呼吉尔特矿区矿井涌水特征及其沉积控制_梁向阳.pdf

第 48 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.1 2020 年 2 月 COAL GEOLOGY 2. Shaanxi Key Laboratory of Preventing and Controlling Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China; 3. State Key Laboratory of Water Resource Protection and Utilization in Coal Mining, Beijing 102211, China Abstract Hujirt mining area in Ordos basin is a deep-buried Jurassic coalfield with high water pressure, large water volume and uneven water abundance. Each mine is facing serious pressure of mine water hazard prevention and control. In order to clar- ify the water outflow conditions and main controlling factors of the coal seam roof of the mine in this area, the research on geo- logical deposit and water-producing horizon of roof boreholes, water-inrush from boreholes and water-inrush from working face was carried out. The results showed that within the water conducting fractured zone of Hujirt mining area, there are mainly me- andering river sedimentary facies in Zhenwudong sandstone section of the third Member of Yan’an ation and Qilizhen sandstone section of the first Member of Zhiluo ation. The lithology of these two sections is fine-medium-coarse sandstone. In the early stage of the Zhiluo ation, a set of fluvial facies deposits developed, which resulted in erosion of Yan’an a- tion. coal seam 2-1 was missing in the Menkeqing and Muduchaideng minefields in the middle of the mining area, and the thickness of Qilizhen sandstone section is large. However, the coal seam 2-1 on both sides of the mining area is relatively pre- served, and the sandstone thickness in Qilizhen is relatively thin. The water inflow from pre-drainage boreholes in coal working face roof mainly came from Qilizhen sandstone aquifer, and there are significant differences in water inrush from bore holes in different mines. The water inflow from boreholes in the middle