宁东鸳鸯湖矿区石槽村煤矿顶板砂岩水害特征及防治对策

褚彦德

（神华宁夏煤业集团有限责任公司，银川 750011）

·水文地质·工程地质·环境地质·

宁东鸳鸯湖矿区石槽村煤矿顶板砂岩水害特征及防治对策

褚彦德

（神华宁夏煤业集团有限责任公司，银川 750011）

石槽村煤矿位于鸳鸯湖矿区中南部，水文地质条件复杂，面临顶板厚层砂岩水等多种水害的威胁。在分析矿井地质及水文地质条件的基础上，指出侏罗系中统直罗组裂隙孔隙含水层是影响主采煤层2煤层的主要充水水源，矿井所在的鸳鸯湖背斜轴部及张家庙向斜与DF5正断层的交汇部位裂隙比较发育，单孔疏水量大，断层、开采形成的裂隙带和封闭不良钻孔是重要的充水通道，随着采掘工程的进展，矿井涌水量呈现波动上升的趋势。认为对顶板砂岩含水层进行采前疏水降压是防治其水害的有效方法，同时对断层水害及离层水的防治进行了有益的探讨。研究对该矿的防治水工作，乃至宁东其它矿井有一定的推广价值。

矿井充水；充水因素分析；水害防治；石槽村煤矿

石槽村煤矿位于鸳鸯湖矿区中南部，水文地质条件复杂，面临顶板厚层砂岩水等多种水害威胁。煤矿回风斜井底部平巷施工的含水层超前疏水孔，单孔疏水量达到了400 m3/h以上，是在国内少见的砂岩水单孔放水量。因此，准确分析把握矿井充水因素及水害防治对策对矿井安全生产有着重要的意义。

1 矿井基本情况

石槽村煤矿隶属于神华宁夏煤业集团有限责任公司，行政区划属灵武市宁东镇管辖，南北长约4.5 km，东西宽约7 km，面积约31.4 km2，于2011年8月开始试生产。矿井地质储量10.4亿t，设计生产能力6 Mt/a。采用主斜井、副立井和回风斜井综合开拓方式，大采高综合机械化采煤方法，全面垮落法顶板管理方法，具备综采综掘能力。

矿区地表总体为丘陵地貌，海拔标高为1357～1464 m，最大高差约107 m。本区地处西北内陆，为半干旱半沙漠大陆性气候，冬季寒冷，夏季炎热，昼夜温差较大。降水多集中在7、8、9三个月，年最大蒸发量高达1922.5 mm，为年最大降水量322.4 mm的6倍及最小降水量116.9 mm的16倍，年最小蒸发量为1601.1 mm。

根据《石槽村煤矿2012～2016年涌水量预测报告》，预计矿井正常涌水量760 m3/h，最大涌水量995 m3/h[1]。矿井主排水系统：井底甲、乙、丙水仓总容积为10400 m3，配备4台MD580-60×9型矿用耐磨离心式排水泵，2趟Φ377 mm排水管路，总排水能力达1200 m3/h，井下排出水均通过管路排至地面。

2 矿井地质及水文地质特征

2.1 地层

矿井内煤系为侏罗系中统延安组（J2y），上覆侏罗系中统、直罗组（J2z）、安定组（J2a）、新近系（N）和第四系（Q），下伏三叠系上统上田组（T3s）。矿井内大部被第四系（Q）风积砂土所覆盖，仅在矿井北部有部分基岩零星出露。

侏罗系中统延安组（J2y）是矿井内主要含煤地层，平均厚度335 m。本组岩性由灰白色长石石英砂岩、灰黑色粉砂岩、深灰色泥岩和煤组成，底部以浅白色粗粒砂岩与三叠系上田组（T3s）假整合接触。目前主采2-1煤、2-2煤和6煤。

2.2 构造

矿井在大地构造单元上位于桌子山-横山堡逆冲带。总的来说，矿井内发育有两组断层，一组为走向逆断层，另一组为倾向正断层。矿井内正断层多为走向北北东、倾向南东；逆断层多为走向北北西、倾向既有东倾，也有西倾。

矿井内主体构造为鸳鸯湖背斜，其两翼差异较大：西翼含煤地层倾向西为单斜构造，倾角35°左右，断层稀少，属简单构造；背斜东翼，S3勘探线以北，李家圈向斜轴以西地段，含煤地层基本呈东倾的单斜构造，倾角10°～18°，该地段内断层稀少，属简单构造；杨家窑北正断层以南，由于受其它几条断层的影响，含煤地层沿走向、倾向的产状有一定的变化（图1）。

