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第 44 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 44 No.6 2016 年 12 月COALGEOLOGY 2. Xi’an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group, Corp., Xi’an 710077, China Abstract The sedimentary type of roof aquifer of the deep Jurassic coal seam is mainly fluvial deposition in Hujiert mine area.Although the tectonic conditions are relatively simpleand the hydraulic connection betweenthe main water-bearing stratumwith the Cretaceous and unconsolidated layersaquifers is weak. Butthe space combination relations and structures of the aquifers and aquifugesarevery complex and the water yield propertyis very inhomogeneous. According to the above characteristics, Studied the spatial distribution of typical mineaquifer by the of sedimentary geology. Identified, located and delimited the Zhiluo aquiferwhich is mainly filled with water in the mine, and delineated the water-rich zone of the sedimentary sand body and it was verified by the practice of underground explorationand drainage water. Keywords deep coal seam; roof water; deposition analysis; exploration and discharge water 呼吉尔特矿区位于鄂尔多斯聚煤盆地中部，为 新近开发的大型煤炭生产基地。矿区主要开采侏罗 系延安组煤层，其埋藏深度较大，普遍在 600 m 以 上。上覆地层为侏罗系直罗组、安定组及白垩系地 层。虽然本区地质构造较为简单，断裂构造不甚发 育，垂向导水构造不甚发育，含水层间水力联系较 弱，但是，由于其特殊的陆相沉积背景、多相变层 叠的覆岩结构和错综复杂的地下水径流系统，导致 矿井水文地质条件比较复杂，煤层顶板直接充水含 水层水压普遍超过 4 MPa，且富水性极不均一，给 井下探放水工作带来诸多困难。尤其表现在含水层 分层多、定位难、水压高、疏放水量大、疏放时间 长，矿井建设和生产过程中水害预测预报难度大， 探放不彻底往往造成采空区涌水量大幅波动，给矿 井排水系统及安全生产带来极大隐患。 针对顶板砂岩水的预测预报与探放， 国内专家学 者做了大量研究工作武强等[1]提出“三图双预测 法” ，运用多源地学信息复合叠加原理，对顶板水突 水危险性定量化评价与预测方法方面开展了深入研 究；吕玉广[2]提出煤层顶板突涌水灾害“双图”评 价法，以岩相、隔水层厚度两个地学信息为基础，富 水性等值线和突水危险性等值线图评价顶板水害； 其 他学者从顶板富水性探查、疏放水效果评价， 水害防 治等方面也进行了研究[3-7]。总之，目前对顶板导水 裂缝带发育范围内的顶板砂岩水， 最有效的防治手段 仍然是超前预疏放[8-9]。因此，如何准确识别、定位 含水层并开展富水性分区对于优化顶板疏放水钻孔 布置、 提高探放水效率、 保障工作面安全回采具有重 ChaoXing 第 6 期邸春生等 深埋侏罗系煤层顶板水探放技术实践97 要的意义。 本次利用沉积地质学的研究方法，基于沉积相 分析对顶板含水层进行精细划分和富水性分区，在 此基础上结合本区防治水工作经验的总结，形成深 部侏罗系煤层开采顶板水探放的技术方法，以供相 似条件下顶板水探放工作借鉴。 