楊 建 ，孫 潔，梁向陽，黃 浩 ，王強民

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710054）

鄂爾多斯盆地位于我國西北地區(qū)東部，屬黃河中游，面積約 27.5×104km2[1]，煤層以厚和特厚煤層為主，煤田地質(zhì)構(gòu)造簡單[2-3]，煤層賦存穩(wěn)定，煤層傾角2°～5°，很少有斷層、褶曲，水文地質(zhì)條件簡單，瓦斯含量較少，易開采，開發(fā)成本低，具備建設(shè)大型和特大型礦井的條件[4]。其中，蒙陜礦區(qū)深埋煤田區(qū)礦床水文地質(zhì)條件的勘探和研究程度較低[5]，其多旋回陸相沉積特征[6-7]、多相變層疊地層結(jié)構(gòu)[8-9]和復(fù)合含水層系統(tǒng)，地層的高度非均質(zhì)、各向異性和非連續(xù)性，造成含水層富水性極不均勻[10]，具有不連續(xù)的塊段分布特征，甚至在 1 個含水層不能形成統(tǒng)一的地下水水頭面。為了保障深埋煤層工作面的安全回采，在工作面回采前，一般對其頂板含水層開展預(yù)疏放工作[11]，避免回采過程中涌水量的突然增加，超過工作面排水能力，導(dǎo)致工作面被淹。但是由于區(qū)域性地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的不均一性，不同礦井工作面回采過程中，頂板涌水量差異極大，目前工作面頂板水預(yù)疏放仍缺少相關(guān)研究。為此總結(jié)出鄂爾多斯盆地北部深埋煤田區(qū)水文地質(zhì)控水機理、工作面頂板水預(yù)疏放變化規(guī)律、安全回采控制參數(shù)等成果。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部蒙陜接壤區(qū)（圖1），包括新街、呼吉爾特、納林河、榆橫等礦區(qū)，自西北向東南傾斜，以中生代侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)巖石為骨架，分為基巖臺地、沙地、黃土溝壑3 類地貌。其中大部分地區(qū)在晚第四紀(jì)風(fēng)成作用下，覆蓋著不同流動或固定程度的沙丘與沙地，沙丘高度一般在5～10 m以下，風(fēng)積沙以細(xì)砂、中砂為主，0.25～0.50 mm 粒徑的約占90%，第四系風(fēng)積沙厚度不一，葫蘆素井田內(nèi)厚度為 4.50～61.58 m（平均 25.57 m），巴彥高勒井田內(nèi)厚度為 73.92～161.60 m（平均 118.74 m），單位涌水量 q=1.290～1.573 L/(s·m)，富水性強，是煤層頂板含水層較豐富的充水水源；新街礦區(qū)主要為基巖志丹群出露，富水性弱，紅慶河井田白堊系含水層段單位涌水量 q=0.020 6～0.032 81 L/(s·m)；榆橫南區(qū)為黃土溝壑地貌，第四系含水層弱富水性，魏墻井田第四系含水層 q=0.088 L/(s·m)。

圖1 研究區(qū)位置示意圖（紅線內(nèi)為研究區(qū)）Fig.1 Schematic map of research area

2 工作面頂板水可疏降性

2.1 頂板水文地質(zhì)特征

鄂爾多斯盆地中生代發(fā)生了3 期構(gòu)造抬升與剝蝕事件，分別對應(yīng)三疊系延長組-侏羅系、侏羅系延安組-直羅組、侏羅系安定組-白堊系志丹群等地層不整合面；構(gòu)造運動造成的凹凸不平剝蝕面上，沉積以填平補齊為特點，形成了早侏羅底部寶塔砂巖、直羅組底部七里鎮(zhèn)砂巖、白堊系底部砂巖等富水含水層；另外，由于沉積環(huán)境的變化，還發(fā)育了延三段裴莊砂巖、延五段真武洞砂巖、直二段高橋砂巖等含水層。根據(jù)煤礦建設(shè)和生產(chǎn)過程中對這些含水層的揭露，發(fā)現(xiàn)上組煤開采防治水關(guān)鍵層主要包括真武洞砂巖、延安組-直羅組不整合面、七里鎮(zhèn)砂巖、志丹群砂巖等，其中真武洞和七里鎮(zhèn)砂巖位于煤炭開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Х秶鷥?nèi)（圖2）；下組煤開采防治水關(guān)鍵層主要包括延長組-延安組不整合面、寶塔砂巖等。

