Characteristics of roof water inflow and control technology for high intensity mining in Dongsheng Mining Area，Shenfu Coalfield
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摘要: 针对我国西部矿区煤炭开采顶板水害威胁问题，以神府−东胜矿区为研究对象，统计了50个工作面的涌水量数据，总结了不同煤−水组合下5种典型的工作面顶板涌水特征：动态补给主导的持续增长型；“动−静”储量共同作用的先增后稳型；微涌水持续稳定性；水文地质条件差异化局部凸显型以及静储量主导先增后减型。针对每种涌水规律，分析了其成因机制，并提出相应的水害防治思路及措施：当工作面受侧向补给较强时，根据实际水文地质条件可采用帷幕截流措施为主、疏水降压措施为辅的防治手段；当工作面受顶板含水层静储量补给为主时，可提前疏水降压，削峰平谷；当工作面受顶板含水层局部富水区域或采空区涌水补给时，可有针对性地采取疏放、注浆治理等综合措施，消除局部水患等。研究成果对于受顶板水害威胁的西部矿区水害防治工作具有借鉴意义。Abstract: In view of the threat of roof water disasters in coal mining in western China, the water inflow data of 50 working faces are counted in Dongsheng Mining Area of Shenfu Coalfield, and five typical water inflow characteristics are summarized, which are dynamic recharge-led sustained growth type, the increasing first and then stabilizing type with “dynamic-static” reserves acting together, continuous stability of micro inflow, differential hydrogeological conditions locally prominent type, and the increasing first and then decreasing type dominated by static reserves. According to the law of each type of water inrush, the corresponding ideas and measures of water disaster prevention and control are put forward. When the working face is strongly recharged by the side, the curtain closure measures can be used as the main measure with drainage and pressure reduction as the auxiliary measure according to the actual hydrogeological conditions. When the working face is mainly recharged by the static reserves of the roof aquifer, the drainage and pressure reduction can be carried out in advance. When the working face is supplied by the water inflow in the water rich area(or goaf) of the roof aquifer, comprehensive measures such as drainage and grouting treatment can be taken to eliminate local water disasters. The research results provide reference for the prevention and control of water disasters in the mining areas in western China threatened by roof water disasters.
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煤层属于典型的裂缝型介质，其裂缝发育特征对煤层气(瓦斯)的运移渗透和解析开采等影响显著[1]。所以，针对煤层裂缝的探测和评价具有重要的应用价值。但通常情况下，煤层中裂缝的横向变化规律复杂、差异大，远井区难以采用测井信息进行控制和直接评估，为此，有必要依托三维地震勘探资料并联合测井信息开展横向范围内的煤层裂缝评价工作[2-3]。
