王建彬，程紹強，李永軍

(1.山西晉煤集團，山西晉城 048214;2.華北科技學院，北京東燕郊 101601)

0 引言

生產(chǎn)實踐證明，水害是影響與制約煤礦安全生產(chǎn)的主要障礙之一。而礦井水文地質類型及其復雜程度決定了礦井開采受水害威脅程度，也決定了礦井防治水工作的難易程度，它關系到礦井開拓方式的選擇和采掘系統(tǒng)的布置，近而影響到礦井的總體規(guī)劃和設計［1］。為遏制水害事故的發(fā)生，減少和避免損失，煤礦應按《煤礦防治水規(guī)定》要求并結合本礦的地質及水文地質資料［2］，在查明礦井充水條件、充水水源、充水因素、涌突水量及其危害程度的基礎上，進行水文地質條件類型劃分［3］。煤礦水文地質條件類型劃分工作的落實，對于分析和評價礦井水害危害程度，排查礦井水害隱患，防患于未然，經(jīng)濟合理地搞好礦井防治水工作，大幅提升礦井防治水技術能力，實現(xiàn)礦井安全、有序、高效生產(chǎn)，具有十分重要的現(xiàn)實意義［4］。

1 礦區(qū)區(qū)域地質概況

胡底煤礦位于山西省沁水縣胡底鄉(xiāng)西北0.50 km。礦區(qū)總體呈北西～南東向的長方形，長約3.05 km，寬約1.81 km，面積5.1258 km2。

井田地處太行山南段，地貌區(qū)劃屬剝蝕山地，山頂起伏平緩并有黃土覆蓋，地勢北東高，西南較低。近南北走向的麻巖溝、崔家山溝、井溝、石渠溝自東向西排列，縱穿礦區(qū)東部。區(qū)內(nèi)主要山脈亦呈近南北向展布，最高標高932.60m，最低為胡底河河床標高670.20 m。

井田內(nèi)主要河流為胡底河，屬黃河流域沁河水系，由七坡東，經(jīng)蒲池、李莊流過井田南西部，于王莊溝東匯入固縣河，區(qū)內(nèi)河段長度3.5km，該河段為胡底河下游河道，控制著全河流流域面積，枯水期流量2.55～3.08 L/s，其20年一遇最大洪水流量為 254.6 m3/s，50年一遇最大洪水量為358.1 m3/s。

區(qū)域上除陽城、沁水縣西南部有上元古界震旦系及古生界寒武系地層出露外，由東南向西北依次出露奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系。第三系及第四系廣泛覆蓋于上述各時代地層之上。開采煤層3煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組。

區(qū)內(nèi)斷裂構造極不發(fā)育且無巖漿活動，僅發(fā)育一些寬緩的次級褶皺或波狀起伏，褶皺是本井田的格架構造，具體表現(xiàn)為蒲池背斜和石門上向斜，井田內(nèi)勘探階段未發(fā)現(xiàn)較大斷層。

2 礦井水文地質條件

2.1 主要含水層

2.1.1 松散巖類孔隙含水層組(孔隙水)

主要為第四系松散沉積物，由砂質粘土夾細砂或卵礫石組成，厚度15 m左右，水位埋深小于15 m。呈帶狀分布于沁河及其支流河谷兩岸。富水性較好，單位涌水量一般為0.1～5.0 L/s·m。主要接受大氣降水補給，向河流及基巖風化帶含水層排泄。水質類型屬 HCO3－Ca.Mg型水。

2.1.2 碎屑巖淺層裂隙水含水巖組(裂隙水)

風化帶厚度受地形起伏的影響，據(jù)鉆孔資料綜合分析一般為60～90m，最深可達100余米，富水性取決于風化裂隙發(fā)育程度。該含水層一般呈潛水性質，直接接受大氣降水的補給，淺部富水性較強，下部較差，據(jù)井檢孔的3次抽水試驗，降深9.47～62.37 m，單位涌水量0.0052～0.1655 L/s ·m，平均為0.0075 L/s·m，滲透系數(shù)為0.0109～0.8974 m/d，平均為0.3747 m/d，富水性中等，水質類型為HCO3－Na型水。

