乌素煤矿水文地质类型划分探讨

李 琛，李永军，孙 浩

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

0 引言

矿井水文地质类型是矿井防治水方案制定、中长期发展规划、矿井改扩建和技术改造的基础依据[1]。伴随煤矿生产，矿井水文地质条件不断发生变化，正确的对煤矿进行矿井水文地质类型划分，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[2]。本论文以《煤矿防治水规定》为明确标准，在系统整理、综合分析矿井水文地质资料的基础上，全面考虑矿井充水诸因素的影响，确定乌素煤矿水文地质类型，为矿井防治水工作提供了地质依据[3]。

1 概况

乌海市华资煤焦有限公司滴沥帮乌素煤矿位于内蒙古自治区乌海市海南区境内，煤矿距乌海市海勃湾区25 km，向南约37 km至黄河边渡口，交通四通八达。矿区地表为低矮平缓的丘陵地貌，地表为砂土层及砾石风化层覆盖，海拔范围一般为1270 m～1225 m，地表相对高差较大，最大相对高差达85 m，一般相对标高差45 m左右。根据钻孔揭露和岩煤层对比结果，可获得矿区综合地层柱状图(图1)。区内的主要可采煤层有:位于二叠系下统山西组第一岩段(P1s1)中部的9号煤层、位于石炭系上统太原组第一岩段(C2t1)下部的16号煤层及位于石炭系上统太原组第一岩段(C2t1)底部的17号煤层。

地层年代系符地层厚度平均(米)煤岩层柱状 煤岩层名称号第四纪 Q 5.97砂砾石73.5砂泥岩、泥岩夹中砂岩97.2粗砂岩三迭系 T 16.07砂泥岩25.05粗砂岩50.61砂泥岩、砂岩底部1二叠系 P号煤8.32 砂泥岩、2.3煤30.08 砂泥岩、砂岩8煤14.45 砂泥岩、粘土岩9、10号煤34.19砂泥岩、泥岩含12石炭系 C号煤34.18 砂泥岩、砂岩14、15、16、17号煤18.11 砂岩 18、19煤奥陶系 O ＞200石灰石

图1 综合地层柱状图

该矿井正进行16煤层巷道的掘进，16号煤层自然厚度平均5.09m，由东向西煤层结构复杂，夹矸岩性为深灰色泥岩或黑灰色炭质泥岩，顶板岩性为深灰色砂质泥岩，局部为细粒砂岩，底板岩性为深灰色砂质泥岩或砂质粘土岩，局部为炭质泥岩。区内30个穿过点，可采点30个，点可采系数100%，面积可采系数98%，属基本全区可采的较稳定煤层。

2 矿井水文地质条件

2.1 井田边界及其水力性质

矿区范围内以东西向张性构造为主，矿区以西来峰逆断层为西边界，西来峰逆断层走向近南北向，与岗德尔逆断层相伴生，相距40～150m，岗德尔逆断层下盘为西来峰断层上盘，倾向W，倾角67°，落差在300 m以上。矿区北部以F34及F341正断层为边界，断层走向NE，倾向SE，倾角75°，为一组很窄的阶梯式断层，F34最大落差80 m，F341最大落差为44 m。矿区南部以F27号正断层为边界，走向N70°W，倾角84°，倾向SW，走向长约150 m左右，落差一般为6～8m，333、332号钻孔见断层面，其控制程度较好。

由于边界断层F34的断层落差80 m以及西来峰逆断层落差在300 m以上，所以应着重考虑其相对富水及导水性。

2.2 含水岩组

矿区内的含水层按岩性组合特征、地下水水力性质及埋藏条件等，划分为三个主要含水层(含水体):第四系松散含水层，砂岩裂隙含水层，奥陶系灰岩岩溶含水层，富水性分类依据如(表1)。

表1 含水层富水性分级(GB12719－91)

