馬國逢，劉 洋，楊 建，王強民

(1.陜西中能煤田有限公司，陜西 榆林 719000；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

煤炭是我國長期穩(wěn)定的主體能源[1，2]，是保障經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定的壓艙石，未來5至10年內(nèi)煤炭產(chǎn)量仍將維持在40億t左右。西部煤炭資源稟賦優(yōu)異，煤炭開采正向西部深部延伸，其中鄂爾多斯盆地內(nèi)部侏羅紀(jì)煤田是開發(fā)的重點，其中位于蒙陜交界位置毛烏素沙漠的蒙陜礦區(qū)，由于開發(fā)時間較晚，煤層埋藏較深，水文地質(zhì)條件掌握不清，在礦井建設(shè)和工作面回采過程中，發(fā)生了類型較多的水害事故[3-6]。整個礦井建設(shè)生產(chǎn)過程中，首采工作面回采是對頂板充水含水層第一次高強度擾動，也是查清開采擾動下水文地質(zhì)條件的重要階段，對未來礦井水害防治具有重要意義，在單個工作面水文地質(zhì)特征[7]、覆巖破壞特征[8]、涌水量演化規(guī)律[9]、涌水量預(yù)測[10，11]等方面開展了大量研究，總體上隨著工作面回采引起的頂板覆巖破壞，工作面涌水量呈逐漸增加趨勢，且多個工作面回采過程中，累加涌水量也呈逐漸增加趨勢[12]，反映出蒙陜礦區(qū)煤層頂板直接充水含水層補給較好；但是，由于地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，同一礦區(qū)的不同礦井采掘過程中，揭露的地層結(jié)構(gòu)、含水層富水特征、工作面涌水規(guī)律等存在顯著差異，這給礦區(qū)范圍內(nèi)防治水工作的開展帶來了較大難度，因此非常有必要對礦區(qū)范圍內(nèi)多個礦井同一時期的擾動水文地質(zhì)條件開展研究，例如對多個相鄰礦井首采工作面開展過程中涌水量差異性研究，有助于查清整個礦區(qū)初始開采擾動條件下的水文地質(zhì)條件，為研究區(qū)長期高強度安全開發(fā)和避免水害事故發(fā)生提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯市烏審旗境內(nèi)的呼吉爾特礦區(qū)，如圖1所示，2008年在礦區(qū)中南部先期開采區(qū)的母杜柴登礦最先開工建設(shè)，葫蘆素、門克慶和巴彥高勒等礦井也陸續(xù)跟進，目前這4個礦井都已經(jīng)完成了首采工作面回采。呼吉爾特礦區(qū)位于毛烏素沙漠核心區(qū)，地勢相對平緩，未發(fā)育地表水系，第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙覆蓋整個地表，主要由淺黃色/灰白色砂組成，最大厚度超過100 m；下伏第四系更新統(tǒng)薩拉烏蘇組，主要由細砂、粉砂和亞粘土組成。白堊系志丹群為一套紫紅色細砂巖與灰白色中細砂巖互層地層，以石英和長石為主，泥質(zhì)膠潔，發(fā)育大型交錯層理，地層厚度普遍超過300 m，與上覆第四系地層呈不整合接觸，且由于地層之間未發(fā)育穩(wěn)定的隔水層，含水層水力聯(lián)系密切，構(gòu)成了一個統(tǒng)一的含水體。侏羅系安定組地層以灰綠色、黃紫褐色泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，含鈣質(zhì)結(jié)核，相對于頂?shù)装宓貙?白堊系志丹群和侏羅系直羅組)，泥巖及砂質(zhì)泥巖含量明顯增多，是區(qū)域性較穩(wěn)定的隔水層，與上覆白堊系志丹群呈不整合接觸。侏羅系直羅組和延安組是影響煤炭安全開采的主要地層，其中直羅組上段巖石粒徑較細，與安定組隔水性能相似；直羅組下段巖石粒徑較粗(中～粗砂巖)，礦化度較高[13]，是首采煤層開采過程中最主要充水含水層[14，15]；延安組為煤系地層，發(fā)育有煤層間含水層，總體富水性較弱。

