檸條塔煤礦水文地質結構特征與水害治理模式研究

2024-03-08 06:48:06郭書全

中國礦業 2024年2期

郭書全，王海

（1.陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司，陜西榆林 719300；2.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

根據國家統計局數據，2022年全國原煤產量45.6億t，同比增長10.5%，原煤生產增速進一步加快。由此可見，煤炭是我國能源經濟安全的“壓艙石”和“穩定器”，其基礎性保障地位在短期內不會改變[1-3]。榆神府礦區位于陜西省最北端神木縣、府谷縣兩縣境內，是我國已探明保有儲量最大的煤田，約占全國探明儲量的15%，有多個年產能千萬噸級的煤礦[4]。然而，隨著煤炭資源的持續高強度開采，礦山所面臨的工程與水文地質條件越來越復雜，采掘誘發的事故類型越來越多樣化，其中各類突水潰砂災害就是典型代表[5-7]。

國內外眾多學者對榆神府礦區高強度開采下的突水潰砂災害機理與防控模式進行了研究和討論[8-10]。范立民等[11]在分析榆神府礦區采掘誘發突水潰砂災害機理的基礎上，采用多源數據融合模型進行了突水潰砂危險性綜合評價分區。謝曉深等[12]以榆神府礦區的典型煤礦為例，通過構建地表裂縫動態發育模型，揭示了坡體滑移對裂縫活動的影響機理，為地表沉陷治理和生態環境修復提供了借鑒。李舒等[13]從多方面分析了神府南區延安組含水層富水性的影響因素，并討論了延安組含水層富水性對礦井涌水量的影響，為榆神府礦區資源安全高效開采，以及頂底板水害防控提供了參考。董書寧等[14]以張家峁煤礦為例，從水文地質結構系統的角度出發，研究了礦區的水資源類型和特征，劃分了保水開采分區，并提出了燒變巖區域帷幕注漿截流的新技術。張東升等[15]圍繞西北煤田地層結構特征與淺表層水循環作用機理、淺埋厚煤層采動覆巖結構與隔水層穩定性時空演變規律、水資源保護性采煤機理與控制理論三個關鍵科學問題展開了系統研究。此外，還有眾多學者對榆神府礦區的水文地質結構特征、突水潰砂危險性評價、水害防控技術與實踐、生態環境保護與治理等方面展開了分析與討論[16-20]。

水文地質結構特征的研究是水害評價和治理的重要基礎性工作，上述研究成果也都是主要以榆神府礦區的水文地質結構研究為基礎展開的。然而，榆神府礦區各個礦山的主要充水含水層、隔水層及煤層賦存條件差異巨大，導致研究結果不能完全套用，需要展開針對性的研究。因此，本文主要以榆神府礦區檸條塔煤礦為例，在對其地質條件和構造發育情況進行系統分析的基礎上，研究了礦區的水文地質結構特征與水害治理模式和效果，為后續水害治理工程的開展及開拓工程設計提供了有價值的參考。

1 研究區工程背景

1.1 煤層

檸條塔煤礦位于陜北黃土高原北部，毛烏素沙漠東南緣，為大型現代化礦井，井田面積約119.77 km2。礦井采用斜井多水平開拓，綜合機械化采煤，一次采全高垮落式管理頂板方法。檸條塔煤礦分兩個水平開采，一水平開采1-2上煤層、1-2煤層、2-2煤層、2-2下煤層、3-1煤層，二水平開采4-2煤層、4-3煤層、5-2上煤層、5-2煤層，目前礦井主要開采2-2煤層。該煤層位于延安組第四段頂部，埋深14.00～262.14 m，厚度0.70～9.33 m，為中厚～厚煤層，賦存區全部可采，可采煤層厚度變化較大，但規律性明顯，結構簡單，煤類單一，煤質變化小，屬穩定型煤層。在礦區中東部存在煤層自燃區，面積約4.06 km2。

1.2 地形地貌

檸條塔煤礦地形西北、西南高，中部低。礦區南翼大部分地表被風積沙及薩拉烏蘇組沙層所覆蓋，局部地表出露第四系黃土及新近系紅土。礦區北翼地表大部出露第四系黃土及新近系紅土，基巖零星出露于溝谷兩側。井田地貌單元可分為風沙區、河谷區和黃土丘陵溝壑區三種地貌類型，其中以風沙區和黃土丘陵溝壑區為主。井田地處風沙地貌向黃土丘陵地貌的過渡地帶，南翼地貌類型以風沙區和河谷區為主。

