| 榆横矿区袁大滩煤矿含（隔）水层特征及充水因素分析 | |||||||||||||||
| 作者： 发布于：2019/7/24 10:28:42 点击量： | |||||||||||||||
榆横矿区袁大滩煤矿含（隔）水层特征及充水因素分析
吕文宏
（陕西中能煤田有限公司 陕西 榆林 719000）
摘要：分析了煤层上覆岩层的含（隔）水性及各层间的水力联系规律，划分了三个含水层段和二个相对隔水层段，确定了第二、第三含水层段为矿井的直接充水水源，结合相邻矿井的工程实践，提出了防治水对策。
关键词：含（隔）水层；富含水煤层；充水因素；榆横矿区
陕北侏罗纪煤田榆横矿区袁大滩煤矿位于榆阳区小纪汗镇和芹河乡境内，井田面积150km2，可采储量446Mt，矿井设计生产能力5.00 Mt /a，服务年限62.5a，计划2017年建成投产。含煤地层为延安组，可采煤层7层，分别为2、3-1、4-2、5、7、8、9号煤层，矿井采用斜井立井综合开拓。袁大滩煤矿的先期开采地段选择在井田的西北部，东西宽约5.5km，南北长约11.0km，面积约61.05km2。根据前期勘探及井筒揭露，首采2号煤层上覆地层中含水层层数多、厚度大，富水性较强，增加了井筒施工的难度和风险，相邻的榆阳煤矿和小纪汗煤矿都曾经因涌水量异常对正常生产和建井造成了较大的影响，因此，研究分析袁大滩矿井的水文地质条件及2号煤开采受水害影响的程度有着非常重要的现实意义。
1 含（隔）水层
根据地下水的水力特征及赋存条件，并对先期开采地段各含水层水样的化学特征及抽水试验进行对比分析，将3-1煤层以上地层划分为3个含水层段和2个相对隔水层段。即：第四系松散层含水层段（第一含水层段。包括强风化白垩系洛河组）、侏罗系中统直罗组砂岩孔隙、裂隙承压含水层段（第二含水层段）、2-3-1煤间砂岩孔隙、裂隙承压含水层段（第三含水层段）；侏罗系中统安定组隔水层段（第一相对隔水层段）、侏罗系中统延安组顶部至2煤顶板粉-细砂岩隔水层段（第二相对隔水层段）。
1.1 含水层
1.1.1 第四系松散层含水层段
（1）第四系上更新统冲湖积层孔隙潜水
袁大滩矿井范围全区分布第四系上更新统冲湖积层孔隙潜水（萨拉乌苏组潜水），由第四系上更新统萨拉乌苏组和全新统风积沙等组成。含水层厚度26.49～47.12m，水位埋深1.18～2.51m，当降深9.69～10.02m时，涌水量达到530.64m3/d，单位涌水量0.16665～0.24410L/s·m，渗透系数1.41088～2.95991m/d，水化学类型为HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na型，矿化度327.2～369.2mg/L，富水性中等。
（2） 中更新统离石黄土孔隙潜水
中更新统离石黄土孔隙潜水基本上全区分布，井田内无出露，其上被萨拉乌苏组及风积沙覆盖。钻孔揭露厚度0～97.31m，一般35m左右。厚度变化大，且分布不规律，在部分区域该段地层完全被剥蚀。含水层岩性主要为亚砂土及粉质粘土，厚度较薄，富水性弱。
（3）白垩系洛河组孔隙、裂隙含水层
白垩系下统洛河组在井田西部、北部局部分布，中、东部大部剥蚀。含水层为白垩系下统洛河组及侏罗系中统安定组局部风化裂隙带，岩性主要为中、粗粒砂岩砂岩，岩石结构疏松，风化强烈，岩体破碎，厚度0～87.20m，平均厚度31.73 m。上部被风积沙、萨拉乌苏组含水层离石组黄土含水层所覆盖，易于接受上部含水层地下水的下渗补给。含水层厚度43.86～79.30m，涌水量39～159.06m3/d时，单位涌水量0.01574～0.28135 L/s·m，渗透系数0.02428～0.5551m/d，水化学类型为SO4·HCO3-Na·Ca 、HCO3·SO4-Na型，矿化度499.7～810.0mg/L，富水性弱-中等。
