第四系厚含水层下采煤防治水措施研究

左 伟，王金安，贾亚会

（北京科技大学 土木与环境工程学院，北京100083）

石嘴山一、二矿西区井田位于石嘴山向斜西北翼，西部为贺兰山。在西区与贺兰山之间，分布着一个 “封存古河谷”，为一套巨厚的砂砾和砂土等冲洪积物，是区域内主要含水层。该含水层主要接受银川平原冲积层水与贺兰山基岩裂隙水的补给，是西区井下主要充水水源，也是石嘴山居民点的主要供水水源。这样的特殊结构，如同煤层之上覆盖着一层厚厚的含水 “海绵”，只要对地下煤炭进行开采，就会造成应力的重分布，进而引起导水通道的变化，最终造成淹井，如何保证煤层开采过程中矿山的安全，成为一个难题。

1 项目概况

石嘴山矿区西依贺兰山，东滨黄河，矿井井田地表地势平坦，西高东低，略向黄河倾伏，坡度约为15‰。地表标高平均+1116.50 m，为冲积、洪积扇堆积平原，部分基岩裸露，形成残缺丘陵地貌。区内有若干条干沟成为山洪向外排泄的通道，第三排水沟由矿区东侧入黄河，成为银北排泄山洪的主要人工渠。

由于矿区西采区水文地质条件复杂，地层不整合，第三系地层缺失，巨厚的第四系富水含水层直接覆盖在煤系地层之上，各基岩含水层受冲积层的补给，水量很大。根据原三号井水文地质资料以及三号井在1983～1991年期间矿井排水量估算，总水量为1863.34万m3，相当于260 m3/h。该区在建井期间和生产初期，井筒、石门、上下山等主要开拓巷道都曾出现过大量涌水的情况，给矿井正常生产和排水造成了巨大的困难和压力。

2 工作成果及存在问题

为了解决矿井生产后含水层下煤层的安全开采问题，查清水害的主要成因，探明地下水的补给来源及导水通道很重要。因此，在原水文地质调查资料的基础上，对区域构造、含隔水层分布、地层岩性等进行详细研究，并完成了遥感技术、三维地震勘探、瞬变电磁测试和钻孔补充勘探工程。得到了以下认识：

2.1 矿区内的主要构造

石嘴山向斜是矿区主要影响的褶皱构造，其轴向由东北向西南蜿延伸展，略呈 “S”形，由N65°～75°E转为N40°～50°E，向南又转为N65°～75°E，该向斜在北端黄河东侧趋于闭合，向西南倾伏，在Ⅳ勘探线以北650 m处向斜轴与E1断层相交，至E22断层以南，向斜两翼地质走向与轴向吻合，东南翼地层一般走向N35°～60°E，倾向N W，倾角18°～32°，平均23°，轴部近于水平。井田内次级小褶皱颇为发育。井田东北角有向南西方向倾斜的小背斜，该背斜受E2断层斜截，延伸情况不明。地层沿倾斜方向倾角变化较大，浅部为5°～9°，中部为18°～24°，深部为35°～45°；沿走向自N 40°E，转向近 WE向。其褶皱轴部破碎带的储水性能不可忽视。

采区除主要断层E1、E2导以外，还查明了一系列以逆断层为主，断层走向基本为NE向，倾角较缓，压性为主，导水性微弱的小断层。同时，建井时揭露了一系列张扭性为主的正断层，走向N25°～45°E，倾向N W，倾角为高角度，断层面紧闭，断层破碎带中充填物已泥化，坚硬不充水。断层多发生在煤岩层走向急剧变化的地段，其断层走向与岩层走向成锐角分布，反映了西区断层分布的基本规律。

由此可见，由于一、二矿西翼采区所在的向斜西北翼，处于巨厚的第四系含水层与基岩裂隙含水层的交接部位，其东部、南部均为E1逆断层所阻隔，北部为E2正断层切割，而西部剥蚀边界为一个向西倾斜的斜坡面，坡度为45°；第四系接受银川平原冲积层水和贺兰山基岩裂隙水的补给，水量丰富，属于黄河古河道的一部分。它既是银川地下水排泄通道，也是贺兰山基岩裂隙水汇集的场所，而经抽水试验证明，断层E1和E2均为导水性微弱的断层。因此，除了西部剥蚀面导水外，其他各方为相对隔水的，则研究区便成了一个近于封闭的地质构造体。

