胡底煤矿水文地质类型划分探讨

王建彬，程绍强，李永军

(1.山西晋煤集团，山西晋城 048214;2.华北科技学院，北京东燕郊 101601)

0 引言

生产实践证明，水害是影响与制约煤矿安全生产的主要障碍之一。而矿井水文地质类型及其复杂程度决定了矿井开采受水害威胁程度，也决定了矿井防治水工作的难易程度，它关系到矿井开拓方式的选择和采掘系统的布置，近而影响到矿井的总体规划和设计［1］。为遏制水害事故的发生，减少和避免损失，煤矿应按《煤矿防治水规定》要求并结合本矿的地质及水文地质资料［2］，在查明矿井充水条件、充水水源、充水因素、涌突水量及其危害程度的基础上，进行水文地质条件类型划分［3］。煤矿水文地质条件类型划分工作的落实，对于分析和评价矿井水害危害程度，排查矿井水害隐患，防患于未然，经济合理地搞好矿井防治水工作，大幅提升矿井防治水技术能力，实现矿井安全、有序、高效生产，具有十分重要的现实意义［4］。

1 矿区区域地质概况

胡底煤矿位于山西省沁水县胡底乡西北0.50 km。矿区总体呈北西～南东向的长方形，长约3.05 km，宽约1.81 km，面积5.1258 km2。

井田地处太行山南段，地貌区划属剥蚀山地，山顶起伏平缓并有黄土覆盖，地势北东高，西南较低。近南北走向的麻岩沟、崔家山沟、井沟、石渠沟自东向西排列，纵穿矿区东部。区内主要山脉亦呈近南北向展布，最高标高932.60m，最低为胡底河河床标高670.20 m。

井田内主要河流为胡底河，属黄河流域沁河水系，由七坡东，经蒲池、李庄流过井田南西部，于王庄沟东汇入固县河，区内河段长度3.5km，该河段为胡底河下游河道，控制着全河流流域面积，枯水期流量2.55～3.08 L/s，其20年一遇最大洪水流量为 254.6 m3/s，50年一遇最大洪水量为358.1 m3/s。

区域上除阳城、沁水县西南部有上元古界震旦系及古生界寒武系地层出露外，由东南向西北依次出露奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系。第三系及第四系广泛覆盖于上述各时代地层之上。开采煤层3煤层位于二叠系下统山西组。

区内断裂构造极不发育且无岩浆活动，仅发育一些宽缓的次级褶皱或波状起伏，褶皱是本井田的格架构造，具体表现为蒲池背斜和石门上向斜，井田内勘探阶段未发现较大断层。

2 矿井水文地质条件

2.1 主要含水层

2.1.1 松散岩类孔隙含水层组(孔隙水)

主要为第四系松散沉积物，由砂质粘土夹细砂或卵砾石组成，厚度15 m左右，水位埋深小于15 m。呈带状分布于沁河及其支流河谷两岸。富水性较好，单位涌水量一般为0.1～5.0 L/s·m。主要接受大气降水补给，向河流及基岩风化带含水层排泄。水质类型属 HCO3－Ca.Mg型水。

2.1.2 碎屑岩浅层裂隙水含水岩组(裂隙水)

风化带厚度受地形起伏的影响，据钻孔资料综合分析一般为60～90m，最深可达100余米，富水性取决于风化裂隙发育程度。该含水层一般呈潜水性质，直接接受大气降水的补给，浅部富水性较强，下部较差，据井检孔的3次抽水试验，降深9.47～62.37 m，单位涌水量0.0052～0.1655 L/s ·m，平均为0.0075 L/s·m，渗透系数为0.0109～0.8974 m/d，平均为0.3747 m/d，富水性中等，水质类型为HCO3－Na型水。

2.1.3 碎屑岩裂隙含水层组(裂隙水)

