宁夏东部灵盐含煤区地层水量分析及疏降排技术研究
吕兆海 赵长红 张艺耘 岳晓军
（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏银川750001）
摘要 文章综合比对鸳鸯湖、马家滩、积家井矿区的水文地质条件，重点分析红柳、双马、麦垛、金家渠矿区内顶板含水层特性，通过对侏罗纪主要含水层之间的水力联系分析，说明延安组含水层与直罗组下段含水层之间水力联系密切，在回采过程中需重点控制。并提出了工作面涌水量由静态水量及动态水量构成，并确定静态水量、动态水量的评估方法。指出静态水量是工作面水害形成的直接原因，动态水量主要由导通、连通其他含水层及地面水构成，动态水量造成的水害不确定性极强，是工作面控制的重点；采取束状钻孔、靶向疏水、群孔疏放水等技术有效降低工作面静态水量及水压，减小工作面水害威胁，依据对地下水动态补给量理论分析，得出工作面最大涌水量是正常涌水量的1.5倍；针对不同含水层的富含水条件及含水层之间的水力联系、涌水量大小构建不同的排水系统，有效提高矿井抗灾能力。
关键词 水力联系 靶向疏水 群孔疏放水 水量分析
1概 述
宁夏主要含煤区是北部的石嘴山-沙巴台-石炭井-呼鲁斯太一带、西部的香山地区、东部的横城和韦州、南部的王洼一带，其中二叠纪含煤区为线驮石一带的油井山矿区；中生代含煤地层主要分布在贺兰山的汝萁沟，东部的碎石井、鸳鸯湖至萌城，西部的下流水、窑山等地。宁夏作为全国富煤省（区）含煤面积1.17万km2，煤炭远景储量2041亿t，探明储量319亿t；其中宁东煤田含煤面积3500 km2，探明地质储量273.14亿t，占全宁夏探明储量的88.6%，是国内少有的整装煤田。
宁夏气候具有西北干旱少雨典型特点，年均大气降水量不足蒸发量的10%。矿区水患多为第三系、第四系孔隙水，地表径流水（洪水），构造裂隙水，死火区、烧变岩区或采空区积水；少数矿井地层有承压含水层。
2灵盐含煤区含水层分布规律
鸳鸯湖矿区、马家滩矿区、积家井矿区地处西北内陆，为典型的半干旱半沙漠大陆性气候。地貌为沙漠、半沙漠与草原的过渡带，现代沙丘、沙梁及第四系松散沉积物广布。区域地下水的分布呈现出西北地区特有的干旱、半干旱区的水文地质特征，影响宁东煤田的地表水主要有边沟、西天河、苦水河等。边沟位于宁东煤田北部边界沿长城一线，西天河横贯鸳鸯湖矿区、碎石井矿区；马家滩矿区属于苦水河流域。
区域含水层按赋存条件和水力性质不同，可划分为松散岩类孔隙潜水含水层、碎屑岩类裂隙—孔隙承压水含水层及碳酸盐岩类岩溶—裂隙承压水含水层。其中孔隙潜水含水层由各种成因类型的第四系松散堆积层组成，分布于山间小型洼地及沟谷等。碎屑岩裂隙—孔隙承压水含水层由古近系、白垩系、侏罗纪、三叠系、二叠系与石炭系等碎屑岩组成，影响本勘查区的主要含水层为侏罗纪含水层。灰岩溶裂隙含水层是以下古生界奥陶系灰岩为主的地层，主要分布于横城矿区，大部为第四系及第三系掩盖，仅在青龙山一带有零星出露，见图1和图2。
图1含水层分类
图2第四系含水层分布
2.1松散岩类孔隙水含水层
本含水层组由各种成因类型的第四系松散岩堆积层组成。灵盐台地松散岩类孔隙含水层为坳谷洼地潜水，岩性以冲洪积的砂砾石为主，厚度一般小于10 m，水位埋深1～5 m，其富水性受汇水面积与含水层的厚度和广度控制，多数地区富水性弱，但坳谷洼地的局部区富水性较强，钻孔涌水量可达100～1000 m3/d。
2.2碎屑岩类裂隙—孔隙水含水层
碎屑岩类裂隙—孔隙含水层分布于灵盐台地西部的磁窑堡至石驿沟一带，主要由古近系、白垩系、侏罗纪和三叠系的砂岩裂隙—孔隙含水层构成。一般水量不大，在构造有利的条件下，亦可形成富水段。
