鄂爾多斯盆地北部深埋煤層工作面涌水量預測方法

楊 建，王 皓，梁向陽，黃 浩

鄂爾多斯盆地北部深埋煤層工作面涌水量預測方法

楊 建1,2，王 皓1,2，梁向陽1,2，黃 浩1,2

(1. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2. 陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077)

鄂爾多斯盆地北部侏羅紀深埋區中生代地層以河流相沉積為主，呈分階段的多旋回演化特點，導致煤層頂板含隔水層交替分布；由于地表大部分為毛烏素沙漠，降水入滲補給系數大，第四系松散層儲水能力強，充足的補給水源造成煤層頂板直接充水含水層富水性較強，其中最主要的充水含水層為七里鎮砂巖，以七里鎮砂巖為關鍵層，將煤層至七里鎮砂巖概化為一個直接充水含水層。承壓水井大降深抽水時，當井中水位低于含水層頂板，井附近的含水層會出現無壓水流區，形成承壓–無壓水井，采用分段法計算流向井的流量，包括無壓水區和承壓水區。實際工作面回采過程中，井中水位已降低至煤層底板；傳統的承壓–無壓水井公式假設條件為井徑較小(≤m級)，而實際工作面回采過程中，隨著覆巖導水裂隙帶對七里鎮砂巖關鍵充水含水層的破壞，導致整個煤層頂板形成巨大的采空區疏水井(102～103m級)，且該采空區疏水井半徑逐漸增大，傳統公式適用性不高。基于《地下水動力學》中的承壓–無壓水井公式，結合鄂爾多斯盆地北部深埋煤炭開采過程中采空區疏水井演化過程，建立適合于深埋區開采擾動下的采空區疏水井承壓–無壓水公式；以葫蘆素煤礦首采工作面為研究對象，利用地質勘探和井下揭露獲得的相關水文地質參數，計算葫蘆素煤礦首采工作面回采過程中涌水量。結果表明：工作面回采初期，由于導水裂隙帶未充分發育，尚未溝通七里鎮砂巖，此階段實際涌水量偏小；中后期導水裂隙帶發育至七里鎮砂巖，涌水量計算值與實際值較為接近，證明深埋煤層工作面涌水量計算公式可較準確地預測研究區工作面回采過程中的涌水量。本次建立的深埋工作面涌水量計算公式，廣泛適用于我國西部侏羅紀煤田區，可為深埋煤田區煤炭資源安全開采提供科學的水害防治依據。

深埋工作面涌水量計算公式；巨型疏水井；砂泥巖互層結構；影響半徑；鄂爾多斯盆地北部

鄂爾多斯盆地是印支運動后形成的中生代大型內陸坳陷[1]，在早中侏羅世形成了豐富的煤炭資源[2]，淺埋煤田區在近30 a進行了高強度開采活動[3]，由于水文地質條件相對簡單、頂板富水性較弱，礦井涌水量普遍較小[4]。但隨著煤炭資源開采向蒙陜接壤區的深埋煤田區延伸，頂板水害問題日趨嚴重[5-6]，其中最主要的問題是煤炭開采過程中礦井涌水量遠大于地質勘探時期和礦井防排水設計的預測值[7]，導致礦井排水系統難以滿足井下排水需求，威脅礦井生產安全。礦井涌水量是指礦井開采期間單位時間流入礦井的水量[8]，是通過礦井采掘工程揭露/導通含水層而導致充水水源的水流入礦井[9]，其中工作面涌水量來自工作面回采過程中導水裂隙帶范圍內的多層含水層，是具有生產實際意義的礦井涌水量之一[9]。

工作面涌水形成的實質是回采過程中頂板覆巖破壞形成垮落帶和導水裂隙帶(簡稱“兩帶”)，在“兩帶”范圍內發育的直接充水含水層水涌入采空區[10]。對工作面涌水量變化規律進行預測，比較常用的方法包括大井法、集水廊道法、動靜儲量法[11-12]、比擬法等，近年來相關學者還從系統動力學[10]、時間序列[13]等方面開展了研究。但鄂爾多斯盆地北部中生代地層以河流相沉積為主[14-15]，呈分階段的多旋回演化特點[16]，煤層頂板含隔水層交替分布，富水性不均一[17]，缺少適合該區域的科學合理的工作面涌水量計算公式。鑒于此，基于頂板含水層分布[18]、頂板含水層富水性[19]、采動覆巖破壞規律等條件，建立科學合理的工作面涌水量預測方法，是準確預測回采過程中工作面涌水量和提前合理制定防治水技術方案的前提，以期為深埋煤田區煤炭資源安全開采提供科學的水害防治依據。