1.3 地質與構造

據鉆孔揭露及地質填圖資料，區內地層由老至新依次有：三疊系上統永坪組（T3y），侏羅系中統延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a），新近系上新統保德組（N2b），第四系中更新統離石組（Q2l），第四系上更新統馬蘭組（Q3m）和薩拉烏蘇組（Q3s），第四系全新統風積沙（Q4eol）和沖積層（Q4al）。檸條塔煤礦整體上為一向北西傾斜的單斜構造，未見大的斷裂發育，地殼活動主要表現為垂向的升降運動，形成了一系列沉積間斷的假整合與不整合面，無巖漿巖活動，構造較為簡單，如圖1所示。

圖1 陜北地區構造分區及構造綱要圖Fig.1 Structural zoning and outline map of North Shaanxi Province

2 研究區水文地質結構特征

2.1 地下水補給、徑流、排泄條件

1）地下水補給。研究區內潛水主要接受大氣降水的入滲補給，沙層區還可能接受部分凝結水補給。薩拉烏蘇組含水層主要接受大氣降水補給，尤其是南部沙層覆蓋區，降水入滲條件好，補給量較大。因此，局部地段水量較為豐富，富水性較強。燒變巖含水層主要接受潛水含水層的側向補給，如薩拉烏蘇組含水層水在淺部區域大部分補給至燒變巖區，燒變巖含水層還接受露頭區大氣降水和地表水的補給，如圖2所示。

圖2 薩拉烏蘇組與燒變巖補給關系示意圖Fig.2 Relationship between the Sarawusu Formation and the supply of burnt rocks

基巖風化帶含水層主要接受側向徑流補給，通過風化裂隙接受側向或上覆含水層水的補給。根據礦井S1210工作面的涌水水質及群孔放水試驗分析可知，基巖風化帶水是其涌水來源之一，風化帶存在強富水區，并與其他含水體存在徑流通道，屬于動態補給充足的含水層[21]。其他基巖含水層主要接受露頭區大氣降水補給，含水層露頭區主要位于溝谷切割區和河流階地。由于研究區大部分河流為V型，因此，一般含水層露頭面積不大，但局部存在較為寬緩的出露地段，這些含水層露頭可能接受大氣降水補給，還可能接受地表水的補給，尤其是雨季，河谷中水位上漲時，可能對含水層形成側向的入滲。另外，基巖含水層還接受區域側向補給和潛水的垂向補給。基巖含水層主要為不同粒徑砂巖含水層，富水性整體較弱。

2）地下水徑流。檸條塔煤礦地下水的徑流具有分區性，地表分水嶺和地下分水嶺位置基本一致，地下水的流向受地形地貌的制約，具有多向性，總趨勢是從地下水分水嶺地帶向周圍溝谷區運移，而基巖承壓水還會順層面或裂隙由高到低緩慢運動，部分通過裂隙向下伏含水層徑流。地下水大部分流向中部，薩拉烏蘇組含水層水在龔家梁以南向南徑流。

3）地下水排泄。基巖地下水沿裂隙或順層面運動時，在溝谷切割地段以下降泉的形式排泄，或通過透水“天窗”以越流形式補給上覆含水層，部分含水層水順巖層向深部徑流，潛水含水層還通過地表蒸發進行排泄。承壓水因受隔水層和地形的影響，具有多層性，深部徑流遲緩，基本處于滯流狀態。

2.2 礦井主要充水水源

1）大氣降水。根據神木市氣象站資料，檸條塔煤礦區域年平均降水量為434.10 mm，集中在7月—9月，占全年降水量的50%～70%，歷年最大日降水量135.20 mm。大氣降水是檸條塔煤礦的直接充水水源和間接充水水源。首先，大氣降水通過溝谷區發育至地表的采動裂隙直接進入礦井，成為涌水來源之一。其次，大氣降水通過含水層露頭或地表入滲補給含水層，成為礦井的間接充水水源。

