内蒙古色连井田水文地质特征与导水裂隙带高度估算

付士芳 焦凤海 王伟 王超勇

摘要：色连煤矿矿井充水因素主要为第四系全新统（Q₄^al+pl）孔隙潜水含水层、志丹群（K_1zh）潜水一承压水含水层、侏罗系中统（J₂）承压水含水层和三叠系上统延长组（T_3y）碎屑岩类承压水含水层等对侏罗系中下统延安组含水层的垂直人渗补给和大气降水入渗补给。充水通道为封闭不良钻孔、断层以及采后冒落带裂隙，通过大井法和类比法，该井正常涌水量为1292.08m³/d，1076.73m³/d与1560m³/d，1872m³/d；经过多个矿井资料的总结，煤层采后的冒裂带高度为煤层的30-35倍。因此，需加强塌陷区裂隙的填埋和管理，以防突水和溃沙事故的发生。

关键词：色连矿 水文地质 涌水量 冒裂带

色连井田位于内蒙古东胜煤田，地层划分属于华北地层区鄂尔多斯分区，处于乌审旗小区的东北部如图1，主要产煤地层为侏罗系中下统延安组（T_y1-2），该区受到多期次构造运动，煤层埋藏浅，顶板风化较为严重，给开采顶板管理和防治水带了一定的难度，为了保障安全生产，急需对该矿水文特征以及顶板管理方案进行研究，为后期开采提供指导意见。

1.充水因素分析

1.1 充水水源

井田煤系地层为侏罗系中下统延安组（J_1-2y），延安组（J_1-2y）碎屑岩类承压水含水层是井田直接充水含水层，直接充水含水层的富水性弱，透水陛与导水性能差，地下水的补给条件与径流条件均较差，以区外承压水微弱的侧向径流为主要充水水源。在区外露头区域也接受大气降水直接入渗补给。

井田首采区开采2-2上煤，除煤系地层之外的含水层为：第四系全新统（Q₄^al+pl）孔隙潜水含水层、志丹群（K_1zh）潜水一承压水含水层、侏罗系中统（J₂）承压水含水层、三叠系上统延长组（T_3y）碎屑岩类承压水含水层。第四系全新统（Q₄^al+pl）孔隙潜水含水层一志丹群（K_1zh）潜水一承压水含水层富水性弱一中等，侏罗系中统（J₂）承压水含水层富水性弱，三叠系上统延长组（T_3y）碎屑岩类承压水含水层富水性弱。延安组顶部隔水层位于2煤组顶板以上，岩性主要由灰色泥岩、砂质泥岩等组成，隔水层厚度3.60～12.89m，平均6.28m。隔水层的厚度较稳定，分布较为连续，隔水性能较好，有效地减弱了煤系地层与其上部含水层的水力联系。延安组底部隔水层位于6-2下煤组底板以下，隔水层厚度一般在10m之内，分布较连续，隔水性能较好。

1.2 充水通道

煤层及其附近虽然有水存在，但只有通过某种通道，它们才能进入采煤巷道形成矿井涌水，充水通道可以根据形成因素分为自然通道及人工通道。地层裂隙、空隙带、岩溶、陷落柱及断层等属于自然通道；封闭不良钻孔、揭穿含水层的井巷及采动裂隙带等属于人工通道。

1.2.1 封闭不良的钻孔

色连一号井田勘探区内原柴登南详查阶段施工的54个钻孔，普遍存在封孔质量不合格现象；井田勘探区范围内历次勘查施工的部分钻孔，存在钻具遗留和套管遗留现象（表1）。

据原柴登南详查报告对井田内的3214号孔封孔质量的检查结论：孔口石桩保存完好，封闭坚固。钻进0～20m无水泥砂浆封闭物，孔深160～374.14m采取水泥砂浆封闭物0.95m，封闭物呈圆柱状、砂粒分布均匀，固结程度较低，封孔质量不合格。据原柴登南详查报告，详查阶段封孔质量极差。掘进和回采时地测部做好预报和预案工作。掘进施工队和采煤队作业时做好排放和检查工作。