1 研究區概況

鄂爾多斯盆地北部侏羅紀煤炭深埋區位于蒙陜交界位置，屬于鄂爾多斯剝蝕高原向陜北黃土高原過渡地帶，包括新街、呼吉爾特、納林河、榆橫、榆神等礦區(圖1)，毛烏素沙漠占據區內大部分地區，地勢總體由西北向東南降低，局部起伏較大，高程1 100～1 500 m，盆地北部的東勝–鹽池梁高程1 500 m左右[20]；研究區內南北地勢較高、中間相對低平。區內地表水系主要有黃河水系和紅堿淖內陸水系，多以羽狀和樹枝狀排列，其中黃河一級支流無定河流經納林河和榆橫礦區；紅堿淖內陸水系由風蝕洼地形成，湖水依賴季節性河流、湖面降水和地下水補給[21]。本地區多年平均降水量在400 mm左右，差異不大；蒸發量一般為降水量的4～6倍。研究區以三疊系延長組為基底，由下向上分別發育侏羅系、白堊系和第四系，其中侏羅系延安組為主要含煤地層，向上與直羅組不整合接觸，安定組則是區域性較穩定的相對隔水層，白堊系志丹群與第四系構成水力聯系密切的地下含水系統；區內地勢平緩，地面多為第四系薩拉烏蘇組松散層和全新統風積沙，滲透性好，為大氣降水入滲起到良好的導滲作用[22-23]，很少形成溝谷和地表水體，因而區內地表水系極不發育，形成富水性較強的第四系和白堊系含水層，并為侏羅系地層提供豐富的入滲補給水源。

圖1 鄂爾多斯盆地北部侏羅紀煤炭深埋區位置及范圍

2 頂板含水層分布特征

研究區屬于鄂爾多斯盆地北部侏羅紀煤炭深埋區，主采煤層(3-1煤或2煤)埋深普遍大于500 m；第四系和白堊系含水層屬于中等–強富水含水層，白堊系底部距離主采煤層頂板在300 m以上；在納林河二號和巴彥高勒煤礦開展的導水裂隙帶實測結果分別為103.2 m(裂采比18.8)和126.0 m(裂采比22.0)，考慮到研究區范圍內主采煤層厚度小于7.0 m，因此，導水裂隙帶發育高度一般不超過150 m，可發育至直羅組一段(七里鎮砂巖段)，不會對第四系和白堊系含水層產生直接影響；直羅組二段屬于曲流河和三角洲沉積，由河床和河漫灘亞相構成，亞相分流河道砂體不發育，邊灘亞相中–細粒砂巖和漫灘亞相粉砂巖和砂質泥巖組成典型的“二元結構”，與直羅組一段相比，河流規模明顯減小，河漫灘沉積范圍進一步加大；安定組時期淡水湖盆范圍較直羅組的明顯擴大，研究區主要為濱湖相細粒砂巖和粉砂巖互層，其中細粒砂巖呈透鏡狀，含水性差，與直羅組二段都屬于砂泥巖互層結構，共同構成相對隔水層，淺部含水層水主要以滲流和越流形式緩慢下滲。

在導水裂隙帶范圍內(包括延安組三段和直羅組一段)，由于河流回春的沉積旋回作用，在直羅組一段底部沉積了中粗粒的七里鎮砂巖段(圖2和表1)，并在地下水長期入滲過程中形成富水性中等–較強的含水層。通過在不同礦井工作面頂板施工探查鉆孔發現，由于直羅組與延安組呈不整合接觸，導致真武洞砂巖被剝蝕或與七里鎮砂巖構成同一含水層，因此，本研究以七里鎮砂巖為關鍵層，將煤層至七里鎮砂巖概化為一個直接充水含水層。