在地质构造运动过程中，上覆地层压力作用使得煤层中近水平向的裂缝呈关闭状态；而水平方向的构造应力作用使得煤层中近垂向的裂缝呈张开状态，可简化为HTI (Horizontal Transversely Isotropic)型介质。地震波在HTI型介质界面和内部传播时，表现出显著的方位各向异性特征，这也为地震勘探和评价煤层裂缝特征提供了理论依据[4-5]。基于方位各向异性理论，董守华[2-3]计算了HTI型煤层顶底板反射系数随方位角变化的响应特征；陈同俊等[6-7]通过方位AVO(Amplitude Variation with Offset)模拟，分析了HTI型构造煤的可探测性；张亚兵等[8]利用阻尼最小二乘算法计算了AVOA (Amplitude Variation with Offset and Azimuth)属性，预测煤层的裂缝分布；彭苏萍等[9]通过正演模拟分析了裂缝密度、裂缝开度和裂缝填充物对HTI煤层AVO响应特征的影响；卢勇旭等[10]推导了HTI薄煤层平面波的反射系数计算公式，计算分析了各向异性薄煤层的AVAZ响应特征；李勤等[11-14]通过正演模拟分析了HTI型煤层裂隙密度、裂隙充填物以及煤层厚度等参数变化时的地震波响应特征。上述研究多专注于不同裂缝状态下的煤层地震AVO/AVOA响应分析，而随着岩石物理的发展，从地震岩石物理角度对裂缝进行精细刻画和多角度描述成为了新的发展趋势。
为此，笔者从地震岩石物理建模出发，利用等效介质理论对HTI型煤层中的裂缝进行表征，建立煤层裂缝参数与各向异性系数的关系，进而计算得到裂缝参数的纵、横波速度，各向异性系数，煤层顶界面各向异性梯度项和P-P波反射系数的响应，并制作合成地震记录，分析HTI型煤层的方位各向异性特征，以期为煤田地震勘探数据精细处理、成像和反演等提供基础理论依据。
1 HTI型煤层裂缝参数的地震正演模拟方法
1.1 岩石物理表征
通过地震岩石物理建模可直接建立裂缝参数与地震响应间的量化关系。先基于等效介质理论模型对HTI型煤层裂缝进行表征，其刚度矩阵表示为：
$$ {\boldsymbol{C}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{c_{11}}}&{{c_{13}}}&{{c_{13}}}&0&0&0 \\ {{c_{13}}}&{{c_{33}}}&{{c_{23}}}&0&0&0 \\ {{c_{13}}}&{{c_{23}}}&{{c_{33}}}&0&0&0 \\ 0&0&0&{{c_{44}}}&0&0 \\ 0&0&0&0&{{c_{66}}}&0 \\ 0&0&0&0&0&{{c_{66}}} \end{array}} \right] $$ (1) 式中：c11、c33、c44、c66、c13、c23均为刚度矩阵参数。
依据HTI介质的特点，将HTI型煤层裂缝建模分为两部分：一部分是煤基质干骨架，另一部分是含饱和流体的垂向裂缝，如图1所示。
对HTI型煤层裂缝进行表征时，先由煤基质骨架中加入垂向干裂缝计算等效弹性模量，再充入流体计算含饱和流体裂缝煤层的等效弹性模量。计算煤层的裂缝密度时，采用裂缝密度
$ e $ 表示：$$ e = \frac{{3{\phi _{\text{f}}}}}{{4{\text{π }}{\alpha _{\text{f}}}}} $$ (2) 式中：
$\phi {}_{\text{f}}$ 为裂缝孔隙率；$ {\alpha _{\text{f}}} $ 为裂缝纵横比。式(2)表明，裂缝孔隙率和纵横比参数共同决定了地层的裂缝密度特征。
基于Mori-Tanaka模型计算含垂向干裂缝煤层的等效弹性常量
$ c_{ij}^{{\text{dry}}} $ [15-16]，表示为：$$ \left\{ \begin{split} & {c_{11}^{{\text{dry}}} = \left( {{K_1} + \frac{4}{3}{\mu _1}} \right)\left( {1 - \frac{1}{\varOmega }} \right)} \\ & {c_{33}^{{\text{dry}}} = \left( {{K_1} + \dfrac{4}{3}{\mu _1}} \right) - \dfrac{{{{\left( {{K_1} - \dfrac{2}{3}{\mu _1}} \right)}^2}}}{{\left( {{K_1} + \dfrac{4}{3}{\mu _1}} \right)\varOmega }}} \\ & {c_{44}^{{\text{dry}}} = {\mu _1}} \\ & {c_{66}^{{\text{dry}}} = {\mu _1}\frac{Y}{{1 + Y}}} \\ & {c_{13}^{{\text{dry}}} = \left( {{K_1} - \frac{2}{3}{\mu _1}} \right)\left( {1 - \frac{1}{\varOmega }} \right)} \\ &c_{23}^{{\rm{dry}}} = \left( {{K_1} - \dfrac{2}{3}{\mu _1}} \right) - \frac{{{K_1} - \dfrac{2}{3}{\mu _1}}}{{\left( {{K_1} + \dfrac{4}{3}{\mu _1}} \right)\varOmega }} \end{split} \right. $$ (3) 其中，