在将来煤矿开采过程中，局部区域可能存在封闭不良钻孔导通地表水，使上下含水层的水顺封闭不良钻孔进入采掘工作面。因此，要特别注意，必要时，重新进行相关钻孔的启封工作，特别是有些河床中的钻孔。

1.2.2 揭穿含水层的井巷

井田井筒穿越多层含水层。井田内Q₄^al+pl潜水含水层的富水性弱一中等，透水性能较强，因大气降水量较少，补给条件较差，补给量一般不大，但雨季补给量会明显增大。当井筒巷道勾通Q₄^al+pl潜水及地表水体时，矿坑涌水量则会明显增大，甚至发生透水事故。在开采过程中应注意观察矿井涌水量，在雨季做好煤矿防排水措施。

1.2.3 采动裂隙带

采动裂隙导水主要指顶板冒落裂隙和底板破坏裂隙。色连一号井田煤层顶底板岩石的力学强度低，以软弱岩石为主，稳固性较差。未来煤矿在开采过程中，顶板易发生顶板局部冒落及掉块现象，底板易发生底鼓及软化变形破坏。在建井过程中，顶板有滴水、渗水现象；其中5101工作面辅运巷离切眼0～200m，淋水严重，底板有积水现象。大致2m³/h；5102工作面主运巷300～600m，大致4m³/h，在将来煤矿开采过程中，局部区域可能存在采动裂隙导通地表水，使上下含水层的水顺采动裂隙进入采掘工作面。该内容将在下面详细分析。

1.2.4 断层

在掘进巷道过程中发现F26号断层，在断层附近有少量的淋水，通过时，涌水量没有明显增大，表明该断层的富水性较差，但在开采时，应设保护煤柱，以防和上覆含水层沟通，造成突水事故。

1.3 充水情况

计算目的层为煤系地层含水层，计算面积为先期开采地段。按照矿区生产计划，投入生产时，矿井投产时主斜井施工至4-1煤层，进风立井、回风立井井底布置在4-1煤层中，故此按水头降低4-1煤层计算矿井充水强度；

计算方法分别采用解析法中的稳定流大井法及水文地质比拟法。

1.3.1 稳定流大井法

承压一潜水完罄井计算公式：

Q—预测的矿坑涌水量（m³/d）；

K—渗透系数（m/d）；

H—水柱高度（m）；

m—含水层厚度（m）；

Ro—引用影响半径，Ro=R+ro（m）；

R—矿坑排水引用影响半径（m），取经验值，按《内蒙古自治区东胜煤田柴登南矿区色连一号井田煤炭勘探报告》取R=2，000m；

F—先期开采地段和先期开采一盘区东部（2101采区以东）面积8.27km2；西部8.8kmz；煤层参数引用《内蒙古同煤鄂尔多斯矿业投资有限公司色连一号矿井井筒检查钻孔地质报告》相关参数：

把上述相关参数代入到公式（1）中，得矿井正常涌水量为1076.73m³/d，即44.86m³/h。根据经验，最大涌水量通常比正常涌水量大20%，因此，可得最大涌水是为：1292.08m³/d，1076.73m³/d即53.84m³/h。

1.3.2 水文地质比拟法

（1）比拟实例1

式中：Q——预测的矿坑涌水量（m³/d）；

Qo——生产矿井实测涌水量（m³/d），邻区金烽昌汉沟煤矿矿坑开采2-4号煤，实测涌水量Qo=1100m³/d；

pm色连矿井设计开采能力，p=500万吨/年；

po—生产矿井实际开采能力，邻区金烽昌汉沟煤矿实际开采能力po=1，000万吨/年；

金烽昌汉沟位于鄂尔多斯市东胜区，与色连一号井田临近。二者含煤地层和含水层相似，具有可比性。

因此，若色连矿按设计开采能力开采，按照富水系数比拟法公式（3），矿井的正常涌水量为：Q=550m³/d，即22.92 m³/h。

（2）比拟实例2

王家塔煤矿现开采2号煤层，年产500万吨。现涌水量60～70m³/h。平均65m³/h，每天涌水量1560m³/d，按照富水系数比拟法公式（3），计算，色连矿涌水量为1560m³/d，即65m³/h。