2.2 地层岩性

矿区新生界第四系地层受古地形的控制总体趋势比较陡、厚度变化大，厚度在7～400 m；区内新生界呈一单斜形态，北部厚、南部薄；西部厚、东部薄。最薄处出现在318孔附近，厚度为7 m左右；最厚处约400 m。坡度一般约在10°～30°之间。

本区主要可采煤层为3、6煤层，全区总体为一单斜构造，煤系地层走向为近北东向，倾向南东。煤层埋藏北部浅、南部深。北部倾角较缓，南部较陡，北部有小的褶曲存在。3、6煤层在北部有露头。全区以逆断层为主，主体走向为北东向。3煤层埋藏深度在250～550 m左右。6煤埋深在360～650 m左右。

3煤层的厚度变化趋势是中间厚、四周较薄，南部较厚最厚处在318孔附近，厚度约11 m左右，最薄处出现在319孔附近，厚度2.25 m。6煤层的厚度变化趋势是：中间相对较薄，四周相对较厚。最厚处在39孔附近，厚度9.22 m左右。最薄处出现在44孔附近，厚度约4.5 m。

2.3 瞬变电磁、连通试验、抽水试验联合探查导水通道

第四系巨厚沉积物与煤系地层呈角度不整合接触，中间缺失部分第三系，且接触面无稳定的隔水层，黏性土多为透镜体而不起隔水作用。因此，第四系含水层成为其稳定的补给来源，西区成为一个水流只进不出的蓄水构造。

但是，第四系并非大面积均衡补给煤系地层，而是透过局部缺失第三系的区域小范围集中补给。根据瞬变电磁法、连通试验、抽水试验的结果可知：第四系与煤系地层的主要导水通道，处于瞬变电磁测线13～17线和4勘探线和12勘探线之间。

3 防治水技术措施

石嘴山矿西翼采区恢复生产的关键，是解决西区矿井涌水量大的问题。若要采取疏干第四系含水层，人工改变第四系含水层对煤系地层的补水条件，则由于第四系含水层与银川古河道相连，得到贺兰山区水源的不断补给，工程量巨大，耗时难以计数，因此不可行；若要沿剥蚀斜坡的走向进行帷幕注浆，截断第四系冲积层水对矿井煤系地层补给，不但工程投资高，且随着采动，原本加固的涌水通道有进一步贯通的可能，因此也很难奏效。

本采区开采煤层含水量一般在1%左右，属特低含水煤。由于本区基岩剥蚀面及煤层露头与第四系水体直接接触，二层煤顶板的K7砂层及五层煤顶板K5灰岩含水主要由第四系水体补给，属中等含水砂岩。二、三层煤层间距为15～24 m，如果开采三层煤，导水裂隙带会直接波及到K7砂岩，K7砂层水会直接涌入工作面及采空区内，对开采可能造成较大的影响。因此，围绕西区防治水工程设计方案，结合西区的具体水文地质条件，在充分研究现有资料的基础上，采用如下防治水措施：①制定 “以防为主、堵疏结合”防治水方案。该方案主要思想是留够足够宽防水煤柱，并通过对西部进水的裂隙通道的注浆，截断第四系水向工作面补给，然后利用深部巷道揭露含水层放水，以消耗静储量，降低水位水压，达到疏水降压式疏干开采条件。②通过控制放顶煤开采的放煤量来控制垮落带高度，从而减小工作面的涌水。③通过建立可靠的排水系统和相应的排水保障措施，保障能够处理工作面突然涌水和人员的安全撤离。④在地面布置一些水文地质观测网，用于观测开采与地下水体之间的关系。⑤通过试采工作面来探明、总结和掌握防治水的经验，为采区的正式投产以及下组煤的开采、防水煤柱的预留总结经验。

4 结论

（1）针对石嘴山矿区西翼采区第四系巨厚含水层不整合覆盖于煤系地层之上这一复杂地质条件，对以往地质资料进行分析，摸清主要构造和含隔水层分布情况及充水性特征。

（2）应用瞬变电磁方法 （TEM）探明主要含水层与煤层之间的导水通道，同时，为验证其可靠性，对主要充水区域进行连通试验，最后通过以往钻孔资料进行对比验证，通过3种方法的相互对比、相互验证，最终得到导水通道的位置。

（3）通过地质分析得到矿区水害的主要原因，并采用有针对性的 “以防为主，疏堵结合”的方法进行防治，为解决第四系巨厚含水层下采煤提供一条新思路。