圖1 研究區(qū)及首采工作面位置Fig.1 Location of study area and first mining face

2 首采工作面基本特征

呼吉爾特礦區(qū)葫蘆素、門克慶、母杜柴登和巴彥高勒4座礦井，由北向南分布，如圖1所示。葫蘆素煤礦首采工作面位于井田中部的一盤區(qū)西翼，北部為東翼三條大巷，西部為二盤區(qū)，東部為21103工作面，主采煤層為2-1煤，工作面傾長320 m，走向推進長度4500 m，采高2.85 m。門克慶首采工作面位于11盤區(qū)最西側(cè)，井底車場附近，主采煤層為3-1煤，工作面傾長260 m，走向推進長度3900 m，采高4.8 m。母杜柴登首采工作面位于井田南翼中部，302盤區(qū)東側(cè)，主采煤層為3-1煤，工作面傾長241 m，走向推進長度3417 m，采高5.25 m。巴彥高勒首采工作面位于首采區(qū)最東側(cè)，北部為哈頭才當(dāng)水源地保護煤柱，南部為3-1煤輔運大巷，主采煤層為3-1煤，工作面傾長260 m，走向推進長度3656.5 m(由于受工業(yè)廣場保護煤柱影響，實際推進長度2589.3 m)，采高5.72 m。

3 頂板含水層富水特征

3.1 頂板關(guān)鍵含水層沉積特征

研究區(qū)煤層頂板直羅組早期受到沉積旋回控制，由于河流回春，對延安組地層進行了較為強烈的侵蝕，在區(qū)域上表現(xiàn)為延安組-直羅組不整合，這種現(xiàn)象在呼吉爾特礦區(qū)表現(xiàn)得尤其明顯，發(fā)育出區(qū)域性富水性較強的直羅組一段含水層(一般稱為“七里鎮(zhèn)砂巖”)，該層段沉積構(gòu)造主要包括平行層理、槽狀交錯層理、過渡性層理和沖刷面。

七里鎮(zhèn)砂巖以中粒巖屑長石砂巖為主，巖石呈淺灰綠色、中粒結(jié)構(gòu)，少量細砂和粗砂粒，巨厚層狀[16]。主要顆粒成分有石英(41.6%～44.8%)、長石(37.4%～41.1%)，巖屑少量(6%～9%)，次圓狀，點-線接觸。部分石英及長石見次生加大邊，云母具定向分布。巖石分選性中等～好，中粒間孔隙發(fā)育，粒間溶孔和粒內(nèi)溶孔少量，孔隙連通性較好，面孔隙率3%～5%，未見明顯裂隙，巖石密度1.94～1.96 g/cm3，有效孔隙度25.94%～26.9%，水平方向滲透率240～548 mD。

3.2 頂板關(guān)鍵含水層富水性

母杜柴登和門克慶南翼位于古直羅河中部，如圖2所示，巖性以中粗粒砂巖和礫巖為主，河床寬度較大，對延安組下切較深，導(dǎo)致2-1煤普遍缺失，2-2煤局部缺失，該段七里鎮(zhèn)砂巖含水層厚度普遍大于40 m，井下探放水鉆孔初始涌水量普遍大于100 m3/h，其中門克慶南翼鉆孔初始涌水量15～187 m3/h(平均116.2 m3/h)，母杜柴登鉆孔初始涌水量80～150 m3/h(平均113.7 m3/h)，門克慶和母杜柴登首采工作面預(yù)疏放水量分別為130.0×104m3和165.0×104m3；葫蘆素、門克慶北翼和巴彥高勒絕大部分區(qū)域則位于直羅河古河床的兩岸，基本未切割2-1煤層，該段七里鎮(zhèn)砂巖含水層厚度一般在20～30 m，井下探放水鉆孔初始涌水量基本都小于30 m3/h，其中葫蘆素鉆孔初始涌水量1～10 m3/h(平均4.4 m3/h)，門克慶北翼鉆孔初始涌水量10～68 m3/h(平均26.2 m3/h)，巴彥高勒鉆孔初始涌水量0.2～60 m3/h(平均16.6 m3/h)，葫蘆素和巴彥高勒首采工作面預(yù)疏放水量分別僅為39.0×104m3和17.9×104m3。另外，井下探查鉆孔揭露直羅組古河道層段時，初始水壓高達6.0 MPa，總體上表現(xiàn)為富水性強、承壓水壓高的特征[17，18]。

圖2 七里鎮(zhèn)砂巖剖面Fig.2 “qili town”sandstone profile

4 首采工作面涌水差異性

4.1 首采工作面涌水變化規(guī)律

為了開展對工作面涌水規(guī)律研究，利用工作面中轉(zhuǎn)水倉下設(shè)的排水泵(排水量×排水時間)，統(tǒng)計工作面回采過程中涌水量數(shù)據(jù)，各礦井首采面涌水量如圖3所示。由于受到主采煤層覆巖充水含水層水文地質(zhì)條件控制，各礦井首采工作面回采過程中涌水量變化規(guī)律存在明顯的差異。

