肖家樂，徐家杰，薛 鯤

（河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南 鄭州 450000）

煤礦水害事故發(fā)生后會(huì)造成人員傷亡和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，通過水文地質(zhì)條件研究，快速識(shí)別煤礦井下涌水水害補(bǔ)給水源，有助于降低礦井突水風(fēng)險(xiǎn)、避免突水事故的發(fā)生[1-5]。礦井開采過程中存在礦井、廢棄老窯區(qū)等多層采空區(qū)積水風(fēng)險(xiǎn)，回采過程中上覆煤層的開采對下覆煤層更具突水威脅性[6-9]。

薛湖煤礦在開采過程中受到了水害的影響[10-13]，該煤礦2008年10月完成建井，工作開采二2煤層，采用一對主井單水平、上下山開拓，水平標(biāo)高-780 m。為了確保煤礦安全、高效生產(chǎn)，本次研究工作收集了礦井已有地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，通過分析礦井水文地質(zhì)條件，確定了礦區(qū)存在的水文地質(zhì)問題。針對薛湖煤礦的水文地質(zhì)特點(diǎn)，研究了礦井沖水的主控因素，優(yōu)選2種方法預(yù)測并計(jì)算了礦井涌水量，為薛湖煤礦今后防治水工作實(shí)施提供了一定指導(dǎo)和依據(jù)，有助于保障礦井的安全高效生產(chǎn)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

河南神火集團(tuán)有限公司薛湖煤礦位于河南省永城市北部，位于淮河沖積平原北部，地勢平坦開闊，總體為西北高、南東低。2008年10月完成建井工作，生產(chǎn)規(guī)模120萬t/a，開采深度300～1 050 m。屬淮河水系，地表水體不發(fā)育，主要河流為王引河，屬季風(fēng)型氣候，年平均降水量約800 mm，多年平均蒸發(fā)量約1 800 mm。

1.2 地層

礦井發(fā)育奧陶系至第四系的全部地層，其中太原組、山西組、下石盒子組和上石盒子組為含煤地層。

馬家溝組（O2m）主要為淺灰、灰色隱晶質(zhì)—細(xì)晶質(zhì)中厚—厚層狀石灰?guī)r，上部含黃鐵礦，巖溶裂隙較發(fā)育。本溪組（C2b）上部由灰—深灰色砂質(zhì)泥巖及泥巖組成，下部為灰—灰白色含菱鐵質(zhì)鮞粒鋁土質(zhì)泥巖或鋁土巖，底部為含較多的鐵質(zhì)鮞粒和結(jié)核的紫花色鋁土泥巖。太原組（C2t）為含煤地層，即一煤段，含薄煤3～4層，據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔揭露，未見到可采煤厚點(diǎn)，各煤層基本上無經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.3 構(gòu)造

本區(qū)主要發(fā)育高角度正斷層，東部斷層主要為北北東向，中部斷層主要為北東向和近東西向，西部斷層主要為近東西向?？傮w構(gòu)造形態(tài)呈一走向北西西的單斜構(gòu)造，由于受東西向構(gòu)造和北北東向構(gòu)造的控制和影響，而使其構(gòu)造形態(tài)局部復(fù)雜化[14-18]。本區(qū)地層產(chǎn)狀在西部為近南北向—北西西向，向西傾斜；中部走向北西至87勘探線轉(zhuǎn)為近東西向，向北傾斜，傾角在淺部為25°左右，深部為5°～10°，沿走向及傾向均有小型起伏；62勘探線以東，受北北東向?yàn)春鄬訋в绊?，地層走向基本上為?0°東，并發(fā)育北北東向的背、向斜構(gòu)造，其北端走向轉(zhuǎn)為東西，向北傾斜。本區(qū)發(fā)育的主要褶皺有5個(gè)，即北西向的聶奶廟背斜、薛湖向斜，近南北向的侯寺向斜和北北東向的張營背斜、徐營背斜（圖1）。

1.4 煤層

煤層賦存于石炭—二疊系含煤巖系，含煤巖系分4組7個(gè)煤段，即石炭系上統(tǒng)太原組（一煤段）、二疊系下統(tǒng)山西組（二煤段）與下石盒子組（三、四、五煤段）、二疊系上統(tǒng)上石盒子組（六、七煤段），含煤地層總厚度993.0 m，共含煤13層，煤層總厚度7.27 m，含煤系數(shù)0.73%。其中，上石炭統(tǒng)太原組與上二疊統(tǒng)上石盒子組僅含薄煤層及煤線，含煤性較差；下二疊統(tǒng)山西組和下石盒子組地層含可采煤層及局部可采煤層，含煤性較好，為該區(qū)主要含煤地層。

