呂兆海 趙長(zhǎng)紅 張藝耘 岳曉軍 靳亞軍 靳 華 李立波

(國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750001)

寧夏主要含煤區(qū)位于北部的石嘴山-沙巴臺(tái)-石炭井-呼魯斯太一帶，西部的香山地區(qū)，東部的橫城和韋州和南部的王洼一帶。其中，二疊紀(jì)含煤區(qū)為線(xiàn)馱石一帶，中生代含煤地層主要分布在賀蘭山的汝萁溝、東部的碎石井-鴛鴦湖至萌城、西部的下流水-窯山等地。寧夏作為全國(guó)富煤省(區(qū))，境內(nèi)含煤面積1.17萬(wàn)km2，煤炭遠(yuǎn)景儲(chǔ)量2041億t，探明儲(chǔ)量319億t。其中，寧東煤田含煤面積3500 km2，探明地質(zhì)儲(chǔ)量273.14億t，占全寧夏探明儲(chǔ)量的88.6%，是國(guó)內(nèi)少有的整裝煤田。寧夏氣候具有西北干旱少雨典型特征，年均大氣降水量不足蒸發(fā)量的10%。礦區(qū)水患多為第三系-第四系孔隙水、地表徑流水(洪水)、構(gòu)造裂隙水、死火區(qū)-燒變巖區(qū)或采空區(qū)積水，少數(shù)礦井地層富存承壓含水層。

1 靈鹽含煤區(qū)含水層分布規(guī)律

鴛鴦湖礦區(qū)、馬家灘礦區(qū)、積家井礦區(qū)區(qū)域地下水的分布呈現(xiàn)出西北地區(qū)特有的干旱-半干旱區(qū)的地質(zhì)特征。含水層按賦存條件和水力性質(zhì)不同，可主要?jiǎng)澐譃樗缮r類(lèi)孔隙潛水含水層、碎屑巖類(lèi)裂隙～孔隙承壓水含水層。其中，松散巖類(lèi)孔隙潛水含水層由各種成因類(lèi)型的第四系松散堆積層組成，分布于山間小型洼地及溝谷等；碎屑巖類(lèi)裂隙～孔隙承壓水含水層由古近系、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系與石炭系等碎屑巖構(gòu)成，影響本勘查區(qū)的主要含水層為侏羅系含水層，含水層分類(lèi)如圖1所示，第四系含水層分布如圖2所示。

1.1 松散巖類(lèi)孔隙水含水層

靈鹽臺(tái)地松散巖類(lèi)孔隙含水層為坳谷洼地潛水，巖性以砂礫石為主，厚度小于10 m，水位埋深1～5 m，其富水性受匯水面積與含水層厚度和廣度控制，多數(shù)地區(qū)富水性弱，但坳谷洼地的局部區(qū)域富水性較強(qiáng)，鉆孔涌水量可達(dá)100～1000 m3/d。

圖2 第四系含水層分布區(qū)域

1.2 碎屑巖類(lèi)裂隙～孔隙水含水層

碎屑巖類(lèi)裂隙～孔隙含水層分布于靈鹽臺(tái)地西部的磁窯堡至石驛溝一帶，在構(gòu)造有利的條件下，可形成富水段。

(1)古近系主要分布于本區(qū)以北橫山堡礦區(qū)、鴛鴦湖礦區(qū)，鉆孔揭露最大厚度220 m，上部為紅色粘土巖，富含石膏，下部主要為泥巖和粉細(xì)砂巖互層，含水層富水性弱。

(2)白堊系主要分布在面子山、四耳山、清水營(yíng)井田北部及馬柳斷層以東。巖性以礫巖為主，據(jù)資料顯示，鉆孔單位涌水量為0.5 L/(s·m)。

(3)侏羅系砂巖含水層分布在碎石井礦區(qū)、鴛鴦湖礦區(qū)及馬家灘礦區(qū)。侏羅系砂巖含水層包括侏羅系中統(tǒng)直羅組、延安組和侏羅系下統(tǒng)富縣組砂巖裂隙～孔隙含水層。直羅組底部厚層粗粒砂巖單位涌水量0.006～0.1988 L/(s·m)；延安組砂巖含水層富水性較弱，鉆孔單位涌水量為0.0043～0.5408 L/(s·m)。

