鄂尔多斯盆地侏罗系煤层顶板水害问题一直是国内外学者普遍关注的热点领域。武强[1-3]、范立民[4-5]、李文平[6]、孙亚军[7]、马立强[8]、虎维岳[9]等多位学者从不同角度提出了煤炭资源安全绿色开采与水资源保护的相关理论与方法。其中，在鄂尔多斯盆地蒙陕接壤区的深部矿井顶板砂岩水害防治方面，李永涛等[10]针对顶板探放水钻孔布置不合理、疏放水效果不佳的问题，综合利用地面及井下物探数据，提出靶向区域重点疏放方法;邸春生等[11]针对蒙陕矿区深部矿井含、隔水层空间结构复杂，富水性分布不均的特点，采用沉积地质学的研究方法圈定了河流相砂体富水条带，并得到了井下探放水实践的验证;杨建等[12]系统研究了蒙陕矿区深部矿井开采过程中矿井涌水量变化规律和影响因素，为后续其他矿井回采提供安全保障和科学依据;刘基等[13]针对巷道掘进进度与常规超前探放水在时间上的冲突，提出采用定向钻进进行超前探放水的方法，实现了定向钻机在高压含水层的超前探放水工作中的技术突破。

以往这些对于蒙陕矿区深部侏罗系煤层顶板水害防治研究主要立足于单一工作面、常规钻孔的过程治理方式，主要是通过将含水层中的地下水通过钻孔预疏放至安全水头以下，以实现具体工作面的安全开采。但是，在过古河道动态补给水量较大，且有稳定补给水源的情况下，采取上述方法，采后工作面水量依然很大，无法保障工作面的正常回采。面对上述复杂、严峻的水害形势，笔者在前人研究的基础上，通过多年的研究与工程实践，从源头预防与超前治理的角度提出深埋侏罗系煤层顶板水害防治的关键技术，力求在查清研究区沉积控水规律与涌(突)水危险性分区的基础上，对矿井采掘布局进行调整与优化，达到通过先期工作面或采区的防治水工程解决或缓解后续工作面或采区现阶段面临的顶板水害问题，从而为蒙陕矿区深埋侏罗系煤层顶板水害防治提供一种更为科学、合理与有效的方法。

1顶板水害源头防控技术路线

鄂尔多斯盆地蒙陕接壤区的呼吉尔特矿区、纳林河矿区与榆横矿区煤炭资源储量巨大，煤质优良，为新近开发的深部矿井。近年来随着该地区生产规模的扩大，顶板砂岩水害问题也日渐凸显。目前，该地区矿井生产中存在的水害问题主要有两个方面:一是工作面俯采段内采场落地水量大、煤水混杂[14]。如呼吉尔特矿区母杜柴登矿井单个首采工作面采后涌水量达1 000 m3/h以上，同时由于煤层底板呈宽缓的波状起伏，倾角较小，且回采工作面推进长度大，使得俯采段内采空水和顶板淋水大量涌入，造成采场煤水混杂、排水压力大等一系列问题，严重制约了矿井的生产效率和经济效益。二是上部煤层距离主要充水含水层较近，含水层富水性较强，无法安全掘进与回采[15]。如门克庆矿井2-2煤11-2201首采工作面的煤层顶板隔水层厚度由巷道开口位置20 m左右向南逐渐变薄至不足5 m，局部地段隔水层缺失，使2组煤巷道掘进阶段即面临强富水含水层的水害问题，同时造成工作面巷道顶板淋水严重、锚索孔出水量大、巷道顶板支护困难等问题。

针对上述问题，根据新版《煤矿防治水细则》的最新要求，按照矿井水害由事故处置向超前治理、过程治理向源头预防转变的防治原则[16]，在对矿井主要充水含水层沉积特征与富水规律分析基础上，通过矿井涌(突)水危险性分区评价研究，圈定出顶板水害区域防控的重点“靶区”，结合矿井采掘布局优化与长、短钻结合的靶向追踪探放水技术，建立符合深部侏罗系矿井的地下水截流治理模式，从而形成一套深埋侏罗系煤层顶板水害源头防控的关键技术，达到“断源截流、集中疏排、源头预防、超前治理”的防治水目标，如图1所示。

图1 顶板水害源头防控技术路线
Fig.1 Technology roadmap of source control for roof water disaster

