榆橫礦區(qū)水文地質(zhì)特征及對煤層開采的影響研究

丁煥德，毛仲敏，何 琪

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 江蘇 徐州市 221116；2.華電煤業(yè)集團有限公司， 北京 100044)

陜北侏羅系煤田榆林橫山礦區(qū)地處陜西省北部，礦區(qū)內(nèi)各煤層煤以低～特低灰、低～特低磷、高～特高熱值為特點，煤類以長焰煤、弱粘煤為主，少量氣煤，是良好的發(fā)電、動力用煤、氣化用煤及低溫干餾用煤。小紀汗煤礦目前開采的2號煤層為含水層的特殊覆巖水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系，煤層存在大量的由上至下的豎向裂縫，其在井下工作面回采過程中發(fā)現(xiàn)涌水量非常大，并伴隨著液體硫磺流出，煤層突水和自燃傾向性加劇，對煤礦安全開采帶來嚴重的威脅。針對這個問題，本文對榆橫礦區(qū)的水文地質(zhì)條件以及對煤層開采的影響進行了研究，為該礦區(qū)富水煤層安全高效開采提供一定的理論依據(jù)。

1 礦區(qū)地層賦存特征

礦區(qū)地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)東勝—環(huán)縣小區(qū)，主要為中生界三疊系、侏羅系、白堊系及新生界蓋層，其中侏羅系中統(tǒng)延安組為主要的含煤地層。各時代地層主要特征見表1。

礦區(qū)構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地次級構(gòu)造單元-陜北斜坡中部，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造簡單，斷裂構(gòu)造一般不發(fā)育。侏羅系延安組中共含有12組煤層，主采煤層為2、4-2煤層，其中2號煤層為現(xiàn)主采煤層。

2號煤層產(chǎn)于延安組第四段下旋回頂部，埋藏淺，層位穩(wěn)定。煤層埋深173.98～460.36 m，厚度0.68～8.64 m，平均3.41 m，傾向300°左右，平均傾角0.7°。煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般不含夾矸，局部含1～3層0.04～0.75 m的炭質(zhì)泥巖、泥巖夾矸。煤層直接頂板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，次為中～細粒長石砂巖，少量炭質(zhì)泥巖，直接底板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，次為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細粒長石砂巖。煤層與其頂?shù)装寰鶠槊黠@接觸。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

礦區(qū)水文地質(zhì)條件受區(qū)域水文地質(zhì)條件的控制，顯示了與區(qū)域水文地質(zhì)特征的統(tǒng)一性。但由于受地層分布、埋藏及其地貌的影響，又顯示了小區(qū)域性的差異性。根據(jù)礦區(qū)地下水的賦存條件及水力特征，將礦區(qū)地下水劃分為兩種類型，5個含水巖層(組)(見圖1)。

圖1 礦區(qū)地下水劃分類型

礦區(qū)含水底層正常涌水量為2100 m3/h，最大涌水量為3000 m3/h。侏羅系延安組2號煤層裂隙承壓含水層：2號煤層裂隙特別發(fā)育，具有承壓型和較高的水頭壓力，正常涌水量為100 m3/h，最大涌水量120 m3/h，最大單位涌水量為1.496 L/s·m，依據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》中含水層富水性分級標準，侏羅系延安組2號煤層裂隙承壓含水層具有強富水性。

表1 區(qū)域地層系統(tǒng)

就本區(qū)2號主采煤層而言，2號煤層厚度在礦區(qū)內(nèi)變化較大，東部厚0.80～2.37 m，西部厚2.50～8.64 m，全區(qū)平均厚3.43 m。煤層開采過程中形成的冒落導(dǎo)水裂隙帶高度按原煤炭工業(yè)部頒發(fā)的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》推薦的經(jīng)驗公式計算，即：

(1)

式中：H冒—冒落帶最大高度，m；

Hli—導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；

M—累計采厚，m。

區(qū)內(nèi)所有鉆孔中2號導(dǎo)水裂隙帶高度計算值及所穿越的含水層厚度見表2。

表2 2號煤層冒落導(dǎo)水裂隙帶及穿越含水層厚度

由表2可知,2號煤層的導(dǎo)水裂隙帶一般為21.99～55.19 m。因為煤層距離上覆巖層最近的一個侏羅系直羅組砂巖含水層高度約50～100 m，該含水層裂隙不發(fā)育，補給條件差，通過抽水試驗，富水性弱,對煤礦生產(chǎn)建設(shè)不會構(gòu)成危害。所以對2號煤層開采構(gòu)成危害的主要是2號煤層本身的煤層裂隙承壓含水層。

3 采煤工作面頂板富水特性

為了進一步了解煤層頂板裂隙富水情況，以小紀汗煤礦首采區(qū)11203工作面膠運順槽和回風(fēng)順槽兩巷道為例，采用礦井瞬變電磁法對工作面頂板巖層含水情況進行了探測。

