巨厚充水含水層疏放水層位優(yōu)化研究

黃 歡

(1.煤炭科學研究總院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013；2.中煤科工西安研究院〈集團〉有限公司，陜西省西安市，710077)

東勝煤田是我國最大的侏羅紀煤田，該煤田可劃分為東、西、中3個含煤帶，其主體部分是中部侏羅世含煤帶[1-2]。由于該區(qū)域的呼吉爾特礦區(qū)、納林河礦區(qū)、新街礦區(qū)等煤層埋深和厚度大[3-6]，礦井水害問題日益突出，主要表現(xiàn)為煤層頂板含水層厚度大和水壓高、頂板覆巖組合和水文地質(zhì)條件復雜。

該區(qū)域含水層自上至下依次是第四系全新統(tǒng)風積砂層孔隙潛水含水層、第四系上更新統(tǒng)薩拉烏素組孔隙潛水含水層、白堊系下統(tǒng)志丹群含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組含水層、侏羅系中下統(tǒng)延安組含水層。其中，侏羅系中統(tǒng)直羅組含水層和白堊系下統(tǒng)志丹群含水層是礦井先期開采2-2號煤層的直接充水含水層[7]。

研究區(qū)志丹群及直羅組含水層厚度大，且不同礦區(qū)差異較大，如呼吉爾特礦區(qū)石拉烏素煤礦志丹群含水層厚度123～295 m，直羅組含水層厚度83～223 m；納林河礦區(qū)營盤壕煤礦志丹群含水層厚度252～450 m，直羅組含水層厚度90～230 m。以往均是將志丹群含水層和直羅組含水層視為一完整的統(tǒng)一含水層，作為一整段含水層進行抽水試驗獲取水文地質(zhì)參數(shù)[8-10]。

納林河礦區(qū)營盤壕煤礦2-2號煤層導水裂隙波及直羅組含水層，工作面回采前會對直羅組含水層下段進行疏放[11-13]，疏放水鉆孔水壓及涌水量衰減較快，但采空區(qū)涌水量依然較大，表明工作面超前疏放后還存在較大補給量。筆者通過分析營盤壕煤礦直羅組地層垂向巖性特征及富水性特征，采用分層抽水試驗和井下放水試驗，查明直羅組含水層分層性，精細劃分直羅組含水層的垂向分層性，并掌握其不同層段間的水力聯(lián)系，為優(yōu)化礦井疏放水工程提供了依據(jù)[14-15]。

1 研究區(qū)概況

營盤壕礦井位于納林河礦區(qū)，井田內(nèi)含煤地層為侏羅系延安組，含2、3、4、5、6、7共6個煤組。該組地層厚度307.80～393.14 m，平均地層厚度355.07 m，含煤5～17層，煤層厚度17.20～22.15 m，平均厚度19.89 m。先期開采區(qū)域內(nèi)的2-2號煤層厚度3.73～10.24 m，平均厚度6.67 m。2-2號煤層直接充水含水層為直羅組含水層，直羅組(J2z)為灰綠色、灰白色中粗粒砂巖，夾灰色、淺灰色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和各粒級的砂巖，全區(qū)皆有分布，含水層富水性弱。

針對煤層頂板直羅組含水層水害問題，營盤壕煤礦在2217工作面采用疏放水鉆孔對直羅組含水層進行超前疏放。2217工作面開采2-2號煤層，煤層厚度5.64～7.33 m，平均厚度6.41 m，平均埋深731.4 m，工作面范圍直羅組含水層平均厚度193 m，其中中粗砂巖厚度47 m。疏放水鉆孔垂深140～150 m，鉆孔進入直羅組含水層約60 m，僅對直羅組含水層下段進行疏放。疏放2個月后鉆孔水壓由初始5.5 MPa衰減至1.0 MPa以下，且鉆孔涌水量衰減較快，2217工作面采前疏放水鉆孔涌水量及水壓變化趨勢如圖1所示。

圖1 2217工作面采前疏放水鉆孔涌水量及水壓變化趨勢

2217工作面疏放水量與采空區(qū)涌水量對比如圖2所示。由圖2可以看出，2217工作面超前預疏放后回采時采空區(qū)涌水量依然較大，最高可達600 m3/h，工作面采空區(qū)較大涌水量與超前預疏放效果相矛盾。從采空區(qū)涌水量變化趨勢可知，2-2號煤層頂板含水層仍具有相對較大的靜儲量。