$\varOmega$ 和$ Y $ 的表达式为：$$ \left\{ \begin{split} & {\varOmega \approx 1 + \frac{{3\left( {1 - 2{\upsilon _1}} \right)}}{{16e{{(1 - {\upsilon _1})}^2}}}} \\ & {Y = \frac{{9\left( {3{K_1} + 2{\mu _1}} \right)}}{{16e\left( {3{K_1} + 4{\mu _1}} \right)}}} \end{split} \right. $$ (4) 式中：
$ {K_1} $ 和$ {\mu _1} $ 分别为煤基质干骨架的体积模量和剪切模量，GPa；$ {\upsilon _1} $ 为煤基质干骨架的泊松比；上标dry为干裂缝。煤层裂缝中通常含有饱和流体(通常为煤层水和游离气)，先采用Wood平均计算流体等效体积模量，再采用各向异性介质流体替换公式计算含饱和流体裂缝煤层的等效弹性常量[17]，表示为：
$$ s_{ijkl}^{{\text{sat}}} = s_{ijkl}^{{\text{dry}}} - \frac{{\left( {s_{ijaa}^{{\text{dry}}} - s_{ijaa}^0} \right)\left( {s_{bbkl}^{{\text{dry}}} - s_{bbkl}^0} \right)}}{{\left( {s_{ccdd}^{{\text{dry}}} - s_{ccdd}^0} \right) + {\phi _{\text{f}}}\left( {{\beta _{{\text{fl}}}} - {\beta _0}} \right)}} $$ (5) 式中：
$ s_{ijkl}^{{\text{sat}}} $ 为含饱和流体裂缝煤的等效柔度张量；$ s_{ijkl}^{{\text{dry}}} $ 为煤基质干骨架等效柔度张量；$ s_{ijaa}^0 $ 为煤基质颗粒的柔度张量；β0和βf1分别为煤基质颗粒的和流体的可压缩性，即K0和Kf1的倒数。柔度张量sijkl与刚度张量cijkl是逆的关系。柔度(刚度)张量的下标ijkl为四阶张量表示方法，可依据表1简化为二阶的形式与式(1)对应。
表 1 柔度(刚度)张量下标的简化Table 1. Implication of subscripts of flexibility (stiffness) tensors四阶( $ ij $/ $ kl $) 二阶(I/J) 11 1 22 2 33 3 23,32 4 13,31 5 12,21 6 式(5)中下标ijkl存在2个相同的符号，如aa、bb、cc和dd，表示ij或kl分别等于11，22，33时的求和[18]，即：
$$ \left\{ \begin{split} & {s_{ijaa}^{{\text{dry}}} = s_{ij11}^{{\text{dry}}} + s_{ij22}^{{\text{dry}}} + s_{ij33}^{{\text{dry}}}} \\ & {s_{bbkl}^{{\text{dry}}} = s_{11kl}^{{\text{dry}}} + s_{22kl}^{{\text{dry}}} + s_{33kl}^{{\text{dry}}}} \\ & s_{ccdd}^{{\text{dry}}} = s_{1111}^{{\text{dry}}} + s_{1122}^{{\text{dry}}} + s_{1133}^{{\text{dry}}} + s_{2211}^{{\text{dry}}} + \\ &\qquad s_{2222}^{{\text{dry}}} + s_{2233}^{{\text{dry}}} + s_{3311}^{{\text{dry}}} + s_{3322}^{{\text{dry}}} + s_{3333}^{{\text{dry}}} \end{split} \right. $$ (6) 1.2 HTI型煤层裂缝参数的地震响应计算方法
进一步计算HTI型煤层的地震参数响应。基于含饱和流体裂缝煤层的等效弹性常量计算结果，计算HTI介质条件下垂向(
$\bot $ )和水平向(_)的地震波速度表示为：$$ \left\{ \begin{split} & {{v_{{\text{P\_}}}} = \sqrt {\frac{{{c_{11}}}}{\rho }} } \\ & {{v_{{\text{P}} \bot }} = \sqrt {\frac{{{c_{33}}}}{\rho }} } \\ & {{v_{{\text{S}} \bot }} = \sqrt {\frac{{{c_{44}}}}{\rho }} } \\ & {{v_{{\text{S\_}}}} = \sqrt {\frac{{{c_{66}}}}{\rho }} } \end{split} \right. $$ (7) 各向异性系数(ε(v)，γ(v)，δ(v))[19]表示为：