图1 石槽村煤矿构造纲要图Figure 1 Structural outline map of Shicaocun coalmine

2.3 水文地质条件

矿井内煤系中由上而下划分为第四系潜水含水层（Ⅰ）、直罗组底部砂岩含水层（Ⅱ）、2煤～6煤间砂岩承压含水层（Ⅲ）、6煤～18煤间砂岩承压含水层（Ⅳ）以及18煤以下至底部分界线砂岩含水层（Ⅴ）等五个主要含水层组，其中Ⅱ含水层是与矿井水害相关的主要含水层，其水文地质特征如下：

侏罗系中统直罗组裂隙孔隙含水层（Ⅱ）在全矿井发育，处于主采煤层2煤的顶板。岩性以中、粗粒砂岩为主，泥、钙质胶结，胶结程度较差；地下水水位埋深33.65～57.03 m，含水层厚54.10～263.33 m，平均厚度153.13 m。底部砂岩含水层较稳定，称“七里镇”砂岩，多为2煤直接顶板，富水性弱-中等，遇水冲击呈松散状，是影响矿井的直接充水含水层，含水层厚21.07～149.67 m，平均厚度93.89 m（图2）。

图2 石槽村矿井规划期内主采煤层与主要含水岩层关系示意Figure 2 A schematic diagram of planning period relationship between main workable coal seams and main aquifers in Shicaocun coalmine

根据钻孔岩性鉴定、煤岩层对比及含水层等厚线图分析，侏罗系中统直罗组裂隙孔隙含水层（Ⅱ）层位较稳定，厚度自鸳鸯湖背斜轴向两侧逐渐增厚，岩性完整程度随埋藏深度自浅而深增高，致密程度由北而南增强。又据钻孔2209、S207、S204等观测水位资料，在钻进至直罗组底部砂岩时，出现水位上升现象，水位上升值一般为2～5 m，说明该层地下水补给相对较好，富水性较强。

本区除新碱沟子沟外，无地表长流水体。矿井地下水补给来源主要为大气降水，其次为含水层之间的越流补给。第四系含水层主要受大气降水补给和基岩含水层沿泉上升至含水层补给，次为少量沙漠凝结水补给。潜水总体自西而东方向径流，至矿井东部边界侧向排泄，部分补给下部侏罗系基岩含水层。

直罗组砂岩含水层接受第四系含水层地下水渗透补给。侏罗系含煤地层各含水层组，由于埋藏深，上覆有较厚的隔水层，岩性多为砂岩与泥岩、粉砂岩等呈互层状，因此，矿井深部大部分为含水层之间的越流补给；径流方向主要自浅部沿岩层层面裂隙由西向东运移运动。本矿井承压水无统一的补给区，各煤层及煤层顶底板多为泥岩、粉砂岩，为各含水层间相对隔水层，其水头也没有区域性变化规律，因沉积粒序的粒级不同，粒度横向上有交替变化性，承压水含水岩体在横向上具不连续性，垂向上具分段性。含水层深部由于水的交替能力差，径流极为缓慢，甚至几乎不动，加之地层的非均一性，因而地下水矿化度较高，矿井充水程度弱，水量小，富水性弱。

3 矿井充水因素分析

3.1 矿井充水因素

石槽村矿井充水因素具有多样性，但由于生产初期的主要开采煤层为2-2煤，其顶板直罗组下段砂岩裂隙孔隙含水层含水丰富，故成为威胁矿井安全的主要充水水源。其他充水含水层富水性和充水强度中等，开采水文地质条件较清晰。

①大气降水。大气降水为第四系含水层的直接补给水源，是直罗组底部砂岩含水层及煤系含水层间接充水水源。由于本区的气候环境干旱少雨，含水层之间有较稳定的隔水层阻隔，尤其是主要含水层“七里镇”砂岩上部普遍发育有一层泥岩及粉砂岩隔水层，因此矿井涌水量与大气降水之间关系不明显。

表1 石槽村矿井回采工作面疏放水统计Table 1 Statistics of coal face water drainage in Shicaocun coalmine

②直罗组底部粗砂岩含水层水。根据石槽村矿回采工作面疏放水资料，该含水层在矿井内由北向南富水性有增强趋势。如：处于矿井工业广场北翼的112201工作面与工业广场南翼的112202工作面相比单孔流量、疏放水总量相差近3倍（表1）。这主要是由于含水层标高由北向南逐渐降低（高差100多米），形成了由北向南的地下水流场，在南部形成汇水区。