圖2 鄂爾多斯盆地北部侏羅紀煤炭深埋區地層柱狀圖

表1 七里鎮砂巖含水層分布特征

3 預測方法構建及討論

3.1 公式構建

承壓水井大降深抽水時，當井中水位低于含水層頂板，井附近含水層會出現無壓水流區，形成承壓–無壓水井，采用分段法計算流向井的流量[24]，包括無壓水區和承壓水區(圖3a)。實際工作面回采過程中，由采空區及其頂板“兩帶”構成的巨型疏水井(簡稱采空區疏水井)，其井中水位已降低至煤層底板(圖3b)，此時井中水位w=0，無壓水區邊界水頭為+0，則無壓水區涌水量計算公式為：

式中：為動態補給量；為滲透系數；為含水層厚度；0為含水層底板至煤層底板距離；為無壓水區影響半徑；w為水井半徑。

承壓水區涌水量計算公式為：

式中：0為含水層初始水位；為承壓水區影響半徑。

通過無壓水區影響半徑將式(1)和式(2)進行耦合，得到開采擾動下承壓–無壓水涌水量計算公式：

對于工作面形成的采空區有：

式中：為工作面采空區的走向長度；為工作面采空區的傾向長度。

圖3 煤層開采過程中承壓–無壓水井變化特征

3.2 參數確定

以呼吉爾特礦區葫蘆素煤礦首采工作面為研究對象，煤層厚度1.83～3.25 m(采高2.85 m)，煤層頂板埋深623.45～646.08 m，直羅組底板距煤層頂板平均約70.0 m，七里鎮砂巖含水層初始水位0=480 m；整個工作面推采長度4 150 m，寬度320 m。鄂爾多斯盆地中生代為河流相沉積，具有顯著的非均質性，準確計算工作面回采過程中的涌水量，獲取真實客觀的水文地質參數是關鍵，因此，本次充分收集了研究區各階段的抽水試驗數據，為實現與實際特征更相近的含水層概化提供支撐。

1) 滲透系數()

葫蘆素煤礦在煤田地質勘探、水文地質補勘、井檢孔和工作面頂板預疏放鉆孔施工階段，均開展了大段抽水試驗(2煤頂—直羅組一段)，獲得的煤層頂板含水層滲透系數相差2個數量級(表2)，主要是由于河流相沉積形成富水性極不均一的砂體，而對于整個礦井和工作面，頂板直接充水含水層又以均一含水層進行概化，因此，取所有鉆孔抽水試驗的滲透系數平均值作為本次涌水量計算的滲透系數值(即=0.054 9 m/d)。

表2 工作面頂板地層滲透系數

2) 含水層厚度()

水文地質補勘階段施工的H7、HK23、H17、HK44、H27鉆孔，以及頂板探放水階段施工的H8-3、H10-1、Y10-1、Y8-3取心孔，地層揭露表明，含水層厚度為13.4～51.1 m(平均30.6 m)，因此，取含水層厚度=30.6 m。

3) 承壓水區影響半徑()

3.3 計算結果分析

根據前文獲得的工作面尺寸和水文地質參數，利用深埋煤層工作面涌水量計算公式(3)，開展葫蘆素煤礦首采工作面涌水量預測計算，計算結果見表3。對比涌水量計算值和實際值(c)(圖4)可以看出，工作面回采0～400 m的初始階段，由于導水裂隙帶未充分發育，未波及溝通七里鎮砂巖，導致這個階段實際涌水量偏小；中后期(回采距離大于600 m)涌水量計算值與實際值較為接近，證明該深埋煤層工作面涌水量計算公式(3)可以較準確地預測工作面回采過程中的涌水量。

