★ 煤炭科技·地质与勘探 ★
李新汶1 赵国宏1 原泽文2
(1.新汶集团伊犁能源公司一矿，新疆自治区伊宁市，835000；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221000)
摘 要 伊犁一矿位于新疆伊犁州，地表被天山山前冲洪积层覆盖并接受天山雪融水直接补给，与含煤地层不整合接触，且主采煤层底板存在承压含水层，地下水补给、径流条件复杂。针对该矿5#煤层底板侏罗系砂岩含水层富水性中等，且具有承压性等水文地质问题，通过在伊犁一矿试采面5#煤层底板砂岩含水层进行放水试验，获取了该含水层的渗透系数，并对放水试验及水位恢复试验过程进行了分析，结果表明：放水试验形成的降落漏斗明显，疏降效果较好，5#煤层底板砂岩含水层具有良好的可疏降性，试采面通过适当疏降可消除底板砂岩含水层的突水威胁。
关键词 底板水 放水试验 渗透系数 疏降效果 伊犁一矿
随着我国煤炭开采重心的逐步西移，西部地区煤炭产量所占全国总产量的比重也逐年上升。“十二五”期间，国家加快了陕北、黄陇、蒙东、神东、宁东、新疆等大型煤炭基地的建设。截至“十二五”末，西部矿区煤炭产量占全国煤炭产量约65%，未来我国煤炭资源的主要供给地将主要集中在内蒙古、新疆、陕西、山西等地区。
受西部地区成煤时代及自然地理环境的控制，该区含煤地层具有形成时代晚、成岩程度差等显著特征，与东部石炭—二叠系含煤地层相比有着非常显著的差异。随着我国东部矿区开采水平不断向深部 (部分矿井已进入1000 m以下水平)拓展，东部矿区所面临的底板水害不断加剧，而西部矿区煤层普遍埋深较浅，在已有认识基础上，一般不会受到底板水害威胁，但在煤炭开发过程中同样出现了底板水害问题。由于地质条件的特殊性，东部矿区总结的开采经验已不能完全适用于西部，且目前针对西部矿区，尤其是新疆地区的水害问题研究很少，研究深度不够。因此，对于西部煤矿开采中的防治水问题，应加大力度研究，对西部特殊水文地质条件、水害形式及防治技术进行基础研究，从而进一步防治矿井水害的发生，保障矿井安全生产。
伊犁一矿位于伊南煤田，是新汶矿业集团公司伊犁矿区建设的第一个特大型现代化矿井，煤层赋存条件好，资源储量巨大，仅3#、5#煤层资源储备就达647亿t。3#、5#煤层厚度大(3#煤层平均12.4 m，5#煤层平均19.21 m)，储量丰富，煤层稳定，煤质好。试采煤层为5#煤层，煤层厚度9.20～23.95 m，平均厚度19.21 m，资源储量约8.7亿t。矿井计划生产能力1000万t/a，设计服务年限为160 a。
已有勘探资料表明，伊犁一矿开采技术条件与我国东部煤田差异较大，矿井建设及生产过程存在以下水文地质问题：本区位于南天山山前，地下水直接接受雪融水补给，补给较充沛、径流条件较好；地表松散的砾石层厚，覆盖各含隔水层露头，水文地质条件复杂；5#煤层底板隔水层薄，承压高、富水性好，且补给、径流条件复杂，对5#煤层开采威胁大，水文地质参数、涌水量等有待进一步评价和计算。
针对上述问题，以1502W试采面为例，在水文地质补勘工程的基础上，通过进行底板疏放水试验，利用地下水动力学原理，获取了该矿试采面底板含水层的渗透系数，并结合试验过程中水压变化及降落漏斗扩展情况，对该含水层的可疏降性进行了评价，为矿井防治水工作提供了依据。
1502W工作面位于伊犁一矿混合斜井以西。运输巷标高+1124.3～+1138.8 m ，回风巷标高+1116.0～+1128.6 m 。工作面走向长941 m，斜长83 m，平均煤厚18.3 m，工作面水平面积为80368 m2。地面标高+1259～+1269 m，平均标高+1264.0 m，工作面平均埋深124.42 m。
据前期勘探资料，试采面直接顶为泥质细砂岩或硅质、碳质泥岩，岩石强度低，平均抗压强度为10～20 MPa，属于软弱覆岩类型；直接底为泥岩或粉砂岩，泥质含量较高，有遇水泥化、崩解的特征，厚度7.5～17.5 m，平均厚度9 m；其下为细砂岩或粉砂岩，厚度5.3～25.1 m，平均厚度22.4 m，透水性和富水性较好。试采面地质构造条件简单，呈宽缓向斜构造，煤层倾角为6°～8°。
本矿区位于伊南煤田，地层由老至新为：古生界石炭系、二叠系，中生界三叠系、侏罗系、白垩系，新生界第三系、第四系。地层简述如下：
(1)第四系。第四系厚度39.50～82.60 m，平均厚度62.62 m，由南向北略有增厚。岩性由砂碎石和砾石组成，砾石砾径不一，成分多为火山喷发岩类和花岗岩类、石灰岩砾石等，上部有风成黄土，下部有冰水堆积物。第四系和下伏地层呈角度不整合接触。
(2)新近系。新近系厚度0.70～25.70 m，平均厚度11.88 m。岩性为棕红、褐红、土黄色及灰白色中粗砂岩、砂砾岩夹粉砂岩、泥质粉砂岩，底部为厚度5 m左右的粉砂岩或粘土岩，具有良好的隔水性能。新近系和下伏地层呈角度不整合接触。
