呂玉廣，劉寶開，趙寶峰，呂文卿，韓 港，王永寶

侏羅系寶塔山砂巖水文地質(zhì)特征與解危開采研究——以新上海一號煤礦為例

呂玉廣1,2，劉寶開2，趙寶峰3，呂文卿4，韓 港2，王永寶2

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299；3. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司, 陜西 西安 710077； 4. 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

西部礦區(qū)是我國重要的能源戰(zhàn)略基地，侏羅紀(jì)煤田可采煤層多、資源儲量豐富，中下組煤受“寶塔山砂巖”含水層嚴(yán)重威脅，但目前國內(nèi)對該含水層研究較少、資料匱乏。以新上海一號煤礦“11·25”突水事故為例，采用延深排水鉆孔、水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探、井下放水試驗(yàn)等手段，查明該含水層具有沉積結(jié)構(gòu)復(fù)雜、富水性不均、靜儲量豐富、水頭高、水壓大、容易疏放等特點(diǎn)；通過安全隔水層厚度計算，說明“11·25”事故突水原因。SEM鏡下顯示砂巖為泥質(zhì)膠結(jié)，塊狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)生孔隙發(fā)育。以砂巖總厚度、砂地比、單位涌水量、滲透系數(shù)為主控因素，分析含水層富水性規(guī)律；預(yù)計正常情況下開采涌水量1 200.7 m3/h，最大涌水量1 860.84 m3/h，超出礦井排水能力。在水文地質(zhì)單元邊界條件分析的基礎(chǔ)上，利用Visual MODFLOW建立非穩(wěn)定滲流場三維數(shù)值模型，模擬4個放水階段的解危效果，結(jié)果表明，歷時215 d，放水量約487.6萬m3，一分區(qū)18煤突水危險可以解除。

侏羅紀(jì)煤田；寶塔山砂巖；水文地質(zhì)特征；放水試驗(yàn)；解危開采

砂巖含水層以其內(nèi)部原生或次生孔隙裂隙為物理儲水空間，砂巖與泥巖交互沉積，共同組成復(fù)雜的含水體系[1-2]?？紫读严栋l(fā)育的復(fù)雜性及隔水層空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，決定含水層富水程度不均一[3-5]。通常砂巖含水層富水性較弱，采場涌水持續(xù)時間短、總量少，但也有例外。

侏羅紀(jì)煤炭資源主要分布在晉、陜、甘、寧、蒙等地區(qū)，探明和預(yù)測的資源總量超過6 000億t，已建成神東、陜北、寧東等大型煤炭基地，年產(chǎn)原煤超過10億t[6-7]。目前多處于上組煤(5煤及以上煤層)開采階段，受頂板侏羅系直羅組、白堊系洛河組及第四系薩拉烏蘇組等含水層影響[8-9]?！皩毸缴皫r”是延安組含煤地層最下部含水層，王雙明等[10]在《鄂爾多斯盆地聚煤規(guī)律及煤炭資源評價》中進(jìn)行了簡略分析，后續(xù)鮮有研究，可供參考的資料十分匱乏，致使早期進(jìn)入中、下組煤開采的礦井遭受突水后難以判斷突水原因。不同于以往對砂巖含水層的認(rèn)識，寶塔山砂巖具有水頭高、水量豐富等水文地質(zhì)特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅著下組煤甚至是中組煤的開采安全。

2007年國家批準(zhǔn)內(nèi)蒙古上海廟礦區(qū)總體規(guī)劃，礦區(qū)探明儲量142億t，遠(yuǎn)景儲量500億t，其中侏羅紀(jì)煤炭儲量約占90%[11-12]，規(guī)劃建設(shè)14對大型礦井，總產(chǎn)能約45 Mt/a。2015年11月25日，礦區(qū)新上海一號煤礦膠帶暗斜井掘進(jìn)過程中底板突水，穩(wěn)定水量約3 600 m3/h，24 h內(nèi)淹沒礦井(“11·25”突水事故)。據(jù)后期水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探成果，證明21煤底板為寶塔山砂巖，水壓高、富水性好，為“11·25”突水水源。事故調(diào)查時專家們根據(jù)突水特點(diǎn)，多傾向于深部奧灰突水的觀點(diǎn)，推測未查明的隱伏構(gòu)造導(dǎo)通灰?guī)r水，可見對“寶塔山砂巖”認(rèn)識的不足。筆者以新上海一號煤礦為例，詳細(xì)介紹對寶塔山砂巖的認(rèn)識過程，研究其水文地質(zhì)特征、水化學(xué)特征及通過疏水降壓解除18煤底板突水危險的可行性，推動上海廟能源化工基地建設(shè)，同時為西部侏羅紀(jì)中下組煤安全開采提供有益參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 井田地質(zhì)