of the scouring zone of paleao river bed is larger than that from ChaoXing 第 1 期 梁向阳等 呼吉尔特矿区矿井涌水特征及其沉积控制 139 boreholes on both sides of the scouring zone of paleao river bad, which corresponds well to the geological sedimentary facies of the roof. The difference of geological conditionssedimentary facies of coal seam roof not only controlled the amount of water inflow in the mining process, but also affected the variation law of water inflow in the working face. Keywords aquifer water richness; Qilizhen sandstone aquifer; water inflow; main controlling factors; sedimentary facies; Hujirt mining area 鄂尔多斯盆地北部为单斜构造，侏罗纪延安期 较稳定的构造条件和粗粒碎屑供应相对贫乏[1-2]，形 成了丰富的煤炭资源沉积[3-4]，其中蒙陕接壤区的呼 吉尔特矿区煤层埋深超过 600 m，属于深埋煤田区。 燕山运动作用下的多旋回沉积[5]，在呼吉尔特矿区 煤层顶板导水裂缝带范围内主要发育侏罗系直罗组 七里镇砂岩、延安组真武洞砂岩含水层[6-9]，具有水 压高、水量大、富水性不均一等特点，给煤矿防治 水工作带来了极大困难。近些年，为了查清鄂尔多 斯盆地北部侏罗纪深埋煤田区煤层顶板富水规律， 利用地质勘探、井下巷道揭露、工作面顶板钻孔、 覆岩破坏实测等，开展了导水裂缝带发育规律、直 接充水含水层富水性特征[10-11]、工作面涌水量预 测[12]和预疏降效果[13]、水文地球化学特征[14]等研 究， 基本确定了呼吉尔特矿区煤层顶板富水性较强， 各矿井之间顶板富水性和矿井涌水量差异较大的特 点；但对于各矿井煤层顶板水文地质条件巨大差异 的原因尚未查明。根据前期煤田地质勘探和矿井建 设过程中对煤层顶板地层的实际揭露发现，由于延 安组与直罗组之间为不整合接触，直罗组早期对延 安组顶部冲刷切割剧烈，导致矿井之间延安组和直 罗组地质沉积条件存在较大差异，可能是造成呼吉 尔特矿区顶板富水性差异的控制性因素。因此，笔 者从煤层顶板地质沉积相方面展开研究，分析其与 钻孔出水层位、钻孔涌水量、工作面涌水量等方面 的关系，以期查清呼吉尔特矿区矿井涌水特征及其 沉积控制作用， 为矿区水害防治工作提供科学依据。 1 研究区概况 呼吉尔特矿区位于鄂尔多斯剥蚀高原与陕北黄 土高原过渡地带[15-16]的蒙陕接壤区，中东部地势较 高，海拔 1 3401 410 m。呼吉尔特矿区属高原沙漠 地貌特征，地表被毛乌素沙漠的第四系风积沙所覆 盖[17-18]，多为新月形或波状沙丘，无基岩出露，地 势平缓，渗透性能好，为大气降水入渗起到良好的 导渗作用[19-21]；区内地表水系极不发育，仅在地势 低洼、地下水位埋深较浅的滩地，雨后可形成局部 积水。 矿区属北温带半干旱半沙漠高原大陆性气候， 四季寒暑巨变，当地气温在–27.936.6℃，年降水 量为 194.7531.6 mm； 年蒸发量为 2 297.42 833 mm， 年蒸发量为年降水量的 510 倍，植被稀疏，为生态 环境极为脆弱的半荒漠区。呼吉尔特矿区主要生产 矿井由北到南分别为葫芦素、门克庆、母杜柴登和 巴彦高勒煤矿图 1，主采侏罗系延安组 2 号煤或 3 号煤，煤层埋深普遍大于 600 m，属于典型的西部 侏罗纪深埋煤田区。 图 1 呼吉尔特矿区内各矿井相对位置示意 Fig.1 Schematic diagram of the relative positions of the mines in Hujirt mining area ChaoXing 140 煤田地质与勘探 第 48 卷 2 研究区沉积相特征 2.1 地层沉积规律 井下覆岩破坏实测结果表明，研究区煤炭开采 形成的导水裂缝带可发育至直罗组底部，因此，主 采煤层顶板延安组和直罗组是工作面回采过程中采 空区涌水的直接充水水源，这两段地层各发育一套 厚层粗中砂岩段，其中，延安组的真武洞砂岩， 岩性为灰白细粒硬砂质长石砂岩，砂岩段厚度 3.216.0 m，发育板状斜层理、底冲刷侵蚀面；直罗 组一段底部的七里镇砂岩，与下覆延安组呈不整合 冲刷接触，厚度 5.175.2 m，属于曲流河沉积。