2）地表水。井田區域主要地表水體為廟溝及其支流、考考烏素溝及其支流肯鐵嶺河和小侯家母河溝、蘆草溝及部分季節性溝谷河流。根據礦井規劃工作面和地表地形，北翼N1215工作面、N1217工作面等位于新民溝支溝下覆，逐漸向廟溝支流推近，在黃土梁峁區溝谷切割較深，地表水在溝谷薄基巖區通過原生裂隙進入礦井。南翼S1204工作面位于肯鐵令溝溝腦位置，且鄰近蘆草溝部分溝谷底部出露基巖風化帶和基巖，地表水體和含水層之間通過原生裂隙存在直接的補排關系。

3）地下水。檸條塔煤礦的主要充水含水層包括松散含水層和基巖含水層。其中，風化基巖含水層南北翼厚度變化不大，在20～30 m之間。由于各煤層之間局部區域間距較小，下煤層采動裂隙將直接擾動上覆煤層，并與其頂板破壞帶連通，因此，煤層頂板砂巖含水層和燒變巖含水層成為礦井的直接充水水源；松散層潛水為礦井直接或間接充水水源。直羅組基巖風化帶水是礦井的重要充水水源之一，尤其是礦井南翼的沙層覆蓋區，基巖風化帶水可能成為礦井將來的主要充水水源。

4）老空水。老空水是檸條塔煤礦的主要充水水源之一，包括井田內老窯水及周邊小窯水和本礦井采空區積水。根據礦井采掘工程布置情況，北翼2-2煤層回風大巷西部已經采完10個工作面，6個采空區存在不同程度的積水，2-2煤層輔運大巷東部也有9個面已被回采，5個采空區存在不同程度的積水。井田東部還存在崔家溝煤礦、隆巖煤礦和河西煤礦等3個小煤礦，采空區可能存在積水；南翼2-2煤層已經回采完20個工作面，其中17個采空區有積水，故在回采其相鄰工作面或相近工作面時均受到來自采空區積水的威脅。

5）燒變巖水。檸條塔煤礦南翼東北部分布有不規則的燒變巖區。燒變巖具有大量的氣孔、燒變裂隙及爐渣狀構造的空洞，含水層主要在下部，其儲水空間開闊，補給排泄通暢，導水性強，是礦區內一個特殊的含水層，主要接受薩拉烏蘇組松散含水層側向補給形成。燒變巖區分布面積較廣，但含水面積不大，其富水性取決于補給條件及儲水條件。礦區南翼東南部新發現有1-2上煤層燒變巖區，富水性整體上為弱～中等。

2.3 礦井水文地質結構特征

1）北翼2-2煤層。根據北翼2-2煤層未來三年計劃開采的N12121工作面、N1215工作面、N1217工作面內的鉆孔資料分析，煤層頂板巖性以粉砂巖、細粒砂巖為主，煤層可采厚度為1.87～4.88 m，平均厚度為2.82 m；煤層底板標高在1 102.54～1 122.32 m之間，平均標高為1 115.12 m；煤層頂板至基巖頂面距離在90.88～118.46 m之間，平均距離為99.95 m；保德組厚度在0～94.74 m之間，平均厚度為58.02 m。因此，N12121工作面、N1215工作面、N1217工作面導水裂隙帶不會直接導通至第四系松散層，上覆基巖含水層水將成為礦井充水的直接水源，對2-2煤層工作面回采構成影響，規劃期北翼各工作面為黃土地貌，溝谷切割較深，局部溝谷區域，開采采動裂隙直接溝通風化基巖含水層、第四系含水層，如圖3所示。

圖3 北翼1-2煤層、2-2煤層與含水層空間結構關系Fig.3 Spatial structure relationship between 1-2 and 2-2 coal seams in the north wing and aquifers

2）南翼2-2煤層。根據南翼2-2煤層未來三年計劃開采的S1231工作面、S1232工作面、S1233工作面、S1212工作面、S1214工作面、S1216工作面、S1202工作面、S1204工作面內的鉆孔資料分析，煤層頂板巖性以粉砂巖、細粒砂巖為主，煤層可采厚度為4.15～8.33 m，平均厚度5.31 m；煤層底板標高在1 100.89～1 155.512 m之間，平均標高為1 122.08 m；煤層頂板至基巖頂面距離在67.13～129.78 m之間，平均距離為93.36 m；保德組厚度在0～105.3 m之間，平均厚度為63.34 m。東區S1231工作面、S1232工作面、S1233工作面導水裂隙帶已突破至第四系發育至地表，西區S1204工作面對應地表所處位置為肯鐵令溝，導水裂隙帶在溝谷處已發育至第四系松散層或突破至地表。S1212工作面、S1214工作面、S1216工作面導水裂隙帶已突破至紅土層或第四系松散層，如圖4所示。