(4)三疊系主要分布于劉家莊、鴛鴦湖背斜核部。巖性為中、細(xì)粒砂巖、粉砂巖及泥巖、含礫長(zhǎng)石粗粒砂巖。鉆孔單位涌水量0.00159～0.000373 L/(s·m)，屬富水性弱的含水層。

2 承壓含水層水害案例及因素分析

2.1 典型水害案例

靈鹽含煤區(qū)承壓含水層主要分布在侏羅系中統(tǒng)直羅組裂隙孔隙承壓含水層，在工作面掘進(jìn)、開(kāi)采過(guò)程中揭露地質(zhì)構(gòu)造帶形成導(dǎo)水通道或人工鉆孔等形成的導(dǎo)水通道將直接導(dǎo)致含水層水涌入開(kāi)采區(qū)域[1-2]。如麥垛山煤礦在掘進(jìn)2#煤層輸送機(jī)巷揭露F26正斷層時(shí)，由于掘進(jìn)過(guò)程中巷道覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、含水層平衡狀態(tài)打破，導(dǎo)水裂隙帶與直羅組下段含水層貫通，誘發(fā)大面積潰沙涌水，最大涌水量達(dá)到400 m3/h；紅柳煤礦201工作面，其頂板結(jié)構(gòu)為厚度14.6～47.17 m的直羅組下段下分層粗砂巖含水層，其上為厚度7～25.5 m的粉砂巖、泥巖(平均厚度20 m)隔水層，再向上為厚度29.07～41.76 m的直羅組下段上分層粗砂巖含水層，回采期間先后發(fā)生了4次不同規(guī)模的突水，最大涌水量達(dá)到3000 m3/h。

2.2 水害形成因素分析

(1)水害與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。工作面開(kāi)采過(guò)程中，煤層頂?shù)装迮c上下部承壓含水層之間的隔水層厚度太小、強(qiáng)度偏低，無(wú)法承受含水層水頭壓力，或巷道掘進(jìn)作業(yè)鄰近斷層時(shí)頂板受擾動(dòng)作用進(jìn)而誘發(fā)導(dǎo)水帶破裂，引發(fā)水源突水[3-4]。

(2)水害與頂板隔水層的關(guān)系。煤層頂板突水主要受地質(zhì)構(gòu)造、隔水層厚度及承受水壓、底板組合巖性和應(yīng)力因素等影響。在采動(dòng)應(yīng)力的作用下，采空區(qū)形成明顯的“三帶”特征[5]，頂板產(chǎn)生裂隙并向上擴(kuò)展延伸，在高承壓水條件下，擴(kuò)張裂隙形成導(dǎo)水通道，最終使采掘空間與頂板含水層聯(lián)通而導(dǎo)致突水。

(3)水害與含水層水壓的關(guān)系。覆巖破斷與導(dǎo)水裂隙帶的理論表明，覆巖中存在離層蓄水空間，頂板含水層水壓是導(dǎo)致工作面瞬時(shí)出水量大的根本原因[6-8]。在工作面回采期間，隨著采空區(qū)懸頂距離、面積的擴(kuò)大，上覆隔水層彎曲變形達(dá)到極限，瞬時(shí)產(chǎn)生大量裂隙，導(dǎo)水裂隙帶高度隨之增加。因此，采取有效的疏降水技術(shù)、降低水壓對(duì)預(yù)防工作面突水有明顯效果。

(4) 侏羅系含水層之間的水力聯(lián)系。延安組含水層與直羅組下段含水層水力聯(lián)系密切，存在導(dǎo)水通道時(shí)，直羅組下段含水層將成為其補(bǔ)給來(lái)源，在回采過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)控制。圖3是侏羅系延安組含水層放水試驗(yàn)期間含水層水位變化情況，從圖3可以看出通過(guò)疏放水孔對(duì)延安組含水層放水，直羅組下段含水層水位下降幅度隨著放水孔水量增大而增大，其響應(yīng)時(shí)間隨放水孔水量增大而縮短、水壓也隨之減小。

