蒙陜深埋礦區(qū)工作面涌水量全生命周期演化規(guī)律

劉 洋，楊 建，周建軍

(1.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省“四主體一聯(lián)合”黃河流域中段礦區(qū)(煤礦)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)校企聯(lián)合研究中心，陜西 西安 710077)

我國(guó)“富煤少氣貧油”的能源稟賦特征，決定了煤炭是我國(guó)未來(lái)長(zhǎng)期穩(wěn)定的主體能源[1-2]，2020 年我國(guó)煤炭產(chǎn)量高達(dá)39 億t，是全球最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，且我國(guó)煤炭資源生產(chǎn)與需求絕對(duì)量仍處于增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，“十四五”期間煤炭產(chǎn)量將維持在40 億t 左右。隨著東西部淺部煤炭資源的枯竭，未來(lái)煤炭開(kāi)采將向西部深部延伸，其中蒙陜交界的榆橫、呼吉爾特、納林河等礦區(qū)又是重中之重，該地區(qū)煤層埋深普遍超過(guò)500 m[3-4]，具有煤質(zhì)優(yōu)良[5-6]、地質(zhì)條件簡(jiǎn)單[7-8]等特點(diǎn)，但蒙陜深埋礦區(qū)屬于新開(kāi)發(fā)礦區(qū)，煤層賦存條件、頂板地層結(jié)構(gòu)[9]、含水層空間展布特征[10]等變化較大，研究區(qū)水文地質(zhì)條件仍不完全清楚[11-12]，導(dǎo)致難以形成有針對(duì)性強(qiáng)和科學(xué)有效的防治水措施，多個(gè)礦井在基建和生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生了多種類型的水害問(wèn)題[13-15]，給煤炭資源的安全高效開(kāi)采造成嚴(yán)重威脅。蒙陜深埋礦區(qū)主采煤層頂板發(fā)育多層富水含水層，煤炭開(kāi)采過(guò)程中，不同礦井多個(gè)含水層都出現(xiàn)了顯著的水位下降[16]。目前大量研究集中在工作面回采過(guò)程中涌水量變化規(guī)律分析、涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算等方面，具有很大的局限性，最終誤差也非常顯著；且工作面回采結(jié)束后涌水量如何變化，隨著多個(gè)工作面持續(xù)回采，礦井涌水量如何變化，都缺少相關(guān)研究。工作面涌水量總體較大，且波動(dòng)顯著，導(dǎo)致礦井和工作面涌水量變化特征難以準(zhǔn)確掌握，特別是工作面涌水量的全生命周期變化特征。由于長(zhǎng)周期涌水量數(shù)據(jù)難以實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，給井下排水系統(tǒng)設(shè)置和防治水工作開(kāi)展增加了難度。筆者在煤層頂板含隔水層空間展布特征、煤炭開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展工作面開(kāi)采全過(guò)程和采后長(zhǎng)周期的涌水量監(jiān)測(cè)，掌握蒙陜新建礦區(qū)工作面涌水量全生命周期演化規(guī)律，并探討其成因，可以為條件相似煤礦井下合理布置工作面/礦井防排水系統(tǒng)、開(kāi)展科學(xué)的防治水措施提供很好的科學(xué)依據(jù)。

1 蒙陜深埋礦區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古高原東部和毛烏素沙漠東南緣(圖1)，地形總體呈南北高、中間低趨勢(shì)，地形較為平坦，灘地與沙丘相間，以灘地為主，沙丘廣布；地表均被第四系風(fēng)積沙覆蓋，多為新月形或波狀沙丘，厚度一般小于30 m，不整合于下伏地層之上，沒(méi)有基巖出露。屬于干旱半干旱沙漠季風(fēng)性氣候，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，日照較豐富，干旱少雨，年降水量350～400 mm，年蒸發(fā)量是年降水量的5～6 倍。無(wú)定河及其支流納林河從研究區(qū)流過(guò)，其中無(wú)定河是黃河一級(jí)支流；研究區(qū)主采侏羅系延安組3-1 煤(厚度約5.5 m)，3-1 煤之上發(fā)育2-1 煤(厚度小于1.0 m)，煤層頂板發(fā)育第四系、白堊系(包括志丹群)、侏羅系(包括延安組三段、直羅組、安定組)等地層，空間上呈含隔水層互層狀展布，隔水層的主要巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖。