新上海一號煤礦(簡稱一號煤礦)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗境內(nèi)，距離寧夏回族自治區(qū)銀川市約48 km，是基地最早建設(shè)的2對礦井之一[13]，設(shè)計生產(chǎn)能力4.0 Mt/a。侏羅系延安組含可采或局部可采煤層共21層，編號1—5層為上組煤，大部分遭受剝蝕；6—15層為中組煤，其中8煤、15煤為主采煤層；16—21層為下組煤，其中18煤、20煤為主采煤層。井田南北長約12.5 km，東西寬2.0~3.5 km，面積26.6 km2，總體為向東傾伏的單斜構(gòu)造。井田東西兩側(cè)受落差大于150 m的逆斷層控制，北以21煤層隱伏露頭為界，南與榆樹井井田相鄰，井田內(nèi)構(gòu)造簡單。風(fēng)積沙丘、沙漠型地貌，地面高程約1 320 m。三疊系延長組為煤系基底，目前開采8煤、15煤，接續(xù)18煤。上海廟能源化工基地規(guī)劃如圖1所示。

圖1 上海廟能源化工基地規(guī)劃

根據(jù)2012年9月提交的《新上海一號煤礦建井地質(zhì)報告》，礦井地層綜合柱狀如圖2所示，此報告對寶塔山砂巖水文地質(zhì)特征無描述。

礦井地層(含水層)自下而上簡述如下：三疊系延長組(T3)，揭露厚度522.03 m，內(nèi)陸湖泊相碎屑巖沉積建造，富水性弱，與上覆延安組假整合接觸；侏羅系延安組(J2)厚度159.75~345.94 m，平均288.29 m，單位涌水量0.000 7~0.002 6 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.003 0~0.186 5 m/d；侏羅系直羅組(J2)厚度0~270.05 m，平均119.07 m，河湖相沉積，下部中粗粒砂巖發(fā)育，單位涌水量0.008 4~0.117 0 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.023 3~0.281 2 m/d，與上覆地層角度不整合接觸。白堊系志丹群(K1)厚度122.03~300.10 m，平均188.28 m，上部以中、細(xì)碎屑巖為主，下部以礫巖為主，單位涌水量0.006 5~0.057 8 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.005 5~0.288 3 m/d，與上覆地層角度不整合接觸。古近系(E)厚度9.2~75.45 m，平均31.75 m，以磚紅色泥巖為主，局部夾灰白色細(xì)砂巖、粉砂巖、中粗砂巖等，半膠結(jié)。第四系(Q)風(fēng)積沙丘或沖積沙土，厚度1.00~29.4 m，平均6.86 m。

圖2 新上海一號煤礦井田地層綜合柱狀圖

1.2 井田開拓布局

礦井設(shè)計2個水平，一水平大巷高程+880 m，位于8煤內(nèi)；二水平大巷高程+733 m，設(shè)計在21煤內(nèi)。

井田東西兩側(cè)邊界斷層落差均大于150 m，為逆斷層。井田內(nèi)部以2條近東西向、落差15~20 m的斷層為界，劃分為3個分區(qū)，分區(qū)內(nèi)2個水平間以暗斜井溝通，井田開拓布局如圖3所示。

圖3 井田開拓布局

目前采掘活動主要集中在一分區(qū)，開采8煤及15煤，正在準(zhǔn)備二分區(qū)的8煤、15煤生產(chǎn)系統(tǒng)，計劃5 a后接續(xù)開采一分區(qū)的18煤。