③构造裂隙水。石槽村位于鸳鸯湖背斜轴部，一般背斜或向斜的轴部都是裂隙比较发育的部位。井下实际观测资料证实：在构造裂隙发育部位，钻孔疏放水量急剧增大。如2011年12月在回风斜井下部井底联络巷处施工的TQ4钻孔，因处于张家庙向斜与DF5正断层的交汇部位，单孔最大疏水量达到420 m3/h，比112202工作面施工的单孔最大流量130 m3/h大3倍以上。足见含水层的富水性与其构造裂隙发育程度的密切关系。据鸳鸯湖矿区资料，大多数矿井掘进巷道的出水或突水点均在断层破碎带或裂隙密集带地段。

3.2 充水通道

石槽村矿井在井下进行开采时，可能存在的充水通道主要有：

①断层。石槽村矿井在地质勘探阶段共探明断层24条。断层按落差分类：10～20 m的8条；20～50 m的9条；50～100 m的3条；大于100 m的4条（矿井内有DF1逆断层、张家庙逆断层，矿井边界杨家窑正断层、马柳逆断层）。断层多，落差大。断层与断层破碎带共同成为断层水的储存体和良好通道。当巷道掘进揭露断层时，断层破碎带内的水或者断层沟通煤层顶板含水层的水会涌入矿井发生水害。

②开采形成的裂隙。根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB12719-1991），结合本矿实际，石槽村矿井煤层开采冒落带、导水裂隙带两带高度计算结果如表2：

表2 石槽村煤矿2013～2015年主采煤层冒落带、导水裂缝带高度计算结果Table 2 Computed results of main workable coal seam caving zone,water conducted zone heights in Shicaocun coalmine during 2013～2015

从表2可以看出2-1煤、2-2煤和6煤回采产生的导水裂缝带最大高度均大于上覆隔水层的厚度。2-1和2-2煤回采时的主要充水水源为其顶板直罗组下段含水层，6煤回采时的主要充水水源为其顶板6煤以上含水层，特别是4～6煤间含水层。煤层回采所产生的导水裂隙带是本矿井的主要充水通道。

③封闭不良的钻孔。石槽村矿井开展的地质工作较早，其中包括了大量石油部门和煤炭勘探部门施工的钻孔，由于早期施工的钻孔存在封闭不良现象或者存在事故钻孔，这些钻孔可以将煤层顶、底板各含水层沟通，当巷道掘进或者工作面回采揭露这些钻孔，含水层中的水可能会通过这些封闭不良钻孔进入矿井，造成水害事故。如2013年10月鸳鸯湖矿区南部的麦垛山矿602工作面2#风巷掘进至2028 m处揭露2504钻孔，因钻孔封闭不良沟通上部含水层发生突水，最大涌水量300 m3/h。

3.3 矿井充水强度

（1）井筒及巷道掘进期间。石槽村矿自2007年1月至2010年8月3年时间内，随着采掘工程的进展，矿井涌水量呈现波动上升的趋势，由2007年1月井筒掘进阶段的65.5 m3/h增加至矿井投产前的310.7 m3/h。

（2）工作面回采期间。在工作面回采期间，矿井涌水量的主要来源包括井筒涌水量以及11采区巷道和回采工作面的涌水量（图3），工作面回采期间涌水特征如下：

图3 矿井涌水量变化曲线Figure 3 Mine water inflow and related water inflow variation curves

①随着生产工作面的不断增加，矿井涌水量呈现出逐渐增大的趋势，截止2012年10月，矿井总涌水量达到740 m3/h，其中，112201、112202和112203三个工作面的涌水量之和占矿井总涌水量的63.3%，从数据分析可以看出，目前工作面的涌水量占矿井总涌水量的大部分，并且有着继续增大的趋势。

②石槽村煤矿112201工作面是11采区的首采面，在工作面开采前，对顶板直罗组砂岩水进行了预疏放，2011年7月份最大疏放水量210 m3/h，在同年8月份工作面开始回采时，随着顶板跨落，采后涌水的增加，8月17日整个工作面总涌水量达到225 m3/ h，后逐渐增大，在10月底达到最大值318 m3/h，后逐渐减小，2012年4月底实测涌水量仅为70 m3/h，工作面开采期间，平均涌水量194.3 m3/h。

4 矿井水害类型及防治对策

石槽村煤矿目前主采2-1煤、2-2煤和6煤，对矿井涌水量产生影响的充水水源主要为2煤顶板的直罗组砂岩水，其次为2～6煤间含水层。地下水由于补给面积大，补给通道多，且静储量以孔隙裂隙水为主，富水性分布不均，所以，基岩含水层集中涌水是矿井的主要水害类型，也是矿井防治水的主要目标。石槽村煤矿防治水的工作重点应是防止煤层顶板水突水为主，及由此可能造成的溃砂灾害，断层破碎带或裂隙密集带为矿井防治水的重点区域。下面对该矿主要水害类型分述如下：