（3）统计法

根据近期的涌水量和井下的抽水量进行统计，预测未来的可能的涌水量，见表3和表4。在没有剔除井下工业废水情况下，2013年7-12月实际平均涌水量1059.6m³/d。

1.3.3 最终采用结果

由于大井法比较具有较强的理论基础，加上与实际涌水量相近，因此，采用大井法的预测结果，即在先期开采区进行开采时正常涌水量1076.73m³/d（44.86m³/h），最大涌水量1292.08m³/d（53.84m³/h）（表5）。

色连一号井田范围内没有水库、湖泊等地表水体，但沟谷发育，主要沟谷有罕台川及其支沟鄂勒斯太沟、淖沟、大布芦沟等，均呈树枝状分布，夏季有溪流、流水不断，在雨后会形成短暂的洪流；冬季溪流结冰，形成断续的厚度不大的冰层，无水流动或流动微弱。井田内所有沟谷均从东西两侧流入罕台川，罕台川纵贯井田中部，从南向北流出区外，其流域面积875km²，平均流量0.79m³/s，最大洪峰2580m³/s（1981年），最后注入黄河。

2.导水裂隙带估算

根据采掘计划，未来首先开采2煤组的2-2上煤层，2-2上煤层最大埋深197m，最小埋深87m，平均埋深142.2m。按照上三带理论，2-2上煤层的开采将在顶板形成“上三带”，即冒落带、裂隙带与弯曲下沉带。而冒落带、裂隙带都是能够导水的，合称为导水裂隙带。

由于目前还没有关于该矿井的导水裂隙带的实测数据，故根据《煤矿防治水规定》及其《释义》来计算2-2上煤层开采后形成的导水裂隙带高度。

（1）根据回采工艺，工作面顶板按全部跨落法进行管理。

（2）矿井首采区开采的2-2上煤层可采厚度0.98-5.19m，为安全考虑，计算采用最大可采厚度5.19m为参数计算导水裂隙带高度。

采用的导水裂隙带高度计算公式为：

H_f=100M/（1.6M+3.6）±5.6 （4）

其中：H—导水裂隙带高度，m

M—厚煤层分层开采时累计采厚，取5.19m

代人相关数据，求得导水裂隙带高度为：

H_f=49.2m

计算表明，2-2上煤层开采后，产生的导水裂隙带高度约在49.2m左右，比煤层的埋藏最小埋藏深度87m小37.8m，在没有断层等因素的影响前提下，可以认为地表水体不会通过煤层开采所产生的导水裂隙带而下渗。

由于（4—1）公式是以往分层开采积累的经验公式，目前，还没有总结出完全适合这种综放开采的计算导水裂隙带发育高度的经验公式。

所以，2013年，色连矿地测部、生产部与中国矿业大学技术人员对王家塔煤矿进行了实地考察。该矿现采煤层为3号煤，埋深230～250m，其中1采区中有冲沟一条，为季节性河流，和色连一号井的淖沟规模近似。洪水期水量较大，2013年8月；洪水对煤矿涌水量影响不大，涌水量没有明显的差异。但是，地面塌陷比较严重，回采5～7天后，大致回采距离70-80m，地表产生明显变形，并出现裂缝，裂缝主要出现在山脊处，经野外测量，切眼附近裂隙较大，宽度0.1～lm，地面裂隙塌陷高差0.1～1m；并有热气蒸发出来。一般情况下，一个采区刚回采时，在切眼100m距离内，淋水较为明显，之后，涌水量明显减少，反映了降水漏斗范围至少100～200m以远。