圖3 侏羅系含水層間水力聯(lián)系變化流場(chǎng)平面圖

3 工作面涌水量變化分析

工作面涌水量由靜態(tài)水量和動(dòng)態(tài)水量組成，靜態(tài)水量隨著工作面疏放水量的增加，靜態(tài)水量、水壓逐漸減弱；動(dòng)態(tài)水量主要由導(dǎo)通、連通其他含水層及地面水構(gòu)成，對(duì)工作面的危害較大[9-10]。

3.1 靜態(tài)水量分析

工作面周期性涌水中頂板砂巖含水層封存地下水靜態(tài)水量為主要來(lái)源，考慮到該含水層水壓和彈性釋水系數(shù)的影響較小，靜態(tài)水量?jī)H考慮重力給水的水量值。

工作面頂板含水層靜態(tài)水量采用下式計(jì)算：

式中：Q靜態(tài)——地下水靜態(tài)水量，m3；

Q重力——重力給水量，m3；

Q彈性——地下水彈性?xún)?chǔ)存量，m3；

μd——含水層重力給水度；

F——疏干范圍面積，m2；

h——含水層厚度，m。

以雙馬煤礦I0104105工作面為例，利用靜態(tài)水量計(jì)算公式對(duì)工作面頂板砂巖水頂板周期來(lái)壓步距(60 m)范圍內(nèi)含水層的靜態(tài)水量及全工作面靜態(tài)水量進(jìn)行估算，見(jiàn)表1，為工作面探放水鉆孔布置提供科學(xué)依據(jù)。由給水度、靜態(tài)水量數(shù)值，可以看出頂板含水層孔隙度均勻、給水來(lái)源穩(wěn)定。

表1 地下水靜態(tài)水量計(jì)算表

3.2 動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量分析

動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量即工作面周期來(lái)壓后，工作面老頂垮落后形成的穩(wěn)定涌水量，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量采用大井法估算。大井法基于把礦區(qū)水平坑道系統(tǒng)所占面積等價(jià)于一個(gè)理想的大井面積，整個(gè)坑道系統(tǒng)的涌水量就相當(dāng)于大井的涌水量，其計(jì)算公式如下：

(3)

式中：Q——涌水量，m3/h；

K——滲透系數(shù)；

M——含水層厚度，m；

H——水頭高度，m；

R0——引用影響半徑，m；

r0——引用半徑，m。

礦坑所在含水層概化為均質(zhì)無(wú)限分布，天然水位近似水平，影響半徑R0可采用下式計(jì)算：

(4)

式中：S——水位降深，m。

根據(jù)礦井采掘工程平面圖，工作面形狀近似一個(gè)矩形，計(jì)算半徑公式為：

(5)

式中：a，b——矩形工作面的邊長(zhǎng)；

η——不同幾何形態(tài)礦坑的系數(shù)。

根據(jù)鴛鴦湖礦區(qū)、馬家灘礦區(qū)、積家井礦區(qū)水文地質(zhì)資料，回采工作面正常涌水量為200 ～300 m3/h，礦區(qū)各工作面最大涌水量與正常涌水量比值約為1.38。

3.3 礦井排水體系構(gòu)建

針對(duì)不同含水層富含水條件及含水層之間的水力聯(lián)系、靜態(tài)水量、動(dòng)態(tài)水量及涌水量大小不同的特點(diǎn)構(gòu)建相應(yīng)的排水體系，有效提高礦井抗災(zāi)能力。

3.3.1 工作面排水系統(tǒng)