该含水岩组主要指二叠系砂岩裂隙含水岩组，其中石千峰组、上石盒子组三段地层矿区内普遍出露。含水层为巨厚层粗砂岩及中细粒砂岩。直接接受大气降水的补给，在地形适宜处以下降泉的形式排出地表。下石盒子组、山西组地层深埋地下，含水层主要为中细粒砂岩，是3号煤的主要充水来源。钻进中的冲洗液消耗量及水位变化不大，岩芯裂隙不发育，据ZK3－1孔的抽水试验，降深36.12m，单位涌水量0.00108L/s·m，渗透系数为0.00063 m/d，水位标高694.04 m，水质类型为HCO3－K·Na型水。

2.1.4 碎屑岩夹碳酸盐类裂隙岩溶含水岩组(裂隙岩溶水)

矿区内该地层埋藏较深，含水层岩性为砂岩、灰岩，其间夹数层泥岩、砂质泥岩等隔水层，裂隙不发育，相对削弱了各含水层之间的水力联系。据井检孔的2次抽水试验，降深66.18～79.28 m，单位涌水量0.00078～0.0012 L/s·m，平均为0.00099 L/s·m，渗透系数为0.0039～0.0059 m/ d，平均为0.0049 m/d，弱富水性，水质类型为HCO3－Na型水。

钻孔资料表明该组中灰岩岩溶裂隙均不发育，冲洗液消耗量及水位无明显变化。

2.1.5 碳酸盐岩岩溶裂隙含水层组(岩溶水)

该含水层组主要在延河泉域南、东、西部出露。下部为寒武系、奥陶系下统白云质灰岩、白云岩，岩溶裂隙发育差异很大，在胡底井田附近由于埋藏较深，一般富水性差。中上部为奥陶系中统灰岩，总厚400～500 m，包括下马家沟组、上马家沟组及峰峰组地层，主要由石灰岩、白云质灰岩、泥灰岩、角砾状泥灰岩等组成，是延河泉域内的主要含水层。区域内受构造、埋藏深度及岩溶发育规律的影响，含水性具有明显的水平分区和垂直分带性。平面上可分为裸露区、薄层覆盖区及厚层覆盖区，其富水性见表1。

表1 含水性水平分区和垂直分带特征

该含水层主要接受裸露区大气降水的补给及局部灰岩河道渗漏的补给，岩溶水在沁河西侧由西南向东北和由西向东径流，在沁河东侧由东北向西南径流。岩溶水除人工开采井群外，在延河泉域南部受阻沿沁河排泄。泉群排泄带全长25 km。其中最大者是延河泉，多年平均流量4.73 m3/s，泉水出露标高463.78 m。水质为HCO3－Ca.Mg型，HCO3.SO4－Ca.Mg型，矿化度0.3～0.5 g/L。

2.2 主要隔水层

2.2.1 太原组底部及本溪组泥岩、铝土质泥岩隔水层

该隔水层位于石炭系上统太原组15号煤层之下至奥灰顶，其厚度变化为4.85 m(ZK3－1孔)至12.15 m(ZK1204孔)，岩性为泥岩、铝土质泥岩及砂质泥岩，厚度较稳定，为15号煤层与奥陶系灰岩水之间良好的隔水层。

2.2.2 碎屑岩类层间隔水层

主要岩性为泥岩、铝土质泥岩，砂质泥岩，其特点是分布广，厚度稳定，一般厚度3～5 m，最厚可达15 m，该隔水层呈层状分布于各砂岩含水层之间，阻隔了各砂岩含水层之间的垂向水力联系。

3 矿井充水因素分析

矿井充水水源、充水通道、充水强度统称为矿井充水的三大因素［5］。

3.1 矿井充水水源

煤矿生产实践表明，对矿井充水有影响的水源主要有大气降水及地表水、构造水、含水层水及老空水。其影响程度，主要取决于上述各水体的发育程度或富水性，以及水体同开采煤层的关系［6］。

本矿井的主要充水水源为大气降水、地表水体、含水层水等。

本井田内季节性河流受大气降水影响较大，因此大气降水及地表水可成为重要的矿井涌水补给来源。3号煤层开采前的巷道开拓过程中，煤层顶板砂岩裂隙水将通过矿坑顶板冒落导水裂隙带向矿坑充水，出现井筒和巷道顶板淋水现象，未来3号煤层开采后，二叠系砂岩裂隙含水层水将对矿井充水，具体表现为顶板淋水。

