民兴煤矿煤层底板砂岩含水层水文地质条件分析

2023-03-10束建军

煤炭与化工 2023年1期

束建军

（安徽省地质矿产勘查局325地质队，安徽淮北 235000）

0 引言

鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田煤炭资源开发中面临的主要矿井水文地质问题是煤层的顶板涌（突）水，相关的研究成果丰硕[1-2]。但是随着开采深度的逐渐增加，较为少见的煤层底板高承压水害问题也开始在部分煤矿中突显[3-6]，且一般在早期的煤田资源勘探阶段，由于对煤层底板砂岩含水层的勘探程度较低，其富水性和可疏放性均缺乏有力的评价依据，底板砂岩水害已成为制约煤层开采的重要因素之一[7-8]。

陕西省铜川市民兴煤矿在1301首采工作面开采过程中发生了明显的底板涌水现象，最大涌水量达82 m3/h，且截至该工作面回采完毕，涌水量也一直稳定在60 m3/h左右，严重影响了该矿的安全生产和接续计划。此次研究基于对民兴煤矿地质条件的分析，结合1301工作面底板涌水的规律和水质化验结果，分析了充水因素，并综合评价了煤层底板含水层的水害威胁情况。研究成果为未来接续的一采区范围内的底板砂岩水害防治提供了参考。

1 地质概况

陕西省铜川市民兴煤矿位于鄂尔多斯盆地黄陇侏罗纪煤田焦坪矿区中南部，该矿于2020年建成并投入生产，设计生产能力为120万t/a，井田面积为20.310 7 km2，矿井采用斜井单水平开拓方式，水平标高+988 m。

（1）地层、煤层。

井田内含煤地层为中侏罗统延安组，矿井可采煤层为延安组第二段的3号煤层和延安组第一段的4号煤层，目前主采3号煤层。3号煤层全区分布，煤层埋深较大，在404～823 m，该煤层厚度0～4 m，平均厚度2.05 m，煤层层位稳定、结构简单，煤厚变化较小，属于稳定煤层。

（2）地质构造。

矿井总体构造形态为一倾向北西的单斜构造，地层倾角一般4°～8°；且在单斜构造的基础上又发育了次级的褶皱构造，其中B1背斜构造的核部位于井田的中部，轴向由南北向转为NE向。B1背斜东南部还发育有X1向斜构造，该向斜轴向近东西，横穿了1301工作面的中部。

（3）水文地质。

开采3号煤层时，主要充水通道是煤层开采扰动形成的顶底板采动裂隙，主要充水水源为煤层顶底板的砂岩含水层水，其中煤层顶板的延安组、直罗组含水层富水性弱，回采时矿井涌水量的占比极小，且易于疏干，这一特征在1301工作面回采时得到了印证。因此，煤层底板砂岩含水层水是目前3号煤层开采的主要充水威胁。

2 工作面涌水情况

2.1 工作面概况

1301首采工作面位于矿井一采区西侧，由北向南回采，首采工作面设计走向长度1 308 m，倾向长度180 m。工作面煤层平均厚度2.1 m，煤层底板标高+945—+979 m，煤层平均埋深约540 m。

工作面掘进及回采期间未揭露断层，褶皱构造揭露3处，切眼处发育B1背斜，工作面中段为X1向斜，南部靠近停采线附近发育B2背斜，煤层底板起伏不明显，工作面最大落差34 m，煤层倾角4°～6°；受B1背斜影响，切眼附近巷道揭露一构造薄煤带，煤层厚度降至0.4 m，推测是由于成煤时期沉积基底隆起，造成煤层变薄。1301工作面构造分布及涌水点位置如图1所示。

图1 1 301工作面构造分布及涌水点位置Fig.1 The structure and water inflowpoint location distribution of No.1301 face

2.2 涌水情况

1301工作面自2020年7月试回采开始，未出现明显的大范围顶板淋水现象，工作面排水系统主要排出工业用水。自2021年5月15日，工作面回采至392 m时，1301运顺水仓（距推采位置268 m）帮部开始涌水，涌水量约6 m3/h，涌水清澈透明，无色，呈轻微带压泉水状涌出（水涌出底板约3～4 cm）；随推采进度，出水点增多，主要是780 m、770 m（运顺水仓附近），1号支架（运顺机头）等处底板开始出水，涌水量逐渐增大，工作面运顺一侧推采至606 m时（距离运顺水仓54 m），涌水量约73.5 m3/h，工作面推采至距离运顺水仓16 m处时，涌水量达到最大值约82 m3/h；推采过运顺水仓位置后，工作面超前段巷道位置不再有底板涌水点，涌水主要来自工作面运顺隅角，原有涌水点仍在持续涌水，但涌水量缓慢减小并趋于稳定，目前涌水量稳定在60 m3/h左右。

将涌水量观测值、推采位置与涌水点距离绘制相关因素曲线图（图2）可得，1301工作面涌水点涌水量随着推采位置接近逐渐增大，在回采至涌水点附近时，涌水量达到最大值，约82 m3/h，推采过涌水点位置后，工作面涌水量缓慢降低，涌水量与推采位置距向斜轴部距离关系明显。

图2 1 301工作面涌水量和与涌水点距离历时曲线Fig.2 The duration curve of the water inflowand the distance from the water inflow point of No.1301 face

据观测数据，1301工作面涌水点在工作面距切眼635 m处的运输巷底板处，其余位置均未见明显的顶板淋水或底板涌水现象，涌水点位于向斜构造最低点附近，涌水相对稳定，未见明显突增或突降现象。说明向斜轴部等相对低洼区，由于应力集中，节理、裂隙发育，储水空间大，在受到采动影响后，易于发生涌水现象。