圖4 南翼2-2煤層與含水層空間結構關系Fig.4 Spatial structure relationship between 2-2 coal seam in the south wing and aquifers

3 研究區水害治理模式

3.1 火燒區突水潰砂評價

檸條塔南翼東區發育有1-2上煤層隱伏火燒區，S1232工作面回采中3 030～3 260 m段處為1-2上煤層隱伏火燒區的北緣。前期歷次勘探中，SK水1孔的單位涌水量可達0.179 898 L/s·m，地面BK41孔鉆探中出現大漏、掉塊、坍塌現象，井下多個探放水鉆孔的初始涌水量超過100 m3/h。根據前期對火燒區工作面回采涌水量的預測結果，S1232工作面正常涌水量518 m3/h，最大涌水量為689 m3/h，火燒區所處區域初次揭露時正常涌水量327 m3/h，最大涌水量為434 m3/h。以上涌水量僅是理論計算的水量，由于火燒區水文地質條件的特殊性和復雜性，工作面采至火燒區附近時，不排除有更大涌水量的可能。由于S1232工作面回采至火燒區時瞬間涌水量較大，因此，火燒區燒變巖水可能對工作面的正常回采造成一定影響和威脅。

結合前文分析，1-2煤層隱伏火燒區及其上覆風化基巖含水層較原巖裂隙發育程度高且水力聯系密切，富水性強，放水試驗期間放水量大，水位恢復速度快，說明補給量充足，地下水徑流條件好，且風化基巖頂部可能存在較大的風化裂隙，通過地下水動力異地搬用松散沙層堆積在紅土層底部，使火燒區下部2-2煤層回采工作面可能存在突水潰砂風險。

3.2 火燒區治理工程設計

為了對火燒區進行治理，降低突水潰砂風險，共布置兩排帷幕注漿孔。各排長度超出火燒區邊界50 m，其中，內排線距離輔運巷道外緣50 m，內外排之間間距約13 m，每排鉆孔間距15 m，各兩排鉆孔錯開成梅花形，內外排共布置63個鉆孔，包括40個注漿孔、18個探查孔、5個抽水孔。探查孔的目的是探查火燒區的邊界和底界，探查基巖風化帶的巖性、厚度和風化特征。探查孔及抽水孔完成探查任務后均作為注漿孔。注漿完成后在兩排注漿孔中間布置5個檢查孔，檢查注漿工程的效果。為了進行對比，在注漿線內外布置3個水文長觀孔，鉆孔布置情況如圖5所示。

圖5 火燒區探查治理工程鉆孔布置平面示意圖Fig.5 Schematic diagram of drilling layout for the exploration and treatment project in the burning area

以上鉆孔穿過風積沙、黃土、紅土、基巖風化帶、燒變巖及完整基巖，進入完整基巖的深度為5 m，平均孔深為130 m，如圖6所示。探查孔、注漿孔和檢查孔的鉆孔一開孔口鉆孔Φ219 mm，一開套管直徑Φ190 mm，長度約30 m，要求進入到土層中2 m以隔開上部沙層。本層套管為措施管，目的是防止上部風積沙坍塌。二開鉆孔Φ146 mm，套管直徑Φ108 mm，長度約75 m，要求進入到基巖頂部或燒變巖頂部2 m。之后裸孔段Φ91 mm孔徑鉆進至燒變巖底板正常基巖5 m。二開套管為注漿管，要求固結后耐壓試驗壓力不低于5.0 MPa。