3号煤层底板下有太原组几层灰岩及砂岩，虽然水头高出3号煤，但富水性弱，不具备向3号煤充水的条件，而奥灰水由于距3号煤约有100米以上的间隔，在无构造通道的情况下，尚不构成底板突水的危险。另据ZK9－1孔、井检4孔资料(见表2)及突水系数法［7］公式计算得3号煤层突水系数分别为T=0.037，T=0.039，均在安全范围内。

井田目前处于3号煤层基建时期，尚未进行煤层的开采，因此井田内无采空区。未来开采3号煤层后，采空区积水会对煤矿安全生产构成水患威胁。

表2 3号煤层底板突水系数统计表

3.2 矿井充水通道

据矿区水文地质条件分析，煤层开采矿坑充水通道主要有顶板之上的岩石裂隙带、冒落导水裂隙带、井筒、断层破碎带及封闭不良钻孔［8］。这些充水通道均可沟通煤层上下含水层之间的水力联系，造成矿井充水。

主要充水途径为采动时形成的导水裂缝带［9］，导水裂缝带的高度取决于煤层开采的破坏程度，按照经验公式［10］计算得导水裂缝带最大高度为84.40 m(见表3)。井田内地形最高标高932.60 m，最低为胡底河河床标高670.20 m。井田3#煤层标高在140～290 m之间，3#煤层采后形成的导水裂缝带未波及到地表，地表水不会影响井下3#煤层开采;3#煤层之上没有可供开采煤层，亦不会受到上覆煤层采空区积水威胁。

3.3 矿井充水强度

目前该矿为基建矿，矿坑充水主要为井筒水及巷道掘进时的顶板淋水，水量不大，矿井涌水量在10～15 m3/h。根据矿井安全专篇资料，预计矿井3#煤层达到设计产量60万t/a时，矿井正常涌水量为220 m3/h，矿井最大涌水量为370 m3/h。

4 矿井涌水量及其变化

矿井目前正在进行巷道的掘进，井筒渗水及巷道顶板淋水量较小，一般在10 m3/h～15 m3/h，预计未来开采3#煤层生产能力达到60万t/a时，矿井涌水量在220 m3/h～370 m3/h之间。

表3 煤层顶板导水裂缝带高度计算表

式中:HIi—导水裂缝带高度 (m);Σ M—煤层累计采厚(m)。

由于井田内煤层埋藏较深，矿井涌水量受大气降水影响不明显，但随着开采深度和开采面积的增加，矿井涌水量均会随之增加。

5 矿井开采受水害影响程度和防治水工作难易程度评价

5.1 矿井开采受水害影响程度评价

根据矿区水文地质条件及矿井实际生产情况分析，该矿区可能面临的水害有4类。

1)煤层顶板裂隙水

井田未来开采3#煤层，其顶板砂岩裂隙含水层水为其主要充水水源。该含水层组为层间裂隙水，根据钻孔抽水资料，单位涌水量0.0038～0.0851 L/s·m，平均为0.0561 L/s·m，渗透系数为0.0074～0.2070 m/d，平均为0.1053 m/ d，为富水性弱的含水层组。

现井下涌水主要为井筒和巷道顶板渗水，井筒淋水水量不大，未来开采3#煤层形成的导水裂缝带会沟通上部含水层与煤层间的水力联系，造成矿井涌水量增大。

2)奥陶系灰岩水

井田内3#煤层存在带压开采问题，经井检孔数据计算得最大突水系数为0.039 MPa/m，小于临界突水系数0.06 MPa/m，带压区相对安全。一般情况下不存在底板突水的危险，但是在构造破坏区域，特别是在未查明的导水断层和导水陷落柱区域不排除发生底板突水的可能。