$$ \left\{ \begin{split} & {{\varepsilon ^{({\text{v}})}} = \frac{{{c_{11}} - {c_{33}}}}{{2{c_{33}}}}} \\ & {{\gamma ^{({\text{v}})}} = \frac{{{c_{66}} - {c_{44}}}}{{2{c_{44}}}}} \\ & {{\delta ^{({\text{v}})}} = \frac{{{{({c_{13}} + {c_{66}})}^2} - {{({c_{33}} - {c_{66}})}^2}}}{{2{c_{33}}({c_{33}} - {c_{66}})}}} \end{split} \right. $$ (8) 将式(8)计算的各向异性系数代入到HTI介质条件下的P-P波反射系数近似公式[19-20]，即可计算出P-P波反射系数(
$ {R_{{\text{PP}}}} $ )、各向异性梯度项($ {G_{{\text{ani}}}} $ )等地震参数，表示为：$$ \begin{split} & {R_{{\text{PP}}}}(\theta ,\psi ) = \frac{1}{2}\frac{{\Delta Z}}{{\bar Z}} + \frac{1}{2}\left\{ \frac{{\Delta {v_{\text{P}}}}}{{ {{\bar v_{\text{P}}}} }} - {{\left( {\frac{{2 {{\bar v_{\text{S}}}} }}{{ {{\bar v_{\text{P}}}} }}} \right)}^2}\frac{{\Delta G}}{{\bar G}} +\right.\\ &\qquad \left.\left[ {\Delta {\delta ^{({\text{v}})}} + 2{{\left( {\frac{{2 {{\bar v_{\text{S}}}} }}{{ {{\bar v_{\text{P}}}} }}} \right)}^2}\Delta {\gamma ^{({\text{v}})}}} \right]{{\cos }^2}\psi \right\}{\sin ^2}\theta {\text{ + }} \\ & \qquad \frac{1}{2}\left\{ {\frac{{\Delta {v_{\text{P}}}}}{{ {{\bar v_{\text{P}}}} }} + \Delta {\varepsilon ^{({\text{v}})}}{{\cos }^4}\psi + \Delta {\delta ^{({\text{v}})}}{{\sin }^2}\psi {{\cos }^2}\psi } \right\}{\sin ^2}\theta {\tan ^2}\theta \end{split} $$ (9) $$ {G_{{\text{ani}}}} = \frac{1}{2}\left[ {\Delta {\delta ^{({\text{v}})}} + 2{{\left( {\frac{{2 {{\bar v_{\text{S}}}} }}{{ {{\bar v_{\text{P}}}} }}} \right)}^2}\Delta {\gamma ^{({\text{v}})}}} \right] $$ (10) 式中：
$ \theta $ 和$ \psi $ 分别为入射角和方位角；$ {v_{\text{P}}} $ 和$ {v_{\text{S}}} $ 分别为纵波速度和横波速度；$ Z = \rho {v_{\text{P}}} $ 为垂向纵波波阻抗；$ G = \rho v_{\text{S}}^2 $ 为垂向剪切模量；$ \;\Delta {\varepsilon ^{({\text{v}})}} = \varepsilon _2^{({\text{v}})} - \varepsilon _1^{({\text{v}})} $ ；$\;\Delta {\gamma ^{({\text{v}})}} = \gamma _2^{({\text{v}})} - \gamma _1^{({\text{v}})}$ ；$ \Delta {\delta ^{({\text{v}})}} = \delta _2^{({\text{v}})} - \delta _1^{({\text{v}})} $ ；$\bar Z = \dfrac{{{Z_1} + {Z_2}}}{2}$ ；$\bar G = \dfrac{{{G_1} + {G_2}}}{2}$ ；${{\bar v_{\text{P}}}} = \dfrac{{{v_{{\text{P}}1}} + {v_{{\text{P}}2}}}}{2}$ ；${{\bar v_{\text{S}}}} = \dfrac{{{v_{{\text{S}}1}} + {v_{{\text{S}}2}}}}{2}$ ；$ {Z_1} $ 、$ {G_1} $ 、$ {v_{{\text{P1}}}} $ 、$ {v_{{\text{S1}}}} $ 、$ \varepsilon _1^{({\text{v}})} $ 、$ \gamma _1^{({\text{v}})} $ 、$ \delta _1^{({\text{v}})} $ 和$ {Z_2} $ 、$ {G_2} $ 、$ {v_{{\text{P2}}}} $ 、$ {v_{{\text{S2}}}} $ 、$ \varepsilon _2^{({\text{v}})} $ 、$ \gamma _2^{({\text{v}})} $ 、$ \delta _2^{({\text{v}})} $ 分别为反射界面上层和下层的参数。进一步将式(9)计算的煤层顶、底界面的P-P波反射系数与Ricker子波卷积，得到HTI型煤层的合成地震记录响应，表示为：