工作面水倉(cāng)及排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)取決于工作面最大涌水量。金家渠煤礦110301首采工作面排水泵房設(shè)在輔助運(yùn)輸巷道，3個(gè)水倉(cāng)有效容積1900 m3(甲倉(cāng)550 m3、乙倉(cāng)550 m3、丙倉(cāng)800 m3)，甲、乙水倉(cāng)各安裝3臺(tái)(MD280-4×35，250 kW型)礦用耐磨多級(jí)離心泵，采用2用1備方式；丙倉(cāng)內(nèi)安裝2臺(tái)應(yīng)急潛水泵(BQS240-24×8-260 kW)。排水管路選用2趟?219 mm無(wú)縫鋼管，1趟應(yīng)急?250 mm玻璃骨架樹(shù)脂鋼管，1趟?273 mm鋼質(zhì)排水管路，正常排水能力626 m3/h，最大排水能力1140 m3/h。麥垛山煤礦130604工作面排水泵房設(shè)在130606工作面邊界排水巷，水倉(cāng)有效容積設(shè)計(jì)900 m3，安裝3臺(tái)離心泵：2臺(tái)型號(hào)MD150-67×4、功率200 kW、額定流量150 m3/h；1臺(tái)型號(hào)MD450-60×6、功率800 kW、額定流量450 m3/h；采用2用1備方式，水泵揚(yáng)程402 m，排水管路選用2趟?219 mm無(wú)縫鋼管和3趟?159 mm無(wú)縫鋼管。

3.3.2 礦井主排水系統(tǒng)

基于勘探階段全井田最大涌水量設(shè)計(jì)主排水系統(tǒng)，選取4個(gè)典型礦井的主排水系統(tǒng)，從水泵選型、水倉(cāng)容積、排水管徑等方面進(jìn)行優(yōu)化。

(1)金家渠煤礦在+920 m水平(副立井井底)設(shè)置主排水系統(tǒng)，內(nèi)外水倉(cāng)設(shè)計(jì)蓄水量共計(jì)5000 m3，安裝5臺(tái)(MD500-57×10型)礦用耐磨多級(jí)離心泵，2用2備1檢修；排水管路選用2趟?377 mm無(wú)縫鋼管，1用1備；在主排水泵房附近設(shè)置抗災(zāi)潛水泵硐室，敷設(shè)1趟?377mm管路，用于礦井透水時(shí)抗災(zāi)搶險(xiǎn)。

(2)紅柳煤礦在+1000 m水平設(shè)置礦井主排水系統(tǒng)，礦井有主水倉(cāng)(5000 m3)、一號(hào)副水倉(cāng)(4000 m3)、二號(hào)副水倉(cāng)(3000 m3)3個(gè)水倉(cāng)(設(shè)計(jì)蓄水量為12000 m3、有效蓄水量為9600 m3)，沿副立井敷設(shè)4趟DN350×17排水管路，安裝5臺(tái)MD450-60×9型耐磨多級(jí)離心泵和7臺(tái)MD650-80×7型耐磨多級(jí)離心泵；每臺(tái)MD450水泵配1臺(tái)YB2-710S1-4型隔爆型電動(dòng)機(jī)，功率1000 kW，電壓10 kV；每臺(tái)MD650水泵配1臺(tái)YB2-560-4型隔爆型電動(dòng)機(jī)，功率1600 kW，電壓10 kV。在主排水系統(tǒng)基礎(chǔ)上另外安裝了2臺(tái)潛水泵(水泵型號(hào)1100/595/2800 kW、揚(yáng)程550 m、流量1100 m3/h、電壓等級(jí)10 kV、電機(jī)功率2800 kW)。

(3)雙馬煤礦在+1046 m水平設(shè)置礦井主排水系統(tǒng)，甲、乙、丙3條水倉(cāng)設(shè)計(jì)蓄水量共計(jì)8003 m3，主排水泵房安裝5臺(tái)(MD500-57×6型)礦用耐磨離心式排水泵，2用2備1檢修；沿主斜井敷設(shè)3趟D377 mm×12 mm聚乙烯復(fù)合鋼管(基材無(wú)縫鋼管)材質(zhì)的排水管路，礦井正常涌水期2趟工作，1趟備用，最大涌水期3趟工作。