3)大气降水及地表水

大气降水及地表水可成为重要的矿井涌水补给来源，特别是当巷道或工作面接近地表河流胡底河时更具危险。

4)采空区积水

井田内目前无采空区积水，但未来开采3#煤层后，必会留下大面积采空区，因此，采空区积水是未来水害防治的重要防治对象。

5.2 防治水工作难易程度评价

对矿井充水有影响的主要水体为煤层顶板含水层水、奥陶系灰岩含水层水及大气降水，导水通道主要为采动裂隙、断层及陷落柱等。

1)大气降水与地表水的防治

对于大气降水及地表水的防治，应充分收集地面气象降水量资料，综合采用地面防排水工程、填堵塌陷区、洼地及隔水防渗漏等措施。井口附近的防洪沟、电缆沟在雨季前均要进行检查和疏通，并对地表裂隙发育区进行填堵，防止地表水、大气降水溃入井下。

由于大气降水量有限，地表河流位置清楚，地面塌陷位置与范围易于查明，且降水具有时限性，防治水工作简单易行。

2)煤层顶板裂隙水的防治

煤层顶板直接含水层为山西组砂岩裂隙含水层，含水层单层厚度均不大，且层间均有砂质泥岩或泥岩隔水层，为富水性弱的含水层组，水平与垂向上水力联系及补给水源条件均较差。仅在冒落裂隙、断层及陷落柱沟通多个含水层水的联系时，初始水量会相对较大，但稳定水量较小，一般易于排泄疏干。

3)煤层底板奥陶系灰岩岩溶裂隙水的防治

井田内3#煤层带压区相对安全，一般情况下不存在底板突水的危险，但是在构造破坏区域，特别是在遇未查明的导水断层和导水陷落柱区域仍存在突水危险，因此，应在井田内补充奥陶系灰岩水位长期观测孔，对奥灰水进行长期观测。

6 矿井水文地质类型划分［11］

矿井未来开采3#煤层，所以主要针对3#煤进行矿井水文地质类型划分 (见表4)。

1)受采掘破坏或影响的含水层及水体

由于3#煤层埋藏较深，受采掘破坏或影响的顶板砂岩裂隙含水层可接受大气降水的补给量少，补给条件差。顶板砂岩裂隙含水层单位涌水量0.0038～0.0851L/s·m，平均为0.0561L/s·m，渗透系数为0.0074～0.2070m/d，平均为0.1053m/ d，为富水性弱的含水层组，属于简单型。

2)矿井及周边老空水分布状况

井田内无采空区积水，周边相邻处无生产矿井，近3年不存在采空区积水的威胁，因此属于简单型。

3)矿井涌水量

本矿开采3#煤层，现阶段矿井涌水量为15～25 m3/h，当矿井生产能力达到60万t/a时，矿井正常涌水量220 m3/h，最大涌水量370 m3/ h，属于简单型。

4)突水量

矿井3#煤层基建以来未发生过突水事故，因此属于简单型。

5)开采受水害影响程度

现阶段处于基建时期，井田内不存在采空区积水，矿井涌水量主要来自于井筒渗水及巷道掘进时顶板淋水。未来开采3#煤层后，矿井充水水源主要为顶板砂岩裂隙含水层水。由于井田内3#煤层存在带压开采问题，根据计算，带压区位于相当会安全区，正常地段无底板突水威胁，但在构造破坏部位，奥陶系灰岩水对本矿安全生产构成潜在的水患威胁。此项为中等型。

6)防治水工作难易程度

针对本矿矿井水文地质特征，按照《煤矿防治水规定》要求，重点做好对顶板含水层水、奥陶系灰岩水及大气降水与地表水的防治工作。从技术及经济方面综合考虑，防治水工作易于进行，此项为为中等型。

综上所述，针对第5条及第6条的评述，按分类依据就高不就低的原则，本矿开采3号煤层时，矿井水文地质类型为中等型。

表4 水文地质类型划分结果汇总

7 结语

矿井处于基建时期，未来3年主要水害隐患为含水层水、大气降水和地表水以及奥陶系灰岩水，是否对煤层充水取决于构造 (断层、陷落柱等)导水程度。为此，在巷道掘进及未来煤层的开采过程中应坚持“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”原则，采用物探、钻探、化探等手段进行综合勘探。突水系数及导水裂缝带的计算公式均为经验公式，在煤层开采过程中为确保安全还需加强实际观测，根据观测结果进行相应的调整。

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