2.3 充水因素分析

1301工作面煤层埋深大于500 m，顶板无明显淋水现象，导水裂隙带一般不会直接波及地表，且工作面周边不存在采空区积水，因此可以排除采空区水或地表水作为充水水源直接向工作面充水。

在工作面涌水期间，矿方多次采取涌水水样进行了水质分析，并采取了井筒涌水水样进行了对比。结果显示，矿井井筒在洛河组砂岩含水层位置有持续涌水现象，采取井筒涌水分析可得，顶板洛河组砂岩含水层水矿化度仅654.85 mg/L，pH值8.16，呈弱碱性，水质类型HCO3·SO4-Na·Ca·(Mg)，属于浅埋深受大气降水补给较多的含水层水。而1301工作面涌水水样分析结果表明，矿化度均高于3 500 mg/L，水质类型SO4·Cl-Na，其中SO42-离子含量较其他两种涌水明显偏大，属径流缓慢的深层含水层水。

水化学Piper三线图（图3）也显示，工作面涌水水样的分布位置与其他水样差别很大，主要表现为SO42-离子含量相对较高，工作面涌水与井筒涌水、崔家沟采空区水应不属于同一水源。

图3 水质分析Pi per图Fig.3 Piper diagram of water quality analysis

根据水质分析结果，1301工作面顶板涌水水质类型与井筒涌水、临矿采空区水均不一致，顶板洛河组含水层水与崔家沟采空区水不是工作面直接充水水源。根据涌水水质特征以及可以观测到的底板涌水现象分析，1301工作面涌水为底板砂岩承压含水层水。

3 煤层底板含水层水文地质条件分析

3.1 煤层底板岩性分布

勘探资料显示，延安组为该井田含煤地层，厚度14.63～96.63 m，平均厚度48.16 m。岩性由深灰色、灰黑色砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层组成，富水性弱。延安组地层自上而下可以划分为3段（对应沉积学中的旋回），3号煤层位于延安组第二段，4号煤层位于延安组第一段。

其中，延安组第一段下部为灰色炭质泥岩、砂质泥岩、泥岩，中部为4号煤，上部为泥岩、粉砂岩；延安组第二段底部为中—粗粒砂岩，以石英为主，钙质胶结，底部含砾，中部沉积了3号煤层，上部为K2砂岩标志层，为河床相的灰白色中、粗粒岩屑石英砂岩；延安组第三段主要为中粗粒砂岩夹薄层泥岩和细砂岩，顶部为紫杂色粉砂岩。整个延安组地层第二、三段中砂岩厚度占比较大，而第一段泥岩占比较大。

井田内YK3-7号钻孔对J2z+J2y地层进行了混合抽水试验，钻孔涌水量0.014 L/s，单位涌水量0.000 12 L/s·m，水位埋深190.12 m，渗透系数为0.000 066 m/d，矿化度0.645 g/L，水质为SO4·HCO3-Na型水，直罗—延安组含水层富水性弱。延安组以下是全区分布的富县组泥岩隔水层，平均厚度7.34 m。岩性为紫灰色、灰绿色、黄褐色泥岩，俗称“花斑泥岩”。据此来看，1301工作面底板涌水主要来自3号煤层直接底板的砂岩。

3.2 煤层直接底板砂岩分布

3号煤层直接底板（4煤层顶板以上）发育有中厚层状灰白色长石砂岩、石英长石砂岩，以中粗砂岩和粉细砂岩为主，泥质胶结。该矿3号煤底板含水层与临近矿井的4号煤顶板含水层为同一含水层，而且具有相似的涌水相关特征，砂岩含水层局部富水，均为承压水，单个涌水点水量近似。

民兴煤矿首采区内3号煤层直接底板砂岩厚度0.5～20.4 m，平均厚度7.56 m，1301运顺向斜轴部涌水点处砂岩厚度约6～8 m，该层砂岩为1301工作面主要充水含水层。

中粗砂岩富水性及充水强度比粉细砂岩富水性好，而井田内一采区3号煤层底板砂岩中局部存在中厚层状中粗砂岩，3号煤底板至4号煤顶板（或延安组底板）的岩层以砂岩为主，中粗砂岩厚度变化较大，通过圈定3号煤层直接底板的中、粗砂岩区域，发现1301工作面几乎为中粗砂岩（图4）。

图4 3号煤层底板中、粗砂岩分布范围Fig.4 The distribution range of medium and coarse sandstone in No.3 coal seam floor

3.3 讨论

根据上文分析，矿井3号煤层底板砂岩含水层在井田内广泛分布，1301工作面煤层底板较厚的中、粗砂岩含水层是矿井的直接充水水源；充水通道以采动底板裂隙为主，形式主要为局部裂隙点状或区域状涌水，涌水点与褶皱轴部等构造裂隙发育区域具有较强相关性；充水强度较顶板直罗延安组含水层更大，但涌水量随着工作面推进呈稳定增长趋势，未见明显涌水量波动现象。

早期勘探的结果认为延安组含水层富水性弱，但并未对3号煤层底板含水层开展专项水文地质条件探查，首采面生产过程中在井下开展底板含水层探查的难度也较大，因此，未来1采区接续工作面回采前，需针对3号煤底板砂岩含水层水文地质参数等详细条件开展井下补充探查工作，明确含水层水位及区域富水性情况，为工作面防治水提供参考。