（1）古近系主要分布于本区以北横山堡工作区、鸳鸯湖工作区，钻孔揭露最大厚度220 m，其岩性上部为红色黏土岩，富含石膏，下部主要为泥岩和粉细砂岩互层。含水层富水性弱，水质差。
（2）白垩系主要分布在面子山、四耳山、清水营井田北部及马柳断层以东。岩性以砾岩为主，据资料，钻孔单位涌水量为0.5 L/（s·m），冯记沟东南的铁柱泉流量为41.67 L/s。
（3）侏罗纪砂岩含水层分布在碎石井矿区、鸳鸯湖矿区及马家滩矿区。侏罗纪砂岩含水层包括侏罗纪中统直罗组、延安组和侏罗纪下统富县组砂岩裂隙—孔隙含水层。直罗组底部厚层粗粒砂岩单位涌水量0.006L～0.1988 L/（s·m）。延安组砂岩含水层富水性一般较弱，钻孔单位涌水量为0.0043 ～0.5408 L/（s·m）。灵新矿在建井施工中，揭露该含水层最大涌水量231~278 m3/h，现在涌水量仍保持在80 m3/h，说明该含水层富水性中等。
（4）三叠系主要分布于刘家庄、鸳鸯湖背斜核部。岩性为中、细粒砂岩、粉砂岩及泥岩、含砾长石粗粒砂岩。在以往钻孔施工过程中发生漏水现象。钻孔单位涌水量0.000373～0.00159 L/（s·m），属富水性弱的含水层。
3承压含水层水害形成机理
3.1典型水害案例
灵盐含煤区承压含水层主要分布在侏罗纪中统延安组2~6煤间，在工作面掘进、开采过程中揭露地质构造带形成导水通道或人工钻孔等形成的导水通道将直接导致含水层水涌入井下。例如：麦垛山煤矿在掘进2煤输送机巷时揭露F26正断层，由于掘进过程中巷道覆岩结构失稳含水层平衡状态被打破，导水裂隙带与直罗组下段含水层贯通，诱发大面积溃沙、涌水，最大涌水量达到400 m3/h，红柳煤矿I010201工作面回采期间发生了4次规模不同的突水，最大突水量3000 m3/h，根据地质资料显示I010201工作面范围内2煤基本顶为直罗组下段下分层粗砂岩含水层，厚度14.6～47.17 m，平均厚度22.2 m；其上为7～25.5 m粉砂岩、泥岩，平均厚度20 m，为隔水层；再向上为厚29.07～41.76 m，均厚40.6 m的直罗组下段上分层粗砂岩含水层。
3.2水害形成因素分析
3.2.1水害与地质构造的关系
煤矿开采过程中，所涉及的地质构造主要包含陷落柱、断层、褶曲，如果所采煤层顶底板与上下部承压含水层之间的隔水层岩石厚度太小，无法承受压力或巷道接近断层时，产生扰动诱发现象，从而诱发导水带破裂，引发水源突水的现象。
3.2.2水害与顶板隔水层的关系
覆岩关键层运移破断与采场矿压及离层水害存在因果关系，煤层顶板突水的主要地质影响因素为地质构造、隔水层厚度及承受水压、底板岩性组合和应力等。在采动压力的影响下，采空区形成明显的“三带”特征，顶板产生裂隙并向上扩张延伸；隔水层底部原始裂隙受采动影响而发生扩张并向上“递进贯通”，在高承压水条件下，扩张裂隙形成导水通道，层内水力联系增强，渗透性显著增大，最终使采掘空间与顶板含水层连通而导致突水。
3.2.3水害与含水层水压的关系
巨厚含水层下煤层顶板突水概率与含水层水压成正比关系，覆岩破断与导水裂隙带的理论研究表明，覆岩中存在离层蓄水空间，顶板含水层水压是导致工作面瞬时出水量大的根本原因。在工作面回采期间，随着空顶距离、面积的扩大，采空区上方隔水层弯曲变形达到极限，瞬时产生大量裂隙，导水裂隙带高度增加，将直罗组上段含水层水与采空区联通。因此采取有效的疏降水技术，降低水压对防治工作面突水有较为明显的作用。