$$ {\boldsymbol{d}}(\theta ,\psi ) = {\boldsymbol{W}}{R_{{\text{PP}}}}(\theta ,\psi ) + {\boldsymbol{n}} $$ (11) 式中：W为子波矩阵；n为噪声。
2 HTI型煤层裂缝参数的地震响应模拟与特征分析
2.1 等效纵、横波速度响应
正演模拟得到的垂向和水平向煤层纵、横波速度与裂缝参数的关系如图2所示。相同裂缝参数状态下，水平向的纵、横波传播受到裂缝的影响，显著低于垂向的纵横波速度。裂缝孔隙度增大或纵横比减小，垂向的纵波速度微弱减小，横波速度不变，而水平向的纵、横波速度显著减小；且水平向纵波速度对裂缝孔隙度变化敏感，受裂缝纵横比影响不大，而水平向横波速度对裂缝孔隙度和纵横比变化均敏感。
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图 2 HTI型煤层垂向和水平向纵、横波速度与裂缝参数的关系Figure 2. Vertical and the horizontal P- and S- wave velocities vs. fracture parameters of HTI coal seams计算得到垂向和水平向纵、横波速度与裂缝密度的关系如图3所示。随着裂缝密度的增加，垂向纵波速度微弱减小，横波速度不变；水平向纵横波速度均显著减小，且横波速度减小更为明显。
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图 3 煤层垂向和水平向纵、横波速度与裂缝密度的关系Figure 3. Vertical and horizontal P- and S- wave velocities vs. fracture density of coal seams2.2 各向异性系数响应
进一步基于含饱和裂缝流体煤层的等效弹性常量
$ c_{ij}^{{\text{sat}}} $ 计算HTI介质条件下的煤层各向异性系数(ε(v)、γ(v)、δ(v))，图4和图5所示为各向异性系数与裂缝孔隙度、纵横比和裂缝密度的关系。其中，各向异性系数ε(v)用于衡量纵波速度的各向异性，与水平向纵波速度的变化特征相一致(图2)；各向异性系数γ(v)用于衡量横波速度的各向异性，与水平向横波速度的变化特征相一致(图2)。各向异性系数δ(v)受裂缝孔隙度和纵横比的影响均显著。![]()
图 4 各向异性系数(ε(v)、γ(v)、δ(v))与裂缝参数的关系Figure 4. Anisotropic coefficients ε(v), γ(v) and δ(v) vs. fracture parameters![]()
图 5 各向异性系数(ε(v)、γ(v)、δ(v))与裂缝密度的关系Figure 5. Anisotropic coefficients ε(v), γ(v) and δ(v) vs. fracture density由图5可知，随着裂缝密度的增大，各向异性系数ε(v)、γ(v)、δ(v)绝对值均不同程度的增大，各向异性系数ε(v)增大幅度明显小于各向异性系数γ(v)和δ(v)，表明裂缝密度增大主要引起横波各向异性的显著增强。
3 HTI型煤层模型地震响应正演模拟
3.1 各向异性梯度项和P-P波反射系数响应
设置如图6所示的三层水平层状HTI型煤层模型；顶板和底板均为各向同性的泥岩，纵波速度为3.0 km/s，横波速度为2.0 km/s，密度为2.3 g/cm3；煤层设置为HTI型含饱和流体裂缝煤层，厚度为5 m。
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图 6 三层水平层状HTI型煤层模型Figure 6. HTI coal seam model consisting of three horizontal layers计算得到煤层顶界面各向异性梯度项与裂缝孔隙度、纵横比和裂缝密度的关系如图7所示。由图7可知，随着裂缝孔隙度增大或纵横比减小，各向异性梯度项绝对值增大；随着裂缝密度的增大，各向异性梯度项绝对值增大。