4.1 顶板砂岩水害形成机理及防治

①煤层顶板砂岩水害形成机理。石槽村煤矿主采的2号煤层位于侏罗系延安组的最上部，该煤层的开采主要受到顶板直罗组下段砂岩水的威胁。2号煤层工作面涌水一方面来自顶板冒落带、导水裂隙带范围内岩石储存的裂隙水和孔隙水，此为静储量，其大小主要与含水层的储水率、冒落带范围大小、降落漏斗形态有关；另一方面来自采空区以外含水层向采空区流入的水，即动态补给量，其大小与渗透系数、进水边界长度有关。由于直罗组砂岩含水层渗透系数较小，工作面涌水量以煤层顶板含水层的静储量为主。当工作面开采后初次来压时，伴随着基本顶垮落，砂岩含水层中的静储量通过导水裂隙带涌入工作面，造成涌水量瞬间增大，严重时可以导致水害事故的发生。另外根据邻近的红柳煤矿水害分析成果，如果工作面顶板含水层存在‘两层砂岩夹泥岩’的特殊岩性组合，还有可能在顶板泥岩夹层的离层中形成离层水储水体，加剧水害发生强度[6]。

②防治顶板水害的有效方法是对顶板砂岩含水层采前疏水降压。根据对已采工作面疏放水成功经验以及水文地质条件分析可以确定，对煤层顶板含水层水害防治的有效措施就是进行采前疏水降压，即有效疏放含水层中的静储量，减小工作面回采期间的峰值涌水量。例如，本矿井112201工作面顶板直罗组下段含水层静储量的预测为58.6万m3，开采前钻孔疏放总水量约为73.7万m3，回采时工作面涌水量约为159.6 m3/h。开采前钻孔疏放水总量大于含水层静储量、钻孔残余水量小于含水层动态补给量，通过了采前安全评估。达到了有效疏放顶板含水层静储量的目的，从工作面开采一直到结束，没有发生大的集中涌水，实现了安全开采。

在附近采区巷道中选择有利地点提前疏放工作面顶板含水层水，是提高疏放水效果、降低疏放水费用的有效方法。石槽村煤矿为了11采区112204工作面机巷施工过程中减少涌水量、能够顺利穿过DF5断层（落差28 m），在附近回风斜井下部井底联络巷处施工疏放水钻孔，单孔最大疏水量达到了420 m3/h，水量充沛，两个月后依然在240 m3/h。据实测资料，该孔一年的累计疏放水量达150多万m3。通过水文地质分析认为该处钻孔疏水量大的原因：一是处于张家庙向斜部位属于原始状态的构造汇水区域，二是受到了DF5断层的影响，形成了容水、导水的断层破碎带，为周边水的汇集补给创造了条件（图4）。

图4 石槽村煤矿回风斜井井底钻孔布置Figure 4 Upcast incline underground borehole layouts in Shicaocun coalmine

4.2 断层水害的防治措施

石槽村煤矿断层发育较多，其中的正断层往往含（导）水性较强，是断层水害的防治重点。为了经济有效地探查断层的含导水性，一般先采用物探方法对断层进行超前探测，初步确定断层位置及富水性，然后施工探查钻孔进行验证，准确探明其落差、产状及富水性，在此基础上再确定掘进巷道过断层方案。对于回采工作面周边处于采动影响范围内的断层，必须打钻将断层含水带的静储量提前进行疏放，防止在工作面开采后受采动影响诱发突水。如该矿112202工作面切眼外的杨家窑北正断层，经测算分析将受到采动影响，因此在采前施工了8个疏放水孔，总疏水量达263 m3/h，由于对静储量疏放彻底，尽管工作面开采时还有89 m3/h的残余动流量，却没有发生大的突水，实现了防患于未然。

4.3 离层水的防治

离层水是是直罗组底部砂岩含水层受采动影响衍生出来的，根据红柳煤矿水害形成地质特征分析，在工作面煤层开采后，顶板破坏，岩层间离层逐渐形成，处于两层砂岩含水层之间泥岩隔水层遇水膨胀逐渐填堵了导水裂隙，类似于“再造隔水层”，地下水通过原生裂隙、孔隙迅速充填离层带，使得离层成为了一个相对稳定的“储水体”（图5）。随着工作面的继续推进，顶板破坏强度加大，原先的平衡被打破，封存的离层水瞬间溃入矿井，造成突水。因此，红柳煤矿水害形成的根本原因是煤层顶板砂岩含水层夹有20 m左右泥岩隔水层的特殊岩性组合，在开采过程中形成的离层水是红柳煤矿首采面突水的直接原因。

