模高强度开采，矿井水文地质条件趋向复杂，区内浅部侏罗系煤层受到顶板砂岩水害威胁，发生了多起水害事故，煤矿安全形势严峻。如：麦垛山煤矿F26正断层掘进和红柳煤矿201 工作面回采期间先后发生突水溃砂事故，严重威胁着矿井安全生产和矿区生态环境。

煤层顶板砂岩出水具有时间短、水量大、以静储量为主等特点[1]，会造成顶板岩层软化或泥化，恶化现场环境，甚至液压支架被压死。国内煤矿科技工作者对侏罗系煤层砂岩水害问题开展了广泛研究。褚彦德[2]对宁东煤田鸳鸯湖矿区石槽村煤矿顶板砂岩水害特征进行分析，并提出了防治水对策；李德彬[3]提出了侏罗系煤层回采过程中顶板含水层静储量释放与动态补给量时空动态预测方法，提高了侏罗系煤田顶板孔隙裂隙砂岩含水层涌水量预测精度；吕兆海等[4]对宁夏东部灵盐含煤区地层水量进行分析并提出疏降排协同技术；薛建坤等[5]研究了鄂尔多斯盆地侏罗系煤田导水裂隙带高度预测方法及顶板充水模式，划分了水文地质结构类型；马莲净[6]以宁东煤田麦垛山煤矿顶板巨厚砂岩含水层水文地质特征为研究对象，制定了有针对性的水害防治技术；赵宝峰等[7]分析了侏罗系煤层底板砂岩水害特征并提出了注浆堵水或疏水降压等防治技术；王栋任[8]研究了侏罗系西山窑组煤层顶板砂岩含水层特征，提出了封闭水文地质单元条件下工作面顶板砂岩水疏放治理技术。

前人对宁东煤田侏罗系煤层砂岩水害问题开展了一定的研究，而侏罗系煤系地层陆相沉积多相变、多旋回的沉积模式使得顶板砂岩富水性极不均一，以往勘探获取的含水层富水性和渗透性结论与实际揭露差异较大，煤系岩层胶结程度为弱胶结甚至无胶结造成井下疏放水钻孔成孔及长期高效疏水困难，采用传统的疏放水技术效果难以保证。因此，有必要在准确分析侏罗系煤层顶板砂岩水害特征的基础上，总结适用于侏罗系煤层顶板砂岩的水害防治技术，科学合理地开展防治水工作，这对完善宁夏甚至西部矿区矿井水害防治工作有着重要作用。为此，以鄂尔多斯盆地西缘银星一号煤矿110301 工作面侏罗系煤层顶板砂岩水害为背景，通过补充勘探、抽水试验、“两带”实测和岩石崩解试验等方法，系统分析顶板砂岩水害特征，针对性地提出了科学合理的防治技术。

1 研究区概况

银星一号煤矿位于积家井矿区北部，可采煤层9 层，均属侏罗系煤层。目前，11 采区开采3#、12#、13#、18#上1煤层；14 采区新建行人、进风和回风3 条斜井，井底标高设置在+950 m 水平，拟开采12#、18#下煤层，处于开拓阶段。

1.1 矿井地质特征

井田地处华北地台、鄂尔多斯盆地西缘褶皱冲断带的南北向逆冲构造带（磁萌断褶带）中段的东侧，积家井-甜水堡背斜的北段，构造整体上表现为背斜，褶曲和断层较发育。

根据钻孔资料，井田地层由老至新为：三叠系上统上田组（T3s），侏罗系中统延安组（J2y）、直罗组（J2z）、安定组（J2a），白垩系下统保安群（K1b），古近系渐新统清水营组（E3q）和第四系（Q）。煤层顶板富水地层主要为侏罗系中统延安组和直罗组。

侏罗系中统延安组（J2y）为含煤岩系，平均厚度429.50 m，属河流-湖泊三角洲沉积体系，岩性主要由各粒级砂岩、泥岩、煤和少量含铝土质泥岩组成，与下伏地层假整合接触；侏罗系中统直罗组（J2z）在背斜轴部大范围遭剥蚀，平均厚度424.68 m，属半干旱条件下的河流沉积体系，岩性以各粒级砂岩为主，夹薄层泥岩，与下伏地层假整合接触。