2.2.1 第四系松散岩类孔隙潜水含水岩组

第四系地层在矿区内广泛分布，主要为残坡积砂、砾石层，沙土及冲洪积砂、砾石为主，据钻孔揭露厚度0.50～20.09m，平均8.34m。冲洪积层分布于近代干河谷及不同高度的阶地，由砂砾石组成，含微量孔隙潜水，水位埋深1.15～19.13m。风积砂、黄土状亚沙土和残坡积层因分布位置及厚度限制，一般不含水。本组地层直接受大气降水的补给并补给下伏岩层。据民井简易抽水试验资料，单井涌水量小于10 t/d，富水性弱。

2.2.2 碎屑岩类裂隙承压水含水岩组

该含水岩组可分为4个含水带及3个相对隔水层。

第Ⅰ含水带:由二迭系下统下石盒子组至山西组第4岩段。厚度21.57～65.58 m，岩性以灰白色中、粗粒砂岩为主，局部含砾，夹有薄层砂质泥岩或砂质粘土岩，裂隙较为发育。据邻区卡布其矿区资料，该含水带q=0.000894 e/s·m，渗透系数k=0.00238m/d，综合分析，该含水带富水性弱。

第一隔水层:位于二迭系下统山西组第三岩段(P1s3)。岩性灰绿色砂质泥岩、粘土岩及煤层为主，厚度5.59～17.27m。在矿区内隔水性能一般。

第Ⅱ含水带:位于二迭系下统山西组第二岩段(P1s2)。岩性以灰白色粗、中、细粒砂岩，中夹薄层砂质泥岩或泥岩，厚度32.07～44.21 m，据矿区西部407号孔抽水试验资料，水位标高1113.21 m，q=0.0000355L/s·m，k=0.000111m/d，富水性弱。

第二隔水层:位于二迭系下统山西组第一岩段(P1s1)。岩性以煤层、砂质泥岩及粘土岩为主，厚度7.16～24.57m。矿区内分布，隔水性能良好。

第III含水带:位于石炭系上统太原组上部(C2t2)。岩性上部以砂质泥岩、泥岩为主，局部为砂岩;中部为灰白色中细粒砂岩;下部以砂质泥岩为主，中夹薄层粘土岩。含水层厚度3.85～18.98 m，据报告528号孔抽水试验资料:水位标高1200.82 m，q=0.0569 L/s·m，k=0.585 m/d，富水性弱。

第三隔水层:位于石炭系上统太原组底部(C2t1)。岩性以煤层、砂质泥岩及泥岩为主，局部为粘土岩，厚度16.28～29.86 m，矿区内全区分布，隔水性良好。

第IV含水带:位于石炭系上统本溪组(C2b)。岩性以灰白色细砂岩、粗砂岩为主，最大厚度38.34m。据矿区内319号钻孔抽水试验资料:水位标高 1196.94 m，q=0.00180 L/s·m，k=0.0190 m/d，富水性弱。

2.2.3 碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组

中奥陶系的拉僧仲组(O22)、乌拉力克组(O21)在本区不含水，下奥陶系苏勒泰组(O13)，在桌子山煤田含水较为丰富，据资料150孔抽水资料 q=0.581 L/s·m，k=1.302 m/d，该层组含水比较丰富，但由于岩溶溶隙发育程度不一，因此其富水性并不均匀。

2.3 断裂带水文地质条件

在西井田对南北发育的西来峰逆断层、F1煤层等断距在300 m以上的断层进行抽水试验，q=0.0001～0.0154 L/s·m，富水性较弱。对东西向发育的正断层仅在819孔对F30断层进行了抽水试验，q=0.202 L/s·m，k=0.793 m/d，富水性中等，其它断层未进行抽水试验。矿区内的F32断层320、813孔在断层附近漏水，但本井在穿越F断层时的斜井在穿越此断层时涌水量仅为348 m3/d;而主斜井在穿越F断层时涌水量高达1680 m3/d，这些现象表明:断层的富水性在不同的地段差异较大。

3 矿井充水因素分析[4]

3.1 矿井充水水源

3.1.1 大气降水及地表水

本区地处干旱的半沙漠地带，无常年地表流水，仅在雨季时在矿区内的沟谷中偶形成短暂的洪流，向西流入阿布且亥沟后注入黄河，这些沟谷在旱季无水，但在丰雨季节可形成历时短、流量较大的洪流，因此雨季大气降水及地表水可成为矿井充水水源，造成矿井涌水量增大。