表3 工作面水文地質參數及涌水量預測結果

圖4 工作面回采過程中涌水量計算值和實測值

4 結論

a.基于《地下水動力學》中承壓–無壓水井公式，結合鄂爾多斯盆地北部深埋煤炭開采過程中采空區疏水井演化過程，建立了適合于深埋區開采擾動下的采空區疏水井承壓–無壓水公式。

b.以鄂爾多斯盆地葫蘆素煤礦首采工作面為研究對象，利用地質勘探和工作面疏放水等確定了滲透系數、含水層初始水位、含水層厚度、影響半徑等參數，并開展葫蘆素煤礦首采工作面回采過程中涌水量計算。

c. 對比涌水量計算值和實際值，工作面回采0～400 m段的初始階段，由于導水裂隙帶未充分發育溝通七里鎮砂巖，導致此階段實際涌水量偏小；中后期(>600 m)導水裂隙帶發育至七里鎮砂巖，涌水量計算值與實際值較為接近，證明提出的深埋煤層工作面涌水量計算公式可以準確預測研究區工作面回采過程中的涌水量。

[1] 王雙明. 鄂爾多斯盆地構造演化和構造控煤作用[J]. 地質通報，2011，30(4)：544–552.

WANG Shuangming. Ordos Basin tectonic evolution and structural control of coal[J]. Geological Bulletin of China，2011，30(4)：544–552.

[2] 張泓，白清昭，張笑薇，等. 鄂爾多斯聚煤盆地的形成及構造環境[J]. 煤田地質與勘探，1995，23(3)：1–9.

ZHANG Hong，BAI Qingzhao，ZHANG Xiaowei，et al. Formation of the Ordos Basin and its coal-forming tectonic environment[J]. Coal Geology & Exploration，1995，23(3)：1–9.

[3] 繆協興，王長申，白海波. 神東礦區煤礦水害類型及水文地質特征分析[J]. 采礦與安全工程學報，2010，27(3)：285–291.

MIAO Xiexing，WANG Changshen，BAI Haibo. Hydrogeologic characteristics of mine water hazards in Shendong mining area[J]. Journal of Mining & Safety Engineering，2010，27(3)：285–291.

[4] 顧大釗. 晉陜蒙接壤區大型煤炭基地地下水保護利用與生態修復[M]. 北京：科學出版社，2015.

GU Dazhao. Groundwater protection，utilization and ecological restoration of large coal base in the contiguous area of Shanxi，Shaanxi and Inner Mongolia[M]. Beijing：Science Press，2015.

[5] 楊建，梁向陽，丁湘. 蒙陜接壤區深埋煤層開發過程中礦井涌水量變化特征[J]. 煤田地質與勘探，2017，45(4)：97–101.

YANG Jian，LIANG Xiangyang，DING Xiang. Variation characteristics of mine inflow during mining of deep buried coal seams in Shaanxi and Inner Mongolia contiguous area[J]. Coal Geology & Exploration，2017，45(4)：97–101.

[6] 李東，劉生優，張光德，等. 鄂爾多斯盆地北部典型頂板水害特征及其防治技術[J]. 煤炭學報，2017，42(12)：3249–3254.

LI Dong，LIU Shengyou，ZHANG Guangde，et al. Typical roof water disasters and its prevention & control technology in the north of Ordos Basin[J]. Journal of China Coal Society，2017，42(12)：3249–3254.

[7] 劉洋，張幼振. 淺埋煤層工作面涌水量預測方法研究[J]. 采礦與安全工程學報，2010，27(1)：116–120.

LIU Yang，ZHANG Youzhen. Forecast method for water inflow from working face in shallowly buried coal seam[J]. Journal of Mining & Safety Engineering，2010，27(1)：116–120.

[8] 國家安全生產監督管理總局. 煤礦安全規程[M]. 北京：煤炭工業出版社，2011.

State Administration of Work Safety. Safety regulations in coal mine[M]. Beijing：China Coal Industry Publishing House，2011.

[9] 虎維岳，閆麗. 對礦井涌水量預測問題的分析與思考[J]. 煤炭科學技術，2016，44(1)：13–18.

HU Weiyue，YAN Li. Analysis and consideration on prediction problems of mine water inflow volume[J]. Coal Science and Technology，2016，44(1)：13–18.

[10] 周振方，靳德武，虎維岳，等. 煤礦工作面推采采空區涌水雙指數動態衰減動力學研究[J]. 煤炭學報，2018，43(9)：2587–2594.