(4)麥垛山煤礦在+868 m水平設(shè)置礦井主排水系統(tǒng)，3個(gè)主水倉(cāng)設(shè)計(jì)蓄水量共計(jì)8487 m3(甲倉(cāng)3176 m3、乙倉(cāng)3062m3、丙倉(cāng)2249 m3)，主水平泵房安裝5臺(tái)MD600-118×9型離心泵(2用2備1檢修，沿立井敷設(shè)3趟DN350排水管路。+925 m輔助水平排水系統(tǒng)設(shè)置2個(gè)主水倉(cāng)(甲倉(cāng)2481 m3、乙倉(cāng)1730 m3)，設(shè)計(jì)蓄水量為4211 m3，安裝5臺(tái)MD360-95×9型離心泵(2用2備1檢修)，電機(jī)功率1000 kW，揚(yáng)程665 m，流量360 m3/h，沿副斜井敷設(shè)2趟DN350排水管路，將礦井水排至主井集中水調(diào)節(jié)池。為提高礦井抗災(zāi)能力在+868 m水平安裝了2臺(tái)抗災(zāi)潛水電泵(水泵型號(hào)BQ725-662/25-1900/W-S、揚(yáng)程662 m、流量725 m3/h、電壓等級(jí)10 kV、電機(jī)功率1600 kW)。各主排水系統(tǒng)水泵性能見(jiàn)表2。

表2 排水設(shè)備性能參數(shù)對(duì)比表

4 主要疏降水技術(shù)及效果評(píng)價(jià)

靜態(tài)水量是形成工作面水害的直接因素，采取合理的疏、降、排水技術(shù)對(duì)靜態(tài)水量進(jìn)行疏放，可有效降低含水層區(qū)域水量及水壓[11-13]。在靜態(tài)水量的防治中主要采取靶向疏放水、群孔疏放水、邊界泄水巷集中疏放水、消峰平谷預(yù)疏放水等技術(shù)，對(duì)上述幾種疏放水技術(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件單獨(dú)使用，也可協(xié)同使用。

4.1 靶向疏放水技術(shù)

以金家渠煤礦110301工作面為例，工作面自切眼向停采線(xiàn)方向施工疏放水鉆孔，將切眼附近300 m范圍作為疏放水試驗(yàn)段，一是探查該區(qū)段頂板含水層的可疏放性，對(duì)該工作面開(kāi)采前的防治水安全進(jìn)行評(píng)價(jià)論證；二是根據(jù)疏放水鉆孔的放水效果，優(yōu)化調(diào)整后期疏放水鉆孔的參數(shù)，以最少的鉆孔工程量實(shí)現(xiàn)最大限度的頂板水疏放。主要含水層靶向疏放水布置如圖4所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并按照靶向疏放水技術(shù)特點(diǎn)施工鉆場(chǎng)24個(gè)、鉆孔82個(gè)、鉆孔工程量12401 m，其中工作面回風(fēng)巷道設(shè)計(jì)11個(gè)鉆場(chǎng)、鉆孔43個(gè)、鉆孔工程量6122 m，套管長(zhǎng)度493 m，輔助運(yùn)輸巷道設(shè)計(jì)12個(gè)鉆場(chǎng)、鉆孔33個(gè)、鉆孔工程量5389 m、套管長(zhǎng)度603 m，離層水鉆場(chǎng)1個(gè)、鉆孔6個(gè)、鉆孔工程量890 m、套管長(zhǎng)96 m。截至2018年10月7日疏放水量192.65萬(wàn)m3，最大單孔涌水量由154 m3/h降至5 m3/h、含水層水頭壓力由0.82 MPa降至0 MPa。

圖4 主要含水層靶向疏放水布置

4.2 群孔疏放水技術(shù)

