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宁夏东部灵盐含煤区地层水量分析及疏降排协同技术研究

吕兆海 赵长红 张艺耘 岳晓军 靳亚军 靳 华 李立波

(国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏回族自治区银川市，750001)

摘 要 综合比对鸳鸯湖、马家滩、积家井矿区的水文地质条件，分析了红柳、双马、麦垛、金家渠矿区内顶板含水层特性，通过对侏罗系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。提出了工作面涌水量是由静态水量和动态水量构成，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，动态水量造成的水害不确定性极强，是工作面控制灾害的重点；通过采取束状钻孔、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的理论分析，得出工作面最大涌水量是正常涌水量的1.38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 承压含水层 工作面涌水量 静态水量 动态补给量 疏降水技术

中图分类号 TD74

文献标识码 A

引用格式：吕兆海，赵长红，张艺耘等. 宁夏东部灵盐含煤区地层水量分析及疏降排协同技术研究[J].中国煤炭，2019,45(12)∶59-65.

Lv Zhaohai, Zhao Changhong, Zhang Yiyun,et al. Study on stratum water quantity analysis and water pressure reducing and drainage technology in Lingyan coal-bearing area in eastern Ningxia[J].China Coal, 2019，45(12):59-65.

Study on stratum water quantity analysis and water pressure reducing and drainage technology in Lingyan coal-bearing area in eastern Ningxia

Lv Zhaohai, Zhao Changhong, Zhang Yiyun, Yue Xiaojun, Jin Yajun, Jin Hua, Li Libo

(National Energy Group Ningxia Coal Industry Group Company, Yinchuan, Ningxia 750001, China)

Abstract This paper comprehensively compared the hydrogeological conditions of Yuanyanghu, Majiatan and Jijiajing mining areas, analyzed the characteristics of roof aquifers in Hongliu, Shuangma, Maiduo and Jinjiaqu mining areas. The analysis results of the hydraulic relations between the main Jurassic aquifers showed that the hydraulic relations between Yan'an formation aquifers and the lower part of Zhiluo formation aquifers were close and needed to be controlled in the mining process. The evaluation method of working face water inflow is proposed, which included static water inflow and dynamic water inflow. It was pointed out that the static water inflow was the direct cause of water hazards at the working face, and the dynamic water inflow was mainly composed of conducting and connecting water from other aquifers and surface water. The water hazards with strong uncertainty caused by the dynamic water inflow was the key point of the working face control. The static water inflow and water pressure could be effectively reduced by bundle drilling, targeting hydrophobic, group hole drainage and other technologies, so as to reduce the threat of water hazards at the working face. According to the theoretical analysis of groundwater dynamic recharge, it was concluded that the maximum water inflow at working face was 1.5 times of normal water inflow; different drainage systems that constructed according to different aquifer water-rich conditions, hydraulic connections between aquifers and water inflow could effectively improve the mine disaster resistance capability.

Key words hydraulic connection, confined aquifer, working face water inflow, static water inflow, dynamic supplementary amount, drainage technology, water pressure reducing technology

宁夏主要含煤区位于北部的石嘴山-沙巴台-石炭井-呼鲁斯太一带，西部的香山地区，东部的横城和韦州和南部的王洼一带。其中，二叠纪含煤区为线驮石一带，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)，境内含煤面积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征，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，少数矿井地层富存承压含水层。

1 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-半干旱区的地质特征。含水层按赋存条件和水力性质不同，可主要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。其中，松散岩类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；碎屑岩类裂隙～孔隙承压水含水层由古近系、白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系与石炭系等碎屑岩构成，影响本勘查区的主要含水层为侏罗系含水层，含水层分类如图1所示，第四系含水层分布如图2所示。

1.1 松散岩类孔隙水含水层

灵盐台地松散岩类孔隙含水层为坳谷洼地潜水，岩性以砂砾石为主，厚度小于10 m，水位埋深1～5 m，其富水性受汇水面积与含水层厚度和广度控制，多数地区富水性弱，但坳谷洼地的局部区域富水性较强，钻孔涌水量可达100～1000 m3/d。