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图 7 煤层顶界面各向异性梯度项与裂缝孔隙度、纵横比和裂缝密度的关系Figure 7. Anisotropic gradient of coal seams’ top interface vs. the porosity, aspect ratio and density of fractures依据式(9)计算煤层顶界面P-P波反射系数的响应情况，如图8所示。垂直入射时，即入射角为0，则P-P波反射系数不具有方位各向异性。由图8可知，入射角或裂缝密度增大，P-P波反射系数方位特性增强；方位角为0时，裂缝密度变化引起的P-P波反射系数变化显著，而方位角为90°时，P-P波反射系数不受裂缝密度的影响。
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图 8 煤层顶界面P-P波反射系数与裂缝密度和方位角的关系Figure 8. P-P reflection coefficient of coal seams’ top interface vs. fracture density and azimuth3.2 合成地震记录响应
依据式(11)，利用煤层顶界面和底界面的P-P波反射系数与40 Hz的Ricker子波进行卷积，得到不同入射角、裂缝密度条件下的方位角度道集，如图9所示。由图9可知，入射角不为0时，裂缝密度变化引起的合成地震记录的方位各向异性特征显著，具体表现为裂缝密度增大，合成地震记录的方位各向异性增强。
统计图9所示方位角度道集的反射复合波最大正振幅值(Amax)，如图10所示。由图10可知，入射角θ=0时，合成地震记录的最大正振幅不显示方位各向异性；入射角θ>0时，入射角或裂缝密度的增大，引起的P-P波反射系数和煤层反射复合波最大正振幅方位各向异性增强；且方位角ψ=0时，裂缝密度变化引起的反射复合波最大正振幅变化显著；方位角ψ=90°时，反射复合波最大正振幅不受裂缝密度影响。
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图 10 HTI型煤层合成地震记录的最大正振幅响应Figure 10. Maximum positive amplitude of synthetic seismic records of HTI coal seams4 讨 论
煤层的裂缝密度由裂缝孔隙度和纵横比2个参数控制，而在实际生产中，裂缝纵横比参数难以获取，且传统地震AVOA反演的裂缝密度为相对值。所以，准确获取煤层的裂缝孔隙度以评价煤层裂缝特性，是较为实际的选择。由图2和图4可知，纵波速度和各向异性系数ε(v)受裂缝孔隙度的影响显著，而受裂缝纵横比的影响微弱；这无疑为通过煤样超声波测试、声波测井反演或解释、井约束的纵波地震反演等方法计算获取煤层的裂缝孔隙度提供了有效途径。
在煤田地震勘探中不可回避一个问题是煤层的薄层特性，其直接导致煤层的反射波多为复合波[10, 21-22]。图8中煤层顶界面P-P波反射系数值和图10中5 m厚煤层反射复合波的最大正振幅值都显现出方位各向异性特征(θ>0)，但这种方位各向异性的强弱和规律会随着煤厚的变化而变化。因此，在煤厚变化大的勘探区内，地震AVOA反演的适用性以及反演结果的精度是难以保证的。
5 结 论
a. 基于等效介质理论建模对煤层垂向裂缝进行表征，并通过三层HTI型煤层模型正演模拟得到煤层裂缝参数的地震AVOA响应。模拟结果表明裂缝密度变化引起水平向纵、横波速度和各向异性系数，以及煤层顶界面各向异性梯度项变化显著；水平向纵波速度、各向异性系数ε(v)受裂缝孔隙度影响显著，受裂缝纵横比影响微弱，而水平向横波速度、各向异性系数γ(v)、δ(v)以及煤层顶界面各向异性梯度项对裂缝孔隙度和纵横比变化均敏感。
b. 入射角等于0时，P-P波反射系数和煤层反射复合波最大正振幅不具有方位各向异性特征。入射角大于0时，入射角或裂缝密度的增大，引起的P-P波反射系数和煤层反射复合波最大正振幅方位特性增强；方位角为0时，即垂直于裂缝走向入射，裂缝密度变化引起的P-P波反射系数和煤层反射复合波最大正振幅变化显著，而方位角为90°时，即平行于裂缝走向入射，P-P波反射系数和煤层反射复合波最大正振幅不受裂缝密度的影响。
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图 1 神府−东胜矿区煤–水空间关系
Fig. 1 Schematic diagram of coal-water spatial relationship in Dongsheng Mining Area of Shenfu Coalfield
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图 2 锦界煤矿3个典型工作面涌水量随回采距离变化趋势
Fig. 2 Variation trend of water inflow with mining distance in three typical working faces of Jinjie Coal Mine
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图 3 锦界矿典型工作面煤–水空间关系(回采方向)
Fig. 3 Coal-water spatial relationship of typical working faces(advancing direction) in Jinjie Coal Mine