圖1 蒙陜深埋礦區(qū)位置和地貌Fig.1 Location and landform of deep buried mining area in Inner Mongolia and Shaanxi

另外，受控于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡的單斜構(gòu)造，含煤地層高程在蒙陜接壤區(qū)最低，其頂板侏羅紀(jì)煤系含水層屬于區(qū)域性地下水滯流區(qū)，水體礦化度普遍在8 000 mg/L 以上。

2 開(kāi)采水文地質(zhì)條件

選擇研究區(qū)中某礦井進(jìn)行開(kāi)采水文地質(zhì)條件分析。某礦井已有6 個(gè)工作面完成回采(圖2)，其中01 工作面是首采工作面(長(zhǎng)2 600 m、寬240 m)，02 工作面是次采工作面(長(zhǎng)3 100 m、寬 240 m)，上02 工作面開(kāi)采3-1 上煤層(屬于3-1 煤層分岔煤層)。3-1 主采煤層的直接頂由砂質(zhì)泥巖和粉砂巖構(gòu)成，延安組三段和直羅組為砂泥巖互層結(jié)構(gòu)，受沉積旋回控制，發(fā)育了3 層含水層，巖性為中砂巖和粗砂巖，具體為直羅組底部七里鎮(zhèn)砂巖含水層(Ⅰ號(hào)含水層)、2-1 煤頂板真武洞砂巖含水層(Ⅱ號(hào)含水層)和3-1 煤頂板含水層(Ⅲ號(hào)含水層)，距離3-1 煤層頂板分別為77.4～109.4、48.7～83.2 和4.9～16.2 m(圖3)。為了查清覆巖破壞高度和采動(dòng)裂隙分布特征，01 首采工作面回采前后，在工作面范圍內(nèi)分別施工一個(gè)采前對(duì)比孔和采后觀測(cè)孔，采用鉆探取心編錄、沖洗液漏失量觀測(cè)和彩色電視探測(cè)等手段，測(cè)得本礦井01 首采工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為103.4 m，裂采比18.8；另外，根據(jù)蒙陜接壤區(qū)其他礦井的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度實(shí)測(cè)結(jié)果，裂采比大部分在20～30 倍[17]，由此可以確定01 首采工作面開(kāi)采過(guò)程中導(dǎo)水裂隙帶將發(fā)育至Ⅰ號(hào)含水層。工作面探放水鉆孔對(duì)這3 層含水層揭露表明，鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中，Ⅰ號(hào)含水層鉆孔涌水量92.0～136.0 m3/h、水壓4.0～5.6 MPa，Ⅱ號(hào)含水層鉆孔涌水量32.0～42.0 m3/h、水壓4.1～5.0 MPa，Ⅲ號(hào)含水層鉆孔涌水量8.0～10.0 m3/h、水壓1.1～3.4 MPa，反映出Ⅰ號(hào)含水層富水性最強(qiáng)，且水壓最大，是工作面回采過(guò)程中最主要的直接充水含水層。

圖2 研究區(qū)某礦井工作面布置Fig.2 Underground working faces distribution in one coal mine of the study area