2 寶塔山砂巖水文地質(zhì)條件探查

2.1 勘探與補(bǔ)充勘探

1953年開始，先后有石油系統(tǒng)、煤炭系統(tǒng)在本區(qū)開展地質(zhì)勘探工作；1966—2004年，多家地質(zhì)勘探單位在井田外圍開展工作。2004年核工業(yè)地質(zhì)勘查院在井田外圍施工2個鉆孔，二維地震測線35.13 km。2005年煤田勘探單位在井田內(nèi)施工2個鉆孔，均未對寶塔山砂巖含水層進(jìn)行針對性探查。

2007年，井田內(nèi)施工鉆孔46個，共完成抽水試驗(yàn)9層次，其中的3層次混合抽水試驗(yàn)包含寶塔山砂巖的部分層段(表1)，混合抽水試驗(yàn)導(dǎo)致水文地質(zhì)參數(shù)明顯偏小，成果報告據(jù)此做出下組煤地層富水性極弱的結(jié)論。

表1 寶塔山砂巖部分層段抽水試驗(yàn)成果

2013年提交的《新上海一號井田水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探設(shè)計》以上部含水層為勘查對象，對下部含水層沒有開展實(shí)質(zhì)性水文工作，勘探成果報告參照以往區(qū)內(nèi)其他礦井資料做出“18煤底板灰白色寶塔山砂巖易于識別……下組煤層段富水性極弱”的結(jié)論，煤礦設(shè)計院據(jù)此將二水平大巷設(shè)計在21煤內(nèi)，為“11·25突水”埋下隱患。

區(qū)域上，寧東礦區(qū)靈新煤礦最下部煤層為18煤，19—21煤沉缺；上海廟礦區(qū)榆樹井煤礦東南部19—21煤沉缺，西北部19—21煤均有賦存；新上海一號井田19—21煤全井田賦存。寶塔山砂巖位于煤系底部，為21煤的直接底板。

2.2 礦井突水

新上海一號煤礦一分區(qū)膠帶暗斜井從+880 m水平巷開門，以–14°下山向+733 m水平延深，斜長543 m，地質(zhì)剖面如圖4所示。2015年11月25日上午8時左右，下山巷道掘進(jìn)503 m時底板突水，伴有爆鳴聲，實(shí)測突水量3 600 m3/h，經(jīng)統(tǒng)計總突水量約1.34×106m3(“11·25”突水事故)，無人員傷亡。

由于膠帶暗斜井和軌道暗斜井穿過18煤底板時未見含水層，以往施工的8煤111采區(qū)上山與膠帶暗斜井在平面上重疊，未揭露過斷層或其他構(gòu)造，三維地震時間剖面上未發(fā)現(xiàn)構(gòu)造異常，因此，限于當(dāng)時資料不足，無法準(zhǔn)確分析突水原因。

圖4 一分區(qū)暗斜井地質(zhì)剖面

2.3 排水鉆孔延深

突水后，將礦井原定為強(qiáng)排系統(tǒng)鉆孔的地面直1排水孔向下延深鉆進(jìn)，為了探查21煤底板是否有含水層，此鉆孔與突水點(diǎn)平面距離約158 m。該孔向下延深鉆進(jìn)147.9 m發(fā)現(xiàn)21煤底板砂巖發(fā)育，單位涌水量0.246 9 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.689 3 m/d。在井下正在涌水時開展的抽水試驗(yàn)，取得的參數(shù)偏小，預(yù)計該含水層富水性比試驗(yàn)結(jié)果更強(qiáng)。

2016年1月23日，該鉆孔具備水位觀測條件，2月29日堵水成功時，孔內(nèi)水位高程+1 082.783 m，3月1日水位開始回升，2017年8月27日水位高程+1 194.437 m，回升了111.654 m。水位變化歷時曲線如圖5所示。

2019年7月，直1排水孔水位穩(wěn)定在+1 198 m左右，如果考慮水頭永久性損失，突水前原始水位應(yīng)該高于+1 198 m。突水點(diǎn)高程+746 m，巷道底板下距含水層約13 m，則突水時巷道底板隔水層承受的水壓超過4.65 MPa。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(2017年版)提供的經(jīng)驗(yàn)公式，計算掘進(jìn)巷道底板安全隔水層厚度：