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图 4 锦界煤矿2个典型工作面涌水量随回采距离变化趋势
Fig. 4 Variation trend of water inflow with mining distance in two typical working faces of Jinjie Coal Mine
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图 5 3个典型工作面涌水量随回采距离变化趋势
Fig. 5 Variation trend of water inflow with mining distance in three typical working faces of coal mines
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图 6 哈拉沟煤矿22410工作面顶板基岩裂隙含水层强富水性区域分布
Fig. 6 Distribution of water rich zone of bedrock fissure aquifer in working face 22410 of Halagou Coal Mine
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图 7 哈拉沟煤矿22410工作面涌水量随回采距离变化趋势
Fig. 7 Variation trend of water inflow with mining distance in working face 22410 of Halagou Coal Mine
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图 8 哈拉沟煤矿22519工作面涌水量随回采距离变化趋势
Fig. 8 Variation trend of water inflow of working face 22519 with mining distance in Halagou Coal Mine
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图 9 哈拉沟煤矿22519工作面与三元沟位置
Fig. 9 Location of working face 22519 in Halagou Coal Mine and Sanyuangou
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图 10 补连塔煤矿12413工作面涌水量随回采距离变化趋势
Fig. 10 Variation trend of water inflow of working face 12413 with mining distance in Bulianta Coal Mine
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图 11 补连塔煤矿12413工作面与补连沟位置关系
Fig. 11 Position relationship between working face 12413 and Buliangou in Bulianta Coal Mine
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图 12 乌兰木伦煤矿等3个典型工作面涌水量随回采距离变化趋势
Fig. 12 Variation trend of water inflow with mining distance in three typical working faces of Ulan Mulun Coal Mine and Bu’ertai Coal Mine
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图 13 乌兰木伦和布尔台煤矿煤–水空间分布特征
Fig. 13 Characteristics of coal-water spatial distribution in Ulan Mulun Coal Mine and Bu’ertai Coal Mine
表 1 区域地层
Table 1 Regional strata
地层单位 厚度(最小~最大值)/m 岩性描述 系 统(群) 组 第四系 全新统 Q4eol，Q4al 0~60 以现代风积沙为主，主要为中细沙及亚沙土，在河谷滩地和一些地势低洼地带为冲击层、冲洪积层，与下伏地层呈角度不整合 上更新统 马兰组(Q3m) 0~30 灰黄色亚沙土(马兰黄土)，大孔隙，含钙质结核，具柱状节理，与下伏地层呈角度不整合 萨拉乌苏组(Q3s) 0~160 灰黄–褐黑色粉细沙、亚沙土、沙质黏土，底部有砾石，与下伏地层呈角度不整合 中更新统 离石组(Q2l) 0~165 离石黄土，浅棕黄色–黄褐色亚黏土、亚沙土，夹粉土质沙层、古土壤层、钙质结核层，底部有砾石层 下更新统 三门组(Q1s) 0~50 褐红色–浅肉红色亚黏土、砾石层，夹钙质结核层，与下伏地层呈角度不整合 新近系 上新统 保德组(N2b) 0~175 棕红色–紫红色黏土或砂质黏土，夹钙质结核层，含脊椎动物化石，与下伏地层呈角度不整合 白垩系 志丹群 东胜组(K1zh2) 0~230 上部为浅红色、棕红色含砾砂岩与砾岩互层，下部为黄、黄绿色砾岩 伊金霍洛组(K1zh1) 0~80 上部为深红色泥岩与褐红色细粒砂岩，中部具有大型交错层理的中、粗砂岩，底部为灰绿、褐红色砾岩，与下伏地层呈角度不整合 侏罗系 中统 安定组(J2a) 0~114 紫红、灰紫色砂质泥岩，粉砂岩，中、细粒砂岩不等厚互层，底部为灰