1.1.2 侏罗系中统直罗组砂岩孔隙、裂隙承压含水层段
侏罗系中统直罗组砂岩裂隙承压含水层全区分布，底部为灰白色中厚层-块状中-粗粒长石砂，发育大型板状、槽状、楔状交错层理，裂隙充填物中常含有较多的白云石、石膏等干旱气候条件下的沉积矿物。中部为灰白色厚层状细-中粒长石砂岩、灰色、兰灰色厚层状泥岩及粉砂岩。上部为黄绿色、灰绿色薄至厚层状泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及褐黄色细粒长石石英砂岩。先期开采地段范围内厚度77.7～195.74m，平均厚度132.37m，单位涌水量0.0024～0.0769L/s·m，渗透系数0.0058～0.0992m/d，富水性弱。水化学类型为SO4-Na·Ca，矿化度3324.36～4205.09mg/L。
1.1.3 2-3-1煤间砂岩孔隙、裂隙承压含水层段
该层段厚度变化小，中下部以中厚层状灰白色中细粒岩屑和长石砂岩为主，上部和底部多为深灰色泥岩、粉砂岩。该层段包括2煤至3-1煤底板，厚度19.98～60.43m，平均厚度40.96m。单位涌水量0.0017～0.0122L/s·m，渗透系数0.0057～0.0584 m/d，富水性弱。水化学类型为SO4-Na·Ca型，矿化度2305～3233mg/L。
1.2 隔水层
1.2.1 侏罗系中统安定组隔水层段
侏罗系安定组相对隔水层，岩性下部为浅紫红色中厚层状中细粒长石砂岩，发育水平层理及波状层理。上部为紫、暗紫红色中细粒长石砂岩夹紫红、灰绿色粉砂岩和泥岩，顶部常夹有泥岩薄层。该相对隔水层段在先期开采地段范围内厚度57.5~147.19m，平均95.25m，由西向东逐渐变薄。先期开采地段范围内安定组沉积稳定，厚度较大，直罗组地层抽水试验时同组第四系观测孔水位降深为0，直罗组与上覆潜水含水层水质、同位素及有机物测试显示明显差异，说明该地层具有较强隔水能力，因此，将其视为第一相对隔水层段，此隔水层段对未来矿井能否实现保水采煤非常重要。
1.2.2 侏罗系中统延安组顶部至2煤顶板粉-细砂岩隔水层段
分布于2号煤层顶部，主要为J2y5岩性段，厚度0～38.05m，岩性为细-粉砂岩。该相对隔水层段上覆直罗组下段与下伏2-3-1煤间含水层水头高度差距较大（19.57～26.6m），2-3-1煤含水层抽水试验直罗组观测孔水位变化较小，同位素年龄与直罗组差距较大，先期开采地段范围内，除北边界处Y1-4钻孔缺失外，大部区域具有一定厚度的粉-细砂岩，具有一定的隔水能力，因此，将其视为第二相对隔水层段。该隔水层随着2号煤层开采顶板垮落带和裂隙带的形成，基本失去隔水性能。
2. 地下水的补给、径流和排泄
第四系松散层潜水以大气降水补给为主，部分为沙漠凝结水补给及灌溉回归水、渠水渗漏补给。径流主要受地形控制，大致由西北向东南方向径流，流向基本由高至低与现代地形吻合，以泄流的形式向井田东南侧的芹河排泄，芹河流量随季节性降雨变化较大，井田范围分布内长度约1km，自西向东流过，汇入榆溪河。排泄方式还有蒸发消耗、垂向渗漏和人工开采等。
3. 矿井充水条件
3.1 矿井充水水源
