劉地福，周 勝

（江西省煤田地質局，江西 南昌 330001）

1 礦區(qū)位置、自然地理及氣象水文

魯新煤礦位于內蒙古錫林郭勒盟烏拉蓋管理區(qū)東北20 km，為一基建礦井，礦井設計生產(chǎn)能力5 Mt/a，屬低山丘陵地貌，地面標高海拔+868～+922 m，相對高差54 m。地表均為第四系表土覆蓋，草原植被發(fā)育良好。

礦區(qū)屬北溫帶大陸性半干旱氣候，多年平均降雨量342 mm，主要集中于6～8月，多年平均蒸發(fā)量1 552 mm。區(qū)域地表水、地下水資源豐富，烏拉蓋河流經(jīng)礦區(qū)南部，地表水總量約17.4億m3。地下水豐富、埋藏較淺，總儲量約78.557億m3。

2 礦區(qū)地層及可采煤層

礦區(qū)內揭露的地層有煤系基底侏羅系布拉根哈達組（J3bl），含煤地層為大磨拐河組（K1d），煤系上覆地層為新近系（N2）、第四系（Q）。

煤層賦存于白堊系下統(tǒng)的大磨拐河組中，煤系地層平均厚度244.45 m。6煤層是礦區(qū)主要可采煤層，分布于煤系頂部，平均厚度6.5 m，傾角8°。

3 礦區(qū)水文地質條件

3.1 主要含水層

礦區(qū)的含水層有：第四系砂礫層含水層、新近系砂礫巖含水層、煤系砂巖、砂礫巖含水層，煤系基底火山凝灰?guī)r含水層。

（1）第四系砂礫層含水層

主要分布在盆地內及其周邊溝谷的沖積、洪積和坡積層中，巖性以中細砂、粗砂和礫石為主； 平均厚16.36 m，透水性較強，單位涌水量1.129～1.344 L/s·m，滲透系數(shù)11.93～12.46 m/d，水位埋深0.18～0.5 m。

（2）新近系砂礫巖含水層

平均厚度83.57 m，其上段主要為灰色～雜色砂質泥巖，平均厚度36.11 m；下段主要為灰黃色砂礫巖，含水層厚度一般在30～50 m，單位涌水量0.557 7～5.248 0 L/s·m，滲透系數(shù)1.112～14.72 m/d，總體屬富水性中等至強的含水層。

（3）煤層頂、底板含水層

6煤層頂板直接砂礫巖含水層平均厚度17.97 m，平均單位涌水量1.398 1 L/s·m，滲透系數(shù)平均4.452 3 m/d。底板巖性為粉砂巖、局部礫巖，平均厚度2.75 m，含水層發(fā)育較頂板略差。

（4）煤系基底火山凝灰?guī)r含水層

該含水層全區(qū)分布，最大厚度228.60 m，巖性為雜色凝灰?guī)r、火山熔巖，致密、較硬。單位涌水量0.031 3 L/s·m，滲透系數(shù)0.413 m/d，深部裂隙不發(fā)育，富水性更弱。

3.2 主要隔水層

礦區(qū)主要隔水層有新近系上部泥巖段隔水層和煤系中泥巖、粉砂巖隔水層。

新近系上部泥巖段隔水層泥巖段厚度一般在30～50 m，最厚可達65.15 m，最薄僅3～10 m，大部分地區(qū)分布較穩(wěn)定。

3.3 地下水的補給、徑流與排泄條件

礦區(qū)地下水的主要補給來源有大氣降水補給，基巖山區(qū)是地下水的補給區(qū)；徑流方向總體為東北向南西方向，烏拉蓋河是區(qū)內地下水最低排泄面。

4 6煤層開采充水因素分析

6煤層頂板大部分地段被砂礫巖含水層直接或間接覆蓋，含水層累計厚度大，富水性強，透水性好，涌（突）水可形成直接威脅。在隱伏露頭區(qū)，與新近系砂礫巖含水層直接接觸，水力聯(lián)系非常密切。在開采煤層時，由于煤層頂?shù)装寰泻穸炔坏鹊哪鄮r粉砂巖隔水層，在正常情況下新近系砂礫巖水不會直接涌入巷道；在采動破壞影響時，如果冒裂帶達到新近系砂礫巖層時，會溝通新近系含水層與6煤層頂板含水層，使新近系含水層成為礦區(qū)的主要充水含水層。