2.1.3 碎屑巖裂隙含水層組(裂隙水)

該含水巖組主要指二疊系砂巖裂隙含水巖組，其中石千峰組、上石盒子組三段地層礦區(qū)內(nèi)普遍出露。含水層為巨厚層粗砂巖及中細粒砂巖。直接接受大氣降水的補給，在地形適宜處以下降泉的形式排出地表。下石盒子組、山西組地層深埋地下，含水層主要為中細粒砂巖，是3號煤的主要充水來源。鉆進中的沖洗液消耗量及水位變化不大，巖芯裂隙不發(fā)育，據(jù)ZK3－1孔的抽水試驗，降深36.12m，單位涌水量0.00108L/s·m，滲透系數(shù)為0.00063 m/d，水位標高694.04 m，水質類型為HCO3－K·Na型水。

2.1.4 碎屑巖夾碳酸鹽類裂隙巖溶含水巖組(裂隙巖溶水)

礦區(qū)內(nèi)該地層埋藏較深，含水層巖性為砂巖、灰?guī)r，其間夾數(shù)層泥巖、砂質泥巖等隔水層，裂隙不發(fā)育，相對削弱了各含水層之間的水力聯(lián)系。據(jù)井檢孔的2次抽水試驗，降深66.18～79.28 m，單位涌水量0.00078～0.0012 L/s·m，平均為0.00099 L/s·m，滲透系數(shù)為0.0039～0.0059 m/ d，平均為0.0049 m/d，弱富水性，水質類型為HCO3－Na型水。

鉆孔資料表明該組中灰?guī)r巖溶裂隙均不發(fā)育，沖洗液消耗量及水位無明顯變化。

2.1.5 碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層組(巖溶水)

該含水層組主要在延河泉域南、東、西部出露。下部為寒武系、奧陶系下統(tǒng)白云質灰?guī)r、白云巖，巖溶裂隙發(fā)育差異很大，在胡底井田附近由于埋藏較深，一般富水性差。中上部為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r，總厚400～500 m，包括下馬家溝組、上馬家溝組及峰峰組地層，主要由石灰?guī)r、白云質灰?guī)r、泥灰?guī)r、角礫狀泥灰?guī)r等組成，是延河泉域內(nèi)的主要含水層。區(qū)域內(nèi)受構造、埋藏深度及巖溶發(fā)育規(guī)律的影響，含水性具有明顯的水平分區(qū)和垂直分帶性。平面上可分為裸露區(qū)、薄層覆蓋區(qū)及厚層覆蓋區(qū)，其富水性見表1。

表1 含水性水平分區(qū)和垂直分帶特征

該含水層主要接受裸露區(qū)大氣降水的補給及局部灰?guī)r河道滲漏的補給，巖溶水在沁河西側由西南向東北和由西向東徑流，在沁河東側由東北向西南徑流。巖溶水除人工開采井群外，在延河泉域南部受阻沿沁河排泄。泉群排泄帶全長25 km。其中最大者是延河泉，多年平均流量4.73 m3/s，泉水出露標高463.78 m。水質為HCO3－Ca.Mg型，HCO3.SO4－Ca.Mg型，礦化度0.3～0.5 g/L。

2.2 主要隔水層

2.2.1 太原組底部及本溪組泥巖、鋁土質泥巖隔水層

該隔水層位于石炭系上統(tǒng)太原組15號煤層之下至奧灰頂，其厚度變化為4.85 m(ZK3－1孔)至12.15 m(ZK1204孔)，巖性為泥巖、鋁土質泥巖及砂質泥巖，厚度較穩(wěn)定，為15號煤層與奧陶系灰?guī)r水之間良好的隔水層。