圖2 2217工作面疏放水量與采空區(qū)涌水量對比

通過超前預疏放效果及采后采空區(qū)涌水量對比分析，認為，以往疏放水鉆孔僅進入直羅組含水層約60 m，未對導水裂隙范圍內(nèi)含水層進行有效疏放，疏放水層位不合理，未對充水含水層進行有效疏放，致使采空區(qū)涌水量依舊較大。因此，需對直羅組含水層垂向巖性特征及富水性特征進行分析，采用分層抽水試驗查明直羅組含水層分層性，精細劃分直羅組含水層的垂向富水性，優(yōu)化疏放水層位，提高疏放水效果。

2 直羅組含水層水文地質(zhì)特征

2.1 含水層巖性特征

2-2號煤層上覆直接充水含水層為直羅組孔隙裂隙含水層、直羅組底與2-2號煤層間孔隙裂隙含水層。直羅組孔隙裂隙含水層厚度1.6～128.0 m，平均厚度53.04 m，單位涌水量0.041 480～0.096 684 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.080～410.261 m/d，含水層富水性弱。直羅組底與2-2號煤層間孔隙裂隙含水層厚度0～63.83 m，平均厚度20.46 m，單位涌水量0.004 66 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.018 8 m/d，含水層富水性弱。

從井田鉆孔揭露資料可知，直羅組地層由粉砂巖、細粒砂巖、中粒砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、粗粒砂巖組成，含水層并非由中粗粒砂巖連續(xù)構(gòu)成，中間夾有泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，且厚度相對較厚，即含水層層間呈互層狀態(tài)，并非為一完整的連續(xù)狀態(tài)。含隔水層空間位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 含隔水層空間位置關(guān)系

2.2 含水層垂向分層特征

營盤壕煤礦針對直羅組含水層開展過多孔次抽水試驗，但均是對直羅組下部進行了抽水試驗。此次在直羅組含水層探查過程中，通過現(xiàn)場巖芯判別，在埋深582.23～600.56 m處存在厚度為18.33 m的粉砂巖，600.56～602.36 m處存在厚度為1.82 m的泥質(zhì)砂巖，該范圍上下段分別為中粒砂巖、細粒砂巖，巖性與其上下范圍的巖性差別大，可將其作為直羅組含水層上、下段的分層，將封隔器下放至分層位置，利用封隔器將含水層上、下段隔開，開展分層抽水試驗[16-18]。抽水試驗于2022年1月4日開始，曲線如圖4所示。

圖4 抽水試驗曲線

利用封隔器將直羅組含水層上下段隔離，對上段進行抽水試驗，3次降深分別為51.35、34.54、17.44 m，單位涌水量為0.014 0～0.016 1 L/(s·m),滲透系數(shù)為0.221 m/d。上段抽水時下段水位基本無變化，表明直羅組含水層上下段間水力聯(lián)系弱，進一步證明了其分層性。

直羅組含水層上段抽水試驗完成后，計劃對直羅組含水層下段進行試抽，但由于礦井采掘及井下長期疏放等原因，造成直羅組含水層下段水位快速下降且恢復緩慢，故未對直羅組含水層下段開展抽水試驗。但直羅組含水層下段水量小、恢復慢，也表明直羅組含水層上段、下段間的水力聯(lián)系弱，其具有分層性，不能視為一統(tǒng)一的完整含水層。

3 直羅組含水層放水試驗

3.1 鉆孔施工

2215工作面回采前在運輸巷頂板向上施工2個直羅組含水層探查鉆孔，開展簡易放水對比試驗。其中ZL-01鉆孔按照以往原則進入直羅組含水層約60 m；ZL-02鉆孔考慮到工作面回采塌陷角影響而選擇與巷道一定距離，鉆孔進入直羅組含水層頂部，即導水裂縫帶范圍，并對直羅組含水層下段下管封堵隔離。井下鉆孔結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 井下鉆孔結(jié)構(gòu)示意

ZL-01鉆孔進入直羅組含水層60 m(直羅組含水層下段)，除安裝孔口管外，其余段裸孔，鉆孔水壓約1 MPa，涌水量9 m3/h。ZL-02鉆孔在垂深0～146.3 m下管固結(jié)，垂深146.3～214.0 m，基本位于直羅組含水層上段，鉆孔終孔水壓穩(wěn)定在2.3 MPa，涌水量約15 m3/h。