圖3 各礦井首采面涌水量Fig.3 Water inflow from the first mining face of each mine

1)葫蘆素首采工作面回采過程中，0.0～2178.0 m階段，涌水量呈逐漸增加趨勢，最大涌水量為645.0 m3/h(回采至2178 m位置)，這個階段由于受到導(dǎo)水裂隙帶向上發(fā)育、周期性來壓、頂板含水層富水性差異等影響，涌水量波動性較大，涌水量的增加存在陡增現(xiàn)象；2178.0～3963.0 m階段，涌水量在500～600 m3/h之間波動，相對較為穩(wěn)定；3963.0～4150.0 m階段，涌水量出現(xiàn)下降，主要是受到接續(xù)工作面采掘影響。

2)門克慶首采工作面回采過程中，0.0～3277.0 m階段，涌水量一直在持續(xù)增加，最大涌水量為1372.0 m3/h(回采至3277 m位置)，而且涌水量波動較小，反映了門克慶覆巖含水層(主要是七里鎮(zhèn)砂巖)整體富水性較強；3277.0～4500.0 m階段，涌水量呈“穩(wěn)定—下降”趨勢，后期也是受到接續(xù)工作面采掘的影響。

3)母杜柴登首采工作面回采過程中，0.0～2914.0 m階段，涌水量呈持續(xù)增加趨勢，最大涌水量為938.0 m3/h(回采至2914.0 m位置)，其中506～560 m階段，由于導(dǎo)水裂隙帶向上發(fā)育至七里鎮(zhèn)強富水含水層，涌水量由92.0 m3/h，快速增加至327.0 m3/h，其他階段則呈較為穩(wěn)定增加趨勢，反映了母杜柴登覆巖含水層(主要是七里鎮(zhèn)砂巖)整體富水性較強；2914.0～3417.0 m階段，涌水量基本穩(wěn)定在910.0 ～940.0 m3/h之間。

4)巴彥高勒首采工作面回采過程中，0.0～2442.0 m階段，涌水量呈臺階式增加，在回采至350 m、1050 m、2060 m，出現(xiàn)了比較明顯的涌水量突增，增幅在60.0～200.0 m3/h，最終的最大涌水量為494.0 m3/h(回采至2380.0 m位置)；2442.0～2513.0 m階段，涌水量出現(xiàn)了陡降，降幅高達92.0 m3/h，主要是受到了相鄰次采工作面回采的影響。

4.2 首采工作面涌水差異性

首采工作面水文地質(zhì)和涌水差異性參數(shù)見表1。四個礦井首采工作面涌水量，均隨著工作面回采呈逐漸增加趨勢，可以大致分為兩類：

表1 首采工作面水文地質(zhì)和涌水差異性參數(shù)Table 1 Hydrogeology and water inflow parameters of the first mining face

1)葫蘆素和巴彥高勒礦井首采工作面位于直羅組古河床的兩岸(漫灘)，頂板七里鎮(zhèn)砂巖含水層厚度較薄、富水性較弱，工作面回采過程中涌水量相對偏小(最大涌水量分別為645.0 m3/h和494.0 m3/h)，且七里鎮(zhèn)砂巖含水層不同區(qū)域存在富水性差異，導(dǎo)致涌水量的增加呈臺階式，波動性較大，可以總結(jié)為“含水層薄、鉆孔涌水小、工作面涌水小和波動大”。

2)門克慶和母杜柴登礦井首采工作面位于直羅組古河床的中部，頂板七里鎮(zhèn)砂巖含水層厚度較大、富水性較強，工作面回采過程中涌水量相對偏大(最大涌水量分別為1372.0 m3/h和938.0 m3/h)，且七里鎮(zhèn)砂巖含水層整體富水性較強、富水性較均一，涌水量的增加呈平穩(wěn)增加態(tài)勢，波動性較小，可以總結(jié)為“含水層厚、鉆孔涌水大、工作面涌水大和波動小”。

5 結(jié) 論

1)母杜柴登和門克慶南翼，鉆孔初始涌水量普遍大于100 m3/h，首采工作面預(yù)疏放水量超過130.0×104m3；葫蘆素和巴彥高勒鉆孔初始涌水量基本都小于30 m3/h，首采工作面預(yù)疏放水量小于40.0×104m3。

2)葫蘆素和巴彥高勒礦井首采工作面回采過程中涌水量相對偏小，七里鎮(zhèn)砂巖含水層不同區(qū)域存在富水性差異，導(dǎo)致涌水量的增加呈臺階式，波動性較大，工作面最大涌水量小于650 m3/h；門克慶和母杜柴登礦井首采工作面回采過程中涌水量相對偏大，七里鎮(zhèn)砂巖含水層整體富水性較強、富水性較均一，涌水量的增加呈平穩(wěn)增加態(tài)勢，波動性較小，工作面最大涌水量大于930 m3/h。