1.2 矿井水文地质特征

井田煤层与含水层赋存的总体特点是煤水伴生。煤层顶板赋存4 个含水层：第四系及古近系松散层孔隙潜水及下伏基岩风化面含水层、侏罗系中统直罗组孔隙-裂隙承压含水层、侏罗系中统延安组1#～12#煤层砂岩孔隙-裂隙承压水含水层、侏罗系中统延安组12#～18#煤层间砂岩孔隙-裂隙承压含水层，中间间隔基岩弱含水层与砂泥岩隔水层。矿井水文地质类型在110301 工作面出水后调整为复杂型。银星一号煤矿主要含水层分类特征表见表1。

表1 银星一号煤矿主要含水层分类特征表Table 1 Classification characteristics table of main aquifer in Yinxing No.1 Coal Mine

2 侏罗系煤层顶板砂岩水害特征

2.1 沉积环境与富水性关系

沉积物在不同的沉积环境中形成的岩石组合有较大差异。不同岩性及其组合岩层的微观孔隙、喉道大小及其连通性都不同，呈现出砂岩孔隙中地下水流通、富集的不同情况[9]。侏罗系砂岩含水层的富水性取决于含水层的储水能力，而储水能力在微观和宏观2 个不同尺度下分别受到砂岩类型、孔隙结构及砂体分布等的影响[10]。因此，砂岩沉积环境与含水层富水性密切相关。

一般来说，砂岩中沉积物粒度越粗、孔隙度越大、砂体厚度越大，含水层富水性越强；反之，含水层富水性弱[9]。地壳不均衡沉降条件下，不同的沉积环境中发育不同沉积相/微相/亚相，导致砂体厚度、分布范围及砂体间连续性都存在差异，表现为煤层顶板砂体分布不均匀，在同一研究区内局部区域的含水层富水性存在一定差异[11]。银星一号煤矿所在地区为典型的侏罗系河湖相沉积环境，在井田北、西、南部边界发育有古近系古河床，呈条带状分布，富水性中等；直罗组下部砂岩含水层富水性平面差异较大，属弱-中富水性，砂体分布区域富水性相对较强。煤系地层富水砂体分布示意图如图1。

图1 煤系地层富水砂体分布示意图Fig.1 Water-rich sand body distribution diagram of coal measure strata

2.2 顶板砂岩含水层富水性

矿井勘察期间对直罗组及延安组砂岩含水层开展了抽水试验，得出了含水层的水文地质参数，依据《煤矿防治水细则》中含水层富水性等级划分标准进行分析。直罗组砂岩含水层抽水试验成果表见表2，延安组砂岩含水层抽水试验成果表见表3。

由表2 可知：区内侏罗系中统直罗组孔隙裂隙承压含水层富水性平面差异较大，属弱-中等富水性，多表现为弱富水性。延安组砂岩含水层为煤层顶板直接充水含水层，该含水层特征主要表现为煤层间的砂岩类含水，3#煤层底部分布有相对稳定的隔水层将该含水层分为上、下2 段。其中上段为1#～12#煤层含水层组，下段为12#～18#下煤层含水层组。

表2 直罗组砂岩含水层抽水试验成果表Table 2 Table of pumping test results for Zhiluo Formation sandstone aquifer

由表3 可知：延安组裂隙承压含水层富水性整体偏弱，局部区域表现为富水性中等。

表3 延安组砂岩含水层抽水试验成果表Table 3 Table of pumping test results for Yan’an Formation sandstone aquifer

2.3 顶板砂岩水害形成机理及特征

侏罗系砂岩水害的形成与煤层顶板砂岩的固有物理性质及采动影响直接相关，分析顶板砂岩物理力学性质及导水裂隙带发育高度是认识水害形成机理的基础。

2.3.1 顶板岩层物理力学性质分析

1）岩层力学性质测试。根据覆岩力学测试结果：直罗组一般软化系数0.54，饱和单轴极限抗压强度10.64～38.06 MPa，一般20.21 MPa，属中硬类岩石，在外力作用下易碎裂、崩塌；延安组软化系数0.55，饱和单轴极限抗压强度5.34～24.40 MPa，一般14.05 MPa，属软弱类岩石。整体来看，煤层顶板岩层力学强度不高，属易软化的软弱～中硬类岩石。