2关键技术

2.1沉积控水规律研究

与我国东部的石炭—二叠系聚煤盆地不同，西部的鄂尔多斯侏罗系聚煤盆地为发育于中晚三叠世至早白垩世稳定克拉通盆地之上的一套完整的河流-湖泊相的陆源碎屑岩沉积建造，内部构造活动较为微弱，沉积环境是控制蒙陕矿区侏罗系地层中含(隔)水层分布的重要因素[17]。由于蒙陕矿区深部矿井侏罗系地层存在多相变、多旋回渐进式的沉积模式，使矿井主要充水含水层的富水性分布不均，平面上的条带特征与剖面上的交错沉积并存，造成了较为复杂的矿井水文地质条件。

研究表明，蒙陕矿区深部矿井主要受煤层顶板延安组三段中—细粒砂岩含水层与直罗组一段中—粗粒砂岩含水层的威胁。该两段含水层由于成岩期较晚，砂岩成熟度较低，结构疏松，孔隙较为发育[18]，其中延安组三段砂岩含水层主要呈灰白色，以石英、长石为主，次圆状，略具定向排列，部分石英、长石见次生加大边，岩石分选性一般，孔隙式钙质胶结(图2(a))[19];直罗组一段砂岩含水层主要呈灰绿色，以石英、长石为主，石英及部分长石见次生加大边，泥质杂基，钙硅质胶结，分选中等—好(图2(b))。

图2 蒙陕矿区典型矿井砂岩组成与显微结构
Fig.2 Micrograph of sandstone composition and structure in typical mine of Shaanxi-Inner Mongolia

通过系统对比典型矿井钻孔岩芯资料与测井相标志，结合区域沉积特征，将蒙陕矿区深部侏罗系地层划分为延安组三段、直罗组一段与二段3个中期旋回，如图3所示。延安组三段主要发育湖泊三角洲平原亚相沉积，多表现为基准面下降为主的非对称旋回特征，其中起骨架作用的是分流河道沉积，该段砂体主要以细砂岩为主，分选性一般，在剖面上一般呈透镜状，地下水赋存空间较差。蒙陕矿区典型矿井工作面井下疏放水实践结果表明(图4)，钻孔垂高0～40 m段即延安组三段，钻孔涌水量普遍较小，表明以三角洲平原为主要沉积环境的延安组三段中—细粒砂岩含水层富水性相对较弱。直罗组一段下部为辫状河沉积，向上过渡为曲流河沉积，表现为基准面上升为主的非对称旋回特征，对下部煤层影响较大的砂岩含水层主要发育在直罗组一段下部的河道砂坝微相内，该含水层由多个河道砂体连续叠置而成，连通性较好，空间展布稳定，地下水赋存空间较好。由图4可知，钻孔垂高40～120 m段即直罗组一段，钻孔涌水量显著增大，表明以辫状河相为主要沉积环境的直罗组一段中—粗粒砂岩含水层富水性相对较强。直罗组二段主要发育曲流河沉积，表现为基准面上升复下降的非对称旋回特征，该时期主要发育河漫滩沉积，河道砂坝一般呈透镜状，连通性较差，不利于地下水的赋存与径流。

图3 典型矿井H80钻孔层序地层格架-沉积相旋回特征
Fig.3 Characteristics of sequence stratigraphic framework and sedimentary facies cyclein well H80 of typical mine

图4 典型矿井首采工作面疏放水钻孔出水过程示意
Fig.4 Drainage process diagram of drainage borehole in the first mining face of typical mine

不同沉积环境的砂体有不同的物性特征，沉积环境是控制含水层水理性质与富水规律的重要因素。因此，本研究以鄂尔多斯侏罗系聚煤盆地沉积地层格架为基础，通过沉积地质学与水文地质学的学科交叉研究，对位于蒙陕矿区典型矿井的侏罗系地层沉积相类型进行详细划分，并利用沉积相类型及分布从成因上分析含(隔)水层的空间展布规律与富水性分布规律。

2.2涌(突)水风险评价方法研究

针对深部侏罗系矿井煤层厚度变化较大、顶板含(隔)水层交互成层的特点，为了刻画开采后导水裂隙带的发育高度对顶板含水层涌(突)水的影响，即导水裂隙带扰动破坏砂岩含水层距离较大同时富水性相对较强的区域，其涌(突)水风险相对较大的原则，本文在传统的“三图法”基础上[20]，从矿井充水水源与充水通道出发，分别从岩性特征、水力特征、开采特征3个方面建立一套相对系统的矿井涌(突)水风险评价指标体系，如图5所示。其中，为了定量地刻画沉积相展布对矿井涌(突)水风险的影响，笔者提出了沉积环境影响指数这一指标，该指标根据抽水试验或井下疏放水过程中上、下不同含水层的涌水量或出水量大小，将上、下不同地层单元中刻画沉积相分布的砂地比值进行复合叠加。在评价模型与指标权重的确定上，为了简化评价流程，避免评价中过于强调指标数值之间的内部变化所带来的各种不确定性问题，笔者引入了较为成熟且易于操作的基于AHP层次分析法的加权模型，具体步骤详见文献[21]。

