方田煤矿开采引发孝坪集镇岩溶地面塌陷可能性的分析与对策

湖南省煤炭地质勘查院，湖南 长沙 410014

引言

方田煤矿为方田井田拟设采矿权，开采二叠系吴家坪组8煤层，为顶底板岩溶直接充水矿床，矿界内资源主要分布在+50m～-450m范围内。孝坪集镇位于方田煤矿北东面，距矿山1.5km，该集镇建构筑物聚集，人口较多。集镇下伏基岩为二叠系长兴组、吴家坪组、茅口组碳酸盐岩。以往孝坪井田内有多家煤矿开采，由于矿井排水与附近供水井抽采地下水，于1973年至2004年期间曾先后引发了3次岩溶地面塌陷，共计出现了45处塌陷，造成了较大的经济损失与社会影响。因此关闭了集镇附近的部分煤矿，供水井停止抽采地下水。方田煤矿同样开采吴家坪组8煤层，矿山开采可能引发孝坪集镇岩溶地面塌陷，需采取科学的防范措施，才能既最大限度地开采煤炭资源又避免孝坪集镇发生岩溶地面塌陷。

1.矿区地质概况

方田煤矿位于孝坪复式向斜南东翼，呈一单斜构造。矿区出露的地层自新至老分别为第四系，白垩系上统、下统，侏罗系泸阳组，侏罗系下统～三叠系上统小江口群，二叠系上统长兴组、吴家坪组，二叠系下统茅口组、栖霞组（见图1）。开采煤层位于二叠系上统吴家坪组底部。

图1 矿区综合水文地质图Figure 1 Integrated mine hydrogeological map

2.水文地质特征

2.1 含、隔水层

①第四系孔隙含水层

为第四系冲积层下部砂砾石层，分布于沅江、孝坪溪及方田溪两岸阶地，泉水流量0.1L/s～0.97L/s，含水性弱至中等。

②白垩系、泸阳组及小江口群相对隔水层组

由中厚层状砂质泥岩、泥岩、粉砂岩、细砂岩、含砾砂岩、砾岩等组成，厚度大于805m。有少量的泉点出露，多为季节泉。泉水流量一般小于0.02L/s,富水性弱，为相对隔水层组。

③长兴组岩溶裂隙含水层

由薄～中厚层状灰岩、含泥灰岩组成，厚约为70m。地表井泉点出露稀少，方田井田15个钻孔未遇溶洞，裂隙较发育，但大多被泥质物及方解石脉充填，富水性较弱。

④吴家坪组岩溶裂隙含水层

灰岩段：在孝坪集镇一带有基岩出露，其余部分被掩盖。为中～厚层白云质灰岩、灰岩、含泥灰岩，厚约76m，未见井泉点出露，方田井田施工15个钻孔仅0-1孔见3个溶洞，溶洞累高4.35m，最高3.05m，溶洞发育标高+108.58m，8个钻孔裂隙发育，局部见溶蚀小孔，裂隙大部分为方解石及泥质物填充；供水井遇高13.15m全充填大溶洞及高1m无充填溶洞各1个。区内3号小煤矿在+150m的标高见宽2.00m、高1.5m溶洞。由此可见，该层在浅部裸露区与深部覆盖区岩溶发育极不均一，岩溶化程度、富水性差异明显。本层是煤矿开采时的直接充水含水层之一。

辰溪段：由煤层及铝土质泥岩组成，厚约2.40m，不具有隔水层作用。

由于长兴组、吴家坪组岩溶含水层之间无显著隔水层存在,故为一个统一含水层，为煤层顶板直接充水含水层。

⑤茅口组岩溶裂隙含水层

少量出露于孝坪集镇东侧，为中厚层状灰岩及夹燧石灰岩，厚约174m。岩溶发育强烈，地表岩溶形态有溶洞、漏斗、洼地等。方田井田15个钻孔未见溶洞，9个钻孔裂隙发育，局部见溶蚀小孔，裂隙大部分为方解石及泥质物填充。5号小煤窑发生底板突水事故时，涌水量为1270m3/h，突水点标高为+50.9m。该含水层地下水位平均标高+130m，是煤层底板直接充水含水层。

