1. 引言
我国西部侏罗系煤层开采过程中，煤层顶板上覆为多层基岩裂隙含水层及第四系松散含水层，充水水源主要为砂岩水，顶板砂岩水害是影响和威胁矿井安全生产的重要因素[1]。在工作面回采前必须对顶板主要砂岩含水层超前疏放，以减小回采过程中上覆含水层集中出水带来的水害威胁。有关该类型的煤层顶板水的疏放前期做了相关研究，主要为顶板水疏放钻孔参数设计[2]-[4]、疏放水量影响因素分析[4]、疏放水效果的评价等[5]-[8]，以上研究为我国西部中生代煤层开采中避免顶板水害事故发生起到了一定的指导作用。
由于侏罗系在沉积过程中，形成巨厚砂岩含水层，不仅富水性和渗透性在空间上不均匀，且补给条件好，汇水范围大，给工作面回采过程中带来较大的水害威胁。回采前，一般要对煤层顶板上方的含水层进行超前疏放水，然后进行疏放效果的评价[9]-[11]。此外，随着科学技术不断发展，越来越多防治水技术被应用到工程实践中[12]。常用水害防治技术有疏水降压[13]、注浆改造、注浆堵水[14]、帷幕截流[15]、留设防隔水煤柱与带压开采等，但是对于不同地质条件，防治技术的适用性也有所差异，应针对具体的条件采取相应的措施。
泊江海子矿位于鄂尔多斯盆地北部，是我国西部地区侏罗系煤层的典型代表，工作面回采后，形成“两带”导致垂向裂隙发育，使白垩系和侏罗系含水层之间发生水力联系，采空积水量不断增加，水文地质条件发生了较大的改变，加之周边无类似条件矿井开采，水害防治没有成功经验参考与借鉴。为此，通过对一盘区113113工作面顶板砂岩水疏放性过程分析，总结煤层顶板疏放水效果评价，并对以往的采空积水进行统计与分析，并提出防治措施，为后续工作面水害防治提供一定参考依据。
2. 水文地质条件
2.1. 含隔水层结构
泊江海子矿位于鄂尔多斯盆地北部，目前开采煤层为侏罗系延安组3−1煤层。根据地下含(隔)水层赋存特征，自上而下可划分为五个含水层和三个隔水层(图1)，具体如下。
(a) 一盘区水文地质平面图
(b) A-A水文地质剖面图
Figure 1. A hydrogeological map of a panel
图1. 一盘区水文地质图
2.1.1. 含水层
1) 第四系松散岩孔隙潜水含水层
该含水层主要由风积沙和冲积物组成，厚度为1.30~9.00 m。单位涌水量0.01~1.120 L/s·m，富水性弱–中等，透水性强。矿化度为313~1210 mg/L，pH值7.3~7.5，水化学类型为HCO3·Cl-Mg·Ca与HCO3-Ca·Na型。
2) 白垩系孔隙裂隙含水层
该含水层由砾岩和中粗砂岩组成，厚度为182~259 m。单位涌水量0.029~0.047 L/s·m，富水性弱，渗透系数0.004859~0.0217 m/d。矿化度为1110~3251 mg/L，pH值为7.3~8.3，水化学类型为Cl-Ca与Cl·SO4-Ca型。
3) 侏罗系中统裂隙含水层
该含水层由中粗砂岩组成，厚度为210~350 m。单位涌水量0.01343~0.02571 L/s·m，富水性弱，渗透系数0.012556~0.019865 m/d。矿化度为37.54~100.06 mg/L，pH值为8.92~9.23，水化学类型为SO4·Cl·HCO3-Na、Na-Cl和Cl·SO4-Na型。
4) 侏罗系中下统延安组裂隙含水层
该含水层由砂质泥岩和中粗砂岩组成。单位涌水量0.0013~0.036 L/s·m，富水性弱，渗透系数0.0024~0.0239 m/d。矿化度为1.11~405.82 mg/L，pH值为7.40~9.50，水化学类型为Cl·SO4-Na、Cl-Na与Cl·HCO3-Na型。
5) 三叠系上统延长组孔隙–裂隙含水层
该含水层主要由粗粒砂岩组成，是煤系地层的直接沉积基底。含水层与上覆含水层水力联系差，主要补给为侧向水流。单位涌水量0.00204 L/s·m，富水性弱，渗透系数仅为0.00673 m/d。
2.1.2. 隔水层
1) 白垩系与侏罗系之间隔水层