3.1.2 煤层顶板砂岩裂隙承压水

对于16煤层的开采，根据矿区水文地质资料的解释，该砂岩孔(裂)隙水的钻孔单位涌水量为0.0053～0.0125 L/s·m，渗透系数为0.02256 m/d，但煤层顶板主要充水含水层，含水微弱，因此对开采影响不大。

3.1.3 煤层底板奥陶灰岩岩溶水

煤层底板距奥灰层位相对较近，底板隔水层的厚度仅为几米至二十几米，，灰岩水可通过任何规模的导水裂隙涌入矿井，对煤层开采影响大。据骆驼山矿资料，奥陶灰岩岩溶含水层静止水位标高为+1117.75～+1070 m，突水时水位上升到1093 m，由于奥灰水位的相对稳定性，由骆驼山矿奥灰水位推测本矿区奥灰水位大约为1100 m。

据突水系数法[5]公式计算，底板隔水层厚度取25m，突水系数当为0.1时，底板隔水层承受的水压约为 2.5 MPa，由于奥灰水位为1100 m，2.5 MPa的水压相当于250水柱高度。即标高位于1100～250=850 m以上时，16煤开采相对为安全区域。

但对于受构造破坏块段，由突水系数计算公式可知，底板隔水层厚度为25 m时，水头压力只有1.5 MPa，则必需在950 m以上区域为相对安全区域。

3.1.4 采空区积水

根据矿井资料，该区煤层开采时间长，矿区内存在一些老窑，但老窑位置、开采范围及停采时间资料详细明确，老窑老空水的水量不大，当顶板冒落时，破碎带与煤层顶板相沟通时，会对煤层开采有一定威胁。

3.2 矿井充水通道

3.2.1 断裂构造导水通道

应用加拿大进口的TEM47瞬变电磁探测系统，对井下运输巷道进行探测，在井下胶带大巷经16煤斜下巷向外探测，距离共700 m，三个方向:垂直底板、左右邦斜下各45°。

根据瞬变电磁探测成果图(图2、3、4)，进行数据解释，图中横坐标为经16煤斜下巷向外探测的巷道距离，纵坐标表示沿底板、左右邦探测的距离，从图中可见，蓝色区域为低阻异常区域，即相对富水区域或泥岩或泥质物相对发育部位，红色表示高阻区域，岩体富水的可能较小，其它色为过渡色。整体上看，每个低阻的蓝色区域分布规模不大，但相对较多，由此可知16煤层中的小断层在本井田内相对富水及导水的可能性相对较大。

图2 垂直底板探测方向视电阻率分布图

图3 左邦斜下45°探测方向视电阻率分布图

3.2.2 煤层顶板导水裂隙

煤层开采后形成的导水裂缝破坏顶板隔水层，导通煤层顶板砂岩裂隙含水层，在矿井生产过程中，顶板砂岩裂隙承压水多以顶板淋水的方式涌入到矿井，构成顶板直接充水水源。

图4 右邦斜下45°探测方向视电阻率分布图

3.2.3 煤层底板突水通道

16煤层距奥灰含水层间距20m左右，因此在未来煤矿开采状态下，奥灰岩溶承压水有底鼓的可能性，形成底板突水通道，对煤层开采产生威胁。

3.3 矿井充水强度

在煤矿生产中，把地下水涌入矿井内水量的多少称为矿井充水程度，通过乌素煤矿矿井涌水量调查分析，发现矿坑涌水量与大气降水的相关性较差，目前矿井充水主要为16煤层巷道掘进时的顶板淋水，水量小较，矿井涌水量大约15 m3/h。据以往勘探资料和邻近矿井调查资料，对矿井涌水量预测，预计矿井16号煤层达到设计产量40万t/a时，矿井涌水量在120 m3/h左右。