2.2.2 碎屑巖類層間隔水層

主要巖性為泥巖、鋁土質泥巖，砂質泥巖，其特點是分布廣，厚度穩(wěn)定，一般厚度3～5 m，最厚可達15 m，該隔水層呈層狀分布于各砂巖含水層之間，阻隔了各砂巖含水層之間的垂向水力聯(lián)系。

3 礦井充水因素分析

礦井充水水源、充水通道、充水強度統(tǒng)稱為礦井充水的三大因素［5］。

3.1 礦井充水水源

煤礦生產(chǎn)實踐表明，對礦井充水有影響的水源主要有大氣降水及地表水、構造水、含水層水及老空水。其影響程度，主要取決于上述各水體的發(fā)育程度或富水性，以及水體同開采煤層的關系［6］。

本礦井的主要充水水源為大氣降水、地表水體、含水層水等。

本井田內(nèi)季節(jié)性河流受大氣降水影響較大，因此大氣降水及地表水可成為重要的礦井涌水補給來源。3號煤層開采前的巷道開拓過程中，煤層頂板砂巖裂隙水將通過礦坑頂板冒落導水裂隙帶向礦坑充水，出現(xiàn)井筒和巷道頂板淋水現(xiàn)象，未來3號煤層開采后，二疊系砂巖裂隙含水層水將對礦井充水，具體表現(xiàn)為頂板淋水。

3號煤層底板下有太原組幾層灰?guī)r及砂巖，雖然水頭高出3號煤，但富水性弱，不具備向3號煤充水的條件，而奧灰水由于距3號煤約有100米以上的間隔，在無構造通道的情況下，尚不構成底板突水的危險。另據(jù)ZK9－1孔、井檢4孔資料(見表2)及突水系數(shù)法［7］公式計算得3號煤層突水系數(shù)分別為T=0.037，T=0.039，均在安全范圍內(nèi)。

井田目前處于3號煤層基建時期，尚未進行煤層的開采，因此井田內(nèi)無采空區(qū)。未來開采3號煤層后，采空區(qū)積水會對煤礦安全生產(chǎn)構成水患威脅。

表2 3號煤層底板突水系數(shù)統(tǒng)計表

3.2 礦井充水通道

據(jù)礦區(qū)水文地質條件分析，煤層開采礦坑充水通道主要有頂板之上的巖石裂隙帶、冒落導水裂隙帶、井筒、斷層破碎帶及封閉不良鉆孔［8］。這些充水通道均可溝通煤層上下含水層之間的水力聯(lián)系，造成礦井充水。

主要充水途徑為采動時形成的導水裂縫帶［9］，導水裂縫帶的高度取決于煤層開采的破壞程度，按照經(jīng)驗公式［10］計算得導水裂縫帶最大高度為84.40 m(見表3)。井田內(nèi)地形最高標高932.60 m，最低為胡底河河床標高670.20 m。井田3#煤層標高在140～290 m之間，3#煤層采后形成的導水裂縫帶未波及到地表，地表水不會影響井下3#煤層開采;3#煤層之上沒有可供開采煤層，亦不會受到上覆煤層采空區(qū)積水威脅。

3.3 礦井充水強度

目前該礦為基建礦，礦坑充水主要為井筒水及巷道掘進時的頂板淋水，水量不大，礦井涌水量在10～15 m3/h。根據(jù)礦井安全專篇資料，預計礦井3#煤層達到設計產(chǎn)量60萬t/a時，礦井正常涌水量為220 m3/h，礦井最大涌水量為370 m3/h。

4 礦井涌水量及其變化

礦井目前正在進行巷道的掘進，井筒滲水及巷道頂板淋水量較小，一般在10 m3/h～15 m3/h，預計未來開采3#煤層生產(chǎn)能力達到60萬t/a時，礦井涌水量在220 m3/h～370 m3/h之間。