(3)侏罗系。侏罗系厚度平均为230 m左右。岩性为灰黄色、灰绿色、灰色砂砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩和煤层。共含煤12层，自上而下分别为1#煤层、2#煤层、3#煤层、4-1#煤层、4-2#煤层、5#煤层、6#煤层、8#煤层、9-1#煤层、9#煤层、10#煤层和12#煤层。其中3#煤层、5#煤层全区分布稳定，为主要可采煤层。侏罗系底部发育有一层砾岩，前人称之为“达拉地砾岩”，是区域性标志层。
矿区总体上为一走向近东西、向北倾的单斜构造。地层沿走向、倾向较为稳定。走向上等高线略有起伏，呈现出宽缓的向、背斜构造。三维地震在试采区共发现断层7条，落差多在5 m以下，只有DF20落差达到8 m，对矿井生产影响不大。
研究区内主要含水层有第四系及新近系孔隙含水层(Ⅰ)和侏罗系裂隙—孔隙承压含水层(Ⅱ)，侏罗系裂隙-孔隙承压含水层自上而下又分为Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3和Ⅱ4含水层，其中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3均位于5#煤层顶板，渗透性差，富水性弱，对5#煤层开采影响较小。Ⅱ4含水层(以下简称“5底砂”)位于5#煤层底板，距离5#煤层仅0～16.22 m(其间岩性主要为泥岩及粉砂岩)，平均距离6.07 m，含水层厚度5.32～20.64 m，平均厚度15.22 m，岩性以含砾粗砂岩为主，其次为细砂岩，泥质胶结疏松。据补充勘探资料，该含水层承压水位+1130.73 m，工作面巷道内平均水压1.01 MPa，为试采面开采时的主要底板充水含水层。
针对5底砂含水层，矿区前期勘探已进行过单孔抽水试验及群孔放水试验，但由于放水流量小、持续时间短，且观测孔数量偏少，试验取得的水文地质参数精度较低。为此，特别在试采面内进行了一次群孔疏放水试验，进一步查明5底砂含水层的主要水文地质参数，以更好地指导矿井防治水工作。
本次试验利用补充勘探施工的4个放水孔、2个观测孔，结合前期施工的5底砂sy-9孔及5底砂x-2孔，共计8个孔进行井下放水试验。由于试放水阶段，原计划作为放水孔的FS2孔流量较小，临时改作观测孔，将GC1孔作为放水孔。放水阶段，FS1孔、GC1孔、FS3孔、FS4孔和5底砂sy-9孔共计5个孔同时放水，历时96 h，稳定总流量80 m3/h，累计放水总量为8200 m3；FS2孔、GC2孔和5底砂x-2孔观测，其中观测到的水位最大降深为GC2孔的降深68 m。各钻孔平面布置如图1所示。
图1 钻孔平面布置图
根据地下水动力学原理，群孔抽水试验任一点的降深由承压完整井非稳定流抽水的Theis公式计算得出:
(1)
式中： s——观测孔水位降深，m；
Q——抽水井的流量，m3/h；
T——导水系数，m2/d；
W(u)——井函数，与a、t、r有关；
r——观测孔据抽(放)水孔的距离，m；
a——压力传导系数，m2/d；
*——贮水系数。
根据3个观测孔的实际观测数据，利用配线法原理进行求参，具体步骤如下：
(1)在双对数坐标纸上绘制W(u)-1/u标准曲线。
(2)在另一张模数相同的透明双对数纸上绘制实测的s-t/r2曲线。
(3)将实际曲线置于标准曲线上，在保持对应坐标轴彼此平行的条件下相对平移，直至两曲线重合为止。
(4)任取一匹配点(在曲线上或曲线外均可)，读出匹配点的对应坐标值:W(u)，1/u，s和t/r2，带入式(1)计算参数。
上述求参过程可在EXCLE中编写成计算机程序，将抽(放)水试验的观测数据输入EXCLE中即可得到求参结果，具体求参过程见图2～图4，求参结果见表1。
图2 FS2观测孔Theis配线图
图3 GC2观测孔Theis配线图
图4 5底砂x-2观测孔Theis配线图
表1 配线法求参结果
观测孔编号稳定降深/m求参结果T/m2·d-1K/m·d-1FS25219.230.86GC2688.800.405底砂x-235.415.280.69
因此，将配线法得出的5底砂含水层渗透系数的平均值K=0.65 m/d作为推荐选用参数。
疏干降压(简称“疏降”)是借助专门的工程(如疏水巷道、抽水钻孔、防水钻孔、吸水钻孔等)及相应的排水设备，积极地、有计划、有步骤地影响采掘安全的含水层降低水位(水压)或造成不同规模的降落漏斗，使之局部或全部疏干，在调节水量及水压、保证采掘安全等方面起着积极作用。前已述及，5底砂总体上渗透性较好，富水性中等，由于其具有承压性，对5#煤层开采具有威胁，若5底砂可被疏干降压，则会大大降低开采成本。
在放水试验过程中，5个放水孔稳定总流量只有80 m3/h，但3个观测孔均在较短的时间水压急剧下降，如图5～图7所示，降深明显，表明放水试验所形成的降落漏斗明显，含水层疏降效果较好。另外，放水过程共计96 h，在关闭阀门128 h后，近距离的2个观测孔的水位与初始水位仍有一定差距(128 h后未进行观测)，表明5底砂含水层虽接受天山雪融水补给，但其补给条件较差，补给强度不高，具有可疏降性，因此在开采前可对其进行适当疏降。
图5 FS2水压变化曲线图
图6 GC2水压变化曲线图
图7 5底砂x-2水压变化曲线