根据本区水文地质条件及煤层覆岩结构类型，矿井充水方式有直接和间接两种。它们分别受大气降水、地表水和地下水等因素的控制，且具有不同程度的水力联系，对未来矿井生产有不同程度的影响，现对袁大滩煤矿先期开采地段充水水源进行分析。
3.1.1 大气降水与地表水
该区域多年平均降水量441.20mm，是陕西省降水量最少的地区，且多集中在7、8、9三个月，约占全年降水量的三分之二。区内大部地表无完整水系分布，仅有部分不连续的水渠、水塘、海子在井田内分布，井田地貌西北高，东南低，在井田东南侧有芹河，为第四系松散层潜水排泄的河流。
先期开采地段范围内2号煤层开采后，冒裂带发育高度尚未穿透侏罗系安定组相对隔水层下部的直罗组，因此，大气降水与地表水不会直接充入井下，仅是矿井的间接充水水源。
3.1.2 地下水
袁大滩煤矿先期开采地段可采煤层为中厚煤层，导水裂缝带发育高度有限，全部在第一相对隔水层段以下，因此，煤层顶底板砂岩裂隙水是矿井主要充水水源。
（1）第四系松散层含水层段
主要由第四系松散层及白垩系下统洛河组孔隙、裂隙潜水含水层组成。根据2煤层赋存条件，导水裂缝带不会直接沟通第一含水层段。因此，第一含水层段潜水是矿井的潜在间接充水水源之一。
（2）侏罗系中统直罗组砂岩孔隙、裂隙承压含水层段
井田内侏罗系中统基岩砂岩裂隙水主要是直罗组孔隙裂隙承压水。根据2煤层赋存条件，导水裂缝带发育高度将导通该层段，因此，直罗组孔隙裂隙承压水将通过开采形成的导水裂缝带进入工作面，成为矿井的主要直接充水水源。
（3）2-3-1煤间砂岩孔隙、裂隙承压含水层段
2煤至3-1煤顶板的裂隙承压水，在矿井生产过程中因采掘揭露或覆岩冒裂直接沟通该含水层，是矿井的直接充水水源。
3.2 充水通道
矿井的充水通道主要是煤层开采形成的导水裂缝带，局部为断层裂隙及封闭不良钻孔。
3.2.1 导水裂缝带
袁大滩东侧相邻的榆阳煤矿对冒裂带发育高度开展了实测工作，实测裂采比为24.2～27.5。采用上限值对2号煤层开采导水裂缝带发育高度进行计算。计算结果为导水裂缝带高度为35.75～88.00m，局部导水裂缝带发育高度穿透直罗组下段，到达直罗组上段，但不超过直罗组顶部。2号煤层与上覆安定组相对隔水层的距离为77.7～233.79 m，2号煤开采形成的导水裂缝全部在安定组相对隔水层以下的直罗组，第一含水层段不会直接导入井下，第二含水层段的直罗组富水性弱，不会对2号煤开采构成威胁。
3.2.2 封闭不良钻孔
封闭不良钻孔导水是未来袁大滩煤矿开采过程中的最大的潜在水害隐患。第一含水层段厚度大，富水性强，封闭不良钻孔可引起矿井溃水溃砂，导致淹井事故。根据勘探报告，有两个钻孔封闭不良，详细封闭情况见表1，在矿井建设和生产中应重点排查。
表1 袁大滩封闭不良钻孔情况统计表
3.2.3 天然气勘探钻孔及气井
袁大滩井田与中石油长北勘查区重叠，井田内还有天然气井和钻探孔存在，井田内现有的4处气井（包含废弃的），在生产过程中应与天然气钻探单位签订安全生产协议，消除天然气钻孔形成导水通道及天然气逸出等其它安全隐患。
3.2.4 构造带
袁大滩煤矿位于鄂尔多斯地台向斜东翼—陕北斜坡上，总体构造形态呈向北西或北西西微倾的单斜构造，地层倾向305°左右，倾角小于1°。地质构造简单。首采工作面及开拓大巷探查区内探测出正断层一条，编号DF04，走向NWW，倾向NEE，倾角45º～55º，落差0～6m，区内延展长度80m，切割2煤。在采掘活动接近构造带时，采取相应措施，避免引发水害事故。
3.3 周边矿井涌水量类比