在11203工作面兩側(cè)巷道內(nèi)以10 m點距布置瞬變電磁測點，對工作面頂板含水層富水性進行探測，煤層頂板直接含水層與2號煤層直接接觸，施工時使線圈法線與煤層夾角為30°可以對該含水層富水性進行探測；2號煤層直接含水層以上距離煤層約70 m處存在另一厚度較大砂巖含水層，施工時使線圈法線與煤層夾角為60°可以對該含水層富水性進行探測，其11203工作面瞬變電磁法探測布置方案見圖2。

本區(qū)域探測起點位于11203工作面切眼位置，探測點距為10 m，共計布置365個測點，其側(cè)線總長度為3630 m。

圖2 11203工作面瞬變電磁法探測方向

根據(jù)以上布置方案，探測得到了煤層不同位置的電阻率等值線分布(見圖3)，由于篇幅所限，本文僅列出了11203工作面回風(fēng)順槽內(nèi)的電阻率分布圖。

綜合11203工作面回風(fēng)順槽視電阻率等值線分布圖可知，可將回風(fēng)順槽劃分為A、B、C三個水文等級及8個水文地質(zhì)異常區(qū)。A級水文異常區(qū)為主要水文地質(zhì)異常區(qū)，為Y1異常區(qū)(250～280 m位置)、Y4異常區(qū)(640～730 m位置)和Y11異常區(qū)(1600～1640 m位置)；B級水文地質(zhì)異常區(qū)相對于A級次之，主要有Y3異常區(qū)(380～470 m位置)和Y10異常區(qū)(1460～1490 m位置)；C級水文地質(zhì)異常區(qū)富水性一般，包含Y2、Y5和Y6異常區(qū)。

圖311023工作面回風(fēng)順槽頂板不同位置視電阻率等值線

為了進一步了解水文異常區(qū)的富水特性，通過在探測到的水文異常區(qū)補打頂板探測孔，探測結(jié)果顯示：水文地質(zhì)異常區(qū)最大涌水量約為5 m3/h，且持續(xù)時間較短，因此可得，影響2煤層開采的主要水體為2煤層裂隙承壓水。

4 影響煤層開采的因素分析

由上文分析可知，2號煤層為礦井的主要承壓含水層,工作面頂板水文地質(zhì)異常區(qū)分布復(fù)雜，具有承壓型和較高的水頭壓力，由于煤層為含水層的特殊覆巖水文地質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng),使得小記汗煤礦突水問題異常嚴重，此外含水煤層裂隙較為發(fā)育，對工作面回采和支護造成嚴重影響。當(dāng)富水煤層發(fā)生突然涌水時，工作面涌出的大量水體和切落的煤混合一起形成大量的煤泥水，將對工作面的正常生產(chǎn)和推進造成顯著影響。

煤體存在大量的天然裂縫，裂縫明顯，是煤體含水及涌水的主要通道，從11203工作面煤體表面裂縫結(jié)構(gòu)可以看出，形成的裂縫多為由上至下的豎向裂縫，裂縫擴展致使裂隙貫通，形成了小紀汗煤礦煤體特殊的片狀賦存特征。為了進一步了解煤體內(nèi)部微裂隙的分布特征，通過電鏡掃描SEM對煤體的內(nèi)部致密度進行了分析，得到不同分辨率條件下富水煤體的SEM圖片(見圖4)。由電鏡掃描結(jié)果可知，小紀汗開采煤體內(nèi)含有大量的微細孔隙，煤體結(jié)構(gòu)松散，存在許多粗大孔洞及裂隙，這些都形成了水體儲存空間及水體流失的良好通道，也為水體流失后空氣進入創(chuàng)造了條件，且隨著工作面的推進，煤體裂隙在超前支承壓力作用下不斷擴展，空氣進入煤體裂隙通道的深度不斷加大，并伴隨著液體硫磺流出(見圖5)，超前支承壓力影響范圍內(nèi)的煤體氧化程度不斷增大，煤層自燃現(xiàn)象愈發(fā)嚴重。

圖4 不同分辨率條件下含水煤體的SEM圖

圖5 煤層裂隙內(nèi)的硫磺

5 結(jié) 論

(1) 榆橫礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，2號煤層上覆巖層中分布著5組含水層，通過計算2號煤層的導(dǎo)水裂隙帶高度，可知對本煤層開采構(gòu)成危害的主要是煤層本身的煤層裂隙承壓含水層。

(2) 以小記汗煤礦11203首采工作面兩順槽為研究對象，采用瞬變電磁法探測了兩巷頂板富水狀況，得到兩巷有A、B、C 3個等級的水文地質(zhì)異常，共14個部位，結(jié)合現(xiàn)場鉆孔抽放試驗法，異常區(qū)頂板最大涌水量僅為5 m3/h，可知2號煤層裂隙承壓水仍為煤層開采的關(guān)鍵。

(3) 影響11203工作面開采的主要因素包括開采中2煤層裂隙承壓水的突然涌出，工作面煤泥水的處理和伴隨有液體硫磺流動下的煤體裂隙空洞的自燃3個方面。

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