3.2.4侏罗纪含水层之间的水力联系
图3是侏罗纪延安组含水层放水试验过程中直罗组下段含水层水位变化情况。从图3可以看出当疏放水孔对延安组含水层放水时，直罗组下段含水层水位下降幅度随着延安组含水层放水孔水量增大而增大，响应时间随放水孔水量增大而缩短，说明延安组含水层与直罗组下段含水层水力联系密切，受直罗组下段含水层的直接补给，在回采过程中应重点控制。
图3侏罗纪水力联系变化图
4工作面水量分析
工作面总涌水量由静态储量和动态补给量组成，静态水量为随着工作面疏水量的增加，水量、水压逐渐减弱；动态水量主要为导通、连通其他含水层及地面水构成，对工作面的危害较大。
4.1地下水静态量分析
工作面周期性涌水水量中顶板砂岩含水层古封存地下水静储量为主要构成部分，工作面顶板充水含水层静态储量采用下式计算：
式中：Q 弹性——地下水弹性储存量；
μe——弹性释水系数（忽略）；
μd——含水层重力给水度；
F——疏干范围面积，m2；
h——自含水层顶面算起的水头高度；
m——含水层厚度。
以双马煤矿I0104105工作面为例，利用静储量计算公式分别对工作面煤顶板砂岩水的总静储量、顶板初次来压步距（按60 m考虑）范围内以及周期来压步距范围内含水层的静态储量进行估算，结果见表1。
表1地下水静态储量计算表
4.2地下水动态补给量分析
动态补给量即工作面周期来压后，工作面老顶垮落后形成的稳定涌水量，动态补给量采用“大井法”预计。“大井法”作为矿坑涌水量计算常用方法，基于把矿区水平坑道系统所占面积等价于一个理想的“大井”面积，整个坑道系统的涌水量就相当于“大井”的涌水量，其计算公式如下：
式中：Q——涌水量，m3/h；
K——渗透系数；
M——含水层厚度，m；
H——水头高度，m；
S——水位降深，m；
R0——引用影响半径，m；
r0——引用半径，m。
矿坑所在含水层概化为均质无限分布，天然水位近似水平，影响半径R0可采用如下式计算：
根据矿井采掘工程平面图，工作面形状近似一个矩形，计算半径公式为（表2）：
r0=η（a+b）4（7）
式中：a, b分别表示矩形工作面的边长。
表2计算引用半径参数η取值范围表
根据鸳鸯湖矿区、马家滩矿区、积家井矿区水文地质资料，回采工作面正常涌水量为200~300 m3/h，矿区各工作面最大涌水量与正常涌水量比值约为1.5。
4.3四大矿井主排水性能评价（表3）
表3排水设备性能参数对比表
（1）金家渠煤矿+920 m水平主排水系统设在副立井井底，安装5台（MD500-57×10型）矿用耐磨多级离心泵，2用2备1检修；选用2趟Φ 377 mm无缝钢管排水管路，1用1备；110301首采工作面排水泵房设在辅助运输顺槽，三个水仓有效容积1900 m（3甲仓550 m3、乙仓550 m3、丙仓800 m3），甲、乙水仓各安装3台（MD280-4×35,250 kW型）矿用耐磨多级离心泵，采用2用1备方式；丙仓内安装两台应急潜水泵（BQS240-24×8,260 kW型）。选用2趟Φ219 mm无缝钢管排水管路，1趟应急Φ250 mm玻璃骨架树脂钢管，一趟Φ273 mm钢质排水管路，正常排水能力626 m3/h，最大排水能力1140 m3/h。在主排水泵房旁设置抗灾潜水泵硐室，敷设1趟Φ377 mm管路，用于矿井透水时抗灾抢险（图4）。
图4井下水泵房硐室