在白垩系中下部砂岩或砾岩底部发育一层较为稳定的砂质泥岩，与下伏侏罗系不整合接触，厚度0~132.40 m，平均为20.91 m。
2) 侏罗系中统与中下统之间的隔水层
在侏罗系中统底部发育一层砾岩层，厚度12.91~60.28 m，平均为29.78 m。该层连续性好，一盘区为稳定的隔水层，但二盘区胶结较为松散。
3) 侏罗系中下统延安组底部隔水层。
侏罗系中下统延安组底部隔水层以砂质泥岩为主，发育稳定，厚度为12.08~16.30 m，具有一定的隔水性。
2.2. 地下水补径排
地下水补径排条件主要受区域大气降水、蒸发、地形地貌、地表水系分布及含隔水层结构影响。研究区浅层地下水主要来自大气降水的垂直渗入补给，其地下水位随降水量及蒸发量变化发生季节性变化；而深层承压水则是接受邻近地下水侧向径流补给。
1) 浅层地下水
主要为潜水，赋存于沟谷第四系松散层含水层和白垩系志丹群上部风化壳含水层中。主要接受大气降水入渗补给，入渗条件较好。由于本区为干旱地区，降水量小于蒸发量，因此潜水补给入渗量较小，一般沿沟谷方向发生径流，其排泄方式主要为蒸发作用。
2) 中深层承压水
中深层承压水主要赋存于白垩系下统志丹群(K1zh)、侏罗系中统(J2)、侏罗系中下统延安组(J1-2y)各类砂岩含水层中。在自然条件下，井田内的承压水补给主要来自区外的侧向补给，上部垂直渗入补给较少，仅在西北部白垩系基岩出露处接受大气降水渗入补给，同时，根据地下水的流动方向由高处向低处流出。
在3−1煤层开采过程中，顶板侏罗系中统砂岩水及底板延安组砂岩水为直接充水水源。同时由于煤层开采后形成的冒落带和裂隙带波及到上覆白垩系含水层，从而使白垩系含水层之间通过垂向和横向上的裂隙发生不同程度的水力联系。因此，在采掘过程中，深部承压水以垂向、侧向流动，通过裂隙通道，以渗流、滴水、淋水和涌水等形式向采空区排泄，形成以采空区范围内含水层为中心的降落漏斗。
2.3. 充水条件分析
2.3.1. 充水水源
根据矿井及113113工作面周边水文地质条件分析，工作面回采期间，存在可能的充水因素为地表水、老空水、封闭不良钻孔水、导(含)水断层水、顶底板砂岩裂隙水等：
1) 地表水
根据历年气象资料显示，井田范围内平均降水量较小。113113工作面地表的海壕沟日常无水，雨季季节短暂的暴雨东南径流到遗鸥保护区，对开采不产生影响。
2) 顶底板砂岩水
工作面采后导水裂隙带高度39.36~79.95 m，采后裂隙带能够波及到侏罗系中统含水层。侏罗系中统含水层是工作面回采过程中主要充水含水层，3−1煤层开采后，顶底板砂岩水成为充水水源，其中侏罗系中统含水层水成为主要充水水源，侏罗系地层之上白垩系含水层为间接充水水源。
3) 老空水
113113工作面东侧为设计113112工作面，西侧为设计113114工作面，相邻设计的两个工作未进行采掘活动，该面回采不受老空水威胁。
2.3.2. 充水通道
1) 封闭不良钻孔
113113工作面位于西7勘探线，面内有UN05、7#、UN11、17#四个地质勘探钻孔。UN05、UN11为详查阶段钻孔，报告归类为封闭不良钻孔。由于113113胶运顺槽向面内UN05钻孔及附近施工了顶板疏放水钻孔，终孔层位位于3−1煤顶上约90 m的侏罗系中统粗砂岩含水层，孔内涌水量13~18 m³/h，侏罗系中统含水层相对富水，因此回采前要进一步探查该孔附近中统含水层富水性，经安全评价后开采；UN11孔于2021年对全孔启封处理，启封至713.15 m，封闭质量良好，对回采无威胁；7#、17#为补勘阶段勘探钻孔，补勘报告归类为封闭质量良好，对回采无威胁。
2) 裂隙和断层
113113工作面顺槽揭露2条落差大于2 m的断层，顺槽及附近顶板疏放水钻孔未出现明显出水异常情况。回采过断层期间可能有少量滴淋水及渗水现象。
3) 冒落带和裂缝带
3−1煤层开采后，形成“两带”，以及底板裂隙，通过采动裂隙沟通上覆中统和中下统砂岩含水层，采动后形成顶、底板的裂隙成为地下水主要通道。