1.2 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，在构造有利的条件下，可形成富水段。

(1)古近系主要分布于本区以北横山堡矿区、鸳鸯湖矿区，钻孔揭露最大厚度220 m，上部为红色粘土岩，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。

(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，据资料显示，钻孔单位涌水量为0.5 L/(s·m)。

(3)侏罗系砂岩含水层分布在碎石井矿区、鸳鸯湖矿区及马家滩矿区。侏罗系砂岩含水层包括侏罗系中统直罗组、延安组和侏罗系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0.006～0.1988 L/(s·m)；延安组砂岩含水层富水性较弱，钻孔单位涌水量为0.0043～0.5408 L/(s·m)。

(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。钻孔单位涌水量0.00159～0.000373 L/(s·m)，属富水性弱的含水层。

2 承压含水层水害案例及因素分析

2.1 典型水害案例

灵盐含煤区承压含水层主要分布在侏罗系中统直罗组裂隙孔隙承压含水层，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开采区域[1-2]。如麦垛山煤矿在掘进2#煤层输送机巷揭露F26正断层时，由于掘进过程中巷道覆岩结构失稳、含水层平衡状态打破，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201工作面，其顶板结构为厚度14.6～47.17 m的直罗组下段下分层粗砂岩含水层，其上为厚度7～25.5 m的粉砂岩、泥岩(平均厚度20 m)隔水层，再向上为厚度29.07～41.76 m的直罗组下段上分层粗砂岩含水层，回采期间先后发生了4次不同规模的突水，最大涌水量达到3000 m3/h。

2.2 水害形成因素分析

(1)水害与地质构造的关系。工作面开采过程中，煤层顶底板与上下部承压含水层之间的隔水层厚度太小、强度偏低，无法承受含水层水头压力，或巷道掘进作业邻近断层时顶板受扰动作用进而诱发导水带破裂，引发水源突水[3-4]。

(2)水害与顶板隔水层的关系。煤层顶板突水主要受地质构造、隔水层厚度及承受水压、底板组合岩性和应力因素等影响。在采动应力的作用下，采空区形成明显的“三带”特征[5]，顶板产生裂隙并向上扩展延伸，在高承压水条件下，扩张裂隙形成导水通道，最终使采掘空间与顶板含水层联通而导致突水。

(3)水害与含水层水压的关系。覆岩破断与导水裂隙带的理论表明，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[6-8]。在工作面回采期间，随着采空区悬顶距离、面积的扩大，上覆隔水层弯曲变形达到极限，瞬时产生大量裂隙，导水裂隙带高度随之增加。因此，采取有效的疏降水技术、降低水压对预防工作面突水有明显效果。

(4) 侏罗系含水层之间的水力联系。延安组含水层与直罗组下段含水层水力联系密切，存在导水通道时，直罗组下段含水层将成为其补给来源，在回采过程中应重点控制。图3是侏罗系延安组含水层放水试验期间含水层水位变化情况，从图3可以看出通过疏放水孔对延安组含水层放水，直罗组下段含水层水位下降幅度随着放水孔水量增大而增大，其响应时间随放水孔水量增大而缩短、水压也随之减小。

3 工作面涌水量变化分析

工作面涌水量由静态水量和动态水量组成，静态水量随着工作面疏放水量的增加，静态水量、水压逐渐减弱；动态水量主要由导通、连通其他含水层及地面水构成，对工作面的危害较大[9-10]。

3.1 静态水量分析

工作面周期性涌水中顶板砂岩含水层封存地下水静态水量为主要来源，考虑到该含水层水压和弹性释水系数的影响较小，静态水量仅考虑重力给水的水量值。

工作面顶板含水层静态水量采用下式计算：

式中：Q静态——地下水静态水量，m3；

Q重力——重力给水量，m3；

Q弹性——地下水弹性储存量，m3；

μd——含水层重力给水度；

F——疏干范围面积，m2；

h——含水层厚度，m。

以双马煤矿I0104105工作面为例，利用静态水量计算公式对工作面顶板砂岩水顶板周期来压步距(60 m)范围内含水层的静态水量及全工作面静态水量进行估算，见表1，为工作面探放水钻孔布置提供科学依据。由给水度、静态水量数值，可以看出顶板含水层孔隙度均匀、给水来源稳定。