式中：h為安全隔水層厚度，m；L為巷道底板寬度，取5.2 m；γ為底板隔水層平均容重，取0.026 MN/m3；KP為實(shí)測值0.3 MPa；p為隔水層承受的實(shí)際水壓，取4.65 MPa。

計算的安全隔水層厚度略大于實(shí)際隔水層厚度，可以認(rèn)定“11·25”突水原因?yàn)椋?1煤底板寶塔山砂巖水壓高，突水前底板隔水層承受的水壓達(dá)到了突水臨界值。

2.4 補(bǔ)充勘探

依據(jù)2期水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探結(jié)果，寶塔山砂巖含水層由多層含礫粗砂巖和泥巖組合而成，砂巖有灰白色、磚紅色2種，膠結(jié)疏松，巖心可用手搓碎(圖6)。完成的13層次抽水試驗(yàn)結(jié)果顯示，單位涌水量0.040 4~1.331 5 L/(m·s)，滲透系數(shù)0.286 0~2.105 3 m/d，富水性弱至強(qiáng)。

根據(jù)掃描電子顯微鏡(SEM)，從宏觀(圖7a)和細(xì)觀(圖7b)對比觀測砂巖組成結(jié)構(gòu)。砂巖為泥質(zhì)膠結(jié)，或泥質(zhì)與鈣質(zhì)混合膠結(jié)，塊狀結(jié)構(gòu)，孔隙性較好，以中小孔隙為主；孔隙無序分布，呈多孔隙連通網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

圖6 寶塔山砂巖巖心

2.5 井下放水試驗(yàn)

a.第1次放水試驗(yàn) 井下放水試驗(yàn)獲取的水文地質(zhì)參數(shù)更加符合實(shí)際[14]。以寶塔山砂巖為放水試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)層，設(shè)計井下放水孔4個(編號F1—F4)，集中布置，孔間距15 m；井下觀測孔7個(編號G1—G7)，分散布置，與地面B-6、ZH5、直1觀測孔配合，形成觀測網(wǎng)(圖8)。井下鉆孔在15煤巷道內(nèi)開孔(15煤底板下距含水層約105 m)，穿過含水層5 m時終孔。

圖7 砂巖SEM掃描圖

由于地層厚度變化，第1個鉆孔(G4)鉆進(jìn)至96 m，尚未達(dá)到下二級止水套管深度時，孔內(nèi)開始滲水，30 min后呈噴涌狀態(tài)，實(shí)測水量約380 m3/h，泥砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)約5%(圖9a)，攜帶的顆粒物最大直徑8 cm(圖9b)。

圖8 第1次放水試驗(yàn)鉆孔布置

圖9 孔內(nèi)沖出的泥砂與礫石

由于水量、水壓超出預(yù)期，且二級止水套管來不及下入，為確保安全，G4孔注漿封閉，第1次放水試驗(yàn)終止。

b.第2次放水試驗(yàn) 吸取第1次放水試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，將試驗(yàn)方案進(jìn)行了修改，井下4個放水孔數(shù)量不變，施工地點(diǎn)調(diào)整為在8煤巷道內(nèi)開孔(8煤下距含水層約180 m)；利用地面13個寶塔山砂巖水文長觀孔觀測水位；由二級套管改為三級套管。放水孔與觀測孔平面布置如圖10所示。

圖10 第2次放水試驗(yàn)鉆孔布置

放水孔揭露含水層后孔內(nèi)頂鉆現(xiàn)象嚴(yán)重，4個放水孔均未達(dá)到設(shè)計孔深，進(jìn)入含水層5~12 m即終孔，施工現(xiàn)場出水情況如圖11所示。

圖11 鉆孔揭露含水層出水現(xiàn)象

試驗(yàn)過程分為試放水、單孔放水、多孔疊加放水、水位恢復(fù)4個階段，共歷時88 d，總放水量388 679 m3。單孔平均放水水量237.91 m3/h，多孔平均放水水量444.10 m3/h。B-45觀測孔水位下降101.91 m(與放水孔平距560 m)，B-37觀測孔水位下降6.1 m(5 km以外)，放水試驗(yàn)期間各觀測孔水位歷時曲線如圖12所示，每次觀測時間為當(dāng)天零時零分。求得含水層單位涌水量平均0.928 1 L/(s·m)，滲透系數(shù)平均0.827 m/d。限于篇幅，其他試驗(yàn)結(jié)果不再詳述。