圖3 煤層頂板柱狀圖Fig.3 Column diagram of the coal seam roof

3 工作面涌水量變化規(guī)律

3.1 回采前期變化特征

為了避免工作面涌水量過(guò)大或波動(dòng)劇烈，造成工作面水害事故，01 首采工作面回采前和回采過(guò)程中，對(duì)工作面頂板直接充水含水層開(kāi)展了超前預(yù)疏放，累計(jì)預(yù)疏放水量共計(jì)4.235×106m3，工作面頂板3 層直接充水含水層的靜儲(chǔ)量基本完成疏放(含水層殘留部分靜儲(chǔ)量，無(wú)法通過(guò)鉆孔疏放)。在此前提下，回采前期過(guò)程中(回采長(zhǎng)度0～500 m)隨著煤層頂板覆巖破壞發(fā)育高度的不斷變化，溝通不同含水層[18-19]，導(dǎo)致工作面涌水量也不斷變化(圖4)，具體如下：(1) 根據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果，回采過(guò)程中初次來(lái)壓位于60 m 位置，這個(gè)過(guò)程中導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育并溝通Ⅲ號(hào)含水層，多個(gè)支架頂部出現(xiàn)滴淋水現(xiàn)象，加上切眼附近預(yù)疏放鉆孔涌水，采空區(qū)涌水量達(dá)到50 m3/h 左右；(2) 工作面周期性來(lái)壓約30 m，當(dāng)工作面回采至150～180 m，則出現(xiàn)第一次大的周期性來(lái)壓，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育并溝通Ⅱ號(hào)含水層，采空區(qū)涌水量增至80 m3/h 左右；(3) 工作面回采至280～320 m，出現(xiàn)第二次大的周期性來(lái)壓，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育并溝通Ⅰ號(hào)含水層，采空區(qū)涌水量增至132～183 m3/h，且受停產(chǎn)影響，長(zhǎng)期支架停放可能導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育更高，也對(duì)采空區(qū)涌水量峰值產(chǎn)生一定影響；(4) 工作面回采至380～500 m，隨著工作面持續(xù)回采，該段含水層靜儲(chǔ)量已經(jīng)完全釋放，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量控制下，采空區(qū)涌水量逐漸穩(wěn)定在100～110 m3/h。總體上，可以將工作面回采前期視為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育升高階段，隨著溝通不同含水層，采空區(qū)涌水量持續(xù)增大。

圖4 01 工作面回采前期導(dǎo)水裂隙帶和涌水量關(guān)系Fig.4 Relationship between water diversion fracture zone and water inflow in early stage of mining in working face 01

3.2 回采中后期變化特征

由于工作面回采過(guò)程中頂板導(dǎo)水裂隙帶周期性向上發(fā)育(圖5)，隨著頂板含水層破壞范圍的擴(kuò)大，采空區(qū)涌水量呈臺(tái)階式增加(圖6)：(1) 工作面回采至630～860 m，采空區(qū)涌水量出現(xiàn)2 次臺(tái)階式增加，從100～110 m3/h 增至145～170 m3/h 和175～200 m3/h，2 次涌水量增加的回采間距約150 m，屬于大的周期性來(lái)壓階段；(2)工作面回采至1 100～1 200 m，采空區(qū)涌水量又出現(xiàn)了一次臺(tái)階式增加，達(dá)到270～285 m3/h，增加幅度超過(guò)70 m3/h；(3) 工作面在1 200～2 600 m 回采階段，隨著導(dǎo)水裂隙帶對(duì)頂板3 層含水層的溝通破壞范圍持續(xù)擴(kuò)大，采空區(qū)涌水量逐漸增至356 m3/h。這個(gè)過(guò)程中涌水量臺(tái)階式增加的現(xiàn)象已經(jīng)沒(méi)有之前明顯，反映了工作面回采中后期覆巖破壞的周期性已經(jīng)對(duì)涌水量影響較小，頂板含水層被破壞擾動(dòng)范圍持續(xù)擴(kuò)大導(dǎo)致涌水量持續(xù)增大是主要原因。

圖5 工作面回采過(guò)程中覆巖破壞Fig.5 Overburden failure in the process of mining in working face

圖6 01 工作面回采中后期涌水量變化曲線Fig.6 Variation curve of water inflow in the middle and late stage of mining in working face 01

3.3 回采結(jié)束后變化特征

整個(gè)工作面回采結(jié)束后，可能是最后一個(gè)大的周期性來(lái)壓，導(dǎo)致煤層頂板覆巖破壞(即導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育)，采空區(qū)涌水量在1 個(gè)月后出現(xiàn)1 次臺(tái)階式增加，增加幅度30～40 m3/h；由于煤層頂板隔水層以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，其中泥質(zhì)成分主要為高嶺石、綠泥石，另外還含有約25%的伊利石和蒙脫石；泥巖遇水膨脹特性和采空區(qū)頂板壓實(shí)作用，能夠起到“隔水層再造”作用[20-21](圖7)，01 首采工作面回采結(jié)束后，采空區(qū)涌水量呈“緩坡式”變化(圖8)：(1) 采空區(qū)關(guān)閉前期，由于回采形成的覆巖導(dǎo)水裂隙帶，頂板含水層水持續(xù)進(jìn)入采空區(qū)，導(dǎo)致采空區(qū)涌水量仍然維持在較高值(390 m3/h 左右)，這個(gè)過(guò)程大概持續(xù)3 個(gè)月；(2) 采空區(qū)關(guān)閉中期，由于泥巖/砂質(zhì)泥巖遇水膨脹、地層壓實(shí)等作用，導(dǎo)水裂隙逐漸自彌合，進(jìn)入采空區(qū)的地下水逐漸減少，導(dǎo)致采空區(qū)涌水量也呈減小趨勢(shì)，特別是關(guān)閉后1 年多，采空區(qū)涌水量急劇減少(從350 m3/h 減小至150 m3/h)；(3) 采空區(qū)關(guān)閉后期，頂板隔水層逐漸再造形成，采空區(qū)涌水量緩慢下降，直至衰減至無(wú)水狀態(tài)(即采空區(qū)反水孔基本不出水)。