圖1 薛湖煤礦構(gòu)造綱要Fig.1 Outline of Xuecheng Coal Mine

1.5 區(qū)域水文地質(zhì)條件

研究區(qū)永城背斜的核部和安徽濉溪縣一帶分別有石灰?guī)r隱伏露頭區(qū)，接受新生界含水層的天窗補(bǔ)給和滲入補(bǔ)給。薛湖煤礦所在區(qū)域?yàn)楦呓嵌日龜鄬铀鶉簦蟛糠謮K段新生界地層與區(qū)內(nèi)煤系地層對接，形成了相對隔水邊界，區(qū)內(nèi)含水層基本上失去了與外界含水層之間的水力聯(lián)系。礦區(qū)煤系地層全部被厚度為51.3～545.1 m的新生界地層覆蓋，由東向西逐漸增厚，近山麓地帶與永城背斜軸部厚度明顯減薄，古地形西部低、東部高，與沖積平原地勢西高東低的特點(diǎn)不相一致。巨厚的新生界覆蓋和周邊隔水邊界的存在，使永夏礦區(qū)形成一個(gè)相對獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，該單元由于補(bǔ)給面積不大，沒有明顯的排泄場所，具有地下水徑流不暢、水化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜的特點(diǎn)。但是連通性的巖溶裂隙發(fā)育仍為地下水形成了較好的儲(chǔ)水空間和導(dǎo)水通道。

2 礦井水文地質(zhì)特征

礦井位于永城復(fù)背斜北部揚(yáng)起端，處于基巖地下水的徑流帶。東部的灤湖正斷層系，以F110和F112斷層為主，將外圍地層抬升70～200 m，使得外部巖溶強(qiáng)含水層與礦井內(nèi)煤系地層對接，構(gòu)成礦井東部供水邊界；西部太灰含水層埋深大于1 000 m，富水性漸弱，可視為無限邊界；北部太灰含水層埋深大于1 000 m，地下水徑流條件微弱，再加之八里莊斷層的阻水作用，可視為隔水邊界；南部為太灰含水層隱伏出露區(qū)，可接受上覆新近系孔隙水的微弱補(bǔ)給，可視為弱補(bǔ)給邊界。

2.1 含水層和隔水層

對礦井充水和工農(nóng)業(yè)供水有意義含水層（組）共有六大組（圖2）：新生界孔隙水含水組（Ⅰ）、基巖風(fēng)化帶裂隙含水層（Ⅱ）、下石盒子組與山西組砂巖裂隙含水組（Ⅲ）、太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙含水組（Ⅳ）、太原組下段灰?guī)r巖溶裂隙含水組（Ⅴ）和中奧陶統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙含水層（Ⅵ）。

礦井對應(yīng)主要有3大隔水層：新生界含水層間隔水層，隔水性能較穩(wěn)定；下二疊砂巖裂隙含水層間隔水層，為一良好隔水層；石炭系上統(tǒng)含水層間隔水層，為區(qū)域隔水層，正常情況下可隔斷其上、下含水層間的水力聯(lián)系。

2.2 主要含水層富水性分析

煤系地層的二疊系砂巖裂隙含水層是危害礦井生產(chǎn)的主要含水層，是礦井日常涌水的主要組成部分，通常以追蹤工作面頂板淋水形式出現(xiàn)。根據(jù)礦井及鄰區(qū)實(shí)際資料表明，該含水層多以靜儲(chǔ)量為主，含水性弱，徑流滯緩，通常在礦井生產(chǎn)初期水量很大，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，頂板砂巖水多被疏干，對生產(chǎn)的安全不會(huì)造成很大的影響。

圖2 薛湖煤礦含隔水層與主采煤層關(guān)系對照示意Fig.2 Schematic diagram of the relationship between aquifer and main coal seam in Xuecheng Coal Mine

3 礦井充水因素

3.1 礦井充水水源

二2煤頂板充水水源包括上覆基巖含水層、風(fēng)化帶水及上覆松散層水。通過礦井水文地質(zhì)調(diào)查和勘探抽水試驗(yàn)證明，其基巖含水層富水性弱，補(bǔ)給條件差，徑流幾乎處于停滯狀態(tài)，排泄方式以礦坑水排出，消耗靜儲(chǔ)量為主，易疏干，對礦山開采不會(huì)構(gòu)成大的威脅。