2.6 寶塔山砂巖水文地質(zhì)特征

綜合地面勘探資料和放水試驗(yàn)成果，總結(jié)寶塔山砂巖水文地質(zhì)特征如下：

a.沉積結(jié)構(gòu)復(fù)雜 寶塔山砂巖由3~9層含礫粗砂巖和4—11層泥巖交替沉積，構(gòu)成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的含水巖組，總厚度76.5~126.8 m，其中砂巖厚度18.55~95.05 m，平均54.23 m。21煤與含水層之間隔水層厚度0~29.55 m，平均5.62 m；18煤與含水層之間隔水層厚度22.47~83.8 m，平均51.63 m。

圖12 觀測孔水位變化歷時曲線

b.富水性不均 采用多因素融合方法[15-16]初步評價寶塔山砂巖富水性規(guī)律，砂巖厚度、砂地比(砂巖厚度與地層厚度比值)、單位涌水量、滲透系數(shù)4個地質(zhì)參數(shù)作為富水性控制因素，數(shù)據(jù)見表2。由于參數(shù)較少、層次結(jié)構(gòu)簡單，直接采用專家評分方法對各參數(shù)權(quán)重賦值。專家認(rèn)為，4個參數(shù)同等重要，權(quán)重值均為0.25。各參數(shù)原值乘以權(quán)重值后進(jìn)行歸一化處理，歸一化后的各參數(shù)值相加，再次進(jìn)行歸一化處理，取值區(qū)間[0,1]，得到富水性指數(shù)(表2)，繪制寶塔山砂巖富水性指數(shù)等值線，如圖13所示。

表2 富水性指數(shù)

圖13 富水性指數(shù)等值線

從圖13可以看出，含水層富水性有明顯差異，較強(qiáng)富水區(qū)斜跨井田，南北部富水性較弱。

c.水頭高、水壓大 目前，含水層水位高程+1 181.800~1 230.527 m；水位埋深87.39~144.39 m，平均127.18 m(圖14)。18煤底板承受水頭壓力2.602~ 6.580 MPa，平均4.349 MPa，含水層具有水頭高、水壓大的特點(diǎn)。經(jīng)計算，18煤底板突水系數(shù)為0.04~0.36 MPa/m，絕大部分區(qū)塊有突水危險。

圖14 水位埋深等值線

d.靜儲量豐富 第2次放水試驗(yàn)總排水近40萬m3，恢復(fù)水位后水頭損失僅20 m左右。井田內(nèi)僅有直羅組含水層1個抽水試驗(yàn)點(diǎn)達(dá)到弱富水條件，其他含水層及邊界斷層外側(cè)延長組含水層的富水性均為極弱，外來補(bǔ)給水源十分有限，可以說明寶塔山砂巖自身彈性釋水能力較強(qiáng)。采用大井法預(yù)計18煤開采時正常涌水量1 200.79 m3/h，最大涌水量1 860.84 m3/h，遠(yuǎn)超過礦井排水能力。

e.水化學(xué)特征 水質(zhì)類型為Cl·SO4-Na型，礦化度1 453.37~3 219.84 mg/L，pH值8.05~9.21。

f.容易疏降 采用下式判別含水層可疏放性：

式中：為水位降深，m；為涌水量，m3/min。0>10時，補(bǔ)給較弱，容易疏降；3 min/m2≤0≤10 min/m2，補(bǔ)給較強(qiáng)，可以疏降；0<3 min/m2，補(bǔ)給很強(qiáng)，不易疏降。

根據(jù)一號煤礦13個鉆孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)及井下放水試驗(yàn)數(shù)據(jù)計算，寶塔山砂巖含水層0min/m2值為10.9~442.2 min/m2，遠(yuǎn)大于10，結(jié)合補(bǔ)給水源、滲透系數(shù)數(shù)據(jù)，綜合判斷寶塔山砂巖水容易疏降。