圖7 頂板隔水層再造Fig.7 Roof waterproof layer reconstruction

圖8 01 工作面回采結(jié)束后涌水量變化曲線Fig.8 Variation curve of water inflow after mining in working face 01

綜合上述工作面回采和關(guān)閉后涌水量變化特 征(圖9)，可以看出：(1) 01 工作面開(kāi)始回采后，隨著回采范圍的擴(kuò)大，采空區(qū)涌水量總體呈臺(tái)階式增加，直至回采結(jié)束；(2) 01 工作面回采結(jié)束后，由于頂板隔水層再造和地層壓實(shí)作用，采空區(qū)涌水量呈“緩坡式”較快衰減趨勢(shì)，直至采空區(qū)不再形成涌水，這可能與相鄰采空區(qū)位置關(guān)系有關(guān)，01 工作面較02 工作面高程相對(duì)較高，導(dǎo)致01 工作面殘余采空區(qū)積水進(jìn)入02 工作面采空區(qū)。

圖9 01 工作面全生命周期涌水量變化曲線Fig.9 Variation curve of water inflow in full cycle of working face 01

3.4 其他工作面涌水量變化規(guī)律

02 工作面與01 工作面相鄰，在01 工作面回采結(jié)束1 個(gè)月后開(kāi)始回采，回采過(guò)程中采空區(qū)涌水量變化規(guī)律與01 工作面相似(圖10)：(1) 工作面回采過(guò)程中，隨著采空區(qū)范圍的不斷擴(kuò)大，頂板覆巖周期性向上部和四周破壞發(fā)育，采空區(qū)涌水量呈“臺(tái)階式”增加；(2) 工作面回采結(jié)束前后，采空區(qū)范圍內(nèi)頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育破壞程度最強(qiáng)，出現(xiàn)采空區(qū)涌水量最高值；(3) 工作面回采結(jié)束后，采空區(qū)涌水量逐漸衰減，呈“緩坡式”變化；(4) 由于頂板發(fā)育形成的導(dǎo)水裂隙不能完全自彌合，采空區(qū)會(huì)長(zhǎng)期形成每小時(shí)幾十立方米的涌水，這種現(xiàn)象在16 工作面和21 工作面也存在。

圖10 02 工作面全生命周期涌水量變化曲線Fig.10 Variation curve of water inflow in full life cycle of working face 02

4 結(jié)論

a.蒙陜深埋礦區(qū)某礦井煤層頂板受中生代沉積旋回控制，發(fā)育了3 層含水層，其中直羅組七里鎮(zhèn)砂巖含水層呈富水性強(qiáng)、水壓高的特點(diǎn)，工作面回采過(guò)程中導(dǎo)水裂隙帶將發(fā)育至此含水層。

b.工作面前期回采過(guò)程中，隨著頂板覆巖破壞不斷發(fā)育至不同含水層，采空區(qū)涌水量呈臺(tái)階式增加；中后期回采過(guò)程中，受周期性來(lái)壓控制，導(dǎo)水裂隙帶也呈周期性發(fā)育，隨著頂板含水層破壞范圍的擴(kuò)大，采空區(qū)涌水量也表現(xiàn)為“臺(tái)階式”增加。

c.工作面回采結(jié)束前后，采空區(qū)范圍內(nèi)頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最強(qiáng)烈，出現(xiàn)采空區(qū)涌水量最高值；工作面回采結(jié)束后，頂板裂隙自彌合作用下，隔水層逐漸再造形成，采空區(qū)涌水量呈“緩坡式”逐漸衰減。