（2）红柳煤矿在+1000 m水平设置矿井主排水系统，沿副立井敷设四趟DN350×17管路。矿井主水仓（5000 m3）、一号副水仓（4000 m3）、二号副水仓（3000 m3）三个水仓（设计蓄水量为12000 m3，有效蓄水量为9600 m3）。配有5台MD450-60×9型耐磨多级离心泵和7台MD650-80×7型耐磨多级离心泵；每台MD450水泵配1台YB2-710S1-4型隔爆型电动机，功率1000 kW，电压10 kV；每台MD650水泵配1台YB2-560-4型隔爆型电动机，功率1600 kW，电压10 kV。在主排水系统基础上另外安装了2台潜水泵（水泵型号为1100/595/2800 kW、扬程为550 m、流量为1100 m3/h、电压等级为10 kV、电机功率2800 kW）以提高矿井抗灾能力。
（3）双马煤矿+1046 m水平为矿井主排水系统，主排水泵房安装5台（MD500-57×6型）矿用耐磨离心式排水泵，2用2备1检修；沿主斜井敷设3趟D377×12 mm聚乙烯复合钢管（基材无缝钢管）排水管路，矿井正常涌水期2趟工作，1趟备用，最大涌水期3趟工作；井底水仓由甲、乙、丙三条水仓组成，有效容积约为8003 m3，有效容量大于8 h的矿井正常涌水量。
（4）麦垛山煤矿+868 m水平为矿井主排水系统，主排水系统设（甲仓3176 m3、乙仓3062 m3、丙仓2249 m3）三个主水仓，设计蓄水量为8487 m3；主水平泵房安装5台MD600-118×9型离心泵（2用2备1检修），通过沿立井敷设的3趟DN350管路，将矿井水直接排至主井集中水调节池；辅助水平（+925 m）排水系统设甲（2481 m3）乙（1730 m3）两个主水仓，设计蓄水量为4211 m3；辅助水平主泵房安装5台MD360-95×9型离心泵（2用2备1检修），电机功率1000 kW，扬程665 m，流量360 m3/h。沿副斜井敷设的2趟DN350管路将矿井水排至主井集中水调节池。130604工作面排水泵房设在130606工作面边界排水巷，水仓有效容积设计900 m3，安装3台离心泵：2台MD150-67×4,200 kW，额定流量150 m3/h;1台MD450-60×6,800 kW，额定流量450 m3/h。采用2用1备方式，扬程402 m，选用2趟Φ219 mm无缝钢管排水管路和3趟Φ159 mm无缝钢管排水管路。为提高矿井抗灾能力在+868 m水平安装了2台抗灾潜水电泵，水泵型号为BQ725-662/25-1900/W-S、扬程为662 m、流量为725 m3/h、电压等级为10 kV、电机功率1600 kW。
5主要疏降水技术及效果评价
静态水量是形成工作面水害的直接因素。因此，采取合理的疏降水技术对静态水量进行疏放，有效降低含水层水量及水压对有效预防工作面水害有积极作用。
5.1束状钻孔，靶向疏水技术
以金家渠煤矿110301工作面防治水为例，工作面自切眼向停采线方向施工疏放水钻孔，在切眼附近300 m范围作为疏放水试验段，一是探查该区段顶板含水层的可疏放性，对该工作面开采前的防治水安全进行评价论证；二是根据疏放水钻孔的放水效果，优化调整后期疏放水钻孔的参数及施工方法，实现用最少的钻孔最大限度地疏放顶板水，根据实验结果并按照束状钻孔，靶向疏水技术的特点共设计23个钻场，钻孔82个，孔深12 401 m，其中110301工作面回风顺槽设计11个钻场，钻孔43个，孔深6122 m，套管长度493 m;110301工作面辅助运输顺槽设计12个钻场，钻孔33个，孔深5389 m，套管长度60 m；离层水钻孔6个，孔深890 m，套管长96 m，见图5。截至2018年10月7日工作面共疏放水量192.65万m3。最大单孔涌水量由154 m3/h降低至0 m3/h，含水层水头压力由0.82 MPa降至0 MPa。有效缓解了水害对工作面回采的影响。