综上，1502W试采面虽距离天山较近，5底砂含水层接受雪融水补给，渗透性较好，但其补给量有限，试采面较易被疏降，可在回采前于适当位置放水钻孔，将底板水压降至安全水压以下，消除试采面的底板水害威胁。
(1)在补勘工程基础上，设计伊犁一矿试采面5底砂放水试验，通过试验取得的数据，运用配线法对5底砂含水层进行水文地质求参，并利用Boulton模型进行矫正，求参结果为K=0.65 m/d。
(2)放水试验及水位恢复试验过程中各观测孔的水压变化情况，表明5底砂含水层补给量有限，具有良好的可疏降性，在试采面回采前可通过布置疏降工程消除底板水害威胁。
(3)研究表明，西部矿区地层条件特殊，同样存在底板水害的问题。在明确其水文地质条件的基础上，亦可通过疏降工程等措施消除底板水害威胁，对西部矿区底板防治水工作的开展有一定的借鉴意义。
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Li Xinwen1, Zhao Guohong1, Yuan Zewen2
Abstract Yili No.1 Mine is located in Yili, Xinjiang, the surface of mining area is covered by the Tianshan piedmont alluvial deposit and recharged by Tianshan snow melt water directly, and it has an unconformable contact with coal-bearing stratum. The confined aquifer exists in the floor of the main coal seam, and the conditions of groundwater recharge and runoff are complicated. Aiming at the hydrogeological problems of Jurassic sandstone aquifer in No. 5 coal seam floor in this mine, such as medium water abundance and pressure-bearing characteristics, through the water discharge test of the No. 5 coal seam sandstone aquifer in the test face of Yili No. 1 Mine, the permeability coefficient of the aquifer was obtained, and the water discharge test and water level recovery test process were analyzed. The results showed that the falling funnel formed by the water discharge test was obvious, and the drainage and pressure-relief effects were good. The No. 5 coal seam sandstone aquifer had good conditions for water drainage and pressure-relief, and the test mining face could eliminate the water inrush threat of the floor sandstone aquifer by appropriate water drainage.
Key words floor water, water discharge test, permeability coefficient, drainage and pressure-relief effect, Yili No.1 Mine
中图分类号 TD163.1 TD745.2
文献标识码 A
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2013CB227901)，国家自然科学基金资助项目(41502282)
引用格式：李新汶，赵国宏,原泽文. 矿井底板水文地质条件探查及可疏降性评价[J]. 中国煤炭，2019,45(1)：51-54，71.
Li Xinwen, Zhao Guohong, Yuan Zewen. Hydrogeological conditions exploration and depressurizing feasibility evaluation of mine floor[J]. China Coal, 2019, 45(1):51-54，71.
作者简介：李新汶(1974-),男，山东临沂人，助理工程师，从事煤矿地质及水文地质工作。