基于综合探查手段的深埋矿井工作面顶板富水性分区

梁向阳

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710054；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安710077）

我国鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田深埋区位于盆地 中部，由于煤层埋深相对较大（一般超过600 m），区内矿井在开发前期的投入力度较小。近年来，随着东部区域矿井资源的枯竭，以及煤矿开采技术的不断提高，加之本区煤层的良好品质和丰富储量，对区内深埋矿井的开发利用规模则日益增大[1-2]。但随着各深埋煤矿建设、生产进度的不断发展，矿井顶板水害问题逐渐凸显，为煤层采掘工作带来前所未有的困难和挑战[3-4]。如何合理防治顶板水害以及高效开发煤炭资源则成为了区内矿井亟需解决一大问题[5-6]。在此期间，诸多学者和科研人员从不同角度出发、通过多种手段对区内的顶板水害防治进行了探索和研究。

邸春生[7]等采用沉积地质学方法研究矿井含水层空间展布规律，对直罗组含水层进行识别、定位和精细划分圈定顶板砂体富水条带，并通过井下探放水进行验证。杨建[8]等从地形地貌、含水层沉积特征和水力联系、工作面涌水量变化等方面分析，提出“地貌-沉积”控制含水层富水性。徐圣集[9]从地质沉积、空间分布、富水规律和涌水量等方面进行分析，对侏罗系煤田“真武洞砂岩”和“七里镇砂岩”具有高水压、强富水、非均一的特征开展研究。方刚[10]等通过选取6 种分区指标，采用层次分析法计算权重、构建指数模型，对侏罗系延安组、直罗组含水层富水性进行划分。黄欢[11]等基于“富水性指数法”建立模型，对煤层顶板侏罗系中下统含水层涌水进行危险性评价。李梁宁[12]等通过研究声波测井数据与有效孔隙度相关关系，分析含水层空间展布特征，预测砂岩含水层富水性。刘基[13]等通过地层沉积相和砂体展布规律，选取砂地比和砂岩厚度主控因素，运用AHP 和GIS 方法划分煤层顶板砂岩富水性。黄浩[14]等通过理论计算、数值模拟、相似材料模拟和现场实测手段对深埋区侏罗系煤层顶板导水断裂带发育高度进行研究，为后期防治水工作提供依据。

综上，目前取得的各类成果均有助于区内深埋矿井的顶板水害防治工作开展。以位于鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田深埋区内的巴彦高勒煤矿311101 首采工作面为例，通过物探和钻探工程的成果分析，对矿井首采工作面顶板富水区进行划分，而后根据对工作面回采过程中的涌水量监测，通过涌水量变化趋势验证前期顶板富水区划分的真实效果。研究区在煤层开采过程中的主要顶板充水水源为侏罗系延安组和直罗组含水层水，由于其地质历史时期均为陆相沉积，导致其砂岩含水层富水性具有极不均一性，对于矿井及工作面水量的预测往往比较困难。因此，通过本次矿井首采工作面对顶板含水层富水性分区的准确划分，可有效指导矿井后期各工作面防治水工作的有效开展。

1 研究区概况

1.1 基本情况

巴彦高勒矿井位于蒙陕接壤区的呼吉尔特矿区内东南部，行政区划属鄂尔多斯市乌审旗管辖，是淄矿集团在鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田深埋区建设的1对大型现代化矿井，也是该区域首个投产的矿井。矿井311101 首采工作面是呼吉尔特矿区的第1 个回采工作面。工作面位于矿井首采区（11 采区）的东部，主采3-1 煤，煤层厚度5.39～6.23 m，平均厚度5.72 m；煤层顶板埋深604.68～631.53 m，顶板标高为+649.07～+666.68 m。

1.2 水文地质条件

巴彦高勒煤矿3-1 煤回采过程中面临的主要水害类型为顶板砂岩水害，煤层顶板自上而下发育有第四系孔隙潜水含水层、白垩系孔隙裂隙承压含水层、安定组孔隙裂隙承压含水层、直罗组孔隙裂隙承压含水层以及煤层顶板延安组孔隙裂隙承压含水层；在安定组顶部发育有安定组隔水层，在直罗组顶部发育有直罗组隔水层，在3-1 煤顶板发育有延安组隔水层[9,14]。