3.3 注漿效果驗證

采用放水試驗驗證帷幕注漿的效果，選取治理工程附近區域火燒區周圍的鉆孔作為放水孔，放水前對堵塞鉆孔進行疏通，確保放水孔出水順暢。

注漿治理工程開始前先進行一次放水試驗，由于井下放水孔一直處于打開狀態，于2022年5月13日安排將井下放水孔關閉，關閉前F24孔、F25孔、F26孔總水量約為25 m3/h，F23孔、F29孔、F30孔總水量約為13 m3/h，關閉井下放水孔后，進行水位恢復觀測，試驗結束后再重新打開井下疏放水孔，各孔水位恢復情況如圖7所示。由圖7可知，F23孔初始水壓0.8 MPa，關水后25 min后水壓恢復至0.6 MPa；F24孔初始水壓0.9 MPa，關水后5.55 h后水壓恢復至0.6 MPa；F25孔初始水壓0.9 MPa，關水后4.05 h后水壓恢復至0.6 MPa；F26孔初始水壓0.8 MPa，關水后4 h之內水壓恢復至0.6 MPa；F29孔初始水壓0.8 MPa，截至關水，鉆孔已經基本無水；F30孔初始水壓0.8 MPa，關水后25 min之內水壓恢復至0.6 MPa。N01孔、S02孔同步水位有上升現象，S01孔水位有下降現象，K1-1孔水位無明顯變化，如圖8～圖10所示。通過注漿前關閉放水孔后水位恢復情況可知，除S01孔和K1-1孔外，其余鉆孔與井下放水孔水力聯系密切，井下關水后水位迅速抬升，分析可知，地下水補給來源較為充足。

圖7 注漿前關閉放水孔后部分鉆孔水位恢復情況Fig.7 Recovery of water level after closing in some drainage hole before grouting

圖8 N01觀測孔水位歷史曲線圖Fig.8 Historical curve of water level at N01 observation hole

注漿治理工程結束后進行了第二次放水試驗，由于井下放水孔一直處于打開狀態，關閉前井下6個疏放水孔總水量從注漿前的38.0 m3/h衰減至8.2 m3/h，其中，F23孔、F25孔注漿后放水孔被堵死，F30孔基本無水。2022年8月30日4:50將井下放水孔關閉，進行水位恢復觀測，試驗結束后再重新打開井下疏放水孔。在關水試驗的第二天井下設備基站出現故障，數據中斷，設備維修方于2022年9月7日下午進行了維修，數據傳輸恢復正常。由于注漿施工期間井下F23孔、F25孔已被漿液堵死，F30孔無水，監測儀器傳感器損壞，數據異常。

F24孔初始水壓0.9 MPa，關水后34 h后水壓一直為零，后數據中斷，9月7日數據恢復后，水壓恢復至0.22 MPa，直至9月15日水位一直穩定在0.22 MPa左右；F26孔初始水壓0.8 MPa，關水后5.55 h后水壓恢復至0.6 MPa；F25孔初始水壓0.9 MPa，關水后34 h后水壓一直為零，9月7日數據恢復后，水壓恢復至0.09 MPa，直至9月15日水位一直穩定在0.09 MPa左右；F29孔初始水壓0.8 MPa，關水前鉆孔已經基本無水，關水后34 h后水壓一直為0.04 MPa，9月7日數據恢復后，水壓恢復至0.65 MPa，直至9月15日水位一直穩定在0.65 MPa左右。第二次關水試驗期間地面數據傳輸正常，地面的K1-1孔在注漿期間串漿，導致觀測孔失效，其余觀測孔同第一次放水試驗相比，由于注漿治理的效果導致受井下關水和放水的影響明顯減小。

N01孔位于帷幕線北側，注漿后N01孔關水前水位標高1 212.53 m，關水后水位緩慢上升，截至2022年9月15日水位標高為1 213.47 m左右，水位抬升0.94 m，較之前明顯變化速率降低且幅度變小，表明N01孔的水源補給由于帷幕的形成而大量減少。S01孔位于帷幕線南側，由圖9可知，注漿后S01孔關水前水位標高1 212.13 m，關水后水位緩慢上升，截至9月15日水位標高為1 213.24 m左右，水位抬升1.11 m，較之前沒有了持續下降的形態，表明S01孔由于帷幕的形成導致與S1232工作面的水力聯系降低。S02孔位于帷幕線南側，由圖10可知，注漿后S02孔關水后水位緩慢下降，截至9月15日水位標高為1 206.43 m左右，水位降低6.86 m，較之前與S1232工作面放水試驗無相關性，水位的降低與S1233工作面放水有關，表明S02孔由于帷幕的形成導致與S1232工作面的水力聯系降低。