礦區(qū)6煤層頂板至新近系含水層的距離很近，隔水層不發(fā)育，厚度也較薄，對含水層與煤層之間的隔水作用較差。開采時所形成的冒裂帶整體透水性較強，因此，新近系含水層和6煤層頂板含水層是影響開采的主要充水因素。

5 6煤層頂板涌（突）水綜合分區(qū)

綜上所述，礦床充水的水源主要為直接覆蓋在煤系之上的新近系砂礫巖含水層和煤層上覆的砂礫巖含水層地下水，其涌水通道主要為冒裂帶（冒落帶+導水裂隙帶）和透水性較好的頂板直接充水含水層及隱伏露頭區(qū)礫巖層。

在煤層開采過程中，煤層回采后形成冒落帶和導水裂隙帶溝通了上覆含水層，特別是溝通了上覆富水性強的新近系含水層時，會導致頂板涌（突）水災害發(fā)生，嚴重威脅煤礦安全生產(chǎn)；在煤系地層中，煤層上覆充水含水層不僅本身會直接威脅安全生產(chǎn)，而且它往往與新近系含水層有水力聯(lián)系，在露頭區(qū)接受新近系含水層的補給，這更加強了它的危害性。

因此，本次主要依據(jù)頂板冒裂帶的安全性，其次考慮上覆直接充水含水層的富水性，并綜合其他水文地質因素進行綜合分區(qū)。

（1）煤層頂板直接充水含水層分區(qū)

根據(jù)水文地質條件分析，6煤層至新近系含水層之間的覆巖段發(fā)育有多層砂礫巖含水層，巖性主要為礫巖和細砂巖。因此，這些含水層是6煤層頂板充水的直接因素，對安全生產(chǎn)的威脅很大。

（2）煤層開采頂板冒裂帶安全性分區(qū)

冒裂帶的發(fā)育高度是煤層開采頂板涌 （突）水災害發(fā)生的基礎。由于影響控制冒裂帶高度的因素很多，如煤層采厚、回采面積、覆巖段厚度和巖性、巖相在垂向上和平面上的變化、地層傾角、構造影響、采煤方法和頂板管理方式等。因此，較為符合實際的評價方法應該用各種勘探方法，對冒裂帶發(fā)育高度進行野外現(xiàn)場實測，并通過數(shù)值模擬比較，確定本區(qū)冒裂帶的發(fā)育高度。由于條件限制，本次依據(jù)中國礦業(yè)大學出版的《煤礦防治水細則》專家解讀（2018版），根據(jù)華北礦區(qū)40余個放頂煤開采工作面覆巖“兩帶”高度的實測值，采用數(shù)理統(tǒng)計回歸分析的方法，得出的適用于放頂煤開采工作面堅硬、中硬、軟弱覆巖條件下的“兩帶”高度計算的經(jīng)驗公式，在煤層傾角0°～54°，巖石抗壓強度＜20 MPa，巖石為新近系半固結的泥巖、粉砂巖、砂礫巖等，按厚煤層放頂煤開采工藝，頂板管理方法為全部陷落的情況下，選用如下公式：

式中：Hm為冒落帶最大高度，m；Hli為導水裂隙帶（包括冒落帶）最大高度，m；M為煤層累計厚度，m。

根據(jù)上述經(jīng)驗公式，冒落帶和導水裂隙帶最大高度計算結果見表1。

表1 6煤層冒落帶、導水裂隙帶最大高度計算結果

（3）涌（突）水綜合分區(qū)結果

據(jù)上述分析，若6煤層與新近系含水層之間覆巖段厚度大于導水裂隙帶最大高度，則頂板冒落時，新近系地下水不會直接經(jīng)冒裂帶泄入巷道，反之則會發(fā)生涌（突）水災害。若覆巖段厚度小于冒落帶高度，甚至煤層頂板砂礫巖含水層直接與新近系砂礫巖含水層接觸，則頂板冒落時，新近系地下水將會嚴重威脅煤層開采安全。