侏罗系深埋煤层开采过程中，裂高采厚比一般在20 倍左右，即巴彦高勒煤矿3-1 煤采后导水断裂带发育高度为120 m 左右。根据各含水层与煤层顶板之间相对位置的关系，可以将顶板含水层分为直接和间接充水含水层。

在自然状态下，位于导水断裂带发育范围以内的侏罗系延安组和直罗组含水层会成为3-1 煤采后的直接充水含水层；位于导水断裂带发育范围以外的安定组、白垩系和第四系含水层会成为3-1 煤采后的间接充水含水层，若存在封闭不良钻孔等人为原因形成的导水通道，这些含水层也可能成为3-1 煤采后的直接充水含水层。

分析311101 工作面范围内的钻孔资料，在导水断裂带发育范围内，延安组含水层总的厚度为20.25～53.00 m，直罗组含水层厚度16.16～29.10 m，但无论延安组还是直罗组均呈现出含隔水层互层的情况，不同钻孔之间，含水层厚度差别较大，含水层不连续。

2 工作面顶板富水性分区

根据对311101 工作面顶板水文地质条件的分析，由于含隔水层交互沉积，且含水层不连续，因此，根据含水层厚度对工作面顶板含水层进行富水性分区可能效果不好。因此，采用物探和钻探相结合的方法来进行富水性分区。该方法的总体思路为“物探先行，钻探验证”，即首先开展工作面顶板物探，划定物探异常区；然后根据物探异常区分布情况，施工顶板探放水钻孔，根据钻孔终孔水量及水压分布情况对物探异常区进行验证的排除，最后，综合确定工作面顶板富水区分布情况。

2.1 物探工程

瞬变电磁法[15]、音频电透视法[16]作为煤矿井下工作面富水异常区的主要探查方法，其应用广泛、效果良好。因此，矿井超前311101 首采工作面顶板物探工程探查采用这2 种方法相结合开展。

矿井瞬变电磁法分别在311101 工作面主运巷、回风巷和切眼巷道的顶板施工探测，探测长度分别为2 840、2 830、260 m，点距10 m，共布置测点596个。矿井音频电穿透在311101 工作面回风巷和主运巷的顶板探测施工，探测长度约2 830 m。

根据2 种探测方法探测结果的对应情况，从工作面切眼开始，到工作面停采线，将311101 工作面顶板划分为6 个富水异常区：

1）2 号异常区。2 种勘探方法异常区平面位置基本一致，且异常区呈2 条带分布在工作面上方，其中1 号异常区主要分布在距离切眼0～230 m 范围，2号异常区分布在距离切眼300～480 m 范围。

2）3 号异常区。2 种勘探方法异常区平面位置基本一致，且异常区呈条带分布在工作面上方，分布在距离切眼920～1 120 m 范围。

3）4 号异常区。2 种勘探方法异常区平面位置存在偏差，分布在距离切眼1 270～1 460 m 范围。

4）5 号异常区。在音频电穿透成果图中呈条带分布在工作面上方，2 种勘探方法异常区平面位置存在偏差，分布在距离切眼1 790～1 990 m 范围。

5）6 号异常区。在2 种勘探方法成果图中位置基本一致，分布在距离切眼2 100～2 380 m 范围。

6）7 号异常区。在音频电透视成果图中表现为2个条带分布，2 处富水性异常条带与2 条巷道瞬变电磁异常区的2 个异常中心相对应，分布在距离切眼2 490 m～停采线范围。

2.2 钻探工程

矿井311101 工作面采前，共施工56 个钻孔，由于为矿井及区内首采工作面，钻孔总体按照“均匀布孔，全面覆盖”的原则布置[17]。

根据钻探结果可知，无论钻孔终孔水量还是终孔水压力均有较大的差异，工作面顶板含水层富水性极不均一。56 个钻孔中，有7 个钻孔单孔涌水量小于10 m3/h，25 个钻孔单孔涌水量在10～20 m3/h之间，20 个钻孔单孔涌水量在20～30 m3/h 之间，4个钻孔单孔涌水量大于40 m3/h，工作面疏放水钻孔涌水量及水压分布图如图1。其中，涌水量最大的4个钻孔为别为位于物探3 号异常区及其附近H6-1、H6-2 和H5-1 孔以及位于物探1 号和2 号异常区附近的H2-1 孔，终孔水量分别达到60、40 m3/h。

