民興煤礦煤層底板砂巖含水層水文地質條件分析

束建軍

（安徽省地質礦產勘查局325地質隊，安徽 淮北 235000）

0 引 言

鄂爾多斯盆地侏羅紀煤田煤炭資源開發中面臨的主要礦井水文地質問題是煤層的頂板涌（突）水，相關的研究成果豐碩[1-2]。但是隨著開采深度的逐漸增加，較為少見的煤層底板高承壓水害問題也開始在部分煤礦中突顯[3-6]，且一般在早期的煤田資源勘探階段，由于對煤層底板砂巖含水層的勘探程度較低，其富水性和可疏放性均缺乏有力的評價依據，底板砂巖水害已成為制約煤層開采的重要因素之一[7-8]。

陜西省銅川市民興煤礦在1301首采工作面開采過程中發生了明顯的底板涌水現象，最大涌水量達82 m3/h，且截至該工作面回采完畢，涌水量也一直穩定在60 m3/h左右，嚴重影響了該礦的安全生產和接續計劃。此次研究基于對民興煤礦地質條件的分析，結合1301工作面底板涌水的規律和水質化驗結果，分析了充水因素，并綜合評價了煤層底板含水層的水害威脅情況。研究成果為未來接續的一采區范圍內的底板砂巖水害防治提供了參考。

1 地質概況

陜西省銅川市民興煤礦位于鄂爾多斯盆地黃隴侏羅紀煤田焦坪礦區中南部，該礦于2020年建成并投入生產，設計生產能力為120萬t/a，井田面積為20.310 7 km2，礦井采用斜井單水平開拓方式，水平標高+988 m。

（1）地層、煤層。

井田內含煤地層為中侏羅統延安組，礦井可采煤層為延安組第二段的3號煤層和延安組第一段的4號煤層，目前主采3號煤層。3號煤層全區分布，煤層埋深較大，在404～823 m，該煤層厚度0～4 m，平均厚度2.05 m，煤層層位穩定、結構簡單，煤厚變化較小，屬于穩定煤層。

（2）地質構造。

礦井總體構造形態為一傾向北西的單斜構造，地層傾角一般4°～8°；且在單斜構造的基礎上又發育了次級的褶皺構造，其中B1背斜構造的核部位于井田的中部，軸向由南北向轉為NE向。B1背斜東南部還發育有X1向斜構造，該向斜軸向近東西，橫穿了1301工作面的中部。

（3）水文地質。

開采3號煤層時，主要充水通道是煤層開采擾動形成的頂底板采動裂隙，主要充水水源為煤層頂底板的砂巖含水層水，其中煤層頂板的延安組、直羅組含水層富水性弱，回采時礦井涌水量的占比極小，且易于疏干，這一特征在1301工作面回采時得到了印證。因此，煤層底板砂巖含水層水是目前3號煤層開采的主要充水威脅。

2 工作面涌水情況

2.1 工作面概況

1301首采工作面位于礦井一采區西側，由北向南回采，首采工作面設計走向長度1 308 m，傾向長度180 m。工作面煤層平均厚度2.1 m，煤層底板標高+945—+979 m，煤層平均埋深約540 m。

工作面掘進及回采期間未揭露斷層，褶皺構造揭露3處，切眼處發育B1背斜，工作面中段為X1向斜，南部靠近停采線附近發育B2背斜，煤層底板起伏不明顯，工作面最大落差34 m，煤層傾角4°～6°；受B1背斜影響，切眼附近巷道揭露一構造薄煤帶，煤層厚度降至0.4 m，推測是由于成煤時期沉積基底隆起，造成煤層變薄。1301工作面構造分布及涌水點位置如圖1所示。

圖1 1 301工作面構造分布及涌水點位置Fig.1 The structure and water inflowpoint location distribution of No.1301 face

