榆林礦區(qū)厚松散層礦井水文地質(zhì)特征與井筒涌水分析

劉 巍，王秀娟，張付濤，熊錦翔，李紅海

(1.榆陽(yáng)中能袁大灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590； 3.山東方舟新材料有限公司，山東 泰安 271026； 4.內(nèi)蒙古安邦安全科技有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010090)

礦井水害是威脅礦井安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。礦井水害主要包括底板承壓突水和頂板裂隙導(dǎo)水，對(duì)于東部礦區(qū)的礦井突水和淋水研究已經(jīng)相對(duì)成熟[1-3]。王洪波等[4]基于動(dòng)水注漿治理工程需求，提出一種以粉煤灰為主的地聚合物和以水玻璃為主的添加劑雙組份動(dòng)水注漿材料。許萬(wàn)忠[5]等通過(guò)節(jié)理裂隙巖體注漿滲透模型的分析，獲得了平板裂隙徑向、輔向的流動(dòng)公式。李術(shù)才等[6]研發(fā)了準(zhǔn)三維裂隙動(dòng)水注漿模型試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行裂隙巖體涌突水的動(dòng)水注漿模型試驗(yàn)研究。

西北地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和巖層含水條件不同于東部地區(qū)。西北部早中侏羅系成煤作用最強(qiáng)，其含煤層由陸相粉砂巖、泥巖、砂礫巖和煤層組成，是典型的陸相沉積地層，以裂隙含水層為主[7，8]。榆林礦區(qū)煤層厚度大、埋藏淺，地質(zhì)結(jié)構(gòu)特殊，當(dāng)?shù)亟邓S富、表土及淺部巖石受風(fēng)化作用嚴(yán)重等因素導(dǎo)致該地區(qū)淺部巖層含水豐富。部分學(xué)者對(duì)西北地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、采礦條件、頂板覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律等[9，10]進(jìn)行了一定的研究。但是，目前對(duì)西北榆林地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和礦井防水的研究尚不成熟，有待進(jìn)一步研究。

基于此，本文以袁大灘煤礦為工程背景，分析了該礦井水文地質(zhì)特征，計(jì)算了礦井井筒涌水量，并與相鄰礦井進(jìn)行對(duì)比分析。此研究為保障該煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義，可為榆林礦區(qū)其他類似礦井提供參考。

1 工程地質(zhì)概況

袁大灘煤礦位于鄂爾多斯盆地之次級(jí)構(gòu)造單元陜北斜坡中部，總體構(gòu)造形態(tài)呈向北西或北西西微傾的單斜構(gòu)造，地層傾向約為305°，傾角小于1°。地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，井筒區(qū)地表全部被第四系風(fēng)積沙覆蓋。井筒區(qū)地層由老至新依次有：侏羅系中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組，第四系中更新統(tǒng)離石組，第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組與全新統(tǒng)風(fēng)積沙。

井筒勘探鉆孔揭露至2號(hào)煤層，2煤層賦存于延安組第四段頂部，是區(qū)內(nèi)主要可采煤層，煤層可采厚度1.66～2.05m，平均值1.87m，屬中厚煤層。一般不含夾矸或含1層夾矸，厚度0.17m左右，巖性為粉砂巖；結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，埋深為315.41～334.64m，煤層底板標(biāo)高887.47～900.59m。但由于厚風(fēng)沙層覆蓋及西北特殊地質(zhì)條件，礦井含水豐富，對(duì)井筒安全使用存在威脅。

2 水文地質(zhì)特征

2.1 含水層

根據(jù)地下水的賦存條件、水力特征及含水層的縱向分布結(jié)構(gòu)，將礦區(qū)內(nèi)含水層由上至下劃分為4層。分別為由全新統(tǒng)風(fēng)積砂、第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組及第四系離石組黃土組成的松散層孔隙潛水含水層；侏羅系中統(tǒng)安定組孔隙裂隙承壓含水層；侏羅系中統(tǒng)直羅組孔隙裂隙承壓含水層；侏羅系中統(tǒng)延安組第五段孔隙裂隙承壓含水層。

2.2 隔水層

從井筒檢查孔揭露地層的巖性組成特征分析，井筒范圍內(nèi)的隔水層主要是基巖中的泥巖和粉砂巖。從井筒檢查孔揭露地層的巖性組成特征分析，各地層中的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖均呈互層狀沉積，巖性粒度小，孔隙率小，膠結(jié)致密，分選性好，一般以水平層理為特征，是本次井筒檢查孔上、下含水層段之間相對(duì)較好的隔水層。