图5 离层水突水机理示意Figure 5 A schematic diagram of stratifugic water bursting mechanism

石槽村煤矿与南部的红柳煤矿相邻，首采煤层同样为2煤，其充水水源均来自其顶板直罗组底部粗砂岩含水层，并且部分工作面与红柳煤矿具有相似的顶板岩性组合，为了避免类似红柳煤矿离层水突水情况的发生，需要在认真分析石槽村煤矿地质条件的基础上，借鉴红柳煤矿离层水探放的经验，制定本矿的离层水探放措施。垂向上施工的离层水探放钻孔要穿透直罗组底部粗砂岩含水层，平面上要打到离层水范围的最低点位置。另一方面，从红柳煤矿1121工作面曾经发生的几次突水过程分析，煤层顶板的周期性突水与工作面开采周期的来压步距有直接关系。因此，在设计离层水探放钻孔的位置时应予充分注意。

5 结论

通过对鸳鸯湖矿区石槽村矿井水文地质条件分析，认为矿井水害主要来自煤层顶板直罗组下段“七里镇”砂岩水的威胁。顶板砂岩水害形成的主要原因是砂岩含水层中的静储量通过煤层开采形成的导水裂隙带进入工作面，造成瞬间大量涌水。治理措施是在工作面开采前对顶板砂岩含水层进行预疏放。主要结论有以下几点：

①超前疏放顶板水可以起到“削峰平谷”的作用，是治理顶板水害的有效措施。为了保证疏放水效果，在工作面回采前要按疏放水设计提前施工顶板钻孔，同时要保证有足够的疏放水时间（一般在2个月以上），正式开采前还要进行疏放水效果评价，通过后才能进行开采。这是防治工作面顶板水害的三个必要步骤。

②对采掘工作面可能遇到的导水地质构造必须实施超前探放水。由于石槽村矿井范围内断层和褶曲发育，水文地质条件复杂，对掘进头前方遇到的导水断层、含水层必须进行探查；对工作面采动影响范围内的断层要在采前探明其准确位置及含水性，若为含水丰富、规模较大的导水断层，必须进行提前预疏放将水压降至安全界限以下方可回采。

③为了争取有足够的疏放水时间，缓解疏放水与采掘生产的矛盾，可以考虑在工作面周围的采区巷道实施超前集中疏放水。即选择排水条件好、有利疏放水的地段有计划地实施。这是改善采掘作业条件、提高疏放水效果、降低疏水成本的有效途径，可以在宁东其他矿井推广。

参考文献：

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[6]褚彦德，宁东鸳鸯湖矿区红柳煤矿顶板砂岩突水机理分析[J].中国煤田地质，2013，25（4）：34-39.

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[9]虎维岳.矿山水害防治理论与方法[M].北京：煤炭工业出版社，2005.

Roof Sandstone Water Hazard Features and Control Measures in Shicaocun Coalmine,Yuanyanghu Mining Area,Eastern Ningxia

Chu Yande
(Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co.,Ltd,Yinchuan,Ningxia 750011)

The Shicaocun coalmine is situated in the south central Yuanyanghu mining area.The hydrogeological condition in the coalmine is complex and threatened by thick roof sandstone water and other water hazards.On the basis of coalmine geological and hydrogeological condition analysis,have pointed out that the middle Jurassic Zhiluo Formation fissured and porous aquifer is the main water filling source impacting the main workable coal seam No.2.Fractures are well developed in the interjunction of the coalmine situated Yuanyanghu anticline axis,Zhangjiamiao syncline and normal fault DF5;single well drain flow is large,fault and mining formed fracture zone and poor sealed boreholes are major water filling channels.Along with the winning and opening progress,mine inflow growth presented an undulant rising trend.It is considered that to carry out roof sandstone aquifer advanced dewatering depress is the effective method to control water hazard.The study also has carried out useful discussion on fault water and stratifugic water hazard control,thus has certain popularization value in water control of the coalmine and even other coalmines in the eastern Ningxia.

mine water filling;water filling factor analysis;water hazard control;Shicaocun coalmine

TD745

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.02.10

1674-1803(2017)02-0046-07

褚彦德（1958—），高级工程师，长期从事矿井地质与矿井防治水技术管理工作。

2016-08-29

责任编辑：樊小舟