3.2 放水試驗

在2215工作面回采前，對ZL-01(直羅組含水層下段)及ZL-02(直羅組含水層上段)鉆孔開展放水試驗，對比分析直羅組含水層不同層段間的水力聯(lián)系[19-20]。放水試驗于2022年6月27日開始，持續(xù)時間為20 d。ZL-01鉆孔放水時，涌水量初始為8 m3/h，由于礦井長期對直羅組含水層下段進行疏放，ZL-01鉆孔衰減相對較快；ZL-02鉆孔監(jiān)測到直羅組含水層上段水壓由2.30 MPa衰減至2.15 MPa，水壓降幅較小。ZL-02鉆孔放水時，涌水量初始為16 m3/h，其衰減相對ZL-01鉆孔涌水量較慢，穩(wěn)定在約6 m3/h；ZL-01鉆孔監(jiān)測到直羅組含水層下段水壓由0.6 MPa衰減至0.5 MPa，水壓降幅較小。放水試驗放水量與水壓對比如圖6所示。

圖6 放水試驗直羅組含水層上、下段放水量與水壓對比

從ZL-01及ZL-02鉆孔簡易放水試驗對比可知，直羅組含水層上、下段分別放水時，含水層上、下段水壓變化小，兩者之間相互影響較小，表明直羅組含水層上、下段間水力聯(lián)系弱，并非為一統(tǒng)一的含水層。

3.3 水文動態(tài)觀測

ZL-01及ZL-02鉆孔放水試驗完成后，在工作面回采至該位置前后對直羅組含水層上、下段水壓進行觀測，如圖7所示。

圖7 直羅組含水層上下段水壓變化

2215工作面回采至ZL-01及ZL-02鉆孔位置區(qū)域以前，直羅組含水層上、下段水壓較穩(wěn)定。工作面回采至此區(qū)域附近時，直羅組含水層上、下段水壓呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，其中直羅組含水層下段最為明顯，在11月11日工作面回采至該鉆孔位置以前，直羅組含水層上、下段水壓已大幅下降，其中直羅組含水層下段水壓已降至0。工作面推采過后，直羅組含水層上段由于與煤層距離相對較大，仍有0.2 MPa的殘余水壓。

從2215工作面回采至ZL-01及ZL-02鉆孔位置前后直羅組含水層上、下段水壓變化趨勢可知，含水層上、下段水力聯(lián)系弱，煤層開采使導水裂隙波及至直羅組含水層上段，直羅組含水層上段參與井下涌水。

4 直羅組含水層疏放層位優(yōu)化

從直羅組含水層巖性特征分析得知直羅組含水層層間呈互層狀態(tài)，并非一完整的連續(xù)狀態(tài)，含水層具有分層性。通過直羅組含水層分層抽水試驗、井下放水試驗和含水層水文動態(tài)觀測可知，直羅組含水層具有明顯的分層性，上下端含水層水位有區(qū)別，不同層段含水層間水力聯(lián)系微弱。因而，以往僅對直羅組含水層下段60 m范圍進行預疏放，未實現(xiàn)對導水裂隙波及范圍內(nèi)含水層段的有效疏放，致使采空區(qū)涌水量依然較大。

直羅組含水層的分層性是以往僅疏放直羅組含水層下段后采空區(qū)涌水量依然較大的主要原因。為降低工作面回采后采空區(qū)涌水量，工作面回采前需對直羅組含水層進行預疏放，疏放水層位應為導水裂隙波及范圍的整個直羅組含水層段。

5 結(jié)論

(1)通過對直羅組含水層巖性特征分析，得知直羅組含水層層間有泥巖、砂質(zhì)泥巖存在，呈互層狀態(tài)，并非一完整的連續(xù)狀態(tài)，含水層具有分層性。

(2)通過對直羅組含水層進行分層抽水試驗、放水試驗、水位分層監(jiān)測，結(jié)果均表明直羅組含水層呈現(xiàn)出非完整的統(tǒng)一含水層，具有明顯的分層性，且不同層段間水力聯(lián)系微弱。

(3)研究得知，直羅組含水層的分層性是以往僅疏放直羅組含水層下段后采空區(qū)涌水量依然較大的主要原因。工作面回采前需對導水裂隙波及范圍的直羅組含水層進行整體疏放。