井工三矿水文地质条件研究

郭 锐，王超勇，夏小进，王 哲，罗 斌

井工三矿水文地质条件研究

郭 锐1，王超勇1，夏小进1，王 哲2，罗 斌1

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008;2.中煤平朔煤业有限责任公司井工三矿，山西 朔州 037601)

通过地面水文调查、水文钻孔、井下掘进、回采工作面水文资料汇总，对该区水文地质条件进行了研究;认为该区主要水系为夏雨型河流;含水层系为寒武—奥陶系岩溶裂隙含水层系，石炭—二叠系碎屑岩裂隙含水层系，新近系—第四系空隙含水层系。主要突水水源为顶板含水层、老空水。研究结果表明，石炭系含水岩系是主要的水害，放顶后顶板裂隙沟通上部含水层是引发突水的另一个主要因素，不良封孔和断层为局部突水的导水通道。

石炭系;含水层系;顶板;突水

我国是世界上煤矿水害最严重的国家之一，而采煤工作面顶板突水事故占我国煤矿事故的较大比例［1］。平朔煤业有限责任公司井工三矿自2007年生产以来共发生了5次突水事故，4次为顶板突水，造成了严重的经济损失。所以，研究煤层顶板含水层的富水性分布特征、突水机理具有重要的意义。

1 矿区地层与构造

本矿区大部分被新生界地层覆盖，属典型的黄土丘陵地貌。根据钻孔揭露，自下而上为奥陶系中统上马家沟组(O2s);石炭系上统本溪组(C2b)、二叠系下统太原组(P1t)、山西组(P1s)和二叠系中统下石盒子组(P2x)、上石盒子组(P2s);新生界新近系、第四系(Q+N)。

矿区位于宁武煤田朔州矿区西北部，宁武向斜的北端。主要构造有木瓜界背斜、311向斜和东坡向斜［2］;断层发育有 F18，Df 20、F20 等(见图 1)。其中向斜形成了汇水盆地、断层成为导水通道，是影响顶板突水的重要因素。

2 矿区水文地质条件

平朔矿区位于宁武煤田北部，西、北、东三面环山，南与朔州冲洪积平原相接，地形基本呈北高南低之趋势。本区属于山西高原朔平台地之低山丘陵，全区多为黄土覆盖，黄土台地曾经受强烈的侵蚀切割作用，形成梁、垣、峁等黄土高原地貌景观。见图2。

图1 矿区构造纲要图

2.1 地表水系

区内主要地表河流有七里河、马关河、马营河等，均属桑干河流域海河水系，为典型的夏雨型河流。平时基本处于干枯状态，雨季山洪暴发时水量较大。

2.2 含水层系

区内主要含水层有碳酸盐岩岩溶裂隙含水层，碎屑岩裂隙含水层及松散岩层孔隙含水层。碳酸盐岩岩溶裂隙含水层由寒武－奥陶系灰岩组成。碎屑岩裂隙含水层在区内分布广泛，含水层由石炭、二叠系砂岩构成。松散岩层孔隙含水层主要分布在区内河流的河床附近，含水层主要是上更新统和全新统冲积－冲洪积堆积的砂砾石层和中粗砂，厚度数米至数十米不等。

图2 矿区水系发育图

2.3 水源补给

区域地下水的补给来源主要为大气降水，其次为地表水。山区盆地外围西、北、东三面的奥灰岩出露区为奥灰含水层补给区，地表裂隙溶蚀裂隙是降水入渗的良好通道。盆地中基岩之上多覆盖第四系黄土和第三系红土，其对大气降水下渗起阻隔作用［3－4］，仅在黄土覆盖较薄或有基岩出露的沟谷地带可获得大气降水入渗的直接补给。

2.4 水流排泄

区内地下水的排泄有泉的形式点状排泄、地表蒸发及矿井排泄等。泉水多出露在沟谷地带，其含水层主要为上、下石盒子组地层，仅在东南部山口地带神头镇附近有奥灰泉群出露，流量较大，区内煤矿众多，矿井排水构成了煤系地层地下水主要排泄点。

3 矿井开采主要水害分析

3.1 含水层水害

根据地下水赋存空间的空隙性质，结合岩性组合特征，本区可划分为奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩系、石炭－二叠系碎屑岩裂隙含水岩系、新近系和第四系松散岩类孔隙含水岩系(图3)。

3.1.1 奥陶系灰岩含水层

从钻孔及地表揭露灰岩情况分析，灰岩揭露100 m范围内岩溶裂隙不甚发育，富水性一般，为相对弱含水层段。

图3 水文综合柱状图

3.1.2 太原组砂岩裂隙含水层

太原组是本区主要含煤地层，太原组砂岩裂隙水也是主采煤层主要的充水水源。水位标高1 306～1 335.51 m。9#煤层的开采将直接破坏顶底板，太原组砂岩裂隙水成为直接充水水源，是影响煤层开采的主要含水层。