图5 煤层顶板涌(突)水风险评价指标体系
Fig.5 Evaluation index system of water inrush risk from coal seam roof

2.3基于采掘布局优化的地下水截流治理模式研究

针对蒙陕矿区深部侏罗系矿井现阶段采前无法安全掘进与回采，采后采场落地水量大、煤水混杂等问题，在煤层顶板涌(突)水危险性分区评价的基础上，通过将采掘布局优化与长、短钻靶向追踪探放相结合，按照“断源截流、集中疏排、源头预防、超前治理”的思路，根据涌(突)水风险分区评价结果与地下水径流方向，调整与优化矿井采掘布局，达到通过先期工作面的地下水截流工程减缓后续工作面水害的目的，其中在先期工作面的地下水截流方法上，如果顶板砂岩含水层在平面上呈条带状，在剖面上成层性较好，可选择长距离定向钻机沿砂岩条带进行顺层追踪、靶向疏放地下水，反之，如果砂岩含水层在平面上呈透镜状，可选择常规钻机进行探放水。因此，根据上述思路，将地下水截流治理模式分为上行开采低位截流、工作面单侧截流、工作面双侧截流与工作面方向调整截流4种模式。

(1)上行开采低位截流模式。

针对蒙陕矿区深部侏罗系矿井上部煤层距离强含水层较近，无法安全掘进与回采的问题，提出实行上、下煤层联合开采的上行开采低位截流方法。通过合理的采掘布局，在矿井上部煤层缺失或较薄无法开采区域，先采下部煤层，通过采前的疏放水与采后采空区涌水对顶板含水层进行“超前预疏放”，降低含水层的水压与水量，从而掩护后续上部煤层的安全掘进与回采，以实现上、下煤层开采过程中涌水量的协同控制，如图6所示。

图6 上行开采低位截流模式
Fig.6 Upward mining and low flow closure mode

(2)工作面单侧截流模式。

对于尚未开采的采区，在已查明地下水径流方向的情况下，优先布置来水方向工作面作为采区首采工作面，采前利用常规钻孔或长距离定向钻对砂岩透镜体或砂岩条带进行靶向预疏放，或者采后利用采空区作为截水廊道，从而大幅度减少后续工作面涌水量，减缓采场煤水混杂的局面，如图7所示。

图7 单侧截流模式
Fig.7 Unilateral closure mode

(3)工作面双侧截流模式。

对于尚未查清地下水径流方向的采区，沿着砂岩条带展布方向或者涌(突)水风险较大的长轴分区方向，通过合理的采掘布局设计，优先布置采区两侧工作面，形成采区两侧跳采局面，采前利用常规钻孔或定向钻孔以及采后利用采空区作为疏水廊道进行截流，从而减少采区内部后续工作面的涌水量，实现顶板水的截流疏导与煤水分离，如图8所示。

图8 双侧截流模式
Fig.8 Bilateral closure mode

(4)工作面方向调整截流模式。

对于原设计工作面回采方向与砂岩条带展布方向或涌(突)水风险较大的长轴分区方向平行的采区，优化调整后续工作面的回采方向，使工作面回采方向与地下水径流方向或砂岩条带展布方向尽可能垂直或形成夹角，从而达到更好的断源截流与分区治理的目的，如图9所示。

图9 工作面方向调整截流模式
Fig.9 Working face direction adjustment closure mode

3工程应用

3.1工程背景

研究区为位于鄂尔多斯市呼吉尔特矿区的门克庆煤矿与母杜柴登煤矿，如图10所示。其中门克庆矿井设计生产能力12.0 Mt/a，第1水平(+580.5 m水平)的11采区作为矿井开采首采区，原计划主采首采区南翼3-1煤层的11-3101工作面，配采2-2中煤层11-2201工作面，由于11-2201工作面巷道掘进时面临强含水层较近，水量大、水压高，无法安全掘进与开拓的问题，现开采首采区南翼的11-3101工作面与北翼的11-3103工作面，其中统计分析该矿井11-3101首采工作面采前疏放水钻孔的出水情况可知，36个钻孔中的28个钻孔终孔水量大于100 m3/h，仅有1个钻孔终孔水量<50 m3/h，其中有8个钻孔终孔水量超过150 m3/h，钻孔平均涌水量达116 m3/h，单孔最大压力达3.9 MPa。母杜柴登矿井设计生产能力6.0 Mt/a，初设中将开采2-2中煤层的201盘区和3-1煤层302盘区作为首采盘区，后期由于2-2中煤层面临与门克庆矿井相同的水害问题，调整为只开采302盘区，现阶段30201工作面已回采完毕，其工作面采后涌水量高达1 200 m3/h。两矿井工作面回采长度较长，一般在4 000 m以上，工作面煤层总体向北西倾斜，煤层倾角一般小于6°，煤层底板存在多个宽缓的波状起伏。

