【类型】期刊

【作者】宋伟，张玉军，单超（吉林省煤业集团有限公司；天地科技股份有限公司开采设计事业部；中煤科工能源投资有限公司）

【作者单位】吉林省煤业集团有限公司；天地科技股份有限公司开采设计事业部；中煤科工能源投资有限公司

【刊名】煤矿开采

【关键词】 残采复采；第四系砂砾含水层；富水特性；钻孔疏降；物理探测

【ISSN号】1006-6225

【页码】P128-131

【年份】2019

【期号】第3期

【期刊卷】1;|7

【摘要】第四系砂砾含水层作为浅部残采区的直接充水水源、深部采空区的补给水源以及井下溃泥灾害的动力源,对其富水特性的研究有极其重要的意义。通过对残采阶段第四系含水层的水文补勘、地面钻孔疏降观测、物理探测等方法,研究了残采区第四系砂砾含水层的赋存特性。结果表明:受多年采动的影响,含水砂砾层富水性具有明显的条带状分布特征,总体补给条件较差,形成了目前靠近露头接近疏干的降落漏斗,对于后续工作面的开采,第四系砂砾岩向工作面充水主要是以消耗含水层动储量为主。研究结果为矿井生产期间防治水措施的制定提供了依据。

【全文】 文献传递

梅河煤矿残采复采区第四系砂砾含水层富水特性分析

宋　伟1，张玉军2，单　超3

(1.吉林省煤业集团有限公司，吉林 长春 130012；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3.中煤科工能源投资有限公司，北京 100013)

[摘　要]　第四系砂砾含水层作为浅部残采区的直接充水水源、深部采空区的补给水源以及井下溃泥灾害的动力源，对其富水特性的研究有极其重要的意义。通过对残采阶段第四系含水层的水文补勘、地面钻孔疏降观测、物理探测等方法，研究了残采区第四系砂砾含水层的赋存特性。结果表明：受多年采动的影响，含水砂砾层富水性具有明显的条带状分布特征，总体补给条件较差，形成了目前靠近露头接近疏干的降落漏斗，对于后续工作面的开采，第四系砂砾岩向工作面充水主要是以消耗含水层动储量为主。研究结果为矿井生产期间防治水措施的制定提供了依据。

[关键词]　残采复采；第四系砂砾含水层；富水特性；钻孔疏降；物理探测

梅河煤矿历经40余年的开采，目前呈煤炭资源枯竭状态，已基本进入残采期。矿井先后采用水砂充填采煤方法、巷柱式采煤方法、金属网假顶采煤方法，自1989年开始采用水平分层综放采煤方法。多年来的煤炭开采使得矿井遗留大量的煤柱和小块段煤量，同时也使地面沿煤层走向形成较深的地表塌陷区(沟)，先后在多处发生煤岩层局部抽冒。梅河整个矿区覆盖10～20m的第四系流砂层，直接覆盖在煤层露头上面，是影响浅部煤层开采的直接充水含水层。同时，由于矿井初期开采露头浅部区时，采动影响直接波及到了上覆流砂层，形成了进入井下的导水通道，而且矿井为提高煤炭资源的回收率，在原防水煤岩柱内采用水砂充填及金属网采法，开采了部分防水煤岩柱内的煤炭资源，也造成第四系砂层水可以通过充填砂渗入井下，成为矿井的直接补给水源。梅河矿区煤系地层为第三系地层，固结程度差，顶板厚层泥岩和底板砂岩，风化后强度大幅降低，浸水后易软化。由于开采煤层为急倾斜煤层，开采分层数多，地点集中，对采空区内的垮落泥、砂岩产生反复采动扰动影响。因此，第四系砂砾含水层、顶板采空区积水以及采空区赋存垮落泥沙是梅河矿区残采区综放安全复采的主要威胁，也是亟待解决的重要问题[1-2]。

多年来的采动影响，造成第四系砂砾层水位大幅度下降，使得包括第四系底部含水砂砾层在内的原始地层赋存状态发生相应的变化。虽然在煤层露头地段砂砾层水位已基本降至含水层底板，形成了以露头地段为中心的降落漏斗，但是作为矿井生产尤其是残采阶段浅部的直接充水水源，深部采空区积水的补给来源，以及井下溃泥灾害的动力源，对其富水特征的分析有重要的意义。