3 解危設(shè)計與效果預(yù)計

3.1 放水鉆場

根據(jù)礦井生產(chǎn)計劃，18煤首先開采一分區(qū)。根據(jù)井下巷道條件，設(shè)計4個放水鉆場(圖15)。1號鉆場：利用第2次放水試驗(yàn)4個放水孔放水，開孔層位8煤，高程+883 m，距離中央水倉較近，便于排水。2號鉆場：位于114采區(qū)軌道上山與膠帶上山聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)，開孔層位15煤，高程+916 m，便于敷設(shè)排水管路排水。3號鉆場：位于一分區(qū)膠帶暗斜井，開孔層位18煤，高程+766 m，在2號鉆場放水掩護(hù)下施工。4號鉆場：位于井田東部114輔助軌道下山內(nèi)，開孔層位15煤，高程+735 m。

3.2 效果預(yù)計

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》(2018版)規(guī)定，采煤工作面底板受構(gòu)造破壞地段突水系數(shù)一般不得大于0.06 MPa/m，隔水層完整無構(gòu)造破壞的地段不得大于0.1 MPa/m。本區(qū)煤層底板為弱膠結(jié)軟巖地層，巖石單軸抗壓強(qiáng)度平均5.9 MPa[17]，故將0.06 MPa/m設(shè)為臨界突水系數(shù)，斷層則留設(shè)防水煤(巖)柱。

Visual MODFLOW是目前國際上最常用的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評價的標(biāo)準(zhǔn)可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)[18]，基于該系統(tǒng)建立寶塔山砂巖含水層地下水非穩(wěn)定流三維數(shù)值模型，上下邊界及東部邊界為隔水邊界，西部、北部及南部為給定水頭邊界(GHB)[19-20]，分別設(shè)定含水層邊界導(dǎo)水系數(shù)，模型邊界條件見表3。

根據(jù)礦井排水能力，分4個階段遞進(jìn)式控制放水并預(yù)計疏降解危效果。

第1階段：1號鉆場4個放水孔同時放水，按單孔流量2 000 m3/d，模型運(yùn)行時間3 480 h(145 d)后，滲流場趨于穩(wěn)定。根據(jù)模擬水位及隔水層厚度，繪制18煤底板突水系數(shù)等值線圖(圖15a)，僅小范圍內(nèi)突水系數(shù)小于0.06 MPa/m。

圖15 分階段放水突水系數(shù)預(yù)測

表3 數(shù)值模型邊界條件設(shè)定

注：為導(dǎo)水系數(shù)，m2/d。

第2階段：1號和2號鉆場(6孔)同時放水，單孔流量按2 000 m3/d，模型總運(yùn)行時間4 224 h(176 d)時，2號鉆場水位趨近于孔口高程，滲流場趨于穩(wěn)定。此時，18煤底板突水系數(shù)等值線如圖15b所示，安全區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大。

第3階段：第2階段放水末期3號鉆場投入使用，單孔流量控制2 000 m3/d，模型總運(yùn)行時間4 872 h(203 d)后，1號鉆水位趨近于孔口高程，水量趨于零，滲流場趨于穩(wěn)定。18煤底板突水系數(shù)等值線如圖15c所示，一分區(qū)大部分突水系數(shù)小于0.06 MPa/m。

第4階段：在第3階段放水末期4號鉆場投入使用。單孔流量均控制2 000 m3/d，模型總運(yùn)行5 160 h(215 d)后，滲流場趨于穩(wěn)定。18煤底板突水系數(shù)等值線如圖15d所示，一分區(qū)95%的范圍內(nèi)突水系數(shù)小0.06 MPa/m，達(dá)到疏干解危狀態(tài)。

數(shù)值模擬過程表明，經(jīng)歷4個放水階段、總歷時215 d后，預(yù)計放水量約487.6萬m3，一分區(qū)18煤底板突水危險得到解除，后期放水量穩(wěn)定在4 000 m3/d左右。第2個放水階段結(jié)束后，西部埋藏較淺的工作面可以回采，實(shí)現(xiàn)回采與后續(xù)放水同步進(jìn)行。