4 矿井涌水量及其变化

矿井总涌水量是进入采掘系统或在用巷道(生产)系统的所有涌水点涌水量的总和[6]。该矿井正进行16煤层巷道的掘进，顶板产生少量的滴淋水或者渗透水，但是由于这样的顶板渗透水早已处于可预测的范围之内，水量有限，不会影响安全生产。

据以往勘探资料和邻近矿井调查资料，预计未来开采16号煤层生产能力达到40万t/a时，矿井正常涌水量为120m3/h，矿井最大涌水量为180m3/h。

5 矿井防治水工作难易程度评价

5.1 大气降水与地表水的防治

地面防治水指在地表修筑各种防排水工程，可采取河流改道、填堵塌陷区、挖沟排(截)洪等措施，防止或减少大气降水和地表水渗入矿井[7]。

对乌素煤矿矿区大气降水及地表水的防治，做好雨季防汛准备和检查工作是减少矿井水灾的重要措施，由于降水具有时限性，地面塌陷位置与范围已知，矿区内的沟谷的流向位置清楚，因此根据矿区的不同地形、地貌及气候条件，可制定相应防治水措施，防止地表水、大气降水溃入井下，防治水工作简单易行。

5.2 煤层顶板裂隙水的防治

煤层顶板裂隙水的防治，当矿井顶板涌水因素分析结果表明煤层顶板存在矿井充水水源及通道时，为保证矿井安全生产，应采取措施进行顶板水防治。常见的措施有超前疏水[8]、注浆堵水截流、留设防水煤(岩)柱等。

对于16煤层的顶板水防治，该煤层顶板主要充水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，因此对开采影响不大，防治水工作简单易行。

5.3 煤层底板奥陶系灰岩岩溶裂隙水的防治

16煤层属于带压开采，如果煤层与含水层之间的隔水层在遭受采动引起的破坏之后，其强度不能承受含水层静水压力作用，或煤层与含水层之间存在直接导水的通道(导水断层、陷落柱或封闭不良的钻孔等)，含水层水会在压力作用下突破底板涌入矿井，造成矿井突水事故。

从防治水角度看，16煤层由于距奥灰层位相对较近，在矿井瞬变电磁法探测低阻异常区探放水钻孔验证后，无水或放水至安全水头以下后才可开采，在构造破坏区域，遇到突水可能性较大，因此对于钻探出水的地段，应超前预注浆封堵加固，必要时预先构筑防水闸门或采取其他防治水措施。

5.4 断裂构造导水的防治

由于16煤层中的小断层相对富水及导水的可能性相对较大，因此对于较小的断层(断距小于5米)，实际掘进及回采时，可通过超前钻探结合超前物探，对其富水性进行探放水。若无水害威胁时，可进行掘进及回采，而对于相对富水及导水的部位，要按照《煤矿防治水规定》留设防水煤柱，隔水煤柱的留设参照以下经验公式计算得:L=0.5KM式中:L—煤柱留设的宽度(m);K—安全系数(取4);M—煤层厚度或采高(m);P—水头压力(kgf/cm2);KP—煤的抗张强度(kgf/cm2)。

6 矿井水文地质类型划分

根据《矿井水文地质规范》对矿井水文地质类型划分的分类标准，结合矿井的具体水文地质情况，对本矿井进行了水文地质类型的划分。

矿井未来开采16号煤层，所以主要针对16号煤进行矿井水文地质类型划分。

按矿井的生产情况，从受采掘破坏或影响的含水层、单位涌水量、开采受水害影响程度及防治水工作的难易程度几方面来看，属于水文地质中等型矿井(见表2)。

表2 水文地质划分表

7 结语

对与16煤层的开采，由于距奥灰层位相对较近，奥灰富水的不均匀性，应贯彻执行《煤矿防治水规定》中“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则，物探超前探测建议采用矿井瞬变电磁法、直流电法及震法联合探测，工作面回采前建议采用矿井瞬变电磁法结合坑透联合探测。井下水文地质勘探要坚持物探先行、钻探验证的工作程序，对于钻探出水的地段，或构造异常部位，要查明水文地质条件，根据物探资料打孔注浆，再用物探与钻探验证注浆改造效果，以防止矿井水害的发生。

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