本文通过对残采阶段第四系含水层的水文补勘、地面钻孔疏降观测、物理探测等方法，研究了残采区第四系砂砾含水层的富水特性，为矿井生产期间防治水措施的制定提供了依据。

1　第四系砂砾层富水性的补充勘探分析

1.1　第四系砂砾含水层概况

梅河矿区第四系覆盖整个井田。第四系冲积层由粗、中、细砂及砾石组成，结构简单，上部为黏土层，下部为砂砾层。一级阶地表土厚0.5～5.0m，砂砾层厚15～20m；二级阶地表土厚10～30m，二级阶地砂砾层厚10～18m。井田内砂砾层底部普遍发育约有0.2～0.5m厚的砾石，其砾径10～40mm，滚圆度好。砂砾层渗透系数19.9～23.6m/d，单位涌水量q=1.5～2.5L/(s·m)。砂砾层含水丰富，透水性强，主要接受大气降水间接补给。由于砂砾层底部与煤层露头直接接触，通过露头向矿井充水是砂砾层水的主要排泄途径。

1.2　水文补勘和涌水量分析

为重新认识第四系砂砾层经过多年的疏降影响后的水文地质特征，梅河四井于2006年9月对砂砾层进行了水文补充勘探，共布置2个勘探孔，分别为观1和观2，并进行了抽水试验。其中观1揭露表土层厚度为18.6m，砂砾层厚度为16.5m。观2揭露表土层厚度为15.3m，砂砾层厚度为19.4m。钻孔施工结束后观1水位埋深5.9 m，抽水6h，水量10m3/h，水位埋深稳定在6.5m；观2水位埋深32m，由于埋深大，抽水设备不能满足抽水要求，该孔没有抽水。2007年5月对两个补勘孔水位进行了观测，观1水位埋深5.8m，观2水位埋深29.5m。

分析砂砾层水的赋存情况和水位变化情况，观1和观2相距150m左右，其中观1在疏降漏斗边缘，水位较高；而观2靠近露头，位于疏降漏斗中心区，因此水位低，已经接近疏干。同时据水位观测结果，2个孔水位相差23.7m。这就表明，第四系砂砾层水补给条件较差，周围没有丰富的补给水源，补给量小于排泄量，形成了目前靠近露头接近疏干的降落漏斗。

同时根据梅河四井多年来矿井最大涌水量变化可知，多年来矿井涌水量变化不大，变化范围120～182m3/h。其中1993年涌水量最小，这是因为1992年对第四系砂砾层进行了地面疏降，造成了第四系砂砾层水位大幅度下降，对矿井的充水影响变小。同时由于第四系砂砾层存在一定的侧向补给，随着时间的延长，水位逐渐恢复，矿井涌水量又恢复到原有水平。从矿井涌水量来看，第四系砂砾层对深部工作面的充水影响基本稳定。

2　残采区第四系砂砾含水层地面钻孔疏降分析

2.1　地面疏水钻孔布置

梅河三井为了查明第四系砂砾含水层经历多年回采疏降后的水文地质特征，于2008年6～9月间，共在0305-2残采面地面设计施工了17个钻孔。因钻孔循环水漏失无法成井5个，实际抽水孔为9个，观测孔为4个(观4与抽8同孔)。其中抽1～抽7孔、观1、观2孔和废1～废3孔均位于12号煤底板一侧；废4、废5和观3孔位于12号煤采空区内；观4(抽8)位于12号煤顶板一侧。抽水钻孔布置如图1所示。

2.2　疏放水成果分析

截止到9月30日，各钻孔疏放水过程中其钻孔水位标高均不同程度地下降到含水砂砾层顶界标高以下，而观测孔水位标高仍然都不同程度地高于含水砂砾层顶界标高。疏放钻孔7月1日与9月30日的水位对比情况如图2所示。实测水位变化趋势如图3所示。由图2，3可知，疏放水过程中各疏放钻孔水位下降趋势缓慢，表明钻孔排水量较小，与钻孔充水量基本相当，即当前的排水量不足以使含水砂砾层水位明显下降。而观1孔距抽2孔仅3.2m，当抽2孔水位降至低于含水砂砾层顶界标高3.6m时，而观1孔水位标高仅降至高于含水砂砾层顶界标高0.4m。表明疏放水钻孔降落漏斗的影响半径很小。从各疏放钻孔水位下降趋势预测，在不增加疏放水钻孔的前提下，预计本区疏放水将是一个长期和缓慢的过程。