图10 研究区位置
Fig.10 Location of the study area

3.2沉积环境对含水层富水性影响

3.2.1研究区侏罗系地层沉积特征

研究区主要充水含水层为3-1煤顶板延安组三段砂岩含水层与2-2煤顶板直罗组一段砂岩含水层。研究区延安组三段地层为灰白色高岭土质胶结的细粒砂岩、粉砂岩，局部相变为砂质泥岩和泥岩，如图11(a)所示，指示其形成于湖泊三角洲泥炭沼泽环境。直罗组地层为灰绿色的中、粗粒砂岩及砂质泥岩组成，泥质胶结，松散易碎，如图11(b)所示，其中直罗组一段由灰绿色(含砾)中—粗砂岩(俗称“七里镇砂岩”)，局部夹粉砂岩、砂质泥岩组成;二段由灰绿色砂质泥岩、泥岩与灰绿、黄绿色粉砂岩、细粒长石砂岩(俗称“高桥砂岩”)互层组成，这种岩石组合特征指示其形成于多旋回的河流相沉积环境。

图11 研究区侏罗系延安组与直罗组地层岩芯
Fig.11 Cores of Jurassic Yan’an and Zhiluo Formation in the study area

通过对延安组三段和直罗组一段进行全区对比(图12)可以看出，区内地层厚度分布稳定，延安组三段地层厚度介于8.96～115.87 m，平均厚度51.77 m，砂体厚度介于0～75.2 m，平均厚度22.93 m;直罗组一段地层厚度介于11.38～155.7 m，平均厚度91.29 m，砂体厚度介于0～151.36 m，平均厚度50.82 m。全区地层厚度分布与砂体厚度分布的趋势基本一致，延安组三段主要呈北厚南薄的趋势，而直罗组一段主要呈南厚北薄的趋势。

3.2.2沉积环境对含水层富水性影响

通过利用研究区中期基准面旋回中的砂地比值，结合地层厚度、砂岩厚度、沉积基底特征及单井、连井的沉积微相展布，恢复了研究区延安组三段、直罗组一段与二段的沉积相展布，如图13所示。研究区延安组三段时期为三角洲平原向河流相演变，可容纳空间与沉积物供给速率比值较小的条件下形成的，主要发育有三角洲平原亚相中的分流河道与分流间湾微相，其中分流河道微相为西北向东南展布，是地下水赋存空间相对较好的区域，呈西北向东南方向展布，主要分布在门克庆矿井南部和母杜柴登矿井大部分地区。直罗组一段主要发育河道砂坝与泛滥平原(河漫滩)微相，其中河道砂坝微相主要分布在研究区的中部和南部，该时期可容纳空间较小，水动力条件较强，多期河道砂体连续叠置呈片状，是研究区充水含水层的主要赋存空间。直罗组二段主要发育河道砂坝和河漫滩微相，其中河道砂岩主要分布在研究区南部，由西向东方向展布，尽管部分细砂岩具有一定的厚度，但是连通性一般，储水空间有限。

图12 延安组三段和直罗组一段地层厚度与砂岩厚度分布
Fig.12 Stratum thickness and sandstone thickness distribution in the Member 3 of Yan’an Formation and the Member 1 of Zhiluo Formation

图13 研究区延安组与直罗组沉积相展布
Fig.13 Sedimentary facies distribution of Yan’an and Zhiluo Formation in the study area