2.2 涌水情況

1301工作面自2020年7月試回采開始，未出現明顯的大范圍頂板淋水現象，工作面排水系統主要排出工業用水。自2021年5月15日，工作面回采至392 m時，1301運順水倉（距推采位置268 m）幫部開始涌水，涌水量約6 m3/h，涌水清澈透明，無色，呈輕微帶壓泉水狀涌出（水涌出底板約3～4 cm）；隨推采進度，出水點增多，主要是780 m、770 m（運順水倉附近），1號支架（運順機頭）等處底板開始出水，涌水量逐漸增大，工作面運順一側推采至606 m時（距離運順水倉54 m），涌水量約73.5 m3/h，工作面推采至距離運順水倉16 m處時，涌水量達到最大值約82 m3/h；推采過運順水倉位置后，工作面超前段巷道位置不再有底板涌水點，涌水主要來自工作面運順隅角，原有涌水點仍在持續涌水，但涌水量緩慢減小并趨于穩定，目前涌水量穩定在60 m3/h左右。

將涌水量觀測值、推采位置與涌水點距離繪制相關因素曲線圖（圖2）可得，1301工作面涌水點涌水量隨著推采位置接近逐漸增大，在回采至涌水點附近時，涌水量達到最大值，約82 m3/h，推采過涌水點位置后，工作面涌水量緩慢降低，涌水量與推采位置距向斜軸部距離關系明顯。

圖2 1 301工作面涌水量和與涌水點距離歷時曲線Fig.2 The duration curve of the water inflowand the distance from the water inflow point of No.1301 face

據觀測數據，1301工作面涌水點在工作面距切眼635 m處的運輸巷底板處，其余位置均未見明顯的頂板淋水或底板涌水現象，涌水點位于向斜構造最低點附近，涌水相對穩定，未見明顯突增或突降現象。說明向斜軸部等相對低洼區，由于應力集中，節理、裂隙發育，儲水空間大，在受到采動影響后，易于發生涌水現象。

2.3 充水因素分析

1301工作面煤層埋深大于500 m，頂板無明顯淋水現象，導水裂隙帶一般不會直接波及地表，且工作面周邊不存在采空區積水，因此可以排除采空區水或地表水作為充水水源直接向工作面充水。

在工作面涌水期間，礦方多次采取涌水水樣進行了水質分析，并采取了井筒涌水水樣進行了對比。結果顯示，礦井井筒在洛河組砂巖含水層位置有持續涌水現象，采取井筒涌水分析可得，頂板洛河組砂巖含水層水礦化度僅654.85 mg/L，pH值8.16，呈 弱堿性，水質類型HCO3·SO4-Na·Ca·(Mg)，屬于淺埋深受大氣降水補給較多的含水層水。而1301工作面涌水水樣分析結果表明，礦化度均高于3 500 mg/L，水質類型SO4·Cl-Na，其中SO42-離子含量較其他兩種涌水明顯偏大，屬徑流緩慢的深層含水層水。

水化學Piper三線圖（圖3）也顯示，工作面涌水水樣的分布位置與其他水樣差別很大，主要表現為SO42-離子含量相對較高，工作面涌水與井筒涌水、崔家溝采空區水應不屬于同一水源。

圖3 水質分析Pi per圖Fig.3 Piper diagram of water quality analysis

根據水質分析結果，1301工作面頂板涌水水質類型與井筒涌水、臨礦采空區水均不一致，頂板洛河組含水層水與崔家溝采空區水不是工作面直接充水水源。根據涌水水質特征以及可以觀測到的底板涌水現象分析，1301工作面涌水為底板砂巖承壓含水層水。

3 煤層底板含水層水文地質條件分析

3.1 煤層底板巖性分布

勘探資料顯示，延安組為該井田含煤地層，厚度14.63～96.63 m，平均厚度48.16 m。巖性由深灰色、灰黑色砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層組成，富水性弱。延安組地層自上而下可以劃分為3段（對應沉積學中的旋回），3號煤層位于延安組第二段，4號煤層位于延安組第一段。