1矿区水害特征 1.1充水水源 目前，呼吉尔特矿区矿井的主采煤层为侏罗系 延安组上段 2 号煤或 3 号煤，其与上覆直罗组、安 定组地层平行不整合接触[10]。根据区域水文地质条 件分析，直罗组为含水层，安定组为相对隔水层， 煤层开采主要的水害来自延安组和直罗组砂岩含水 层。由于埋藏深度大，一般情况下，煤层开采形成 的导水裂隙带不会波及到白垩系含水层[3]。因此， 该区矿井的直接充水含水层是侏罗系延安组和直罗 组含水层，也是矿井防治水工作的重点。 1.2充水通道 矿区矿井的主采煤层埋藏较深，普遍在 600 m 以下。例如，巴彦高勒煤矿首采煤层为 3-1煤，煤层 底板埋深 610.62～626.17 m； 葫芦素煤矿首采煤层为 2-1煤，煤层顶板埋深为 623.45～646.08 m。根据区域 构造特征及本区勘探成果， 鄂尔多斯盆地构造条件简 单， 一般情况下， 该区矿井不发育大型天然导水通道； 该区域属于新开发矿区，多数矿井仍处于建井阶段， 不存在老窑采空区。 因此， 矿井主要充水通道为开采 形成的导水裂缝以及勘探期间遗留的封闭不良钻孔。 1.3充水强度 统计周边矿井已施工的探放水钻孔资料，分析 延安组、直罗组含水层富水性特征如表 1 所示。直 罗组含水层钻孔单孔出水量明显大于延安组；而延 安组含水层厚度大于直罗组葫芦素煤矿开采2-1煤， 揭露延安组岩层段厚度较小，说明直罗组含水富水 性强于延安组。对比矿井涌水量的预测结果发现， 当直罗组含水层单孔出水量较大时，矿井涌水量也 较大。钻孔终孔水压规律性不明显，表明煤层顶板 含水层分布不均一，含水层间水力联系较差。 表 1矿区矿井主要充水含水层特征表 Table 1The characteristics of main water-bearing stratum in Hujiert mine area 矿井名称 钻孔单孔出水量/m3h-1 含水层厚度/m终孔水压 /MPa 矿井预测涌水量 /m3h-1延安组直罗组延安组直罗组 巴彦高勒矿0.2400.54521.981.935.0048.600.23.77971 196 母杜柴登矿0108016026.6269.612.6823.41.95.81 1501 725 门克庆煤矿2203015017.148.081726.751.53.91 1971 795 葫芦素煤矿048263.216.94.327.50.14.6440746 综上所述，矿区煤层开采主要的水害威胁来自 导水裂缝带发育范围内的直罗组和延安组两层含水 层。针对富水性较强，水压高的直罗组含水层静储 量的疏放是解决煤层顶板水害问题的关键。 通过对矿区水害特征的研究分析， 表明蒙陕矿区 煤层开采面临的水害问题主要是顶板砂岩水通过导 水裂缝带涌入矿井。 根据这一水害特点， 结合本区的 防治水工作经验总结， 提出了矿井首采工作面的防治 水技术路线 通过沉积分析识别定位充水含水层→富 水性分区→钻探方法验证→超前预疏放→安全回采。 2基于沉积分析的富水性分区 本区煤层顶板主要充水含水层为河流相沉积，且 构造不甚发育[11]，因此，沉积地质条件是影响和决定 矿井含隔水层空间展布条件和富水性的主要因素。通 过沉积分析确定煤层顶板覆岩的沉积相类型及特征， 结合勘探钻孔岩心研究岩相古地理演化及砂体展布规 律， 准确定位顶板砂岩含水层位置和分布情况。 最后， 以沉积亚微相、单层砂岩厚度、砂地比 3 个主要指 标综合成一个量化指标Zi来表示富水性。 123 123 iiiiii i Sahaa Z XXX 式中Zi为第 i 钻孔所在的富水性指标；si为第 i 钻 孔所在的沉积亚相（微相） ，a1i为该钻孔沉积亚相 （微相）的权重；hi为第 i 钻孔中单层砂岩厚度， a2i为该钻孔各单层砂岩厚度的权重；φi为第 i 钻孔 内研究对象的砂地比，a3i为相应的砂地比权重；n 为参加评价的钻孔数；x1、x2、x3为等级化系数。 根据专家意见和经验，分别以 Zi＝1.0、Zi＝1.8 为界限，将井田富水性划分为含水较少Ⅰ、含水 中等Ⅱ、含水丰富Ⅲ等 3 个等级，绘制综合量化 指数等值线图，结合有效孔隙度、水平方向渗透率 等指标，并结合已有的水文地质参数，进一步拟合 改进富水性分区图，圈定河流相沉积富水条带。 3实践应用 呼吉尔特矿区中部葫芦素煤矿，井田面积 92.761 km2，立井开拓，综采一次采全高，设计生产 能力13.0 Mt/a。 矿井设计21102首采工作面位于井田 中部，工作面长4 676.8 m，斜长320 m。