薛湖礦目前已開采多個(gè)工作面，根據(jù)工作面推進(jìn)方式和方向及煤層底板高程分布特征，西翼工作面向東、北推進(jìn)，因此往東、北工作面將受到已回采工作面的采空區(qū)積水的影響；另外，回采煤柱資源時(shí)，也會(huì)受到兩側(cè)已回采區(qū)域采空區(qū)積水的影響。3.2 礦井充水通道

二2煤導(dǎo)水途徑主要有裂隙、斷層和封閉不良鉆孔3種。

（1）裂隙有2種類型：①人工導(dǎo)水裂隙。主要指二2煤層采空區(qū)頂板自然陷落后，在煤層頂板形成的冒落裂隙帶，其高度>39.7 m，可將二2煤層頂板砂巖裂隙含水組（平均厚12 m）地下水導(dǎo)入礦坑。②混合導(dǎo)水裂隙。二2煤層采掘過程中，煤層形成上下貫通導(dǎo)水通道，太原組上段巖溶水和二2煤底板砂巖裂隙水導(dǎo)入礦坑。

（2）斷層裂隙亦屬于構(gòu)造裂隙范疇，但斷裂錯(cuò)動(dòng)所形成的裂隙導(dǎo)水性較強(qiáng)，且破壞了隔水層的連續(xù)性及隔水性能，甚至造成下伏強(qiáng)含水層與煤層直接對接，通過斷層裂隙向礦坑突水，將會(huì)造成重大事故。開采過程中，需要對薛湖煤礦斷層的發(fā)育特點(diǎn)、規(guī)律，斷層的導(dǎo)水特征、探查及防治手段進(jìn)行研究。

（3）封閉不良鉆孔是礦井突水的通道之一。薛湖礦井內(nèi)外部均見此類鉆孔，在施工遇鉆孔時(shí)還是應(yīng)先探測、再施工。對于導(dǎo)通奧灰?guī)r含水層的鉆孔，則需按有關(guān)規(guī)定采用地面和井下封堵相結(jié)合的方法進(jìn)行處理，有條件的可直接將水接入供水系統(tǒng)。

3.3 礦井充水特征

薛湖煤礦排水系統(tǒng)比較完善，觀測方式采用浮標(biāo)法及流速儀法，從2008年至今，礦井涌水量一直較穩(wěn)定（120～150 m3/h），以礦井頂板淋水為主。據(jù)礦井排水記錄，井下各出水點(diǎn)的涌水量與動(dòng)態(tài)觀測資料及井巷開拓進(jìn)度等資料，綜合研究分析認(rèn)為礦井充水具有如下特征。

（1）礦井充水絕大部分為巖巷頂板裂隙淋水及瓦斯抽壓孔排出的二2煤頂、底板砂巖裂隙水，其水源為山西組砂巖裂隙水，其次為太原組上段巖溶裂隙水和井筒壁裂縫滲出的上覆下石盒子砂巖裂隙水及新生界孔隙水。

（2）巖巷頂板裂隙淋水初期較大，其后漸小，終被疏干，具有先期淋水點(diǎn)為后期淋水點(diǎn)所取代的特點(diǎn)；太灰?guī)r溶水充水量不大，但較穩(wěn)定；井筒向巷道充水隨季節(jié)變化明顯。

（3）礦井排水量主要受巷道揭露出水點(diǎn)的多少控制，尤其連續(xù)揭露多個(gè)新出水點(diǎn)后，礦井排水量明顯增大，導(dǎo)致短期內(nèi)排水量曲線突變。

（4）從2年來礦井年平均排水量來看，礦井排水量亦隨巷道開拓長度增加而增加。

3.4 斷層對礦井田充水的控制與影響

礦區(qū)西部發(fā)育近東西向斷層，東部發(fā)育以北東向斷層為主，72—82線之間淺部發(fā)育北西向斷層，落差較大的斷層主要集中分布在勘探區(qū)東西兩側(cè)。29采區(qū)三維地震勘探發(fā)現(xiàn)斷層大于30 m的2條，以高角度正斷層為主，斷層破碎帶厚度一般在10 m以下，本區(qū)落差大于30 m的斷層將造成底板突水風(fēng)險(xiǎn)增大，是底板太灰含水層充水的主要通道。在將來礦床開采時(shí)，斷層帶可能成為導(dǎo)水通道。根據(jù)礦井的采掘規(guī)劃，薛湖礦在今后的回采和掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)，可能會(huì)受到DF115斷層及其次生斷層、F119斷層及其次生斷層和其他小型斷層的影響。