由 于该区域直罗组古河流对延安组的冲刷侵蚀，导致 呼吉尔特矿区局部区域 2–1煤缺失， 包括梅林庙井田 南翼、门克庆井田南翼、沙拉吉达全井田、母杜柴 登全井田以及巴彦高勒井田北部局部区域。 研究区 4 座生产矿井中，中部的门克庆井田 南翼和母杜柴登井田属于 2–1煤缺失区域。直罗 组一段七里镇砂岩底板标高较低，砂岩段发育较 厚17.775.2 m；母杜柴登井田的局部区域侵蚀较 深，使 2–2煤也存在部分缺失H128 钻孔；北部的 葫芦素井田、门克庆井田北翼及南部的巴彦高勒井 田属于 2–1煤发育区域，七里镇砂岩底板标高较高， 砂岩段发育较薄5.132.4 m图 2。 图 2 呼吉尔特矿区煤层及七里镇砂岩发育情况剖面示意图 Fig.2 Schematic diagram of the section of coal seam and Qilizhen sandstone development in Hujirt mining area 2.2 沉积作用分析 鄂尔多斯盆地延安组沉积之后，受燕山运动影 响，研究区全面抬升，在其顶部形成一个区域性的 侵蚀不整合面，造成延安组上部不同程度的剥蚀， 且改变了延安组温湿气候、湖洼及湖沼地的古地理 景观，在直罗组早期发育了一套河流相沉积，底界 形成大型冲刷侵蚀面，侵蚀面之上为直罗组一段的 七里镇砂岩，即七里镇砂岩由古河床冲刷形成，其 底界面埋深反映古河床的下切深度， 而砂岩厚度则反 应古河床的发育规模。对比呼吉尔特矿区 2–1煤缺失 和七里镇砂岩发育条件发现，母杜柴登井田和门克 庆井田南翼处于古河床冲刷带的中部[22]，岩性以中 粗粒砂岩为主，河床宽度较大井田尺度，底部下 切较深；而门克庆井田北翼、葫芦素井田及巴彦高 勒井田则处于古河床冲刷带的两岸，在一个工作面 范围内分流河道与分流间湾交替出现，形成七里镇 砂岩段砂体的条带状分布特征。 3 直接充水含水层富水规律 3.1 直接充水含水层 研究区内葫芦素煤矿主采 2–1煤， 采高约 2.5 m； 门克庆、母杜柴登和巴彦高勒煤矿主采 3–1煤，采高 为 4.55.0 m。根据巴彦高勒煤矿开展的井下导水裂 缝带实测结果，呼吉尔特矿区煤层开采后综采一次 采全高，导水裂缝带发育高度不超过采高的 25 倍。 因此，葫芦素煤矿 2–1煤采后，导水裂缝带平均发育 高度为 62.5 m；门克庆、母杜柴登和巴彦高勒煤矿 3–1煤采后，导水裂缝带发育高度不超过 125.0 m。 根据导水裂缝带发育范围内含水层地层结构， 葫芦素 煤矿的直接充水含水层为七里镇砂岩含水层， 门克庆 煤矿、 母杜柴登煤矿和巴彦高勒煤矿的直接充水含水 层为真武洞砂岩含水层和七里镇砂岩含水层。 3.2 疏放水钻孔涌水特征 为保障首采工作面的安全回采，各矿井对各工 作面均施工了超前预疏放钻孔，结果发现，门克庆、 母杜柴登和巴彦高勒煤矿的疏放水钻孔涌水主要来 自七里镇砂岩含水层，真武洞砂岩含水层涌水量普 遍较小甚至为干孔。以门克庆煤矿首采工作面11- 3101 工作面为例，所有疏放水钻孔在揭露真武洞砂 岩含水层时均未出水，钻孔出水点均位于 2–2煤顶板 的七里镇砂岩含水层。另外，巴彦高勒煤矿 311201 工作面采前共施工 54 个预疏放钻孔， 钻遇真武洞砂 岩含水层时，涌水量为 024.0 m3/h平均 4.7 m3/h； 当钻遇七里镇砂岩含水层时， 涌水量为 0.278.0 m3/h 平均涌水量 14.89 m3/h图 3。总体上，真武洞砂 岩含水层富水性显著弱于七里镇砂岩含水层。 同时， ChaoXing 第 1 期 梁向阳等 呼吉尔特矿区矿井涌水特征及其沉积控制 141 真武洞砂岩含水层距离 3–1煤较近， 巷道掘进过程中 已经对该含水层进行了一定的超前探放，因此，真 武洞砂岩含水层富水性较弱、涌水量较小，属于工 作面回采过程中的次要充水水源。 