图5主要含水层靶向疏水布置
5.2群孔疏放水技术
以红柳煤矿I020202工作面开采的主要充水含水层（顶板直罗组砂岩含水层）为例，该含水层基本位于采动冒裂带之内，属层状承压水含水层。工作面回采后将直接揭露该含水层，含水层中的水必然通过冒裂带导入矿井。在工作面回采前期采用井下群孔疏放钻孔布置进行疏放水，风巷侧利用现有的I020202回风巷（原）施工，机巷侧在I020202运输巷施工，设计钻孔均为上仰孔，风、机两巷钻孔向工作面内部呈扇形布置。在I020202工作面风、机巷及I020202回风巷（原）布置钻场，每个钻场设计2~5个钻孔，风、机巷每组孔之间的间隔60 m，布置12个钻场，38个钻孔；风巷侧利用I020202回风巷（原）进行施工，共布置5个钻场，每组3孔，共15个钻孔；在I020202回风巷靠近切眼处待风巷及切眼施工完毕后再增加两组钻场，每组3孔，共6个钻孔，合计59个钻孔。井下疏水钻孔应尽量自煤层顶板完整段开孔，钻孔开孔Φ153 mm，下设6 m长的Φ127 mm、壁厚6 mm的孔口管，然后以Φ113 mm裸孔钻至终孔层位，终孔后安装闸阀，在风、机巷各选择2个水量较大钻孔安装2 MPa压力表。
5.3边界泄水巷泄水技术
边界泄水巷主要是为解决工作面顶板疏放水的工作在采区边界布置专用泄水巷，一般由临时水仓、临时泵房等组成。该布置方式一方面可减少煤炭损失，另一方面专用泄水巷受采动影响较小，可以在工作面采动过程中保持相对完好，在较长的时间内为工作面的疏放水工作服务。这种疏放水技术在金家渠、双马、红柳等矿进行了很好的应用，并取得了一定的效果。
5.4“削峰平谷”预疏放水技术
疏水降压是矿井水害防治的重要技术途径，也是在特定条件下必须采取的防治水技术手段，双马煤矿I0104105工作面主要充水水源为直罗组下段粗砂岩含水层和延安组砂岩含水层，该含水层处于顶板导水裂缝带发育范围之内，为I0104105工作面回采过程中的直接充水含水层。由于I0104105工作面顶板砂岩含水层地下水流场处于原始状态，对2~4煤间延安组含水层和直罗组下段粗砂岩含水层进行提前疏放，减小采后周期性冒落引起的峰值涌水量，实现“削峰平谷”。将I0104105工作面切眼附近400 m范围内作为顶板水预疏放试验段；将工作面机巷后续区域作为全面疏放水钻孔段。工作面顶板疏放水钻孔共设计7个钻场，钻孔数量为171个，钻孔工程量为2997 m；其中工作面风巷布置3个钻场，共7个钻孔，孔深累计1103 m；工作面机巷布置10个钻场，共24个钻孔，孔深累计3667 m。工作面风机巷顶板水疏放工作从2017年5月22日开展至2018年3月，累计疏放水量约187420.8 m3。
6结论
（1）工作面涌水量主要由静态储量和动态储量构成，静态储量随着工作面疏水量的增加，水量、水压逐渐减弱；动态水量主要由水力联系较强的相邻含水层导通及地面水构成，对工作面危害较大，应重点加以控制。
（2）束状钻孔，靶向疏水技术、群孔疏放水技术对于工作面含水层静态储量的疏放效果明显，可明显减轻水害的影响。
（3）针对含水层富含水量的情况及不同含水层之间的水力联系、涌水量大小构建不同的排水系统，可有效提高矿井的抗灾能力。
（4）动态补给量即工作面老顶周期来压后的稳定涌水量，采用“大井法”进行预计工作面最大涌水量为正常涌水量的1.5倍。
参考文献
［1］师皓宇，石建军，田多，等．承压水上采场底板应力场分布及隔水层破断机理［J］．煤炭科学技术， 2016,44（11）:47-50.