黄色、浅紫红色、中粗粒含砾长石砂岩，巨厚层、透镜状、微含钙质直罗组(J2z) 0~278 灰绿色，局部紫杂色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩与灰黄绿色细粒砂岩互层，泥岩多具水平层理，含铁质结核。局部为巨厚层状，灰白色灰黄色中–粗粒含砾长石砂岩，与下伏地层呈平行不整合 中下统 延安组(J1-2y) 20~311 灰白色细、中粒长石砂岩，深灰色泥岩，砂质泥岩及煤层组成的含煤岩系，泥岩中多含菱铁矿结核，泥灰岩透镜体，蒙脱质黏土岩。含丰富瓣鳃化石，煤系自下而上分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ段，各含一个煤组，自上而下编号1—5组 下统 富县组
(J1f)0~142 上部为浅黄、灰绿、紫红色泥岩，夹砂岩；下部以砂岩为主，局部为砂岩与泥岩互层；底部为浅黄色砾岩，与下伏地层呈平行不整合 三叠系 上统 延长组(T3y) 35~312 黄、灰绿、紫、灰黑色块状中粗粒砂岩，夹灰黑、灰绿色泥岩和煤线 
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表 2 神府−东胜矿区含(隔)水层特征
Table 2 Characteristics of aquifers(aquifuges) in Dongsheng Mining Area of Shenfu Coalfield
地层 含(隔)水层类型 岩性特征 厚度及富水性特征 分布范围 第四系 冲积层(Q4al) 松散岩类孔
隙含水层组以细沙、粉砂、粉土和粉质土为主 松散含水层组的单位涌水量为0.027~
2.110 L/(s·m)，渗透系数(K)为0.02~
30.00 m/d，富水性弱–强河谷区 萨拉乌苏组(Q3s) 以固定、半固定沙丘形式覆盖于地表 广泛分布 离石组(Q2l) 黄土、红土隔水层 以黏土和亚黏土为主，呈浅棕色、棕色，隔水性特征明显 富水性极弱 分布不连续 新近系 保德组(N2b) 以黏土和亚黏土为主，呈浅红色、红色，隔水性特征明显 区域大部分布 白垩系 志丹群(K1zh) 孔隙−裂隙含水层 中粗粒砂岩，局部为含砾粗砂岩及砾岩，结构疏松 该含水层一般厚50~74 m，单位涌水量(q)为0.1~3.0 L/(s·m)，渗透系数(K)为0.035~0.980 m/d，富水性中等–强 矿区西北部 侏罗系 安定组(J2a) 隔水层 紫红色、紫杂色泥岩，粉砂岩夹砖红色砂岩 弱 矿区西部 直罗组(J2z) 孔隙–裂隙含水层组 以中–粗砂岩为主，夹薄层泥岩和泥砂岩 该含水层厚度45~138 m，单位涌水量(q)
为0.1~1.0 L/(s·m)，含水层渗透系数(K)
为0.037~0.110 m/d，富水性中等–强全区分布 延安组(J1-2y) 含煤地层，以砂岩和泥岩为主 该含水层厚度90~250 m，单位涌水量(q)为0.000 1~0.081 L/(s·m)，渗透系数(K)为
0.000 14~0.19 m/d，富水性弱全区分布
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表 3 不同工作面涌水类型及防治对策
Table 3 Types of water inrush in different working faces and countermeasures
涌水类型 涌水类型曲线 典型工作面 防治对策 持续增长型 
锦界煤矿31401、31409和31201工作面等 侧向动态补给强烈，因此，防治措施以侧向的帷幕截流措施为主，配合开展疏水降压工程 先增后稳型 
锦界煤矿31407、31114工作面等 工作面涌水受到侧向和上部含水层静储量共同补给，防治措施以超前疏水降压为主，提前释放工作面上部含水层静储量，避免回采期间对工作面排水系统造成冲击 持续稳定型 
上湾煤矿12401工作面、柳塔煤矿12122工作面、榆家梁煤矿52210工作面等 侧向补给微弱，静储量有限，探查工作面范围内的富水异常区，在做好工作面临时排水的基础上，对可能存在的富水异常区进行局部疏放，无需开展大规模疏水降压措施 局部凸显型 
哈拉沟煤矿22410、22519工作面和补连塔煤矿12413工作面等 局部特殊地段(采空区、沟流、强富水区等)引起的涌水量增加。针对该类工作面，一定要对局部特殊地段提前探查，采取超前疏放(采空区积水、富水区水)、地表防渗(地表沟流等)以及局部地段的注浆治理等措施 先增后减型 
乌兰木伦煤矿31408、12403和布尔台煤矿22102工作面等 针对该类型工作面，采取少量疏放工程即可消除水害隐患，在做好工作面临时排水前提下，顶板涌水对工作面回采影响较小
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