4 結(jié)論

a.寶塔山砂巖是若干層含礫粗砂巖的組合，膠結(jié)疏松，孔隙及裂隙發(fā)育，水頭高，水位埋藏淺，相對于煤層埋深水壓大，彈性釋水能力強(qiáng)，富水性不均，水質(zhì)為Cl·SO4-Na型，礦化度1 453.37~ 3 219.84 mg/L，pH值8.05~9.21，具有較好的可疏性，對延安組中下組煤的開采安全威脅較大。

b.新上海一號煤礦“11·25突水”水源為寶塔山砂巖含水層，由于隔水巖層不足以抵抗4.65 MPa的水頭壓力而突水。18煤帶壓2.602~6.580 MPa，突水系數(shù)0.04~0.36 MPa/m，預(yù)計正常涌水量1 200.79 m3/h，最大涌水量1 860.84 m3/h，超出礦井排水系統(tǒng)的排水能力。

c.基于非穩(wěn)定滲流場Visual MODFLOW數(shù)值模擬，設(shè)計4個放水鉆場，控制流量分階段放水，預(yù)計歷時215 d，總放水量約487.6萬m3，一分區(qū)10個采煤工作面突水危險可以解除。

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Hydrogeological characteristics and danger-solving mining of Jurassic Baotashan sandstone—A case study in New Shanghai No.1 coal mine

LYU Yuguang1,2, LIU Baokai2, ZHAO Baofeng3, LYU Wenqing4, HAN Gang2, WANG Yongbao2

(1. School of Resources and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. Inner Mongolia Shanghai Temple Mining Co. Ltd., Ordos 016299, China; 3. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 4. Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology, Xuzhou 221116, China)

The western mining area is an important energy strategic base in China. The Jurassic coalfields have many mineable coal seams and rich resources. The middle and lower coal seams are seriously threatened by the “Baotashan sandstone” aquifer. However, the research on this aquifer is few and the data is scarce in China. Taking the “11·25” water inrush hazard of New Shanghai No.1 coal mine as an example, the extended drainage drilling, supplementary hydrogeological exploration and underground water drainage test were carried out. It was found that the aquifer was characterized by complex sedimentary structure, uneven water-rich, abundant static reserves, high water head, large water pressure and easy drainage. SEM showed that the sandstone is of argillaceous cementation, massive structure, and endogenous pore development. Taking the total thickness of sandstone, the ratio of sand to land, the unit water inflow and the permeability coefficient as the main controlling factors, the law of water-rich property of the aquifer was analyzed. It was estimated that under normal conditions, the water inflow is 1 200.7 m3/h and the maximum water inflow is 1 860.8 m3/h, which excess the capacity of mine drainage. Based on the analysis of the boundary conditions of hydrogeological units, a three-dimensional numerical model of unsteady seepage field was established by Visual MODFLOW, and the crisis-solving effects of four drainage stages were simulated, the danger of water inrush from 18 coal seam in one district could be relieved.

Jurassic coalfield; Baotashan sandstone; hydrogeological characteristics; drainage test; crisis-relief mining

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TD713

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.023

1001-1986(2020)06-0170-09

2020-06-23；

2020-09-22

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41807221)；鄂爾多斯市2019年度科技計劃資助項(xiàng)目

National Natural Science Foundation of China(41807221)；Science and Technology Plan Funding Project of Ordos City in 2019

呂玉廣，1969年生，男，江蘇宿遷人，博士研究生，研究員，從事煤礦水害防治技術(shù)管理工作. E-mail：lvyg691208@126.com

趙寶峰，1981年生，男，河北涉縣人，博士，研究員，從事礦井水害防治與研究工作. E-mail：sunman1220@163.com

呂玉廣，劉寶開，趙寶峰，等. 侏羅系寶塔山砂巖水文地質(zhì)特征與解危開采研究——以新上海一號煤礦為例[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(6)：170–178.

LYU Yuguang，LIU Baokai，ZHAO Baofeng，et al. Hydrogeological characteristics and danger-solving mining of Jurassic Baotashan sandstone：A case study in New Shanghai No.1 coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：170–178.

(責(zé)任編輯 周建軍)