3.5 底板隔水層突水可能性分析

礦井29采區(qū)內(nèi)穿過煤層直接底板隔水層的鉆孔共計(jì)12個(gè)，所揭露隔水層地層巖性主要為粉砂巖和少量的砂質(zhì)泥巖、泥巖，厚度一般40 m左右。自2008年至今，薛湖礦鉆進(jìn)了23個(gè)井下水文觀測孔，主要針對L8層進(jìn)行觀測。根據(jù)其觀測資料，觀測初期水壓較大，隨著巷道開拓，水壓逐漸減小穩(wěn)定，甚至觀測不到水壓，如2號(hào)孔從2008年1.7 MPa到2013年0.2 MPa，9號(hào)孔從2009年7.4 MPa到2013年0.5 MPa；隨著29采區(qū)的開拓，越往深部水壓將會(huì)越大。

4 礦井涌水量預(yù)測

結(jié)合礦井開采狀況及礦井采掘規(guī)劃等，未來數(shù)年二2煤主要活動(dòng)區(qū)段在東29采區(qū)。本次預(yù)算僅選取比擬法和穩(wěn)定流解析法對東29采區(qū)礦井涌水量進(jìn)行計(jì)算，對于礦井最大涌水量則采用區(qū)域上正常涌水量的1.2倍系數(shù)予以確定。

4.1 比擬法計(jì)算涌水量

由于礦井正在進(jìn)行采掘工作，根據(jù)礦井開采實(shí)際情況，29采區(qū)位于21采區(qū)北緣，29采區(qū)水文地質(zhì)條件與21采區(qū)比較相似，故以21采區(qū)作為比擬礦井進(jìn)行計(jì)算。

（1）比擬計(jì)算公式選擇。本次比擬法預(yù)算，主要考慮現(xiàn)礦井涌水量與開拓降深和開拓面積的相關(guān)關(guān)系，選用經(jīng)驗(yàn)比擬公式：

（1）

式中，Q、Q0分別為擬求、已知礦井的涌水量；S、S0分別為擬求、已知礦井水位降深；F、F0分別為擬求、已知礦井面積。

（2）比擬計(jì)算參數(shù)選取。21采區(qū)實(shí)測涌水量Q0=100 m3/h，水位降深S0=832.41 m，開拓面積F0=130 000 m2；本礦井設(shè)計(jì)疏排降深S=982.41 m（疏降含水層水位平均標(biāo)高+32.41 m），礦井面積F0=5 140 000 m2。

（3）涌水量計(jì)算。將上述參數(shù)代入式（1）得，礦井二2煤層29采區(qū)正常涌水量Q=656 m3/h。

（4）最大涌水量計(jì)算。東29采區(qū)礦井最大涌水量Qmax=1.2Q=787 m3/h。

4.2 解析法預(yù)算涌水量

4.2.1 水文地質(zhì)模型概化

東29采區(qū)東西部為二2煤層由西向東徑流方向，可視為無限邊界；南部為DF115斷層，與先期開采區(qū)域頂板砂巖相接，具有一定補(bǔ)給作用，可視為補(bǔ)給邊界；北部為二2煤埋深>1 000 m的深埋區(qū)，含水層徑流條件極弱，可視為相對隔水邊界?？傊绕陂_采地段可概化為一邊進(jìn)水、一邊隔水、另二邊無限的水文地質(zhì)模型。

4.2.2 計(jì)算公式選取

（1）二2煤層頂板砂巖裂隙含水組涌水量選用承壓—無壓井流公式：

（2）

（2）二2煤底板砂巖含水層與太原組上段灰?guī)r含水層涌水量選用承壓井流公式：

（3）

4.2.3 計(jì)算參數(shù)確定

（1）頂板砂巖含水層涌水量預(yù)算參數(shù)。①滲透系數(shù)K。礦井在73-2孔對頂板含水層抽水試驗(yàn)，校正滲透系數(shù)值0.002 7 m/d，但該孔處于弱富水地段，另鄰區(qū)順和煤礦參數(shù)和本區(qū)較相似，較小，且沒有發(fā)生大的突水事故，為安全起見，取陳四樓礦水文參數(shù)K=0.036 3 m/d，認(rèn)為取二者平均值較適宜，即取K=0.019 5 m/d。②含水層厚度M。取其含水層平均厚度，M=12 m。③水柱高度H。取靜止水位標(biāo)高+27.67 m減去-950 m水平含水層底板標(biāo)高-947.70 m得，H=975.37 m。④其他。疏排區(qū)大井折算半徑r=1 279 m；R=2 602 m。