袁大滩井田北边与小纪汗煤矿相邻，其水文地质条件、开采煤层、开拓方式等基本与袁大滩煤矿相同，小纪汗煤矿设计规模10.00 Mt /a，可采的第一煤层同为2号煤层，第一水平开拓大巷布置在2号煤层中。2010年10月1日开工建设，在建井期间，立井井筒揭露2号煤时，出现了少见的富含水煤层，涌水量突然增大，其后，2号煤大巷开拓、采面顺槽等掘进工作面都出现了较大的涌水，而且压力高、持续时间长， 2012年9月矿井涌水量达到了900 m3/h。通过井下钻孔超前降水、强行揭煤掘进疏水等措施，掘进工作面单面涌水量由460 m3/h降至100m3/h，水压由2.7MPa降至0.1MPa。2013年8月首采工作面投入生产，2014年达到设计产能，目前，小纪汗煤矿的正常涌水量稳定在650～700 m3/h。以上事实证明当初判定2号煤层为少见的静储量含水层是正确的，对袁大滩矿井建设和生产具有十分现实的指导意义。
4. 矿井防治水措施
第四系松散层含水层段在井田内连续分布，厚度大，含水量丰富，井筒穿越该层段包括投入生产使用后都应确定“以堵为主”的原则。第二及第三含水层段主要为静储量含水层，富水性极不均一，疏降初期存在水压高、水量大、疏降时间长等特殊性，应确定“以疏为主”的原则。根据袁大滩煤矿的水文地质特征及含（隔）水层水文地质条件确定，在今后的矿井建设和生产中应采取以下防治水措施：
（1）合理选择井筒位置、井壁防水结构。
（2）井巷掘进揭露各含水层段时应编制探放水设计，提前疏放降压，防范水患，减少影响。
（3）首采工作面开采前应提前探放第二含水层段的裂隙空隙水（包括顶板离层水），预防老顶初次断裂短时集中涌水淹没工作面。
（4）加强对封闭不良钻孔、石油和天然气探查孔、民井、井筒、构造带的探查和治理，预防第一含水层段的水沙溃入井下。
（5）建立防治水机构和水文观测体系。加强水位观测，及时分析水质、水位变化，为矿井防治水提供准确的基础数据。
5. 结束语
(1) 袁大滩煤矿含（隔）水层段的划分简化了复杂的层间水力联系，方便了现场防治水措施的制定，同时也有待于生产实践的检验和不断完善。
(2)袁大滩矿井先期开采地段共划分为三个含水层段：第四系松散层含水层段（包括强风化白垩系洛河组）、侏罗系中统直罗组砂岩孔隙、裂隙承压含水层段、2-3-1煤间砂岩孔隙、裂隙承压含水层段。其中，第一含水层段是井筒开凿及投入生产后防治水管理的难点和重点，第二、第三含水层段为矿井的直接充水水源，富水性弱到中等，突水危险性较小，易疏降但周期长。
(3)第一相对隔水层段侏罗系安定组厚度大而且连续稳定，隔断了第一含水层段向下的补给，是影响矿井涌水量和实现保水采煤的重要关键层。第二相对隔水层段侏罗系中统延安组顶部至2号煤层顶部粉-细砂岩厚度较薄，在2号煤层巷道掘进时可起到阻隔上部第二含水层段淋水的作用，开采2号煤时，导水裂缝带穿透该隔水层段，失去隔水作用。
参考文献：
［1］中煤科工集团西安研究院有限公司.袁大滩煤矿先期开采地段水文地质补充勘探报告［R］.西安：2014.
［2］吕文宏.覆岩顶板导水裂隙带发育高度模拟与实测［J］.西安科技大学学报，2014，34（3）：309-313.
［3］蒋泽泉，吕文宏.榆阳煤矿保水开采的工程地质条件［J］.陕西煤炭，2014，33（5）:29-34.
［4］丁焕德，毛仲敏，何琪.榆横矿区水文地质特征及对煤层开采的影响研究［J］.采矿技术，2014，14（3）：92-95.
［5］吕庆国.小纪汗煤矿富水煤层超前疏降水防治水害实践［J］.能源技术与管理，3013，38（5）：87-90. |