［2］赵庆彪，赵兵文，付永刚，等．大采深矿井地面区域治理奥灰水害关键技术研究［J］．煤炭科学技术， 2016,44（8）:14-20.
［3］李波．峰峰组隔水关键层对下组煤带压开采的影响研究［J］．煤炭科学技术，2015,43（10）:67-71.
［4］贺晓浪，穆鹏飞，王英，等．煤矿厚层砂岩裂隙水精细疏放与综合利用技术研究［J］．中国煤炭， 2018,44（1）:110-115.
［5］娄金福，徐刚，林青，等．永陇矿区松软富水顶板灾变机理与防控研究［J］．煤炭科学技术，2018,46 （7）:10-18.
［6］李东，刘生优，张光德，等．鄂尔多斯盆地北部典型顶板水害特征及其防治技术［J］．煤炭学报， 2017,42（12）:3249-3254.
［7］徐智敏，高尚，孙亚军，等．西部典型侏罗纪富煤区含水介质条件与水动力学特征［J］．煤炭学报， 2017,42（2）:444-451.
［8］来兴平，崔峰，曹建涛，等．三软煤层综放工作面覆岩垮落及裂隙导水特征分析［J］．煤炭学报， 2017,42（1）:148-154.
［9］陈实，董书宁，李竞生，等．煤矿工作面顶板倾斜钻孔疏放水井流计算方法［J］．煤炭学报，2016,41 （6）:1517-1523.
［10］吕广罗，田刚军，张勇，等．巨厚砂砾岩含水层下特厚煤层保水开采分区及实践［J］．煤炭学报， 2017,42（1）:189-196.
［11］杜锋，李振华，姜广辉，等．西部矿区突水溃沙类型及机理研究［J］．煤炭学报，2017,42（7）:1846-1853.
［12］吕广罗，田刚军，张勇，等．巨厚砂砾岩含水层下特厚煤层保水开采分区及实践［J］．煤炭学报， 2017,42（1）:189-196.
［13］杨天鸿，师文豪，刘洪磊，等．基于流态转捩的非线性渗流模型及在陷落柱突水机理分析中的应用［J］．煤炭学报，2017,42（2）:315-321.
［14］伊茂森，朱卫兵，李林，等．补连塔煤矿四盘区顶板突水机理及防治［J］．煤炭学报，2008, （3）:241-245.
作者简介
吕兆海，生于1980年，安徽界首人，高级工程师，博士，主要从事煤矿安全生产管理、采场稳定性评价方面的研究。
赵长红，生于1981年，宁夏隆德人，高级工程师，大学本科，主要从事煤矿生产技术管理、软岩巷道支护方面的研究。
岳晓军，生于1986年，宁夏灵武人，大学本科，工程师，主要从事煤矿安全生产、安全管理工作的研究。
张艺耘，生于1973年，宁夏灵武人，大学本科，工程师，主要从事煤矿安全生产、采掘管理，软岩支护研究。