（2）底板砂巖含水層涌水量預(yù)算參數(shù)。①滲透系數(shù)K。取頂板預(yù)算參數(shù)K=0.019 5 m/d。②含水層M。取其含水層平均厚度，M=8 m。③疏排降深S。S=977.67 m。④其他。疏排大井折算半徑r值同上；R=2 644 m。

（3）底板C2t上段含水層涌水量預(yù)算參數(shù)。①滲透系數(shù)K。因井田抽水試驗(yàn)孔遠(yuǎn)離富水區(qū)，其參數(shù)難以代表井田水文地質(zhì)條件，仍借用鄰區(qū)陳四樓礦抽水參數(shù)平均值K=1.03 m/d。②含水層厚度M。取全區(qū)穩(wěn)定的L12與L8灰?guī)r相加之平均值，M=11.30m。③疏排降深S。取含水層水位標(biāo)高+38.00 m減去疏排標(biāo)高-950 m，得S=988.00 m。④其他。疏排大井折算半徑r值同上；R=11 306 m。

4.2.4 涌水量計(jì)算

（1）頂板砂巖含水層涌水量。正常涌水量Q=84 m3/h；最大涌水量Qmax=101 m3/h。

（2）底板砂巖含水層涌水量。正常涌水量Q=28 m3/h；最大涌水量Qmax=34 m3/h。

（3）底板C2t上段含水層涌水量。正常涌水量Q=692 m3/h；最大涌水量Qmax=830 m3/h。

4.3 礦井涌水量預(yù)算結(jié)果及評(píng)價(jià)

采用比擬法和解析法預(yù)算了二2煤層?xùn)|29采區(qū)礦井正常涌水量、最大涌水量。穩(wěn)定流解析法計(jì)算的全礦井正常涌水量為804 m3/h，最大涌水量為965 m3/h；比擬法計(jì)算的全礦井正常涌水量為656 m3/h，最大涌水量為787 m3/h。

比擬法計(jì)算的全礦井正常涌水量、最大涌水量比較符合近年來礦井充水的實(shí)際情況，可以作為下一步礦井開采的依據(jù)。但隨著開采水平的不斷延深，太灰?guī)r溶水向礦井突水的概率也將大大提高，若出現(xiàn)短期內(nèi)多點(diǎn)突水情況，將會(huì)超過比擬法預(yù)算的最大涌水量，這一點(diǎn)需高度警惕。

對于永城礦區(qū)而言，二2煤層底板下伏奧灰間接含水層向礦井突水是各煤礦隨時(shí)可能發(fā)生的重大隱患，區(qū)域上煤層底板突水峰值為正常涌水量的1.36～4.01倍。本礦的奧灰突水量以正常涌水量的3倍計(jì)算，僅29采區(qū)其突水峰值就將超過2 000 m3/h，這一點(diǎn)應(yīng)引起礦方高度警惕，防患于未然。

5 結(jié)論

（1）二疊系下統(tǒng)山西組為薛湖煤礦主采煤層，礦區(qū)發(fā)育六大含水層（組）和三大隔水層（組），煤系地層的二疊系砂巖裂隙含水層是危害礦井生產(chǎn)的主要含水層，頂板砂巖水隨著生產(chǎn)的進(jìn)行多被疏干，對生產(chǎn)的安全不會(huì)造成很大的影響。二2主采煤層存在直接充水水源、間接充水水源和采空區(qū)積水3種類型的充水水源。二2煤的導(dǎo)水途徑主要有裂隙、斷層和封閉不良鉆孔3種。高角度正斷層可能成為導(dǎo)水通道，越往深部開采水壓將會(huì)越大，構(gòu)造和裂隙的發(fā)育增加了底板水涌入礦井的危險(xiǎn)。

（2）比擬法計(jì)算的全礦井正常涌水量為656 m3/h、最大涌水量787 m3/h比較符合近年來礦井充水的實(shí)際情況，可以作為下一步礦井開采的依據(jù)。但隨著開采水平的不斷延深，太灰?guī)r溶水向礦井突水的概率也將大大提高，若出現(xiàn)短期內(nèi)多點(diǎn)突水情況，將會(huì)超過比擬法預(yù)算的最大涌水量。這一點(diǎn)應(yīng)引起礦方高度警惕，防患于未然。