2）顶板岩层成分分析。通过X 衍射（XRD）测试分析煤层顶板泥岩、砂岩矿物成分组成情况，顶板泥岩和砂岩中黏土矿物含量分别为15.3%和5.1%，黏土矿物在遇水后具有不同程度的可塑性，对煤层顶板的稳定性有一定的影响。X 衍射（XRD）成分测试成果如图2。

图2 X 衍射（XRD）成分测试成果Fig.2 X-ray diffraction（XRD）component test results

3）顶板岩层水稳性分析。侏罗系砂岩水对煤层顶板最显著的影响是引起泥岩强度减小失去稳定性。按照GBT 50123—2019 土工试验方法标准选择无宏观裂隙的顶板泥岩进行2 组崩解性测试。初期岩石内部被水浸润时间较短，崩解率较低；中期被封闭在孔隙中的气体被水压缩产生张应力造成试样沿着软弱部位快速崩解，后期崩解速率趋于稳定，岩石崩解速率变化图如图3。

图3 岩石崩解速率变化图Fig.3 Rock disintegration rate diagram

采用耐崩解指数评价顶板泥岩水稳性特征：

式中：I 为耐崩解指数，%；Mr为残留试样质量，g；Mt为试样总质量，g。

崩解性测试成果表见表4。

表4 崩解性测试成果表Table 4 Table of disintegration test results

由表4 可知：2 组试样耐崩解指数分别为26.13%和38.64%，崩解量较大，说明顶板泥岩在遇水后极易发生软化，胶结程度不高，结构松散，水稳性较差。

2.3.2 导水裂隙发育规律

掌握侏罗系煤层导水裂隙发育规律是评价顶板砂岩水害、预计涌水量及防治的关键，已有相关文献对侏罗系煤层导水裂隙发育规律进行了研究[12-13]。银星一号煤矿仅对18#上1煤层开展了“两带”实测工作，综合确定18#上1煤层“两带”发育高度为51.16 m，裂采比为15.5。

结合前文覆岩类型软弱-中硬，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》附表4-2 给出的中硬覆岩导水断裂带高度经验公式，选择计算结果较大的计算公式：

式中：Hli为导水断裂带高度，m；M 为煤层累计采厚，m。

由式（2）计算可知：各煤层回采过程中导水断裂带均会不同程度的导通顶板延安组砂岩含水层，上部浅部煤层导水断裂带甚至会波及直罗组含水层。

结合裂采比法计算的各煤层导水裂隙发育的高度，各可采煤层导水断裂带高度计算成果表见表5。

表5 各可采煤层导水断裂带高度计算成果表Table 5 Calculation results table of water flowing fractured zone height of each coal seam

2.3.3 砂岩水害形成机理及特征

侏罗系煤层顶板砂岩的沉积分布特征及固有物理属性是砂岩水害形成的基础。通过对侏罗系煤层顶板砂岩沉积环境、富水性特征及物理力学性质分析可知：因其成岩时间短，胶结程度差，一般为弱胶结甚至无胶结，岩石力学强度不高，煤层顶板稳定性中等易破碎；泥岩和砂岩中含黏土矿物遇水容易发生软化甚至泥化；顶板特征导致侏罗系煤层导水断裂带裂采比一般大于石炭二叠系煤层，能够直接波及厚度较大的延安组及直罗组含水层。

煤层采掘活动是侏罗系砂岩水害形成的直接因素。采掘过程形成的围岩松动圈及导水断裂带或探放水钻孔等沟通顶板砂岩含水层后为砂岩水提供了良好的导水通道，导致含水层水沿孔隙或裂隙运移至采掘工作面。