2.4. 地下水位动态变化特征
为系统掌握采掘过程地下水位动态变化，先后分期施工了21个地下水位观测孔。其中，白垩系含水层为8个，侏罗系含水层为12个，混合孔为1个，如图2所示。
统计2016年1月10日~2023年7月10日侏罗系各地面观测孔的水位变化，绘制历时曲线如图3所示。由地下水位变化规律发现：1) 随着矿井一盘区涌水量的增加，侏罗系各观测孔的水位均发生差异性变化，整体呈现出下降的趋势；但水J9整体呈平稳上升的趋势，水位变化为1306.42~1320.78 m；水J13水位变化不明显，水位变化为1329.55~1330.78 m；2) 侏罗系地下水主要的补给来源为侧向径流补给，但受采动影响导致侏罗系与白垩系间隔水层产生裂隙。因此，在一定范围内受白垩系水的补给，同时也受到侏罗系下统延安组含水层的补给。不同含水层水位下降幅度和趋势，明显受采动和井下疏放的影响。
Figure 2. Plane layout of hydrological observation holes
图2. 水文观测孔平面布置图
(a) 水文1#、水J11孔
(b) 水J9-1、水J8孔
(c) 水文孔、水文3#J9-1、水J8孔
(d) 水J9、水J13、水J15孔
Figure 3. Relationship curve between Jurassic groundwater level and mine water inflow
图3. 侏罗系地下水位与矿井涌水量关系曲线
3. 以往防治水工程综述
为查明矿井水文地质条件，避免回采过程可能遇到顶板砂岩水害问题，确保工作面安全回采。从2011年开始，开展了地面水文地质补充勘探和井下防治水工程，泊江海子矿先后开展了二次水文地质补充勘探工作，对白垩系水文地质试验4次，侏罗系含水层水文地质试验6次，混合试验2次，井下放水试验1次，查明了含、隔水层结构，获得了一盘区含水层渗透性和富水性等相关参数，侏罗系中统含水层具有“高承压、低渗透、弱–中富水、空间上差异性大”特点。
为提前疏放开采范围内煤层顶板砂岩含水层的储存量，缓解回采期间防治水压力，系统开展一盘区的防治水工程并进行井下疏放水工作。共施工疏放水钻孔599个，疏放水量804.58万m3。其中，113100工作面共施工29个疏放水孔，疏放水量6.78万m3；113101工作面共施工195个疏放水孔，疏放水量65万m3，已安全采毕；113102工作面共施工80个疏放水孔，疏放水量14.1万m3；113106工作面共施工150个疏放水孔，疏放水量457万m3；113105工作面共施工52个疏放水孔，疏放水量38.9万m3；113107工作面共施工71个疏放水孔，疏放水量222.8万m3。目前主要开采113113工作面，在主要大巷共施工疏放水钻孔24个，疏放水量90.6万m3，其中2015年8至9月在西翼胶带运输大巷施工疏放水钻孔5个，疏放水量66.2万m3；2018年3至6月在西翼2#回风巷施工疏放水钻孔12个，疏放水量19.4万m3，为工作面防治水的安全评价和回采过程中防治水措施科学制定提供依据。
4. 疏放水试验
由于113113工作面地质条件较为复杂，为了缓解回采期间顶板短期内(如初次来压和周期来压)突发集中涌水，避免水害事故的发生，采用超前钻探工程。依侏罗系中统砂岩含水层低渗透性、非均质性的特点，放水钻孔总体按仰角45˚和60˚交替布置，钻孔深度138 m，孔间距50~400 m。为实现放水效果最大化，内外侧钻孔呈“迈步式”布置，在孔隙–裂隙、断层发育段，可适当调整钻孔参数、数量，以保证疏放效果较好，设计的钻孔数量与工程量如表1与图4所示。
在工作面胶运顺槽、回风顺槽及切眼内外侧超前布置了疏放水钻孔，共设计顶板放水(测压)钻孔82个，其中，测压孔6个，检验孔8个。另外，在施工过程中，结合放水效果以及物探成果，对水量较大、堵孔以及富水性较强地区加密疏放水钻孔数量，以加强放水效果。