呼吉尔特矿区葫芦素、门克庆、母杜柴登和巴 彦高勒矿井的工作面顶板疏放水钻孔涌水量差异显 著表 1， 工作面疏放水钻孔涌水量与其顶板沉积相 有较好的对应关系， 即位于古河床冲刷带中部的门克 庆南翼和母杜柴登煤矿钻孔涌水量较大， 最大钻孔涌 水量达到 187 m3/h，平均涌水量分别为 118 m3/h 和 100 m3/h；位于古河床冲刷带两侧的葫芦素和巴彦 高勒煤矿钻孔涌水量较小，最大钻孔涌水量不超过 90 m3/h，平均涌水量不超过 30 m3/h。 图 3 呼吉尔特矿区巴彦高勒煤矿工作面顶板钻孔涌水 量组成 Fig.3 Composition of the water inflow from the roof aquifers of the working face of Bayangaole mine in Hujirt mining area 表 1 呼吉尔特矿区各矿井首采工作面疏放水钻孔涌水量对比 Table 1 Comparison of water inflow from drainage boreholes in the first mining face of different mines in Hujirt mining area 矿 井 工作面 单孔最大涌水量/m3h–1 单孔平均涌水量/m3h–1 葫芦素煤矿 21102 65 11.5 门克庆煤矿北翼 11-3103 90 28.0 门克庆煤矿南翼 11-3101 187 118.0 母杜柴登煤矿 30201 166 100.0 巴彦高勒煤矿 311101 60 14.6 3.3 采空区涌水量变化规律 3.3.1 采空区涌水量变化特征 以母杜柴登煤矿首采工作面和巴彦高勒煤矿首 采工作面涌水量变化过程为例，研究工作面回采过 程中涌水量变化特征，并进行对比分析。 a. 母杜柴登 30201 工作面 母杜柴登煤矿首采工作面30201 工作面主采 3–1煤，回采过程中涌水量的变化过程可以分为 3 个 阶段图 4 第一阶段0538 m 段。涌水量随着回采进尺 的增加呈线性缓慢增加，总体涌水量较小，仅为 0100 m3/h。这是由于工作面采前疏放水时间较长， 疏放较为彻底， 顶板含水层静储量已基本疏放完全； 且工作面顶板导水裂缝带是个缓慢向上发育的过 程，该阶段只发育至真武洞砂岩含水层，未波及七 里镇砂岩含水层。 第二阶段538561 m 段。随着工作面推采的 持续进行，顶板破坏程度不断增大，导水裂缝带发 育高度不断上升，在工作面回采至 538561 m 时， 工作面基本顶发生大幅度垮落，导水裂缝带全面发 育至七里镇砂岩含水层，该含水层水首次大量涌入 工作面采空区，且该含水层富水性相对较强，导致工 作面涌水量在短时间内出现一次“台阶式”增加，回采 进尺仅 23 m，涌水量却由 100 m3/h 突增至 327 m3/h。 5612 853 m 段。 母杜柴登井田处于古河床冲刷 带的中心位置，顶板含水层富水性整体较强且较为 均一，采空区涌水量随着导水裂缝带在顶板直接充 水含水层波及面积的增大而呈线性增加，中间小幅 波动主要由工作面顶板周期性垮落造成，导致涌水 量从 327 m3/h 逐渐增至 927 m3/h。 第三阶段2 853 m 至工作面回采结束3 417 m。 工作面采空区范围内导水裂缝带已对七里镇砂岩含 水层形成了充分的破坏，含水层疏降的降落漏斗范 围基本稳定，工作面涌水量趋于稳定，采空区总涌 水量稳定在 920 m3/h 左右。 图 4 呼吉尔特矿区母杜柴登矿井首采面涌水量 变化曲线 Fig.4 Curve of water inflow in the first working face of the Muduchaideng mine in Hujirt mining area ChaoXing 142 煤田地质与勘探 第 48 卷 b. 巴彦高勒 311101 工作面 巴彦高勒煤矿首采工作面311101 工作面主采 3–1煤，工作面回采过程中，涌水量经历了 5 个阶段 的变化图 5第一阶段0300 m，随着回采进尺 增加，涌水量由 0 逐渐增至 100 m3/h；第二阶 段3001 000 m， 回采至 338 m， 涌水量由 172 m3/h 增至 327 m3/h，之后基本保持稳定；第三阶 段1 0001 750 m，回采至 1 0311 074 m，涌水量 由 300 m3/h 增至 398 m3/h，之后基本保持稳定；第 四阶段1 7502 500 m，回采至 1 805 m，涌水量由 404 m3/h 增至 417 m3/h；回采至 2 037 m，涌水量由 426 m3/h 增至 464 m3/h；回采至 2 160 m，涌水量由 464 m3/h 增至 482 m3/h为工作面最大涌水量， 该涌 水量基本保持至工作面回采结束。