富水砂体分布的极不均一性是侏罗系砂岩水害形成的不确定因素。煤层顶板砂体分布不均匀、不连续，造成顶板含水层富水性平面差异较大。导水裂隙或探放水钻孔导通的砂体会表现出较强的富水性；砂体赋存范围较小或不存在砂体的区域会明显表现出弱富水性特征；特殊情况下，因砂体赋存范围不规则造成探放水钻孔未能直接揭露砂体而无水，导致作出富水性弱的错误判断，为生产埋下了隐患。

水岩混合致灾是侏罗系砂岩水害的助推因素。砂岩水与导水裂隙围岩或钻孔孔壁发生水岩耦合作用，浸润渗透至泥类岩中，造成隔水层强度及阻水性能降低，发生崩解破坏，导致顶板强度降低或钻孔堵塞；煤层基本顶在砂岩水的作用下发生软化变形，造成顶板支护困难或支护失效甚至冒顶溃砂；破碎崩解的砂岩块体在水的作用下发生泥化，恶化工作面生产环境，甚至堵塞排水系统。

侏罗系煤层顶板砂岩水岩混合致灾机理示意图如图4。

图4 侏罗系煤层顶板砂岩水岩混合致灾机理示意图Fig.4 Schematic diagram of disaster mechanism of sandstone water-rock mixture in Jurassic coal seam roof

侏罗系砂岩水害特征与其含水层厚度、渗透系数、动态补给量、砂体分布有密切关系，总体表现为：

1）初期水量大但总水量有限。导水通道波及含水层后，迅速在出水点形成大范围降落漏斗，初期水量以承压含水层中的静储量释放为主，单位涌水量较大；总水量与砂体体积直接相关，而砂体不均一、不连续，补给条件差，一般出水总量有限，最终趋近动态补给量。

2）出水时限及位置不固定。因水源主要为静储量，一般出水时间较短，而在泥岩厚度较小或动态补给量较大的区域，出水时间可能较长甚至连续出水多年；砂岩富水性存在较强的不均一性，只有导水裂隙或探放水钻孔波及含水砂层时才会出水，因此工作面回采期间并非全程出水，同一钻场相邻钻孔也可能出现较大差异。

3）典型的水岩混合致灾。侏罗系煤层顶板砂岩出水伴随着顶板岩层的软化甚至泥化，造成顶板变形崩塌，支护失效；弱胶结或无胶结的砂体可能会沿裂隙运移至工作面，恶化工作环境，出现冒顶、压架、堵塞排水系统等不良后果。

3 侏罗系煤层顶板砂岩水防治技术

原国家煤矿安全监察局2018 年颁布的《煤矿防治水细则》提出了“探、防、堵、疏、排、截、监”七字方针[14]，是我国矿井水害防治工作遵循的治水准则，应根据不同水文地质条件的各种水害类型采取单种或多种手段相结合的治水方式。侏罗系煤层顶板砂岩水害防治技术路线如图5。

图5 侏罗系煤层顶板砂岩水害防治技术路线Fig.5 Technical route of roof sandstone water disaster prevention in Jurassic coal seam

针对侏罗系煤层顶板砂岩水害形成机理及出水特征，主要采取“探、疏、排、截、监”相结合的防治水措施，其中基础探查和疏水降压是侏罗系煤层顶板砂岩水害防治的关键。“探”主要是进行基础的探查工作，包括实测导水断裂带波及的含水层层位，开展导水裂隙带发育范围内的砂岩富水性及异常区探查；“疏”主要是根据异常区分布情况针对性地设计探放水钻孔进行分层次精准疏水降压；“排”主要是与疏水降压配套的矿井排水系统改造升级和地面水处理能力提升；“截”主要是在工作面顶板砂岩水源补给方向布设截流钻孔；“监”主要是在疏水降压过程中监测水量及水压变化过程，为判定疏水降压标准提供依据。

3.1 基础性探查工作

3.1.1 导水裂隙高度实测

对比前文经验公式计算和实测数值推算2 种方法得到的导水断裂带发育高度值，不同计算方法导水断裂带发育高度如图6。

图6 不同计算方法导水裂隙带发育高度Fig.6 Development height of water flowing fractured zone by different calculation methods