2.3 充水通道

井筒的直接充水水源為井筒所穿越的松散層含水層及各砂巖含水層。在井筒掘進(jìn)過(guò)程中，以井筒為通道會(huì)溝通各個(gè)含水層，而井筒的充水通道為各含水層內(nèi)在的節(jié)理和裂隙。裂隙的發(fā)育情況是井筒充水強(qiáng)度的主要因素之一。

3 井筒涌水量分析

正常基巖中的泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖視為隔水層。對(duì)主、副斜井、進(jìn)風(fēng)立井及回風(fēng)立井的涌水量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)各含水層涌水量進(jìn)行分段計(jì)算。將豎井井筒看作獨(dú)立的大的集水井，采用“大井法”。因主、副斜井的傾角小于45°，將主、副斜井視為水平坑道，采用水平狹長(zhǎng)廊道法公式計(jì)算其涌水量。各含水層段均按照全降深計(jì)算井筒穿越該層的涌水量。

3.1 計(jì)算方法

3.1.1 水平廊道法

潛水：采用潛水完整井公式。

承壓水：采用承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓水完整井公式。

3.1.2 “大井法”

潛水：采用潛水完整井公式。

承壓水：采用承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓水完整井公式。

式中，Q為井筒涌水量，m3/d；K為滲透系數(shù)，m/d；H為水柱高度，m；h0為剩余水柱高度，m；M為含水層厚度，m；S為水位降深，m；r為設(shè)計(jì)井筒掘進(jìn)半徑，m；R為各含水層影響半徑，m；R0為引用影響半徑，m，(R0=R+r)；B為進(jìn)水層長(zhǎng)度，m。

各井筒施工穿越的各含水層段有松散層段、侏羅系中統(tǒng)安定組、直羅組及侏羅系中統(tǒng)延安組。主、副斜井施工穿越的松散層采用水平廊道法潛水完整井公式，主、副斜井穿越的安定組、直羅組、延安組第五段采用水平廊道法承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓完整井公式；進(jìn)風(fēng)立井和回風(fēng)立井穿越的松散層采用大井法潛水完整井公式，進(jìn)風(fēng)立井和回風(fēng)立井穿越的安定組、直羅組、延安組第五段采用大井法承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓完整井公式。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

3.2.1 主、副斜井井筒涌水量

松散段的滲透系數(shù)采用鉆孔抽水試驗(yàn)成果，對(duì)斜井穿越砂層段涌水量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，主斜井松散層、安定組、直羅組、延安組巖段的涌水量分別為182m3/h、7m3/h、53m3/h、1m3/h，松散層巖段涌水量遠(yuǎn)大于其他巖段，其次為直羅組巖段，因此，松散層巖段和直羅組巖段為主斜井涌水的主要來(lái)源。主斜井井筒涌水量合計(jì)為243m3/h。

副斜井第一松散層、第二松散層、安定組、直羅組、延安組巖段的涌水量分別為31m3/h、206m3/h、62m3/h、83m3/h、6m3/h，第二松散層巖段涌水量遠(yuǎn)大于其他巖段，其次為直羅組巖段和安定組巖段，因此，松散層巖段、直羅組巖段和安定組巖段為副斜井涌水的主要來(lái)源。副斜井井筒涌水量合計(jì)為388m3/h。

3.2.2 進(jìn)、回風(fēng)立井井筒涌水量

進(jìn)、回風(fēng)立井穿越各含水層的滲透系數(shù)及水柱高度采用兩個(gè)檢查鉆孔的平均值。各含水層段均按照全降深計(jì)算井筒穿越該層的涌水量，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 主、副斜井井筒涌水量計(jì)算表

注：松散層0～180m段與180～730m段廊道重復(fù)不計(jì)入井筒總涌水量。

表2 進(jìn)、回風(fēng)立井井筒涌水量計(jì)算表

由表2可知，進(jìn)風(fēng)立井松散層、安定組、直羅組、延安組第五段的涌水量分別為1365m3/h、20m3/h、18m3/h、6m3/h，松散層巖段涌水量最高，其他巖段涌水量遠(yuǎn)小于松散層巖段，因此，松散層巖段為進(jìn)風(fēng)立井涌水的主要來(lái)源。進(jìn)風(fēng)立井井筒涌水量合計(jì)為1409m3/h。

回風(fēng)立井松散層、安定組、直羅組、延安組第五段的涌水量分別為1347m3/h、22m3/h、15m3/h、4m3/h，松散層巖段涌水量最高，其他巖段涌水量遠(yuǎn)小于松散層巖段，因此，松散層巖段為回風(fēng)立井涌水的主要來(lái)源?；仫L(fēng)立井井筒涌水量合計(jì)為1388m3/h。