本地區(qū)現(xiàn)階段主采煤層為2 號煤或3 號煤，通過在巴彥高勒和納林河二號礦井的覆巖破壞高度實測，本地區(qū)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度一般為煤層開采高度的 20～25 倍，即最大發(fā)育高度在 100～130 m，已經(jīng)進(jìn)入直羅組一段地層。該層段厚度70～100 m，平均85 m，底部的七里鎮(zhèn)砂巖平行不整合覆巖在延安組三段上，以中粗砂巖為主，厚度17～24 m（平均19 m），自然伽馬曲線表現(xiàn)為低值，是本地區(qū)2 煤和3煤開采過程中最主要的防治水目的層。但是，不同礦井的直羅組含水層水文地質(zhì)條件差異較大，其中滲透系數(shù)k 和單位涌水量q 作為含水層滲透和出水能力大小的重要指標(biāo)（圖3），黃土溝壑區(qū)的魏墻礦k=0.004 m/d、q=0.002 5 L/(s·m)，基巖臺地區(qū)的紅慶河礦 k=0.003 6 m/d、q=0.011 7 L/(s·m)，而沙漠區(qū)k=0.01～0.149 m/d、q=0.024～0.077 L/(s·m)，沙漠區(qū)直羅組含水層富水性（滲透能力和出水能力）遠(yuǎn)大于黃土溝壑區(qū)和基巖臺地區(qū)。

圖2 研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Stratigraphic profile of research area

2.2 頂板水可疏降性

礦井工作面探放水鉆孔水量和水壓特征見表1。

圖3 各礦井直羅組滲透系數(shù)k 和單位涌水量q 對比圖Fig.3 Comparison of permeability coefficient k and unit water inflow q of Zhiluo formation

表1 各礦井工作面探放水鉆孔水量和水壓特征Table 1 Water inflow and pressure of roof boreholes of working face

由表1 可知：鉆孔的初始水量和水壓差異極大，經(jīng)采前預(yù)疏放后，1～3 個月可實現(xiàn)大部分（90%）頂板鉆孔水量＜10 m3/h、水壓＜1.2 MPa，具有較好的可疏降性。大致分為3 類：①初始水量q0＜10.0 m3/h，初始水壓p0≤4.0 MPa，包括紅慶河和魏墻煤礦，通過對頂板含水層的預(yù)疏放，累計疏放水量分別為 0.93×104m3和 2.0×104m3，最終實現(xiàn)工作面回采前單孔水量 q1=0.4～2.7 m3/h 和 0～0.5 m3/h，水壓已不可測；②初始水量 q0≤60.0 m3/h，初始水壓p0≤6.0 MPa，包括葫蘆素、巴彥高勒、營盤壕，工作面預(yù)疏放后，累計疏放水量分別為19.3×104m3、17.9×104m3和 83.3×104m3，最終實現(xiàn)工作面回采前單孔水量分別達(dá)到 0.1～3.5 m3/h、0.2～6.0 m3/h、2.0～20.0 m3/h，水壓 p1≤1.2 MPa；③大部分鉆孔的初始水量 q0＞100.0 m3/h，甚至達(dá)到 150.0～160.0 m3/h，初始水壓也以 4.0～6.0 MPa 為主，包括門克慶、母杜柴登和納林河二號，工作面預(yù)疏放后，累計預(yù)疏放水量分別為 130.0×104m3、165.3×104m3和 142.6×104m3，最終實現(xiàn)工作面回采前單孔水量分別達(dá)0.3～26.3、＜11.0、1.0～9.6 m3/h，水壓 p1≤1.2 MPa。

3 工作面頂板預(yù)疏放標(biāo)準(zhǔn)

3.1 是否預(yù)疏放的標(biāo)準(zhǔn)

紅慶河等8 個礦井在首采工作面回采過程中均未出現(xiàn)涌水量突然增大的情況，實現(xiàn)了首采工作面的安全回采，由此可以初步確定滿足安全回采的頂板疏放水鉆孔水量和水壓條件，即單孔涌水量≤10.0 m3/h（90%）、水壓≤1.2 MPa，該條件在紅慶河和魏墻煤礦的工作面頂板探放水鉆孔施工過程中，初始水量就已經(jīng)滿足要求。另外，新街礦區(qū)的馬泰壕煤礦首采工作面頂板探放水鉆孔初始水量和水壓與紅慶河煤礦相似，未進(jìn)行工作面預(yù)疏放，已經(jīng)實現(xiàn)首采工作面的安全回采，因此水壓不是必要指標(biāo)，可作為參考指標(biāo)。

葫蘆素煤礦首采工作面回采前，在工作面中段某富水區(qū)附近選擇 11 個鉆孔開展了放水試驗，鉆孔初始水量 1.0 m3/h≤q0≤60.0 m3/h，累計疏放水量Q=21.7×104m3（圖4），其中水量q0＞20.0 m3/h 的鉆孔 4 個，占 36.4%，累計疏放水量 18.1×104m3，占83.34%；另外，該礦首采工作面回采前的疏放水過程中，除了1 個鉆孔初始水量為26 m3/h，其余26 個鉆孔初始水量均小于 20.0 m3/h（且＞10.0 m3/h 的鉆孔不超過 20%），94 d 累計疏放水量為 11.4×104m3，單孔平均1.87 m3/h，這種條件下可不進(jìn)行預(yù)疏放工作；而初始水量 20.0＜q0＜60.0 m3/h 的鉆孔，往往位于頂板富水區(qū)，須針對頂板富水區(qū)開展預(yù)疏放工作，以避免回采過程中采空區(qū)涌水量的突然增大。