ZHOU Zhenfang，JIN Dewu，HU Weiyue，et al. Double-exponential variation law of water-inflow from roof aquifer in goaf of working face with mining process[J]. Journal of China Coal Society，2018，43(9)：2587–2594.

[11] 劉洋，王振榮，牛建立. 工作面涌水量預測方法的確定[J]. 礦業安全與環保，2010，37(5)：29–30.

LIU Yang，WANG Zhenrong，NIU Jianli. Determination of prediction method of water inflow in working face[J]. Mining Safety & Environmental Protection，2010，37(5)：29–30.

[12] 李永濤，楊建. 基于頂板水預疏放的首采工作面涌水規律[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(4)：104–109.

LI Yongtao，YANG Jian. Water inflow law of the first working face based on water pre-draining from roof[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：104–109.

[13] 施龍青，王雅茹，邱梅，等. 時間序列模型在工作面涌水量預測中的應用[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(3)：108–115.

SHI Longqing，WANG Yaru，QIU Mei，et al. Application of time series model in water inflow prediction of working face[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：108–115.

[14] 梁積偉. 鄂爾多斯盆地侏羅系沉積體系和層序地層學研究[D]. 西安：西北大學，2007.

LIANG Jiwei. Research on sedimentary system and squence stratigraphy of the Jurassic in Ordos Basin[D]. Xi’an：Northwest University，2007.

[15] 趙俊峰. 鄂爾多斯盆地直羅–安定期原盆恢復[D]. 西安：西北大學，2007.

ZHAO Junfeng. Restoration of the primary Ordos Basin in Zhiluo-Anding Period[D]. Xi’an：Northwest University，2007.

[16] 李向平，陳剛，章輝若，等. 鄂爾多斯盆地中生代構造事件及其沉積響應特點[J]. 西安石油大學學報(自然科學版)，2006，21(3)：1–4.

LI Xiangping，CHEN Gang，ZHANG Huiruo，et al. Mesozoic tectonic events in Ordos Basin and their sedimentary responses[J]. Journal of Xi’an Shiyou University(Natural Science Edition)，2006，21(3)：1–4.

[17] 梁向陽，楊建，曹志國. 呼吉爾特礦區礦井涌水特征及其沉積控制[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(1)：138–144.

LIANG Xiangyang，YANG Jian，CAO Zhiguo. Characteristics and sedimental control of mine water outflow in Hujirt mining area[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(1)：138–144.

[18] 楊建，劉洋，劉基. 基于沉積控水的鄂爾多斯盆地侏羅紀煤田防治水關鍵層研究[J]. 煤礦安全，2018，49(4)：34–37.

YANG Jian，LIU Yang，LIU Ji. Study on key layer of water prevention and control in Ordos Basin Jurassic Coalfield based on sedimentary water control theory[J]. Safety in Coal Mines，2018，49(4)：34–37.

[19] 武強，徐華，趙穎旺，等. 基于“三圖法”煤層頂板突水動態可視化預測[J]. 煤炭學報，2016，41(12)：2968–2974.

WU Qiang，XU Hua，ZHAO Yingwang，et al. Dynamic visualization and prediction for water bursting on coal roof based on“three maps method”[J]. Journal of China Coal Society，2016，41(12)：2968–2974.

[20] 侯光才. 鄂爾多斯白堊系盆地地下水系統及其水循環模式研究[D]. 長春：吉林大學，2008.

HOU Guangcai. Groundwater system and water circulation pattern in Ordos Cretaceous groundwater basin[D]. Changchun：Jilin University，2008.

[21] 唐克旺，王浩，劉暢. 陜北紅堿淖湖泊變化和生態需水初步研究[J]. 自然資源學報，2003，18(3)：304–309.

TANG Kewang，WANG Hao，LIU Chang. Preliminary study of Hongjiannao Lake’s variation and ecological water demand[J]. Journal of Natural Resources，2003，18(3)：304–309.

[22] 楊建，劉基，靳德武，等. 有機–無機聯合礦井突水水源判別方法[J]. 煤炭學報，2018，43(10)：2886–2894.

YANG Jian，LIU Ji，JIN Dewu，et al. Method of determining mine water inrush source based on combination of organic-inorganic water chemistry[J]. Journal of China Coal Society，2018，43(10)：2886–2894.