整个工作面回采 过程中，涌水量显著增加的阶段，基本与顶板含水 层富水条带一致，顶板预疏放钻孔揭露发现该富水 条带砂岩厚度较大，表明工作面煤层顶板含水层富 水条带控制着回采过程中采空区涌水量的变化；在 回采经过非富水条带区域时， 涌水量也未出现下降， 则表明该区域顶板含水层侧向补给较好。 图 5 呼吉尔特矿区巴彦高勒矿井首采面涌水量与顶板富水条带关系 Fig.5 The relationship between the water inflow in the first working face and the water-rich strip of the roof in Bayangaole mine in Hujirt mining area c. 沉积相对不同矿井工作面涌水量的控制作用 比较母杜柴登煤矿和巴彦高勒煤矿首采工作面 涌水量可以发现，巴彦高勒煤矿首采工作面涌水量 的变化过程与母杜柴登煤矿完全不同，不呈连续缓 慢增长趋势， 而总体呈现“台阶式”增加的变化过程， 这是由于巴彦高勒井田位于直罗组一段古河床边缘 的分流河道和间洼区域，七里镇砂岩含水层富水性 相对较弱，且富水性极不均一，存在富水条带现象， 是控制巴彦高勒矿井工作面涌水量大小和变化规律 的主要因素，即在工作面回采过程中，当导水裂缝 带沟通富水条带， 涌水量即出现一次“台阶式”增加； 在两处“富水条带”之间，由于富水性弱，涌水量则 基本保持平稳。另外，工作面回采过程中涌水量的 变化，还与工作面顶板垮落周期和导水裂缝带发育 规律有关，其决定了顶板含水层水何时将进入工作 面采空区。 3.3.2 各矿井采空区涌水量差异性 中生代地层沉积相和燕山构造运动作用下，呼 吉尔特矿区4对生产矿井的煤层顶板地质条件沉积 相存在差异，该差异性控制了工作面顶板预疏放钻 孔和回采过程中的涌水规律。 呼吉尔特矿区 4 对矿井首采工作面回采结束后的 稳定涌水量也存在较显著差异，葫芦素、门克庆、母 杜柴登和巴彦高勒煤矿首采工作面采后稳定涌水量分 别为 592 m3/h、 1 200 m3/h、 920 m3/h 和 490 m3/h 表 2， 位于古河床冲刷带中部的门克庆南翼和母杜柴登煤 矿首采工作面采后稳定涌水量最大；位于古河床冲 刷 带 两 侧 的 葫 芦 素 和 巴 彦 高 勒 煤 矿 首 采 工 作 表 2 呼吉尔特矿区 4 对矿井首采工作面采后 稳定涌水量对比 Table 2 Comparison of stable water inflow after mining of the first working face 矿井 工作面 采后稳定涌水量/m 3h–1 葫芦素煤矿 21102 592 门克庆煤矿 11-3101 1 200 母杜柴登煤矿 30201 920 巴彦高勒煤矿 311101 490 ChaoXing 第 1 期 梁向阳等 呼吉尔特矿区矿井涌水特征及其沉积控制 143 面采后稳定涌水量较小。综上所述，地层沉积相是 研究区煤层顶板充水条件的主控因素。 4 结 论 a. 呼吉尔特矿区导水裂缝带范围内，主要发育 了曲流河沉积相的延安组真武洞砂岩段和直罗组七 里镇砂岩段， 厚度分别为 3.216.0 m 和 5.175.2 m。 直罗组沉积期对延安组的冲刷侵蚀，导致门克庆、 母杜柴登井田范围内 2–1煤层缺失， 且七里镇砂岩较 厚17.775.2 m，其他未冲刷侵蚀区域的七里镇砂 岩较薄5.132.4 m。 b. 研究区各矿井工作面顶板预疏放钻孔涌水 主要来自七里镇砂岩含水层，位于古河床冲刷带中 部的矿井钻孔涌水量较大平均大于 100 m3/h， 位于 古河床冲刷带两侧的矿井钻孔涌水量较小平均小 于 30 m3/h，与顶板沉积相有较好的对应关系；另 外，工作面顶板砂岩厚度较大区域，往往在回采过 程中采空区涌水量有显著增大现象。 c. 煤层顶板地质条件沉积相的差异性，控制 了工作面回采过程中涌水量大小，直罗组古河流冲 刷带两侧广泛发育的富水条带，导致工作面涌水量 呈“台阶式”变化。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 王双明. 鄂尔多斯盆地构造演化和构造控煤作用[J]. 地质通 报，2011，304544–552. 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