⑥栖霞组岩溶裂隙含水层

仅在孝坪镇东部有少量出露，仅706孔揭露此层，未见岩溶裂隙。与茅口组强岩溶含水层之间无完整的隔水层存在，故为一个统一含水层。

2.2 断层水文地质特征

影响方田煤矿开采的断层主要有F3、F11、F12。

①F3断层：供水井揭露该断层带，遇高13.15m全充填大溶洞及高1m无充填溶洞各1个，抽水试验单位涌水量为6.5L/s.m。断层带含水性、导水性强。

②F11断层：孝坪集镇三次岩溶地面塌陷均沿F11断层断裂带分布，断层含水性、导水性强。

③F12断层：断层两侧有泉点分布，5号小煤窑突水2小时后在田家附近F12出露位置产生了岩溶塌陷坑。断层带导水性、富水性强。

2.3 岩溶发育规律

孝坪井田溶洞主要分布在±0m以上。各层位溶洞发育高程相差较大，长兴组发育标高最低为+74.5m；吴家坪组发育标高绝大部分在+20m以上；茅口组溶洞最低为-82m。

方田井田施工的15个钻孔情况，仅0-1孔在吴家坪灰岩中遇见3个溶洞，总高4.35m，单个溶洞最大高度3.05m，溶洞发育标高在+108.58m以上。长兴组、茅口组灰岩未揭露溶洞，仅发现有溶蚀裂隙与溶蚀小孔。区内老窑井巷揭露情况如下，3号小煤窑在+150m的标高见宽2.00m、高1.5m溶洞；5号小煤窑在+50.9m标高遇茅口灰岩溶洞突水；6号小煤窑在-37.1m标高遇茅口灰岩溶洞突水。据矿井揭露情况，溶洞发育标高主要分布在-37.1m以上。

断层带岩溶较发育，但随深度增加也明显减弱，如孝坪井田迎客坳煤矿在-20m水平遇大断层，未见溶洞。

综上所述，无论是含水层还是断层带岩溶发育程度随深度增加而显著减弱，由溶洞过渡到溶隙、溶孔。

2.4 水文地质条件分区

据孝坪井田生产井水文地质调查，灰岩岩溶充水矿井只有在井巷揭露溶洞裂隙时，才会有涌水或淋水现象，否则干燥无水，相当于隔水层体，相似水文地质条件的大坪煤矿等带压开采的成功实例已充分证明这一观点。因此，根据岩溶发育特规律，将本矿划分水文地质条件复杂区与水文地质条件中等区。

-37.1m标高以上，含水层岩溶发育，老窑绝大部分发生过突水，矿井充水因素主要为吴家坪、茅口组溶洞水，F12断层带水及老窑水。水文地质条件复杂。

-37.1m标高以下，为三叠系～下侏罗统小江口群、中侏罗统泸阳组及白垩系红层等相对隔水层覆盖，厚300m～765m；钻孔未遇溶洞，岩溶发育弱，以溶隙为主，岩层富水性较弱；3线以北大部分为不可采的碳质泥岩带，为自然隔离带；F12下盘煤层在断层下盘交煤线北西300m范围内均为不可采区，形成了矿井开采天然的断层带防水岩柱。矿井充水因素主要是吴家坪、茅口组溶隙、溶孔水，F3、F12断层带水。水文地质条件中等。

-37.1m～-50m为以溶洞充水为主向以溶隙充水过渡带。

因此，将矿井范内-50m标高以上划分为矿井水文地质条件复杂区，-50m标高以下为矿井水文地质条件中等区。

3.矿山开采引发孝坪集镇岩溶地面塌陷分析

3.1 孝坪集镇地质环境条件概况

图2 A-B水文地质剖面图Figure 2 Hydrogeololgy section of A-B

孝坪集镇位于本矿北东面，相距1.5Km。地貌上为孝坪溪两岸阶地。地表广泛分布第四系冲积层，厚2.80m～35.30m，土层在水平和垂直方向上分布不均，靠近孝坪溪两侧砂卵石层较厚,远离孝坪溪河谷地段粘性土较厚、砂卵石层较薄。正常地下水位埋深为0.91m～13.52m，标高+140.96m～+155.64m。下伏基岩为二叠系长兴组、吴家坪组及茅口组等碳酸盐岩，岩溶发育强烈，含丰富岩溶水，断层发育，地质环境条件复杂。