主采煤层为 ChaoXing 98煤田地质与勘探第 44 卷 2-1煤，煤层顶板埋深为623.45646.08 m，设计采高 2.85。 根据经验公式， 预测 2-1煤开采造成的导水裂缝 带发育高度约为 85 m，不会波及到白垩系含水层。 矿井直接充水含水层为直罗组砂岩含水层和煤系地 层砂岩含水层。根据沉积分析，对直罗组含水层精 细划分结果如图 1 所示。直罗组含水层分为一、二 两段直罗组一段距离 2-1煤顶约为 10 m，直罗组 二段距离 2-1 煤顶约为 80 m。 图 1基于沉积分析的直罗组含水层精细划分剖面图 Fig.1The detailed classification profile of Zhiluo aquifer base on deposition analysis 3.1富水性分区 根据沉积分析，结合矿井水文地质条件，绘制 了对 2-1煤层开采直接充水的直罗组砂岩含水层的 富水性分区图图 2。 图 2a 为直罗组一段富水性分区图。21102 工作 面顶板直罗组一段含水层富水性整体上为中等-强， 其中 H07 钻孔和 H17 钻孔之间的范围为强富水性， 总体上位于工作面中部偏北的位置。 图 2葫芦素煤矿直罗组砂岩含水层富水性分区图 Fig.2The rich degree zoning of Zhiluoation sandstone aquifer in Hulusu mine 如图 2b 所示， 直罗组二段富水条带总体上呈北西东南延伸，呈现河流相沉积的典型特征。21102 ChaoXing 第 6 期邸春生等 深埋侏罗系煤层顶板水探放技术实践99 工作面内存在两处富水性较强的区域距离切眼较 近的富水区在 HK44 和 HK35 附近，运输巷一侧起 止位置距离切眼约为 6201 500 m； 回风巷一侧起止 位置距离切眼约为 5501 550 m。 3.2钻探验证 根据勘探资料分析，首采工作面附近钻孔揭露 2-1煤层顶板距离直罗组一段的距离为 2.856.81 m。 因此，巷道掘进超前探放水钻孔揭露的就是直罗组 一段底部含水层。巷道掘进期间超前探钻孔水量统 计情况如图 3 所示。 回风巷超前探钻孔出水总体较小，只有工作面 中部以及切眼附近钻孔水量较大；运输巷超前探钻 孔水量相对回风巷总体较大，除切眼附近钻孔水量 较大为 38 m3/h， 其余钻孔水量基本在 20 m3/h 左右， 且在距离工作切眼 2 2004 120 m 段钻孔水量总体 较为平均，平均水量为 7 m3/h，说明此段含水层富 水性较好。验证了直罗组一段砂岩含水层富水性分 区是比较合理的。 葫芦素煤矿顶板疏放水钻孔垂高为 7590 m， 终孔层位位于直罗组二段。图 4 是根据工作面切眼 附近 1 600 m 范围内顶板疏放水钻孔终孔水量绘制 的等值线图。图中，H6、Y7 钻场钻孔水量较大， 富水区域基本呈现由西北向东南的条带。H6、Y7 钻场距离切眼的位置分别为 1 400 m、960 m，与上 述划分的直罗组二段富水性分区基本一致。 图 3首采面掘进期间探放水钻孔终孔水量柱形图 Fig.3The final water of drill hole of exploration and discharge water drill during the first mining facetunnelling 图 421102 工作面顶板疏放水钻孔终孔水量等值线图 Fig.4The final water of drill hole contour of exploration and discharge water drill in No.21102working face roof 4结 论 a. 呼吉尔特矿区由于煤层埋藏深度大，含导水 构造不甚发育，顶板砂岩含水层为河流相沉积，其 富水性、空间组合及结构主要受沉积地质条件的影 响和控制。 b. 通过沉积亚相和沉积微相的分析，精细划 分、识别和定位顶板砂岩含水层，选取沉积亚微 相、单层砂岩厚度、砂地比等指标，结合水文地质 参数对含水层富水性进行分区，圈定河流沉积富水 条带，较好的解决了深部侏罗纪煤田顶板水靶向探 放与水害预测预报的瓶颈问题。 c. 通过钻探、物探、以及工作面回采实践验证 了葫芦素煤矿富水性分区的准确性，客观说明了沉 积环境对砂岩含水层的控制作用。 参考文献 [1] 武强，李周尧. 矿井水灾防治[M]. 徐州中国矿业大学出版 社，2002116–124. 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