上述情况综合表明由于煤层开采的影响，虽然导水裂隙带没有贯通到地表，但“上三带”中的弯曲下沉带在该矿井产生了较大的沉降，且不均匀。由于山脊两侧是临空面，在重力作用下，产生拉张应力，因而，随着开采的扰动，山脊出现裂缝，而山谷处于挤压状态，加上有松散沉积物覆盖，岩性较软，易产生适应性变形，而裂缝相对较小。这种情况，在山西霍州霍宝干河煤矿也出现过。该矿也是开采2号煤层，煤层厚4.5m，距地表高度有500～600m，但随回采工作面的推进，地表仍然产生与切眼平行的拉张裂隙，最宽处有15～20cm，有的甚至形成危险性黄土滑坡。而矿井中间有一条团柏河，团柏河由于沿河汇入的种种废水，流量达2m³/s，但据井下和地表观测，该河对煤层开采没有影响，没有形成补给作用。

再如，哈拉沟煤矿，该矿所采煤层同样为2-2煤层，埋深100m左右，煤厚5.5m，设计采高5.2m，采煤方法主要为现代化的综合机械化长壁后退采煤，工作面长800m～3000m不等，宽300m。通过实地监测表明，在工作面走向上最大下沉深度为2.4m左右，在下沉盆地内一般平均下沉的深度在2.0m左右。在工作面的顺槽表现为下沉不均匀，呈凹形向工作面中心倾斜，为应力挤压区，在工作面顺槽的外边缘下沉不明显，多数情况下形成张性地裂缝，为应力拉伸区。从剖面上看，塌陷呈一漏斗状，“漏斗”的开口程度主要取决于岩石的破裂角（一般取75°）和松散层的移动角（一般取45°）。由于被压实采空高度3.5m，埋深按平均100m计算，冒落带或垮塌带高度是至少是煤厚的30倍。酸刺沟煤矿开采实践也已证明，冒裂带高度为煤层采高的30-35倍。

还有煤层埋藏更浅的，其导水裂隙带就能直接波及地表。比如蒙泰范家村矿和恒泰煤业二矿。蒙泰范家村矿开采延安组3号煤，煤厚4m左右，埋藏40～50m，一般采距5～6m，就产生塌陷，地表裂隙发育，0.1～0.2m宽；裂缝形成后需不断填充，配备了人员和专门车辆。3-4年整体压实，可以恢复原来的面貌。需填3-4次。恒泰煤业矿采延安组3～4号煤，煤厚4-5m，埋藏40～70m，一般采距5～10m，就产生塌陷，地表裂缝发育，需专门人员和车辆管理，不断填充，需填3～4次。

通过以上实例表明，对于东胜附近矿区而言，导水裂缝带基本可以导通到地表。由于在沟谷处裂隙受到挤压应力，裂隙处于封闭状态，导水性较差，因此，不会造成较大威胁。但连续的雨季，在山脊处，雨水可能直接灌入裂隙，造成突水和溃沙。

造成裂隙高度不仅和才高有关，和上覆顶板岩性组合有关，上覆岩石以泥岩或砂质泥岩为主，其抗风化侵蚀能力强，岩石固结程度好，上覆岩层碎胀系数小，透水性差，顶板易于管理，而砂岩遇水或暴露空气中，迅速风化，难于管理。

因此，色连井田煤层开采时，对于煤层埋藏浅的局部区域导水裂隙带可能具导通地表的可能性，具有一定危险性，特别要加强塌陷区的及时填埋，以防雨水灌入，造成灾害事故。

3.结论

色连煤矿矿井充水因素主要为第四系全新统（Q₄^al+pl）孔隙潜水含水层、志丹群（_1zh）潜水一承压水含水层、侏罗系中统（J₂）承压水含水层和三叠系上统延长组（T3y）碎屑岩类承压水含水层等对侏罗系中下统延安组含水层的垂直入渗补给和大气降水入渗补给。充水通道为不良钻孔，断层以及采后冒落带裂隙等。通过大井法和类比法，该井正常涌水量为1292.08m³/d，1076.73m3/d与1560m³/d，1872m³/d；经过多个矿井资料的总结，煤层采后的导水裂隙带高度为煤层的30-35倍。因此，需加强塌陷区裂隙的填埋和管理，以防突水和溃沙事故的发生。