表3 煤層頂板導水裂縫帶高度計算表

式中:HIi—導水裂縫帶高度 (m);Σ M—煤層累計采厚(m)。

由于井田內(nèi)煤層埋藏較深，礦井涌水量受大氣降水影響不明顯，但隨著開采深度和開采面積的增加，礦井涌水量均會隨之增加。

5 礦井開采受水害影響程度和防治水工作難易程度評價

5.1 礦井開采受水害影響程度評價

根據(jù)礦區(qū)水文地質條件及礦井實際生產(chǎn)情況分析，該礦區(qū)可能面臨的水害有4類。

1)煤層頂板裂隙水

井田未來開采3#煤層，其頂板砂巖裂隙含水層水為其主要充水水源。該含水層組為層間裂隙水，根據(jù)鉆孔抽水資料，單位涌水量0.0038～0.0851 L/s·m，平均為0.0561 L/s·m，滲透系數(shù)為0.0074～0.2070 m/d，平均為0.1053 m/ d，為富水性弱的含水層組。

現(xiàn)井下涌水主要為井筒和巷道頂板滲水，井筒淋水水量不大，未來開采3#煤層形成的導水裂縫帶會溝通上部含水層與煤層間的水力聯(lián)系，造成礦井涌水量增大。

2)奧陶系灰?guī)r水

井田內(nèi)3#煤層存在帶壓開采問題，經(jīng)井檢孔數(shù)據(jù)計算得最大突水系數(shù)為0.039 MPa/m，小于臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，帶壓區(qū)相對安全。一般情況下不存在底板突水的危險，但是在構造破壞區(qū)域，特別是在未查明的導水斷層和導水陷落柱區(qū)域不排除發(fā)生底板突水的可能。

3)大氣降水及地表水

大氣降水及地表水可成為重要的礦井涌水補給來源，特別是當巷道或工作面接近地表河流胡底河時更具危險。

4)采空區(qū)積水

井田內(nèi)目前無采空區(qū)積水，但未來開采3#煤層后，必會留下大面積采空區(qū)，因此，采空區(qū)積水是未來水害防治的重要防治對象。

5.2 防治水工作難易程度評價

對礦井充水有影響的主要水體為煤層頂板含水層水、奧陶系灰?guī)r含水層水及大氣降水，導水通道主要為采動裂隙、斷層及陷落柱等。

1)大氣降水與地表水的防治

對于大氣降水及地表水的防治，應充分收集地面氣象降水量資料，綜合采用地面防排水工程、填堵塌陷區(qū)、洼地及隔水防滲漏等措施。井口附近的防洪溝、電纜溝在雨季前均要進行檢查和疏通，并對地表裂隙發(fā)育區(qū)進行填堵，防止地表水、大氣降水潰入井下。

由于大氣降水量有限，地表河流位置清楚，地面塌陷位置與范圍易于查明，且降水具有時限性，防治水工作簡單易行。

2)煤層頂板裂隙水的防治

煤層頂板直接含水層為山西組砂巖裂隙含水層，含水層單層厚度均不大，且層間均有砂質泥巖或泥巖隔水層，為富水性弱的含水層組，水平與垂向上水力聯(lián)系及補給水源條件均較差。僅在冒落裂隙、斷層及陷落柱溝通多個含水層水的聯(lián)系時，初始水量會相對較大，但穩(wěn)定水量較小，一般易于排泄疏干。

3)煤層底板奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水的防治

井田內(nèi)3#煤層帶壓區(qū)相對安全，一般情況下不存在底板突水的危險，但是在構造破壞區(qū)域，特別是在遇未查明的導水斷層和導水陷落柱區(qū)域仍存在突水危險，因此，應在井田內(nèi)補充奧陶系灰?guī)r水位長期觀測孔，對奧灰水進行長期觀測。