Table 1. Design drilling number and engineering quantity
表1. 设计钻孔数及工程量
超前探放水钻孔位置 |
钻孔个数(个) |
测压孔个数(个) |
总工程量(m) |
工作面内侧胶运顺槽 |
27 |
3 |
3726 |
工作面内侧回风顺槽 |
23 |
3 |
3174 |
工作面外侧胶运顺槽 |
13 |
0 |
1794 |
工作面外侧回风顺槽 |
7 |
0 |
966 |
切眼 |
6 |
0 |
828 |
合计 |
76 |
6 |
10488 |
Figure 4. 113113 working face drainage drilling plane layout diagram
图4. 113113工作面疏放钻孔平面布置图
5. 疏放效果评价
5.1. 单个探放水孔残余水量评价
自2022年9月以来，113113工作面共施工76个疏放水钻孔。单孔初始最大涌水量68.5 m3/h，单孔最小出水量0.5 m3/h。小于等于1 m3/h的钻孔1个，占1.32%；1~10 m3/h的钻孔50个，占65.79%；10~50 m3/h的钻孔23个，占30.26%；50~100 m3/h的钻孔2个，占2.63%。其中抽检孔有8个，单孔初始最大涌水量1.5 m3/h，单孔最小出水量0.2 m3/h。小于1 m3/h的钻孔2个，占28.57%；1~10 m3/h的钻孔5个，占71.43%；。
截止到2022年9月24日，根据单孔初始涌水量和不同时刻能够观测的单个钻孔涌水量，综合分析及评价如下：
1) 单孔初始涌水量大于50 m3/h的钻孔有2个，两个孔单孔初始涌水量之和由最初的119.3 m3/h，下降至目前的58.9 m3/h，为初始涌水量49.4%。
2) 机巷钻孔共42个，总涌水量为96.9 m3/h，为初始总涌水量的18.8%。
3) 风巷钻孔共30个，总涌水量为57.4 m3/h，为初始总涌水量的27.0%。
4) 113113工作面疏放水孔单孔初始平均涌水量为2.14 m3/h，为初始涌水量的24.3%。
综上所述，113113工作面整体单孔残余水量小于初始水量30%，但是在能定期监测单孔涌水量的72个钻孔中，仍有2个钻孔的单孔初始涌水量与残余水量百分比超过30%。因此，回采过程中，继续加强对单孔涌水量的观测。
5.2. 检验孔效果评价
113113工作面疏放效果主要从检验孔的水量和残余水压进行评价。8个检验孔的出水量与水压变化情况如图5所示，结果表明：最大水量为1.6 m3/h，最小水量为0.1 m3/h，工作面水压值在1.8~1.9 MPa，面内侏罗系中统含水层水位降至顶板以下、底部砾石层顶部界面以上111~134.1 m，达到了预期效果。
(a)
(b)
Figure 5. Inspection hole water yield and water pressure value statistics
图5. 检验孔出水量与水压值统计
5.3. 残余水头评价
通过对一盘区113113工作面疏放水及采空区排水使得侏罗系中统含水层在该范围内的水位发生了不同程度下降，形成了以113100、113101、113102、113106、113105、113107及113113工作面为中心的降落漏斗。
截止到2022年10月30日，工作面水压降至1.34 MPa以下，工作面内煤层顶板主要充水含水层的残余水位为111.2~134.1 m，降至含水层的顶板以下含水层，残余水位等值线与空间立体图如图6与图7所示。
Figure 6. Contour of residual water level in Middle Jurassic (J2) aquifer
图6. 侏罗系中统(J2)含水层残余水位等值线
Figure 7. Stereogram of residual water level in Middle Jurassic ( J2 ) aquifer