[23] 賀勤，劉正奇. 毛烏素沙漠–世界沙漠暴雨中心[J]. 內蒙古氣象，1996(3)：5–15.

HE Qin，LIU Zhengqi. Mu Us Desert：The world desert rainstorm center[J]. Meteorology Journal of Inner Mongolia，1996(3)：5–15.

[24] 薛禹群，吳吉春. 地下水動力學[M]. 北京：地質出版社，2010.

XUE Yuqun，WU Jichun. Groundwater dynamics[M]. Beijing：Geological Publishing House，2010.

Water inflow forecasting method of deep buried coal working face in northern Ordos Basin, China

YANG Jian1,2, WANG Hao1,2, LIANG Xiangyang1,2, HUANG Hao1,2

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Preventing and Controlling for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China)

The Mesozoic strata are mainly fluvial deposits in the Jurassic deep buried area of northern Ordos Basin, which are characterized by multi-cycle evolution in stages, resulting in alternate distribution of the aquifer-bearing seams on the coal seam roof. As the surface is mostly covered by Mu Us Desert, the rainfall infiltration recharge coefficient is large, and the water storage capacity of Quaternary loosen stratum is strong. The sufficient water-filling recharge source causes the water-rich aquifers on the roof of coal seams, among which the main water-filled aquifer is Qilizhen sandstone aquifer. In this study, Qilizhen sandstone aquifer is taken as the key layer, and generalized as a direct water-filled aquifer. When the water level in a confined well is lower than the roof of the aquifer, there would be no pressure flow zone in the aquifer near the well, forming a confined-phreatic well. Segmentation method is used to calculate the flow to well, including non-pressurized and confined water areas. However, in mining process of the working face, the water level in the well has been reduced to the floor of the coal seam. The traditional formula of confined- phreatic wells is based on the assumption that the diameter of wells is small(<1 m). In mining process of the working face, with the destruction of the key water-filled aquifer(Qilizhen sandstone aquifer) by the water-conducting fracture zone of overburden, a huge drainage well is formed on the roof of the whole coal seam(102-103m). As the radius of the well increases with the goaf, the traditional formula is inapplicable. Based on the confined-phreatic well formula in, combined with the evolution process of the drain wells in the goaf during deep coal mining in northern Ordos Basin, a confined-phreatic well formula suitable for drain wells under mining disturbance in deep buried areas is established. Taking the first mining face of Hulusu Coal Mine as the research object, this paper uses the relevant hydrogeological parameters obtained from geological exploration and underground exposure to calculate the water inflow. The calculation results show that in the initial stage of working face mining, the actual water inflow is relatively small as the water flowing fracture zone has not communicated with Qilizhen sandstone aquifer due to the insufficient development of the zone. In the middle and later stage, the water flowing fracture zone develops to Qilizhen sandstone aquifer, and the calculated water inflow is close to the actual value, which proves that the formula for calculating the water inflow at the working face of deep-buried coal can accurately predict the water inflow in the mining process of the working face in the study area. The formula established in this study is applicable to the roof water hazard areas of Jurassic Coalfields in Western China, and provides scientific basis for water hazard prevention and control for safe mining of coal resources in deep-buried coalfields.

formula for calculating water inflow in deep buried working face; giant drainage well; interbed structure of sandstone and mudstone; radius of influence; northern Ordos Basin

TD742+.1

A

1001-1986(2021)04-0185-07

2020-12-11；

2021-04-30

國家自然科學基金項目(41302214)；中煤科工集團西安研究院有限公司科技創新基金面上項目(2018XAYMS03)

楊建，1979年生，男，江蘇鹽城人，博士/博士后，研究員，從事煤礦防治水研究. E-mail：yangjian@cctegxian.com

楊建，王皓，梁向陽，等. 鄂爾多斯盆地北部深埋煤層工作面涌水量預測方法[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(4)：185–191. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.022

YANG Jian，WANG Hao，LIANG Xiangyang，et al. Water inflow forecasting method of deep buried coal working face in northern Ordos Basin, China[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：185–191. doi: 10.3969/j. issn.1001-1986.2021.04.022

(責任編輯 周建軍)