3.3基于沉积控水的涌(突)水风险评价

研究区为门克庆煤矿首采区，结合母杜柴登煤矿，通过对研究区区域煤层顶板延安组三段、直罗组一段与二段沉积控水规律的分析，延安组三段与直罗组一段砂岩厚度较厚，空间展布稳定，是矿井的主要充水含水层;直罗组二段以河漫滩相的粉砂岩与泥岩为主，砂岩呈透镜状分布其中，且与3-1煤距离一般大于导水裂隙带发育高度，可作为3-1煤顶板相对隔水层。因此，笔者将研究区延安组三段与直罗组一段作为矿井3-1煤充水含水层，分别选取沉积环境影响指数、砂岩厚度、岩芯采取率、单位涌水量、渗透系数与导水裂隙带发育高度6个指标作为研究区3-1煤顶板含水层涌(突)水风险评价的主控因素，建立各主控因素专题图(图14)。其中，沉积环境影响指数根据延安组三段与直罗组一段的井下疏放水量的均值大小，按1∶4权重大小将两段的沉积相分布图进行复合叠加。导水裂隙带发育高度根据研究区井下钻孔电阻率法实测高度，取25倍的煤层厚度。评价指标权重的确定是煤层顶板涌(突)水危险性分区评价的关键环节之一，笔者通过AHP层次分析法经专家打分得到的各指标权重结果见表1。利用GIS的空间信息融合功能将归一化后的6个涌(突)水危险性主控因素专题图进行叠加，产生一个能够综合反映煤层顶板涌(突)水危险性的综合指数，最后通过GIS中的自然分级法对综合指数的分区阈值进行处理，即可得到研究区3-1煤顶板涌(突)水危险性分区评价结果，如图15所示。

图14 研究区涌(突)水风险评价主控因素
Fig.14 Thematic maps of main controlling factors of water inrush risk in the study area

表1 3-1煤顶板含水层充水强度分析中各主控因素的权重
Table 1 Comprehensive weighting of main control factors of 3-1coal roof aquifer

评价指标沉积环境影响指数(C1)砂岩厚度(C2)岩芯取芯率(C3)单位涌水量(C4)渗透系数(C5)导水裂缝带发育高度(C6)权重Wi0.198 00.172 50.065 80.301 30.099 00.163 4

图15 3-1煤顶板涌(突)水危险性分区
Fig.15 Zoning map of water inrush risk of the No.3-1coal roof aquifer

3.4地下水截流治理

由图15可知，涌(突)水危险区主要分布在研究区的南部，主要呈东西向展布;同时根据前文沉积控水规律可知，门克庆矿井南部与母杜柴登矿井北部大部分区域主要为古河道分布区。因此，根据首采工作面单侧截流治理模式，将研究区首采工作面布置在南翼西侧，即11-3101工作面，通过采前预疏放与采后采空自流疏放，降低直罗组一段含水层的水量与水压，从而减少研究区东侧后续工作面的涌水量，减缓工作面采场煤水混杂的复杂局面。

同时，根据门克庆矿井的采掘接续计划，为了达到12.0 Mt/a设计生产能力，在主采3-1煤的同时，需要配采研究区东侧具有可采意义的2-2煤层。由于2-2采煤工作面临距离强含水层较近，无法安全掘进与回采的问题。由图16可知，直罗组一段含水层为11-3101工作面与11-2201工作面共同的主要充水含水层，且砂体的空间展布连续、稳定。因此，为了保障矿井接续顺利与安全生产，根据上行开采低位截流治理模式，优化调整工作面的采掘接续，先行开采研究区西侧南翼的11-3101工作面与北翼的11-3103工作面，降低直罗组一段含水层的水量与水压，保障后续11-2201工作面的安全开采。通过对比11-2201工作面顶板充水含水层的探查孔数据，近期探查孔的终孔水量与水压较之前2 a的数据有明显下降，说明上行开采低位截流治理模式可行有效。随着后续疏放水工作的全面铺开，最终可达到研究区矿井水的截流治理与源头防控的目的。

图16 研究区煤层顶板含水层分布A—A1剖面
Fig.16 Coal roof aquifer distribution ofA—A1profile in the study area

4结 论

(1)顶板水害源头防控的技术路线是在对矿井主要充水含水层沉积特征与富水规律分析基础上，通过矿井涌(突)水风险分区评价研究，圈定出顶板水害区域防控的重点“靶区”，继而建立基于矿井采掘布局优化与长、短钻结合的靶向追踪探放的地下水截流治理模式，从而形成一套符合深部侏罗系矿井的顶板水害源头防控关键技术。

(2)通过系统对比测井相标志与钻孔岩芯岩石学标志，应用沉积控水规律，分析了含(隔)水层在空间的展布规律与富水性分布规律。并在此基础上，针对深部侏罗系矿井煤层厚度变化较大、顶板含(隔)水层交互成层的特征，提出一套符合深部侏罗系矿井水文地质特征的矿井涌(突)水风险分区评价方法。

(3)针对深部侏罗系矿井现阶段采前无法安全掘进与回采，采后采场落地水量大、煤水混杂等一系列问题，根据涌(突)水风险分区展布方向与地下水径流方向，结合采掘布局优化与靶向追踪探放技术，提出了上行开采低位截流、工作面单侧截流、工作面双侧截流与工作面方向调整截流4种地下水截流治理模式。

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