圖4 葫蘆素放水試驗過程中初始水量和疏放水量關(guān)系圖Fig.4 Initial and drainage water inflow in drainage test of Hulusu Mine

門克慶、母杜柴登、納林河二號等礦井水，由于大部分鉆孔的初始水量q0＞100.0 m3/h、初始水壓4.0～6.0 MPa，表現(xiàn)為“水量大、水壓高”的特點，如果不進(jìn)行預(yù)疏放工作，可能會造成2 方面問題：①工作面回采過程中，采空區(qū)涌水量較大，為滿足工作面排水要求，須建設(shè)較大排水能力的排水系統(tǒng)，例如門克慶首采工作面，在開展頂板水預(yù)疏放的前提下，最終工作面涌水量仍達(dá)到了1 134.0 m3/h；②研究區(qū)為河流相沉積，每個工作面頂板均發(fā)育數(shù)個富水條帶，工作面回采過程中，會出現(xiàn)階段性涌水峰值，對排水系統(tǒng)造成巨大沖擊，威脅工作面安全回采。因此，這類礦井工作面回采前，必須開展預(yù)疏放工作?；谏鲜霾煌@孔涌水特征礦井，劃分出是否開展預(yù)疏放的標(biāo)準(zhǔn)，工作面是否預(yù)疏放標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 工作面是否預(yù)疏放標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Standards for pre-drainage of working face

3.2 如何預(yù)疏放的標(biāo)準(zhǔn)

門克慶、母杜柴登和納林河二號的工作面前600.0 m 預(yù)疏放水量分別為 130.0×104m3、165.3×104m3和 142.6×104m3，形成了回采前工作面約 400.0～700.0 m3/h 的排水量，因此必須開展工作面采前預(yù)疏放工作。以目前工作面涌水量最大的門克慶煤礦為例，在前期工作面頂板探放水鉆孔施工已經(jīng)預(yù)疏放一定量頂板水的條件下，仍需2～3 個月才能實現(xiàn)工作面回采前頂板的預(yù)疏放工作，即90%鉆孔水量≤10.0 m3/h、水壓≤1.2 MPa。由此可以針對“水量大、水壓高”礦井工作面開展預(yù)疏放設(shè)計（表3）：研究區(qū)絕大部分礦井產(chǎn)能在 500.0～1 000.0 萬 t，長度為 2 000.0～3 000.0 m 的單個工作面一般在 1 年內(nèi)回采完成，以 600.0～1 000.0 m 為工作面回采段，提前3 個月進(jìn)行頂板水預(yù)疏放，可實現(xiàn)預(yù)疏放和回采工作的順利接續(xù)。

表3 “水量大、水壓高”礦井工作面預(yù)疏放要求Table 3 Requirement for pre-drainage of working face with large amount and high pressure

4 結(jié) 論

1）研究區(qū)分為基巖臺地、沙地、黃土溝壑 3 類地貌，其中沙地區(qū)第四系富水性強，是煤層頂板含水層豐富的充水水源，導(dǎo)致直羅組一段滲透系數(shù)和單位涌水量均遠(yuǎn)大于基巖臺地區(qū)和黃土溝壑區(qū)。

2）不同礦井首采工作面探放水鉆孔初始水量和累計放水量分為 3 類，基巖臺地和黃土溝壑區(qū)的水量較小礦井（包括紅慶河和魏墻），初始水量q0＜10.0 m3/h，累計疏放水量＜5.0×104m3；毛烏素沙漠區(qū)的水量中等礦井（包括葫蘆素、巴彥高勒和營盤壕），初始水量q0≤60.0 m3/h，累計疏放水量10.0～100.0×104m3；毛烏素沙漠區(qū)的水量較大礦井（包括門克慶、母杜柴登和納林河二號），大部分鉆孔的初始水量 q0＞100.0 m3/h，累計預(yù)疏放水量＞100.0×104m3。

3）q0=0～10.0 m3/h 的礦井，不需要開展預(yù)疏放；q0=0～60.0 m3/h 的礦井，對鉆孔初始水量＞20.0 m3/h的富水條帶開展預(yù)疏放；q0＞ 60.0 m3/h 的礦井，必須開展全工作面預(yù)疏放。

4）“水量大、水壓高”礦井工作面，以 600.0～1 000.0 m 為工作面回采段，提前3 個月進(jìn)行頂板水分段預(yù)疏放，實現(xiàn)回采前90%鉆孔水量≤10.0 m3/h、水壓≤1.2 MPa。