3.2.3 總結(jié)與評(píng)價(jià)

1)主斜井井筒涌水量合計(jì)為243m3/h，副斜井井筒涌水量合計(jì)為388m3/h，進(jìn)風(fēng)立井井筒涌水量合計(jì)為1409m3/h，回風(fēng)立井井筒涌水量合計(jì)為1388m3/h。所以，袁大灘煤礦井筒水文條件為復(fù)雜型。

2)各含水層涌水量的計(jì)算參數(shù)由本次井筒檢查取得。由于斜井為非直線型，進(jìn)水?dāng)嗝骈L(zhǎng)度受彎曲影響略有誤差，實(shí)際涌水量的變化與井筒建造方法和進(jìn)度有關(guān)，施工中一次性揭露含水層的厚度、長(zhǎng)度對(duì)出水量有一定的影響。

3.3 臨近礦井井筒施工涌水情況

1)榆陽(yáng)煤礦。榆陽(yáng)煤礦采用斜井開(kāi)拓，斜井穿過(guò)松散層厚度16m左右，井筒涌水量約30m3/h；2003年榆陽(yáng)煤礦井筒涌水量約70m3/h，2008年榆陽(yáng)煤礦井筒涌水量10m3/h。

2)榆樹(shù)灣煤礦。榆樹(shù)灣煤礦初期開(kāi)采2號(hào)煤層。榆樹(shù)灣礦井在建井期間就已建立涌水量觀測(cè)臺(tái)。2008年主斜井涌水量：實(shí)測(cè)涌水量26.8～86.8m3/h，平均60.94m3/h；副斜井涌水量：實(shí)測(cè)涌水量49～85.2m3/h，平均68.5m3/h；回風(fēng)立井涌水量：實(shí)測(cè)涌水量基本維持在3～8m3/h。

3.4 井筒涌水結(jié)果分析

通過(guò)榆林礦區(qū)井筒涌水計(jì)算結(jié)果分析，袁大灘煤礦比榆陽(yáng)煤礦、榆樹(shù)灣煤礦的井筒涌水量大，進(jìn)風(fēng)立井涌水量尤其顯著，袁大灘煤礦各井筒涌水量有明顯的差異，進(jìn)風(fēng)立井井筒涌水量最高，其井筒涌水量是主、副斜井井筒涌水量之和的兩倍有余，回風(fēng)立井井筒涌水量次之。從水文地質(zhì)條件分析，影響涌水量的因素為存在厚松散層含水層、各砂巖含水層以及存在裂隙。所以，針對(duì)進(jìn)風(fēng)立井井筒涌水量較大的問(wèn)題，應(yīng)該采取一些措施來(lái)應(yīng)對(duì)。

3.5 井筒涌水應(yīng)對(duì)措施

1)凍結(jié)法控制松散層涌水。為保障井筒施工安全，采用凍結(jié)表土地層進(jìn)行施工，能有效地控制井筒松散層的涌水，隔絕松散層與施工井筒的聯(lián)系。

2)圍巖支護(hù)。凍結(jié)巖石的破壞時(shí)應(yīng)變較小，一般介于1.0%～4.0%之間，井筒施工時(shí)鞏固井筒增加對(duì)圍巖的臨時(shí)支護(hù)，防止較為破碎的圍巖發(fā)生突然的垮落。

3)疏干排水。根據(jù)礦井井筒涌水情況，在主井和副井井進(jìn)行深井作業(yè)，按照風(fēng)井的井筒布置方式，在主、副井上方布置深井進(jìn)行強(qiáng)排水。

4 結(jié) 論

1)袁大灘煤礦井筒區(qū)地表全部被第四系風(fēng)積沙覆蓋，礦井松散層較厚，巖層裂隙豐富，松散層含水層和砂巖含水層較多，對(duì)井筒安全使用存在威脅。

2)主斜井井筒涌水量為243m3/h，副斜井井筒涌水量為388m3/h，進(jìn)風(fēng)立井井筒涌水量為1409m3/h，回風(fēng)立井井筒涌水量為1388m3/h。

3)影響井筒涌水量的因素為厚松散層含水層、各砂巖含水層及裂隙，針對(duì)進(jìn)風(fēng)立井井筒涌水量較大的問(wèn)題，可以采取凍結(jié)法控制松散層涌水、圍巖支護(hù)和疏干排水等方法。