同时，由于各疏放钻孔处于0305-2区不同的位置，特别是其与地表塌陷区(沟，坑区)的相对位置不同，表现出地层的可钻性、含水砂砾层富水性、水位变化等均有较明显的差异。

2.2.1　地层的可钻性分带特征

以地表塌陷区的塌陷坑连线为轴线(以下称为塌陷坑轴线)，根据地表移动规律可知[3-4]，地表裂缝延展方向平行于该轴线。沿该轴线的走向，抽1～抽5孔、观1和观2孔均处于煤层底板一侧，处于平行于该轴线距离约54～113m的同一个带状范围内；废1～废3孔也处于煤层底板一侧，处于平行于该轴线距离约为138～190m的带状范围内；废4、废5孔和观3孔基本处在地表塌陷区内轴线上；观4(抽8)孔单独处于煤层顶板一侧，距离该轴线约185m的位置。这些钻孔处于不同的岩层移动特征带内，其地层的可钻性明显不同，钻孔成孔难易程度也不同。

在裂缝发育带内，含水砂砾层水沿基岩裂隙大量渗漏，形成带状局部降落漏斗或无水带。当钻孔施工揭露含水砂砾层时，其循环水大量漏失，导致钻孔成孔困难，成为废孔。

(1)废1～废3孔条带内为地裂缝发育带，地层的可钻性差，成孔困难。钻孔在施工过程中遇到这种开裂缝，其循环水发生漏失最终使其成为废孔。同时也表明在该裂缝发育带内第四系底部砂砾含水层已不富水或富水性极差。

(2)废4、废5孔和观3孔处于地表塌陷区坑(区)轴线上，该部位条带内地层主要水平下沉，由于煤层开采强度极不均匀(局部抽冒等)，地层破坏现象更为复杂，地层的可钻性分布也不均匀。废4、废5孔钻进至第四系底部砂砾含水层一定深度后循环水发生漏失，表明该条带内地层的可钻性差，成孔困难，第四系底部砂砾含水层不富水或富水性差。

(3)观4(抽8)孔单独处于煤层顶板一侧，因为水量小而改为观测孔。采用小流量水泵后仍保持2.6m3/h的排水量，水位下降到低于含水砂砾层顶界标高5.8 m。表明煤层顶板一侧条带内地层的可钻性较好，钻孔较易于成孔，但第四系底部砂砾含水层富水性较差。

2.2.2　疏放钻孔的水位变化特征

地层台阶状塌陷和台阶状裂缝使得地层具有可钻性差和水量小的条带状分布特征外，疏放钻孔的水位变化和由钻孔排水量表现出的含水砂砾层富水性也具有条带状分布特征。根据疏放钻孔距离地表塌陷区轴线的远近，钻孔水位变化或排水量表现出明显的规律性差别。

(1)抽6、抽7孔距地表塌陷坑轴线相对最远，约为277～290m，位于废1～废3孔地裂缝发育带以北。两孔水位变化基本相同，水柱高度下降了7.3～7.4 m，水位标高下降到低于含水砂砾层顶界标高6.5～6.6 m。

(2)抽3孔位于距地表塌陷坑轴线约114m左右，位于废1～废3孔地裂缝发育带以南。在5个抽水孔中，该孔单孔排水量最大，水位也下降最大，水柱高度下降了10.5m，水位标高下降到低于含水砂砾层顶界标高10.1 m。

(3)抽1、抽2和抽4、抽5孔分别位于距地表塌陷坑轴线约92～93m和67～71m，位于废1～废3孔地裂缝发育带以南，其水位变化两两基本相同。其中抽1、抽2孔水柱高度下降了4.9～5.6m，水位标高下降到低于含水砂砾层顶界标高3.6～5.9 m；抽4、抽5孔水柱高度下降了3.9～4.0m，水位标高下降到低于含水砂砾层顶界标高2.2～3.3 m。

(4)观2孔距地表塌陷坑轴线相对最近，约为55m，位于废1～废3孔地裂缝发育带以南。观测孔的水位变化普遍与抽水孔不同，水柱高度上升了21.4m。表明该孔附近含水砂砾层富水性弱，渗透性差。