由图6 可知：除3#煤层导水断裂带发育高度基本一致外，其他各煤层2 种方法结果存在一定的差距，且与煤层厚度相关性较大。因此，仅依据经验公式计算结果误差较大，需要结合现场实测工作进行综合判定。侏罗系顶板砂岩因胶结程度差，导致地面或井下钻孔施工后极其容易出现钻孔“缩径”或“塌孔”现象，泥质胶结地层遇水软化还会造成传统“双端堵水”注水试验无法开展，因此传统方法很难获取工作面准确的导水断裂发育高度。针可以针对性地选用电阻率法、微震法或光纤法在回采前施工监测钻孔，埋设监测传感器，实现工作面导水断裂带发育规律全生命周期动态监测的目的。

3.1.2 井下放水试验

目前银星一号煤矿主要利用勘察及水文地质补勘期间地面钻孔抽水试验获取的参数进行富水性评价及涌水量预计，地面抽水试验常因使用“提桶法”或孔深较大抽水困难等因素造成结果偏差较大。而银星一号煤矿110301 工作面井下实际揭露涌水量远大于预计涌水量，说明顶板砂岩含水层的实际水文地质参数要大于抽水试验成果，文献［15］对此做出了分析。《煤矿防治水细则》中规定如遇地面水文地质勘探难以查清问题，需要在井下进行放水试验或者连通（示踪）试验的，应当进行井下水文地质补充勘探[16]。因此，在银星一号煤矿水文地质条件类型划分为复杂型之后应当进行井下放水试验进一步查清顶板砂岩含水层水文地质条件。

3.1.3 富水异常区物探探查

银星一号煤矿井田内煤系地层沉积序列清晰，地层相对稳定，正常地层组合条件下，在横向与纵向上物性都有固定的变化规律可循，为以电性差异为应用前提的电磁法勘探方法的实施提供了良好的地球物理条件。根据工作面地面及井下环境可以选择地面瞬变电磁或井下直流电法查明工作面开采范围内顶板岩层富水情况，圈定顶板薄弱带和富水异常区，为水害精准治理提供有效的水文地质依据。

3.2 顶板砂岩含水层疏水降压

3.2.1 疏放可行性判别标准

银星一号煤矿主要充水含水层属于自身充水含水层和直接充水含水层，且以静储水量为主，导水裂隙带发育高度波及直接与间接充水含水层。因此，可以采取疏放手段。

根据前人研究，选择抽水试验降深与涌水量的比值关系S0′作为疏降可行性的判别标准：①S0′＞10，补给较弱，易疏降；②3≤S0′≤10，补给较强，可以疏降；③S0′＜3，补给很强，不宜直接疏降。

式中：S0′为疏降水判别系数；S 为水位降深，m；Q 为涌水量，m3/min。

根据各水文地质钻孔抽水试验数据计算结果，煤层顶板砂岩含水层均具有较好的可疏性。煤层顶板砂岩含水层可疏性评价表见表6。

表6 煤层顶板砂岩含水层可疏性评价表Table 6 Evaluation table of sandstone aquifer in coal seam roof

3.2.2 疏放水钻孔布置原则

疏放水工程坚持顶板水“分层次，分阶段，动态优化”的原则，在工作面低位顺槽或专门泄水巷施工顶板探放水孔进行超前疏放。

“分层次”原则要求在工作面回采之前根据顶板富水性物探探查及放水试验成果，设计高位和低位2 个层次钻孔，高位钻孔终孔层位高于导水断裂带预计高度时以截流动态补给量为主，低位钻孔终孔层位位于导水断裂带发育范围内时以疏放含水层静储量为主。

“分阶段”原则要求根据工作面计划回采进度，自工作面切眼向停采线方向超前划分疏放水区段，超前距离为超前来压步距的2～3 倍，在超前疏放水区段内提前将顶板含水层水位降至安全范围内，掩护工作面顺利推进。