孝坪集镇以往曾产生过3次岩溶地面塌陷地质灾害，主要原因是大量抽排、抽采地下岩溶水，地下水位大幅度降低所致。

3.2 矿山开采引发孝坪集镇岩溶地面塌陷分析

①水文地质条件复杂区开采引发孝坪集镇岩溶地面塌陷分析

-50m标高以上地段为水文地质条件复杂区，含水层地下水水力性质以潜水为主。根据公式计算矿坑排水引用影响半径。式中H、S为180m，K值采用矿区浅部钻孔溶洞带（+74.51m以上）两次抽水试验结果，K值为2.98m/d～0.31m/d，取其最小值0.31m/d,计算出R0=2690m。由于该区边界距孝坪集镇距离仅1500m，计算的影响半径远大于该距离。根据侵润曲线水力坡度计算，孝坪集镇地下水位将下降至+70m标高（见图2），正常地下水位标高+140.96m～+155.64m，下伏吴家坪、茅口组等基岩岩溶发育强烈。因此，当该处地下水没有得到充足及时补给，地下水位将大幅度下降。地下水对第四系松散层的强烈潜蚀，引发孝坪集镇地面岩溶塌陷可能性大。

②水文地质条件中等区开采引发孝坪集镇岩溶地面塌陷分析

-50m标高以下地段为水文地质条件中等区，地下水以承压水为主。根据公式 计算矿坑排水引用影响半径，式中S为330m，K值采用矿区中深部钻孔抽水试验结果，取值0.1786m/d，计算矿山在-200m标高（-200m标高以下溶洞溶隙不发育）矿井排水引用影响半径为1450m。降落漏斗影响边界距孝坪集镇50m（见图2）。因此，矿井排水不会导致孝坪集镇地下水位下降，该地段矿井排水引发孝坪集镇产生岩溶地面塌陷的可能性小。若遇溶洞或断层突水，与突水溶洞有水力联系的地段其引用影响半径将大于1450m。如果不进行及时堵水处理，可能引发孝坪集镇地下水位下降，引发岩溶地面塌陷。因此，在水文地质条件中等区开采引发孝坪集镇岩溶地面塌陷的可能性小～中等。

4.矿山开采引发孝坪集镇岩溶地面塌陷的防范措施

①鉴于-50m水平以上水文地质条件复杂，矿井以灰岩溶洞水充水为主。矿井开拓遇溶洞可能发生岩溶突水，在孝坪集镇可能引发岩溶地面塌陷，危害程度和防治难度大。因此，-50m水平以上不宜开采，划定为禁采区。

②按规范要求在F3、F12断层带两侧留设防水煤岩柱。

③由于老窑开采最低标高已到-37.1m，老窑存在大量积水，按煤矿安全规程留设老窑防水煤岩柱，并划好老窑探水线。

④矿山企业必须坚持“预测预报，有掘必探，先探后掘，先治后采”的原则，充分应用孝坪矿区、辰溪矿区以往防治水的“探、防、堵、截、排”防治水经验，在保证安全生产情况下做到遇水就堵，实行带水压开采，尽量少疏排地下水，可避免引发岩溶地面塌陷。

⑤建立一支以矿长为组长的矿井防治水领导小组，负责矿井防治水工作，并配备足够的防治水人员及装备。建立矿坑排水日记、档案，掌握矿井涌水量动态变化，及时将井下突水点位置、突水层位、突水流量标注在采掘工程平面图上。

⑥在矿区东北吴家坪、茅口灰岩岩层中建立地下水长期观测网。本矿设观测孔为3孔，一号孔位于F12与F11交叉处西面，孔深在水位在静止水位以下30m，二号观测孔应建5号老窑北东面，孔深在静止水位以下50m，三号孔利用供水井。观测网应在采区巷道掘进前建立，并与孝坪集镇观测孔共同建立地下水位监测网，配备专人进行观测并做好记录，如发现地下水位骤降，立即采取有效措施将灾害损失减低到最小程度。

5.结语

综上所述，方田煤矿-50标高以上水文地质条件复杂，矿山开采引发孝坪集镇岩溶塌陷的可能性大，防治难度大，划定为禁采区；-50m标高以下水文地质条件中等，矿山开采引发孝坪集镇产生岩溶地面塌陷的可能性小～中等，该区在采取防治水措施的前提下建矿开采，可避免引发孝坪集镇地面岩溶塌陷。

参考资料

[1]湖南湘煤地质工程勘察有限公司.湖南省辰溪县方田井田水文地质条件及开采对孝坪集镇地质环境影响论证报告[R].湖南长沙,2008.12

[2]湖南煤田地质局第二勘探队.湖南省辰溪县辰溪煤矿区方田井田勘探报告.[R]湖南株洲,1995.12

[3]湖南省煤田地质勘探指挥部第五勘探队.湖南省辰溪县孝坪井田地质最终勘探报告.[R]湖南郴州,1972

[4]武强等编.矿井水灾防治.北京.中国矿业大学出版社,2002.