2.2.3　第四系含水砂砾层空间分布特征

从图1第四系含水砂砾层底界等值线图可以看出，含水砂砾层底界等值线的分布趋势与上述富水性特征带的分布极其相似。

(1)含水砂砾层底界在底板一侧呈北高南低的趋势，其走向近东西方向，与富水性特征带走向一致。这进一步提供了受地表移动规律控制的地层破坏沿走向呈带状分布的依据。

(2)含水砂砾层底界在塌陷区域内呈东高西低的趋势，表明东部较之西部地层下沉量相对较小。

(3)经过多年的开采,第四系底部含水砂砾层的赋存状态与投产初期相比发生了很大的变化，第四系底部含水砂砾层底界相对原始状态最大下沉了约25m。含水砂砾层厚度总体上呈北薄南厚的分布趋势。含水砂砾层等厚线在采空区的走向与塌陷坑轴线方向基本相同。

3　第四系砂砾含水层富水性物理探测

为了进一步认识梅河四井浅部第四系砂砾层的赋存情况、第四系砂砾层和采空区的沟通及水力联系情况，采用EH-4在地表分别布置了2条测线。图4和图5分别为测线1和测线2的视电阻率等值线剖面图。

由图4视电阻率等值线变化规律可以看出，整个视电阻率断面图在纵向上可以分为2层，其中0～20m深度视电阻率值横向上变化不大，视电阻率值在8～170Ω·m之间，推测为第四系砂砾层，厚度沿测线方向由10m变为20m左右，逐渐变厚；在有些区域出现视电阻率值为8～15Ω·m的相对低阻异常，推测为砂岩层含水性相对丰富的区域，但可以看出其连通性较差。

同时由图5可以看出，整个视电阻率断面图在纵向上也分为2层。0～30m深度视电阻率值横向上变化不大，视电阻率值在1～170Ω·m之间，推测为第四系的砂砾层，从图中视电阻率等值线的变化可以看出，第四系冲积层的厚度沿测线方向由15m变为30m左右，逐渐变厚；在横向80～100m的区域出现视电阻率值为1～10Ω·m的相对低阻异常，推测为第四系砂层含水性相对丰富的区域。

4　残采区第四系砂砾含水层富水特性

根据梅河矿相关残采区工作面对第四系砂砾含水层的补充勘探以及地面疏放结果分析，可以总结得到梅河矿区残采区第四系砂砾含水层具有以下几个方面的特征：

(1)第四系砂砾层水总体补给条件较差，周围没有丰富的补给水源，补给量小于排泄量，受多年的开采影响，形成了目前靠近露头接近疏干的降落漏斗。对于后续工作面的开采，第四系砂砾岩向工作面充水主要是以消耗含水层动储量为主。

(2)含水砂砾层富水性具有明显的条带状分布特征。以地表塌陷区的塌陷坑连线为轴线，地表裂缝延展方向平行于该轴线。在裂缝发育带内，含水砂砾层水沿基岩裂隙大量渗漏，形成带状局部降落漏斗或无水带。在该裂缝发育带内第四系底部砂砾含水层不富水或富水性极差。

(3)第四系含水砂砾层底界等值线的分布趋势与上述富水性特征带的分布极其相似。经过多年的开采，第四系底部含水砂砾含水层的赋存状态与投产初期相比发生了很大的变化，采动沉陷引起含水砂砾的底界下沉，相对原始状态最大下沉了约25m，含水砂砾层底界在塌陷区域内呈东高西低的趋势。

(4)煤层顶板一侧条带内地层的可钻性较好，钻孔较易于成孔，但第四系底部砂砾含水层富水性较差。

(5)第四系含水砂砾层水径流方向只能沿平行于塌陷坑轴线的富水带呈东西方向径流。相对富水带均在底板裂缝角的影响范围以外，受采动影响后只能通过沿底板裂隙向井下渗水。

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[责任编辑：李　青]

Water Abundance Character of Sandy Gravel Aquifer in Quaternary of Repeated Mining Area with Remaining Coal Mining of Meihe Coal Mine

[收稿日期]2016-01-26　　　　　[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.034

[作者简介]宋　伟(1969-)，男，吉林梅河口人，高级工程师，主要从事煤矿管理工作。

[中图分类号]TD823.83　

[文献标识码]B　

[文章编号]1006-6225(2016)03-0128-04

[引用格式]宋　伟，张玉军，单　超.梅河煤矿残采复采区第四系砂砾含水层富水特性分析[J].煤矿开采，2016，21(3)：128-131.