其中，延安組第一段下部為灰色炭質泥巖、砂質泥巖、泥巖，中部為4號煤，上部為泥巖、粉砂巖；延安組第二段底部為中—粗粒砂巖，以石英為主，鈣質膠結，底部含礫，中部沉積了3號煤層，上部為K2砂巖標志層，為河床相的灰白色中、粗粒巖屑石英砂巖；延安組第三段主要為中粗粒砂巖夾薄層泥巖和細砂巖，頂部為紫雜色粉砂巖。整個延安組地層第二、三段中砂巖厚度占比較大，而第一段泥巖占比較大。

井田內YK3-7號鉆孔對J2z+J2y地層進行了混合抽水試驗，鉆孔涌水量0.014 L/s，單位涌水量0.000 12 L/s·m，水位埋深190.12 m，滲透系數為0.000 066 m/d，礦化度0.645 g/L，水質為SO4·HCO3-Na型水，直羅—延安組含水層富水性弱。延安組以下是全區分布的富縣組泥巖隔水層，平均厚度7.34 m。巖性為紫灰色、灰綠色、黃褐色泥巖，俗稱“花斑泥巖”。據此來看，1301工作面底板涌水主要來自3號煤層直接底板的砂巖。

3.2 煤層直接底板砂巖分布

3號煤層直接底板（4煤層頂板以上）發育有中厚層狀灰白色長石砂巖、石英長石砂巖，以中粗砂巖和粉細砂巖為主，泥質膠結。該礦3號煤底板含水層與臨近礦井的4號煤頂板含水層為同一含水層，而且具有相似的涌水相關特征，砂巖含水層局部富水，均為承壓水，單個涌水點水量近似。

民興煤礦首采區內3號煤層直接底板砂巖厚度0.5～20.4 m，平均厚度7.56 m，1301運順向斜軸部涌水點處砂巖厚度約6～8 m，該層砂巖為1301工作面主要充水含水層。

中粗砂巖富水性及充水強度比粉細砂巖富水性好，而井田內一采區3號煤層底板砂巖中局部存在中厚層狀中粗砂巖，3號煤底板至4號煤頂板（或延安組底板）的巖層以砂巖為主，中粗砂巖厚度變化較大，通過圈定3號煤層直接底板的中、粗砂巖區域，發現1301工作面幾乎為中粗砂巖（圖4）。

圖4 3號煤層底板中、粗砂巖分布范圍Fig.4 The distribution range of medium and coarse sandstone in No.3 coal seam floor

3.3 討 論

根據上文分析，礦井3號煤層底板砂巖含水層在井田內廣泛分布，1301工作面煤層底板較厚的中、粗砂巖含水層是礦井的直接充水水源；充水通道以采動底板裂隙為主，形式主要為局部裂隙點狀或區域狀涌水，涌水點與褶皺軸部等構造裂隙發育區域具有較強相關性；充水強度較頂板直羅延安組含水層更大，但涌水量隨著工作面推進呈穩定增長趨勢，未見明顯涌水量波動現象。

早期勘探的結果認為延安組含水層富水性弱，但并未對3號煤層底板含水層開展專項水文地質條件探查，首采面生產過程中在井下開展底板含水層探查的難度也較大，因此，未來1采區接續工作面回采前，需針對3號煤底板砂巖含水層水文地質參數等詳細條件開展井下補充探查工作，明確含水層水位及區域富水性情況，為工作面防治水提供參考。

4 結 論

（1）民興煤礦1301工作面的底板涌水主要集中在向斜構造軸部，水質分析結果顯示，底板的涌水主要來源于3號煤層直接底板砂巖含水層；礦井開采3號煤層時，主要的充水水源為煤層底板的砂巖含水層水；主要充水通道為煤層開采擾動形成的頂底板采動裂隙，向斜構造軸部的裂隙發育帶是次要的導水通道。

（2）工作面底板涌水是由煤層底板較發育的富水砂巖和構造裂隙兩者共同作用的結果，且未來接續區域也同樣受到底板砂巖承壓水的威脅。