6 礦井水文地質類型劃分［11］

礦井未來開采3#煤層，所以主要針對3#煤進行礦井水文地質類型劃分 (見表4)。

1)受采掘破壞或影響的含水層及水體

由于3#煤層埋藏較深，受采掘破壞或影響的頂板砂巖裂隙含水層可接受大氣降水的補給量少，補給條件差。頂板砂巖裂隙含水層單位涌水量0.0038～0.0851L/s·m，平均為0.0561L/s·m，滲透系數(shù)為0.0074～0.2070m/d，平均為0.1053m/ d，為富水性弱的含水層組，屬于簡單型。

2)礦井及周邊老空水分布狀況

井田內(nèi)無采空區(qū)積水，周邊相鄰處無生產(chǎn)礦井，近3年不存在采空區(qū)積水的威脅，因此屬于簡單型。

3)礦井涌水量

本礦開采3#煤層，現(xiàn)階段礦井涌水量為15～25 m3/h，當?shù)V井生產(chǎn)能力達到60萬t/a時，礦井正常涌水量220 m3/h，最大涌水量370 m3/ h，屬于簡單型。

4)突水量

礦井3#煤層基建以來未發(fā)生過突水事故，因此屬于簡單型。

5)開采受水害影響程度

現(xiàn)階段處于基建時期，井田內(nèi)不存在采空區(qū)積水，礦井涌水量主要來自于井筒滲水及巷道掘進時頂板淋水。未來開采3#煤層后，礦井充水水源主要為頂板砂巖裂隙含水層水。由于井田內(nèi)3#煤層存在帶壓開采問題，根據(jù)計算，帶壓區(qū)位于相當會安全區(qū)，正常地段無底板突水威脅，但在構造破壞部位，奧陶系灰?guī)r水對本礦安全生產(chǎn)構成潛在的水患威脅。此項為中等型。

6)防治水工作難易程度

針對本礦礦井水文地質特征，按照《煤礦防治水規(guī)定》要求，重點做好對頂板含水層水、奧陶系灰?guī)r水及大氣降水與地表水的防治工作。從技術及經(jīng)濟方面綜合考慮，防治水工作易于進行，此項為為中等型。

綜上所述，針對第5條及第6條的評述，按分類依據(jù)就高不就低的原則，本礦開采3號煤層時，礦井水文地質類型為中等型。

表4 水文地質類型劃分結果匯總

7 結語

礦井處于基建時期，未來3年主要水害隱患為含水層水、大氣降水和地表水以及奧陶系灰?guī)r水，是否對煤層充水取決于構造 (斷層、陷落柱等)導水程度。為此，在巷道掘進及未來煤層的開采過程中應堅持“預測預報、有掘必探、先探后掘、先治后采”原則，采用物探、鉆探、化探等手段進行綜合勘探。突水系數(shù)及導水裂縫帶的計算公式均為經(jīng)驗公式，在煤層開采過程中為確保安全還需加強實際觀測，根據(jù)觀測結果進行相應的調(diào)整。

［1］ 劉兆昌，李廣賀，朱琨，等.供水水文地質［M］.第三版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.

［2］ 武強，趙蘇啟，等.中國煤礦水文地質類型劃分與特征分析［J］.煤炭學報，38(6):901－905.

［3］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2009.

［4］ 鄭世書，陳江中，劉漢湖，等.專門水文地質學［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1999.

［5］ 楊成田.專門水文地質學 ［M］.北京:地質出版社，1981.

［6］ 郭天輝.寧東棗泉煤礦礦井水文地質類型劃分探討［J］.中國煤炭地質，2011，23(9):34－37.

［7］ 葛亮濤，葉貴鈞，高洪烈.中國煤田水文地質學［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2001.

［8］ 萬紅麗.通合煤礦礦井水文地質類型劃分探討［J］.山西焦煤科技，2012，10:4－7.

［9］ 何國清，楊倫，等.礦山開采沉陷學［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1991.

［10］ 國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

［11］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2009.