“动态优化”原则要求根据探放水钻孔“一孔多用”，探查顶板砂层赋存范围，结合实际揭露水量情况动态调整钻场及钻孔参数。

3.2.3 钻孔有效疏放保证措施

侏罗系岩层遇水膨胀、崩解，钻孔钻进过程中多发抱钻、卡钻、钻具折断情况，导致成孔困难或成孔后缩径、塌孔现象明显，水量因钻孔缩径甚至“闭合”衰减迅速，疏水效果不佳。为了解决钻孔长期有效疏放问题，需要在钻孔内下放“无缝钢管+筛管”相结合的二级套管，其中钻孔内出水砂岩段下入筛管，其他相对隔水层位下入无缝钢管，无缝钢管可以避免钻孔水浸润至泥类岩中造成钻孔缩径、堵孔现象，保证钻孔疏放水的长期有效性。

3.3 110301 工作面顶板砂岩水疏放效果

110301 工作面为银星一号煤矿11 采区3#煤层首采工作面，位于积家井背斜东翼，地层总体呈单斜构造。工作面埋深介于104～202 m 之间，工作面回采走向长约2 365 m，倾向长约220 m，设计采厚3.0 m。根据银星一号煤矿地质报告、水文地质资料及周边矿井浅部煤层采掘过程中的水害现状分析，110301 工作面开采的主要水害隐患为3#煤层顶板砂岩含水层水，以静储量为主。工作面回采后受顶板水害影响造成多次停采。

2020 年3 月至2022 年2 月，在地面瞬变电磁圈定富水异常区的基础上分3 个阶段对110301 工作面进行了井下探放水工程治理。①第1 阶段共施工钻孔54 个（覆盖切眼附近450 m 范围），累计钻探工程量6 305 m；②第2 阶段共施工钻孔47 个（覆盖切眼450～1 000 m 范围），累计钻探工程量5 072 m；③第3 阶段共施工21 个钻孔（覆盖切眼附近外1 000 m 范围），累计钻探工程量2 666 m。110301 工作面涌水量变化图如图7，2021 年G3 钻孔观测水压值与涌水量关系曲线图如图8。

图7 110301 工作面涌水量变化图Fig.7 Water inflow variation diagram of 110301 working face

图8 2021 年G3 钻孔观测水压值与涌水量关系曲线图Fig.8 Curve diagram of relationship between observed water pressure and water inflow in G3 borehole in 2021

由图7 可知：工作面总出水量与钻孔出水量保持变化趋势保持高度一致；自2020 年3 月初至2020 年9 月初开展第1 阶段疏放水后，初期工作面总涌水量随着钻孔放水量的增大而增大，滴淋水及渗水量稳中有降，后期工作面总水量和钻孔放水量出现明显衰减，主要原因为第1 阶段疏放水过程中对钻孔的维护措施不成熟，出现较为明显的缩径、塌孔现象；自2020 年11 月初至2021 年5 月开展第2 阶段疏放水后，工作面总涌水量随钻孔施工进度迅速增大约1.3 倍，同时工作面滴淋水及渗水量出现明显衰减，证明在第2 阶段疏放水过程中采用“无缝钢管+筛管”相结合的二级套管维护措施效果明显，约90%的水量通过钻孔疏放，极大程度上减小了工作面滴淋水及渗水量；自2021 年5 月至2022 年1 月开展第3 阶段疏放水，可以发现在钻孔数量增加的情况下工作面总用水量、钻孔放水量、滴淋水及渗水量稳中有降且钻孔水量衰减程度有限，现阶段涌水量以截流疏放动态补给量为主。

由图8 可知：孔口水压在钻孔放水后缓慢下降，最终滞后于钻孔放水量趋于稳定。根据统计，钻孔控制区段水压下降约0.4～0.6 MPa，顶板含水层部分区段已由承压水转为潜水，最低处降至工作面顶板砂岩含水层底界。综合疏放水量、水压力变化情况分析，疏水降压技术有效地释放了顶板砂岩含水层静储量，将疏放水区域顶板砂岩含水层水位控制在较低水平，形成较大面积的降落漏斗，以降落漏斗空间换取工作面回采时间，有力地保证了110301 工作面顺利回采再未出现因水害停产事件。