图7. 侏罗系中统(J2)含水层残余水位立体图
5.4. 物探效果评价
疏放后，采用综合物探方法对113113工作面进行探测评价，得出结论如下：
1) 在工作面胶带顺槽面内、回风顺槽面采用瞬变电磁法发现4个低阻异常区，主要受顶板砂岩裂隙水影响，主要在YC1、YC2、YC3、YC4点，工作面内富水性强弱关系为：YC1 > YC2 > YC3 > YC4。
2) 在工作面采用槽波地震探测方法，共布置263个接收点，131个激发点。结果发现工作面槽波地震探测现场条件良好，所采信号信噪比高，解释出5个异常区，其中1#、2#、4#和5#异常区分析为巷道实揭断层影响所致；3#异常区分析为隐伏构造或煤层破碎影响导致。
6. 采空积水统计分析与防治
由于3−1煤层采后导水裂隙带发育高度不仅发育到侏罗系中统砂岩裂隙含水层，同时也发育至白垩系含水层，矿井一盘区各工作面开采后形成采空区积水。截止2023年7月底，已经形成113100、113101、113102、113103、113105、113106、113107、113113工作面的采空区，累计积水量达82232.2万m3。采空积水量统计如表2，其分布图8所示。
Figure 8. Plane distribution map of goaf water accumulation area
图8. 采空积水区平面分布图
Table 2. Statistical table of water accumulation in goaf
表2. 采空区积水量统计表
编号 |
采空区位置 |
积水面积(m2) |
积水量(万m3) |
积水标高(m) |
1 |
113101 |
6107 |
873.9 |
801.8 |
2 |
113102 |
97990.06 |
7643.2 |
803.5 |
3 |
113103 |
201067.5 |
34080.9 |
801.3 |
4 |
113105 |
15954.6 |
14358.7 |
792.4 |
5 |
113106 (1) |
92389.3 |
11086.7 |
788 |
6 |
113106 (2) |
52044.3 |
2966.5 |
792.335 |
7 |
113107 (1) |
9168 |
3438 |
783.2 |
8 |
113107 (2) |
12.3万 |
7396.3 |
788 |
9 |
113107 (3) |
1033 |
388 |
780.2 |
针对113113工作面的疏放水试验与侏罗系水位变化情况综合分析结果，采空区防治水工程与措施如下：
1) 沿工作面增加径流带方向设计和施工疏放钻孔，采用超前“截流”疏放措施，减少采空积水区沿强径流带方向所增加水量。
2) 系统开展采空积水的探放水试验：依据地下水系统理论，分析区内不同深度含隔水层结构之间联系，地下水补排关系，计算采空积水的补给量，重点对井下采空积水探放，计算积水水压(位)与疏放量关系，计算动态充填系数；
3) 开展采空积水的区域治理研究：区域治理方法与理念不仅针对华北煤田岩溶水害研究，同样也适用于西部地区砂岩水害采空积水防治。以采区或工作面为防治水单元，设计采空积水的观测、疏放和治理等一系列措施和相应防治水工程与措施。
7. 结论
论文系统分析泊江海子矿一盘区及113113工作面的地质条件与水文地质条件后，得出以下结论：
1) 随着涌水量逐渐增加，侏罗系地面观测孔水位下降显著。侏罗系中统地下水主要为侧向径流补给，受采动影响会受到白垩系与侏罗系下统含水层的补给。
2) 在疏放效果评价中，检验孔的水量与水压均满足要求，残余水头降至含水层的顶板，但仍有2个单孔初始涌水量与残余水量百分比超过30%，通过物探方法探测到5个异常区，后续仍需加强地下水动态监测。
3) 未来采空区防治水可考虑以下措施：① 采用超前“截流”疏放措施；② 系统开展采区放水试验；③ 开展区域治理研究。
NOTES
*通讯作者。