图1 工作面疏放水钻孔涌水量及水压分布图Fig.1 Distribution map of water inflow and water pressure in borehole for drainage on working face

2.3 富水性分区结果

综合对比分析物探异常区和钻探揭露水量、水压分布情况，可综合划分工作面顶板富水性[18-19]。311101 工作面顶板物探与钻探成果对比图如图2。

通过对比图2（a）与图2（b）可知，两者之间具有较好的一致性，根据钻孔实际揭露情况，发现311101 工作面顶板存在4 处富水区。

对比疏放水钻孔揭露情况与工作面顶板物探揭露情况，可以看到，在物探非异常区施工的钻孔，涌水量及水压力均较小，表明本次物探成果无漏报的情况；在物探1 号、2 号、3 号、4 号、5 号、7 号异常区施工的钻孔，涌水量及水压力均较大，验证效果良好，在物探6 号异常区施工的钻孔，涌水量及水压力较小，验证效果较差，表明本次物探效果总体较好，错报率相对较低。

图2 工作面顶板物探与钻探工程成果对比图Fig.2 Comparison of geophysical exploration and drilling engineering results of working face

综合对比物探和钻探成果，311101 工作面顶板共存在4 处富水区，其中，1 号富水区位于距离工作面切眼0～460 m 区域；2 号富水区位于距离工作面切眼860～1 320 m 区域；3 号富水区位于距离工作面切眼1 590～1 950 m 区域；4 号富水区位于距离工作面切眼2 380～2 580 m（停采线）区域。

3 探采对比验证

工作面顶板含水层富水性综合分区结果与实际开采涌水量对比图如图3。

图3 工作面顶板含水层富水性综合分区结果与实际开采涌水量对比图Fig.3 Comparison between the results of water-rich comprehensive zoning of the roof aquifer of the working face and the actual water inflow

随着工作面的不断推进，其采空区涌水量曲线发生着“阶梯式”增加变化，工作面富水异常区与涌水量明显增长变化节点有着较好的对应关系。工作面每一区段的富水区基本能够对应涌水量增长的起步点，而在增长后的一段区域内，水量变化较为稳定，未有较大突变现象发生。通过前期工程探查和回采实际对比，可以验证针对此类水害问题选取方法和手段的可靠性和有效性。

同时，由工作面涌水情况可以分析，其煤层顶板含水层水基本以“静储量”为主、侧向补给的“动储量”为辅，“静储量”总体有限、“动储量”补给不足，造成工作面初次见方后覆岩垮落面积增大，导水断裂带波及高度加快上升，使得工作面涌水量发生了较大的升高，而后覆岩含水层“静储量”有所消耗，同时由于含水层弱富水性，其补给缓慢，导致后期水量稳中有进，但突变现象不多。

总结分析工作面涌水量变化，可以看到主要由以下几个较为明显的台阶：

1）工作面回采至338 m 时，顶板第1 次充分垮落，导水断裂带发育至最高，且处于1 号富水区，涌水量由172 m3/h 增大到327 m3/h。

2）工作面回采至1 031～1 074 m 期间，进入2 号富水区，涌水量由300 m3/h 增大到398 m3/h。

3）工作面回采至1 805 m 时，进入3 号富水区，涌水量由404 m3/h 增大到417 m3/h。

4）工作面回采至2 037～2 160 m 时，进入4 号富水区，涌水量由426 m3/h 增大到482 m3/h，涌水量达到最大。

最终，矿井311101 首采工作面涌水量稳定在490 m3/h，直至工作面回采结束。

4 结 论

1）311101 首采工作面采后形成的覆岩导水断裂带为主要充水通道，预计发育高度为120 m，矿井主要充水水源为侏罗系延安组和直罗组砂岩含水层水，这2 层含水层受沉积相控制，具有分布不连续，富水性不均一的特点。

2）采用“物探先行，钻探验证”的思路，对比物探异常区分布情况及对应钻孔涌水量及水压力分布情况，综合确定划分311101 首采工作面顶板的4 个富水异常区。

3）矿井311101 首采工作面在回采过程中，每经过1 处富水异常区时，其工作面涌水量均会出现1次“台阶式”的增加，对基于物探和钻探综合划分的顶板富水区进行了良好的验证。