首先按冒裂帶發(fā)育高度是否達到新近系含水層，將6煤層分布區(qū)劃分為A區(qū)和B區(qū)，A區(qū)內又根據(jù)煤層頂板直接含水層巖性、富水性等因素劃分為A1亞區(qū)和A2亞區(qū)；B區(qū)內又根據(jù)冒落帶高度是否達到新近系含水層劃分為B1亞區(qū)和B2亞區(qū)。其涌（突）水危險性由A區(qū)到B區(qū)逐漸增大，A區(qū)中A2亞區(qū)頂板直接為含水層，涌（突）水危險性大于A1亞區(qū)；B區(qū)中B2亞區(qū)冒落帶發(fā)育高度大于覆巖段高度，冒落帶直接進入新近系砂礫巖含水層，涌（突）水危險性大于B1亞區(qū)。具體分區(qū)原則見表2。

表2 涌（突）水安全綜合分區(qū)原則一覽

亞區(qū)特征如下：

A1亞區(qū)：導水裂隙帶發(fā)育高度小于覆巖段厚度，新近系地下水不會直接沿冒裂帶進入巷道，危害較小。但在冒裂帶高度內發(fā)育有多層煤系砂礫巖含水層，這些含水層富水性強，且大多在隱伏露頭區(qū)與新近系含水層直接接觸，接受其補給，因此，該亞區(qū)煤層受上覆充水含水層的威脅大。涌（突）水水源為6煤至新近系之間覆巖段內的砂礫巖含水層，涌（突）水通道主要為冒裂帶。由于覆巖段厚度較小，礫巖含水層富水性強，綜合分析認為其頂板涌（突）水危險性大。該亞區(qū)面積3.40 km2，占6煤層總面積的33%。

A2亞區(qū)：該區(qū)與A1亞區(qū)相似，所不同的是6煤頂板細砂巖直接含水層較發(fā)育，它直接威脅著安全生產(chǎn)，所以該亞區(qū)地下水對礦井安全生產(chǎn)的威脅較A1亞區(qū)大。涌（突）水水源為6煤至新近系之間覆巖段內的砂礫巖含水層，涌（突）水通道主要為冒裂帶及煤系頂板直接含水層導水，綜合分析認為其頂板涌（突）水危險性大。該亞區(qū)面積1.47 km2，占6煤層總面積的14.3%。

B1亞區(qū)：該區(qū)冒裂帶高度大于覆巖段厚度，新近系地下水可通過冒裂帶直接下滲威脅礦井安全生產(chǎn)。涌（突）水水源為新近系砂礫巖含水層及6煤至新近系之間覆巖段內的砂礫巖含水層，涌（突）水通道主要為冒裂帶及煤系頂板直接含水層導水，綜合分析認為其頂板涌（突）水危險性大。該亞區(qū)面積2.99 km2，占6煤層總面積的29.0%。

B2亞區(qū)：該區(qū)冒落帶高度直接抵達新近系含水層內部。該區(qū)位于6煤分布的邊緣地帶，覆巖段薄，且有礫巖出露，特別有利于上覆新近系地下水的下滲，對礦井安全生產(chǎn)威脅極大。涌（突）水水源為新近系砂礫巖含水層及6煤至新近系之間覆巖段內的砂礫巖含水層，涌（突）水通道主要為冒落帶及煤系頂板直接含水層導水，綜合分析認為其頂板涌（突）水危險性極大。該亞區(qū)面積2.45 km2，占6煤層總面積的23.27%。

圖1 6煤頂板涌（突）水綜合分區(qū)

6 結語和建議

1）新近系含水層和6煤層頂板含水層是影響6煤層開采的主要充水因素。

2）6煤頂板至新近系含水層之間覆巖段厚度總體較小，煤系頂板砂礫巖含水層發(fā)育，富水性強，開采B1亞區(qū)、B2亞區(qū)煤層時，新近系地下水極易通過冒裂帶涌入巷道，頂板涌（突）水危險性極大，應引起足夠重視。根據(jù)《煤礦防治水細則》的要求，應當實測垮落帶、導水裂隙帶發(fā)育高度，進行專項設計，確定防隔水煤（巖）柱尺寸，確保安全開采。