3.2 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估算。大井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：

(3)

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；

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可采用下式计算：

(4)

式中：S——水位降深，m。

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：

(5)

式中：a，b——矩形工作面的边长；

η——不同几何形态矿坑的系数。

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1.38。

3.3 矿井排水体系构建

针对不同含水层富含水条件及含水层之间的水力联系、静态水量、动态水量及涌水量大小不同的特点构建相应的排水体系，有效提高矿井抗灾能力。

3.3.1 工作面排水系统

工作面水仓及排水系统设计取决于工作面最大涌水量。金家渠煤矿110301首采工作面排水泵房设在辅助运输巷道，3个水仓有效容积1900 m3(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2台应急潜水泵(BQS240-24×8-260 kW)。排水管路选用2趟ø219 mm无缝钢管，1趟应急ø250 mm玻璃骨架树脂钢管，1趟ø273 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。麦垛山煤矿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台型号MD150-67×4、功率200 kW、额定流量150 m3/h；1台型号MD450-60×6、功率800 kW、额定流量450 m3/h；采用2用1备方式，水泵扬程402 m，排水管路选用2趟ø219 mm无缝钢管和3趟ø159 mm无缝钢管。

3.3.2 矿井主排水系统

基于勘探阶段全井田最大涌水量设计主排水系统，选取4个典型矿井的主排水系统，从水泵选型、水仓容积、排水管径等方面进行优化。

(1)金家渠煤矿在+920 m水平(副立井井底)设置主排水系统，内外水仓设计蓄水量共计5000 m3，安装5台(MD500-57×10型)矿用耐磨多级离心泵，2用2备1检修；排水管路选用2趟ø377 mm无缝钢管，1用1备；在主排水泵房附近设置抗灾潜水泵硐室，敷设1趟ø377mm管路，用于矿井透水时抗灾抢险。

(2)红柳煤矿在+1000 m水平设置矿井主排水系统，矿井有主水仓(5000 m3)、一号副水仓(4000 m3)、二号副水仓(3000 m3)3个水仓(设计蓄水量为12000 m3、有效蓄水量为9600 m3)，沿副立井敷设4趟DN350×17排水管路，安装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1100/595/2800 kW、扬程550 m、流量1100 m3/h、电压等级10 kV、电机功率2800 kW)。

(3)双马煤矿在+1046 m水平设置矿井主排水系统，甲、乙、丙3条水仓设计蓄水量共计8003 m3，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 mm×12 mm聚乙烯复合钢管(基材无缝钢管)材质的排水管路，矿井正常涌水期2趟工作，1趟备用，最大涌水期3趟工作。

(4)麦垛山煤矿在+868 m水平设置矿井主排水系统，3个主水仓设计蓄水量共计8487 m3(甲仓3176 m3、乙仓3062m3、丙仓2249 m3)，主水平泵房安装5台MD600-118×9型离心泵(2用2备1检修，沿立井敷设3趟DN350排水管路。+925 m辅助水平排水系统设置2个主水仓(甲仓2481 m3、乙仓1730 m3)，设计蓄水量为4211 m3，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2趟DN350排水管路，将矿井水排至主井集中水调节池。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BQ725-662/25-1900/W-S、扬程662 m、流量725 m3/h、电压等级10 kV、电机功率1600 kW)。各主排水系统水泵性能见表2。

4 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，采取合理的疏、降、排水技术对静态水量进行疏放，可有效降低含水层区域水量及水压[11-13]。在静态水量的防治中主要采取靶向疏放水、群孔疏放水、边界泄水巷集中疏放水、消峰平谷预疏放水等技术，对上述几种疏放水技术可根据现场条件单独使用，也可协同使用。

