黄 浩

（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）

1 概述

呼吉尔特矿区含煤地层为侏罗系延安组，目前区内矿井主采2#、3#煤层。煤层埋深普遍在600m以下，埋深较大。在建井和回采过程中主要的水害威胁来自顶板砂岩裂隙水。煤层开采造成的导水裂缝带导通顶板直罗组中粗砂岩强含水层。根据煤矿防治水规定，煤层（组）顶板导水裂缝带范围内分布有富水性强的含水层，应当进行疏干开采。目前，顶板预疏放水技术主要是通过井下施工顶板预疏放水钻探工程来实现[1-2]。因此，查明直罗组砂岩含水层位置、分布特征以及富水规律，对于优化顶板疏放水钻孔设计和施工、提高顶板疏放水效果、避免无效疏放、保障工作面安全回采具有重要意义[3-5]。

2 顶板含水层沉积特性分析

矿井位于呼吉尔特矿区的中部。设计首采工作面设计走向长度4676.8m，斜长320m。主采煤层为2-1煤，煤层顶板埋深为623.45～646.08m，采高2.85m。采动引起的顶板导水裂缝带发育高度为85m，沟通直罗组含水层。

侏罗系中统安定—直罗组以辫状河、曲流河和湖泊相沉积为主。煤层顶板含水层富水性在平面和剖面上均显示出极强的不均一性特征[6]。其中，安定组在区域上属于相对隔水层。直罗组下段辫状河道砂岩具有良好的渗透性、连通性和成层性[7]。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，导致了矿井水文地质条件比较复杂，顶板含水层富水性极不均一。

2.1 含水层展布规律

通过高分辨率层序地层格架的建立，可以获得短期基准面旋回内超短期，建立不同级次基准面旋回中砂层数据库，在此基础上，绘制不同级次砂层厚度等值线图，反映砂体的平面分布特征。

直罗组一段砂体展布方向为北西—南东向展布（图1）。井田大部分区域砂体厚度为20～40m，H09钻孔附近、H 30钻孔附近、H 32钻孔附近的砂体厚度均大于40m。在H01钻孔、HK39钻孔、N43钻孔附近及HK01钻孔、HK12钻孔附近的砂体厚度均大于30m。在HK42钻孔附近，砂体发育较差，厚度小于10m；直罗组二段砂体厚度要比直罗组一段的大，但两者展布方向基本相同，亦为北西—南东向（图1）。该段砂体厚度20～40m。在N15钻孔、HK21钻孔附近，以及H18钻孔、h9钻孔附近的砂体较发育，厚度均大于40m；H16钻孔、HK44钻孔、HK47钻孔、H 40钻孔之间和HK13钻孔、H21钻孔、N49钻孔、H32钻孔之间的砂体厚度大于30m。砂体厚度小于10m的地方仅出现在HK37钻孔和HK09钻孔、H 12钻孔附近。

2.2 富水性分区

图1 直罗组一、二段砂体等厚图

分析葫芦素井田富水性的地质控制因素，并结合井田水文地质特征和钻孔抽水试验成果，重点考虑沉积环境和不同沉积相中砂岩的发育程度、孔隙度、断层等因素，根据综合量化指数值对井田范围内砂岩含水层分层进行了富水性分区。图2为直罗组一、二段富水性分区图。图中，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H 07钻孔和H 17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；直罗组二段富水条带总体上呈北西—南东方向展布，且在21102工作面内存在2处富水性较强的区域。图中显示地面H8水文长观孔和大53气井处于同一富水条带上。

根据勘探资料分析，首采工作面附近钻孔揭露2-1煤顶板距离直罗组一段的距离为2.85～6.81m。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。具体情况如图3所示。

图3表明：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；巷道掘进期间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38m3/h，其余钻孔水量基本在20m3/h左右。且在距离工作切眼2200～4120m段钻孔水量总体较为平均，平均水量为7m3/h。说明此段含水层富水性较好，验证了直罗组一段底部砂岩含水层富水条带的客观存在。

2015年矿井在掘进过程中，发生大53气井出水事故。图4为事故发生和治理过程中，H 8钻孔水位变化曲线。图中，大53出水前，H 8钻孔水位呈缓慢下降态势。之后经历了缓慢下降—急剧下降—缓慢恢复—快速恢复的过程。从4月26日大53气井出水，到6月25日治理完成，H8钻孔水位累积下降15.3m；治理完成后，H 8钻孔水位又上升3.29m。

分析整个过程，可以看出，二者之间响应明显，且H8钻孔水位响应存在滞后性。表明二者应处于同一个富水条带上。验证了沉积分析结果。

3 顶板水疏放

图3 首采面掘进期间探放水钻孔终孔水量柱形图

图4 H 8钻孔水位变化曲线

通过勘探及探查资料分析，确定工作面开采直接充水含水层，即疏放水的目的层位。通过瞬变电磁、沉积分析、掘进及钻孔资料总结分析，确定直罗组含水层富水性特征，即疏放水的重点区段。最终结合开采计划，确定了总体设计、分段实施、重点把控、持续优化、可控疏放的顶板疏放水技术路线。根据上述原则，工作面顶板探放水设计：回风顺槽10个钻场、运输顺槽10个钻场，共计78个钻孔，总进尺12480m。

经过2个多月的疏降，工作面600m段顶板疏放水钻孔流量趋于稳定（图5），稳定流量为35.6m3/h。说明基本完成直罗组一段静储量的疏放，进入动储量疏放阶段。且钻孔单孔流量疏放至5m3/h以下，水压疏降至1MPa以下。达到工作面采前安全要求，确保了工作面按时实现回采。

图5 工作面600m段顶板探放水钻孔流量曲线

4 结语

（1）通过对呼吉尔特矿区水文地质资料的分析，研究了区内矿井水害特征，确定了煤矿防治工作的研究重点为煤层顶板的延安组和直罗组2层砂岩含水层。

（2）通过对本区防治水工作经验总结，摸索一套适合该区域的深部侏罗系煤田顶板砂岩水防治技术体系：综合勘探，精细探查；动态监测，预测预报；统筹兼顾，优化设计；可控疏放，消峰平谷；减小扰动，循环利用。

（3）将该技术体系用于葫芦素煤矿首采21102工作面的防治水工作中，精细探查顶板导水裂缝带发育范围内含水层的富水特征，为工作面超前预疏放提供科学依据。最终，通过对顶板直罗组含水层的可控疏放，实现了工作面的安全回采。