以紅柳煤礦I040203工作面為例，該工作面含水層(頂板直羅組砂巖含水層)位于采動(dòng)冒裂帶范圍內(nèi)，屬層狀承壓水含水層，工作面回采后將直接揭露該含水層。在工作面回采前期采用群孔疏放鉆孔進(jìn)行疏放水，鉆孔為上仰孔，呈扇形布署，定向鉆孔布置在切眼下口硐室內(nèi)，常規(guī)鉆孔布置在工作面上部600 m范圍(定向鉆孔未覆蓋區(qū)域)。定向鉆場(chǎng)1個(gè)，設(shè)計(jì)5個(gè)主孔1個(gè)分支疏放水鉆孔，設(shè)計(jì)工程量2407 m，孔口套管長(zhǎng)度150 m；常規(guī)疏放水鉆場(chǎng)18個(gè)、鉆孔65個(gè)，其中在I040203工作面切眼下口布置2個(gè)鉆場(chǎng)、10個(gè)鉆孔，在I040203回風(fēng)巷布置10個(gè)鉆場(chǎng)、36個(gè)鉆孔，在I040203運(yùn)輸巷布置3個(gè)鉆場(chǎng)、7個(gè)鉆孔，在I040204回風(fēng)巷布置3個(gè)鉆場(chǎng)、12個(gè)鉆孔、鉆孔工程量8893.9 m、安裝套管長(zhǎng)度390 m。定向鉆孔疏水效果情況如表3所示，最大涌水量與開(kāi)采前涌水量對(duì)比得出定向鉆孔疏放水效果顯著。

表3 定向鉆孔疏水效果統(tǒng)計(jì)表

4.3 邊界泄水巷集中疏放水技術(shù)

為開(kāi)展采區(qū)疏放水工作在采區(qū)邊界布置專(zhuān)用泄水巷，由臨時(shí)水倉(cāng)、泵房、排水管路等組成。邊界泄水巷集中疏放水技術(shù)一方面可減少煤炭資源損失，另一方面專(zhuān)用泄水巷受采動(dòng)影響較小，巷道長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，能在較長(zhǎng)周期內(nèi)為采區(qū)工作面疏放水工程服務(wù)。這種集中疏放水技術(shù)在金家渠煤礦、雙馬煤礦、紅柳煤礦等進(jìn)行了很好的工程應(yīng)用。

4.4 消峰平谷預(yù)疏放水技術(shù)

疏水降壓作為特定條件下采取的一種防治水技術(shù)手段，雙馬煤礦I0104105工作面上覆直羅組下段粗砂巖含水層和延安組砂巖含水層為工作面回采過(guò)程中的直接充水水源。在頂板砂巖含水層地下水流場(chǎng)處于原始狀態(tài)時(shí)，提前對(duì)2#～4#煤層間延安組含水層和直羅組下段粗砂巖含水層進(jìn)行疏放，減小采后周期性冒落引起的峰值涌水量，實(shí)現(xiàn)消峰平谷。在I0104105工作面切眼附近400 m范圍內(nèi)開(kāi)展頂板水預(yù)疏放試驗(yàn)，施工13個(gè)鉆場(chǎng)、53個(gè)鉆孔、鉆孔工程量4770 m。其中，風(fēng)巷布置3個(gè)鉆場(chǎng)、11個(gè)鉆孔、鉆孔工程量1103 m，機(jī)巷布置10個(gè)鉆場(chǎng)、42個(gè)鉆孔、鉆孔工程量3667 m。風(fēng)機(jī)兩巷頂板疏放水工作從2017年5月22日開(kāi)展至2018年3月，累計(jì)疏放水量約18.7萬(wàn)m3。

5 結(jié)論

(1) 工作面涌水量主要由靜態(tài)水量和動(dòng)態(tài)水量構(gòu)成，靜態(tài)水量隨著工作面疏放水量的增加，逐漸減弱；動(dòng)態(tài)水量主要由水力聯(lián)系較強(qiáng)的相鄰含水層導(dǎo)通及地面水構(gòu)成，對(duì)工作面危害較大，應(yīng)重點(diǎn)加以控制。

(2) 靶向疏放水、群孔疏放水、邊界泄水巷集中疏放水、消峰平谷預(yù)疏放水技術(shù)對(duì)于工作面含水層靜態(tài)水量的疏放效果明顯，可明顯減弱水害的影響。

(3) 針對(duì)含水層富含水量的情況及不同含水層之間的水力聯(lián)系、涌水量大小構(gòu)建不同的排水系統(tǒng)，可有效提高礦井的抗災(zāi)能力。

(4) 動(dòng)態(tài)水量即工作面老頂周期來(lái)壓后的穩(wěn)定涌水量，采用“大井法”進(jìn)行預(yù)計(jì)，工作面最大涌水量為正常涌水量的1.38倍。