4.1 靶向疏放水技术

以金家渠煤矿110301工作面为例，工作面自切眼向停采线方向施工疏放水钻孔，将切眼附近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，以最少的钻孔工程量实现最大限度的顶板水疏放。主要含水层靶向疏放水布置如图4所示，根据试验结果并按照靶向疏放水技术特点施工钻场24个、钻孔82个、钻孔工程量12401 m，其中工作面回风巷道设计11个钻场、钻孔43个、钻孔工程量6122 m，套管长度493 m，辅助运输巷道设计12个钻场、钻孔33个、钻孔工程量5389 m、套管长度603 m，离层水钻场1个、钻孔6个、钻孔工程量890 m、套管长96 m。截至2018年10月7日疏放水量192.65万m3，最大单孔涌水量由154 m3/h降至5 m3/h、含水层水头压力由0.82 MPa降至0 MPa。

4.2 群孔疏放水技术

以红柳煤矿I040203工作面为例，该工作面含水层(顶板直罗组砂岩含水层)位于采动冒裂带范围内，属层状承压水含水层，工作面回采后将直接揭露该含水层。在工作面回采前期采用群孔疏放钻孔进行疏放水，钻孔为上仰孔，呈扇形布署，定向钻孔布置在切眼下口硐室内，常规钻孔布置在工作面上部600 m范围(定向钻孔未覆盖区域)。定向钻场1个，设计5个主孔1个分支疏放水钻孔，设计工程量2407 m，孔口套管长度150 m；常规疏放水钻场18个、钻孔65个，其中在I040203工作面切眼下口布置2个钻场、10个钻孔，在I040203回风巷布置10个钻场、36个钻孔，在I040203运输巷布置3个钻场、7个钻孔，在I040204回风巷布置3个钻场、12个钻孔、钻孔工程量8893.9 m、安装套管长度390 m。定向钻孔疏水效果情况如表3所示，最大涌水量与开采前涌水量对比得出定向钻孔疏放水效果显著。

4.3 边界泄水巷集中疏放水技术

为开展采区疏放水工作在采区边界布置专用泄水巷，由临时水仓、泵房、排水管路等组成。边界泄水巷集中疏放水技术一方面可减少煤炭资源损失，另一方面专用泄水巷受采动影响较小，巷道长期保持稳定，能在较长周期内为采区工作面疏放水工程服务。这种集中疏放水技术在金家渠煤矿、双马煤矿、红柳煤矿等进行了很好的工程应用。

4.4 消峰平谷预疏放水技术

疏水降压作为特定条件下采取的一种防治水技术手段，双马煤矿I0104105工作面上覆直罗组下段粗砂岩含水层和延安组砂岩含水层为工作面回采过程中的直接充水水源。在顶板砂岩含水层地下水流场处于原始状态时，提前对2#～4#煤层间延安组含水层和直罗组下段粗砂岩含水层进行疏放，减小采后周期性冒落引起的峰值涌水量，实现消峰平谷。在I0104105工作面切眼附近400 m范围内开展顶板水预疏放试验，施工13个钻场、53个钻孔、钻孔工程量4770 m。其中，风巷布置3个钻场、11个钻孔、钻孔工程量1103 m，机巷布置10个钻场、42个钻孔、钻孔工程量3667 m。风机两巷顶板疏放水工作从2017年5月22日开展至2018年3月，累计疏放水量约18.7万m3。

5 结论

(1) 工作面涌水量主要由静态水量和动态水量构成，静态水量随着工作面疏放水量的增加，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) 靶向疏放水、群孔疏放水、边界泄水巷集中疏放水、消峰平谷预疏放水技术对于工作面含水层静态水量的疏放效果明显，可明显减弱水害的影响。

(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) 动态水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1.38倍。

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作者简介：吕兆海(1980-)，男，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。E-mail:280151265@qq.com。

(责任编辑 张艳华)