3.1.3 山西组砂岩裂隙含水层

该含水层为4煤组直接充水含水层，主要为底部的K3砂岩及中下部的中粗砂岩，K3砂岩裂隙发育，具透水性，会对开采造成影响。

3.1.4 上、下石盒子组砂岩裂隙含水层

上石盒子组含水层富水性较弱;下石盒子组含水层富水性中等，底部的K4砂岩裂隙发育，具透水性，是影响矿井生产具有重要因素。

3.1.5 第四系孔隙含水层

本区黄土层孔隙潜水含水性极弱，赋存上更新统孔隙潜水，含水层岩性为冲积、冲洪积形成的砂砾石、砂，地下水易接受大气降水补给，富水性较强，但由于大沙沟已经截流和疏干，对开采影响不大。

3.2 老空积水水害

平朔井工三矿周边分布有地方小煤矿11座，井田东北部有生产小窑2座：东平太矿和东日升矿。井田南部相邻双碾矿、井木矿、赛格矿、平鲁联营矿。据调查，上述生产小煤矿全为斜井，多存在越界开采现象，对矿井生产造成一定的影响。

3.3 地面水体水害

地面水体水害主要为大沙沟季节性洪水和各种废水，夏季洪水期间，流量5～6 m3/h;冬季1～2 m3/h，主要为各种废水。

4 发生水害的原因与突水机理

4.1 主要充水水源

太原组砂岩裂隙含水层、山西组砂岩裂隙水、石盒子组砂岩裂隙水、第四系孔隙水以及由于采动后与地面导通的地表水为矿井主要的水害水源 。另外，由于本区有小煤窑分布，老窑水也是一个重要的充水水源。

4.2 充水途径

4.2.1 顶底板采动裂隙导水

采用放顶煤采煤工艺，一次采全高。由于采煤影响，顶板破坏加大，煤层顶板被破坏，根据《矿井水文地质规程》公式：

式中：

Hf—导水裂隙带(包括冒落带)最大高度，m;

M—煤层采厚，m，取平均厚度12;

n—煤分层层数，取1。

计算可得Hf约为174～189 m。

从钻孔资料可以看出，主采的9#煤顶板距地面最小仅约为66 m。加之煤层顶板砂岩裂隙含水层主要由粗砂岩、中砂岩和细砂岩组成，属于脆性岩石，易产生构造裂隙和风化裂隙。因此，煤层开采时裂隙极有可能沟通上部含水层，甚至与地面水体发生联系，进而引发突水。

4.2.2 顶板砂岩水

顶板砂岩水是煤层开采直接充水水源。该含水层富水性分布不均，主要受构造、暗沟等的发育情况影响，一般呈条带分布，连通性较差，不利于疏放。加之砂岩之间的隔水层厚度较薄，岩性多为粉砂岩、砂质泥岩和泥岩，含砂量高，隔水性能差，因此，各砂岩含水层组之间水力联通性较好。以上特征决定了三号井田煤层顶板含水层储水体积大，含水空间丰富，隔水层隔水性能弱，为含水层富水提供了基础条件。

4.2.3 构造导水

矿井采掘过程中构造引发突水是矿井水害的一大特点。由于断层、陷落柱的存在，使煤层与含水层距离缩短甚至对接，破碎带有可能成为各含水层的局部导水通道，引发突水。

5 结论

通过地面水文调查、水文钻孔、井下掘进、回采工作面水文资料汇总，对该区水文地质条件进行了研究：

1)认为该区主要水系为夏雨型河流，大沙沟截流和疏干后对矿区影响不大。

2)区域内主要含水层有碳酸盐岩岩溶裂隙含水层，碎屑岩裂隙含水层及松散岩层孔隙含水层。而主要突水水源为顶板含水层、老空水，其中顶板水水是矿井生产的最大水害。

3)研究结果表明，石炭系含水岩系是主要的水害，放顶后顶板裂隙沟通上部含水层是引发突水的另一个主要因素。

［1］蒋泽泉.浅埋藏煤层开采的矿井突水与治理［J］.陕西煤炭，2006，24(3)：35 －36.

［2］毛永欣.井工一矿太西区陷落柱发育特征及导水性分析［J］.平朔科技，2010(1)：22－24.

［3］王双明，范立民.榆神矿区煤层水地质条件及保水开采［J］.西安科技大学学报，2010，30(1)：1－6.

［4］王晓字.山西煤炭开采对水资源的影响分析及对策研究［J］.科技情报开发与经济，2003，12(13)：107－108.

Study of Hydrology in Jinggong No.3 Coal Mine

Guo Rui，Wang Chao－yong，Xia Xiao－jin，Wang Zhe，Luo Bin

Through the investigation of ground surface and hydrology，hydrological drilling，underground tunneling，hydrological data collection on the coalface.It researched the hydrogeologic condition of this area;It is considered that the main stream for summer rain type rivers;Aquifers are Cambrian－Ordovician karst fissure aquifer system，Carboniferous－Permian clastic rock fracture aquifer system，Neogene － Quaternary system interspace aquifer system.Main source of water inrush is roof aquifer or goaf water.The results of the study indicate that the Carboniferous aqueous rock series is the main water disasters，after caving，upper aquifer roof fissure water is major factor of water inrush，defective hole sealing and the fault are the guide channel of regional water inrush.

Carboniferous;Aquifer;Coal－roof;Water inrush

TD741

A

1672－0652(2011)12－0043－03

2011－11－09

郭 锐(1985—)，男，内蒙古巴彦淖尔人，2009年中国矿业大学在读硕士研究生，主要研究矿产普查与勘探。(E －mail)guorui302@163.com