赵庄煤矿3#煤层水文地质类型划分探讨

李劲松，刘建宇，李 琛

(1.山西晋煤集团赵庄煤业，山西 晋城 048000；2.中煤平朔集团有限公司技术中心，山西 朔州 036006； 3.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]。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，确定赵庄煤矿矿井3#煤层水文地质类型，为矿井防治水工作提供了地质依据[3]。

1 矿井概况

赵庄井田位于山西省高平市城北12 km处，行政区划隶属于高平市、长子县管辖。井田北与长治矿区(潞安集团李村煤矿)相连，南临长平井田，东起庄头正断层，西至7-2孔西1140 m一线，南北长约16.65 km，东西宽约14.80 km，区内交通便利。

赵庄井田属华北型石炭二叠系煤田，区内地形东、西两边高，中部低，最高点海拔+1276.40 m，最低点海拔+880.70 m，最大相对高差为395.70 m。井田内出露地层为上二叠统上石盒子组，石千峰组，下三叠统刘家沟组和分布于山梁和沟谷之中的第四系。井田内主要含煤地层为上石炭统太原组与下二叠统山西组，共含煤15层，其中3#和15#煤层为全区稳定可采煤层。

目前开采的3#煤层，位于二叠系下统山西组，本组为一套陆相含煤岩系，由砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤组成。厚37.43～71.46 m，平均为46.10 m。以K7砂岩与下伏太原组整合接触。与下伏太原组相比，本组以石灰岩，砂岩较多，色浅，交错层理发育为其特点。综合分析其地质储量为90291万吨。

2 矿井水文地质条件

2.1 含水层

2.1.1 奥陶系中统峰峰组石灰岩岩溶裂隙含水层

区内未见出露，根据钻孔资料揭露，峰峰组按其岩性和含水性可分为上、下两段：

下段：厚度22.80～58.60 m，平均厚度为30.81 m。岩性主要由石灰岩、白云质灰岩、泥灰岩、泥质灰岩和少量角砾状灰岩等组成。中、南部延深孔在底部多为泥灰岩或泥质灰岩。岩溶在底部亦有发育。

上段：分上、下两部分。下部岩性主要由角砾状灰岩、泥灰岩、石灰岩和少量白云质灰岩组成，平均厚度为42.21 m，因含泥质较多，岩溶发育较差。上部岩性主要由石灰岩及少量泥灰岩、白云质灰岩等组成，顶部含有黄铁矿结核，平均厚度为63.50 m。岩溶在中下段较发育。

据区内1607孔在此层段的抽水试验资料，单位涌水量为0.0045 L/s·m，渗透系数为0.024 m/d，属弱富水性(据表1)。

表1 含水层富水性分级(GB12719-91)

2.1.2 石炭系上统太原组岩溶裂隙含水层组

石炭系岩溶裂隙含水层组包括K2、K3、K4、K5灰岩岩溶裂隙含水层，据钻孔揭露，岩溶裂隙较发育，钻进中冲洗液消耗量平均为0.407 m3/h，最大消耗量为6.80 m3/h，进行抽水试验时抽干，试验资料单位涌水量为0.0004～0.00134 L/s·m，渗透系数为0.011～0.023 m/d，水位标高为+677.19～+687.75 m，为一富水性不均匀的岩溶裂隙承压弱含水层。

2.1.3 二叠系砂岩裂隙含水层组

1) K7砂岩裂隙含水层

为山西组与太原组的分界标志，岩性为中粒砂岩、细粒砂岩，局部为粉砂岩。层厚在0.23～9.27 m之间，平均厚度2.10 m。裂隙较发育，钻进冲洗液消耗量平均为0.209 m3/h，最大消耗量为1.288 m3/h。

2) 3#煤层顶板砂岩裂隙含水层

3#煤层顶板砂岩局部与3#煤层直接接触，为3#煤层的直接充水含水层。层厚0～17.11 m之间，平均厚度9.12 m，岩性以中、细粒砂岩为主，局部为粉砂岩或缺失。裂隙较发育，钻进中冲洗液消耗量平均为0.301 m3/h。

3) K10砂岩含水层

K10砂岩呈厚层状中细粒砂岩，以中粒为主，局部发育细粒，分选差，以孔隙含水层为主，厚度3.5～27 m，距3#煤顶板110 m左右，是3#煤顶板主要充水水源。

2.1.4 基岩风化带裂隙含水层

本区中部及东、西部一带有较大面积的基岩出露，在河床沟谷地带为松散层所覆盖。据钻孔揭露裂隙发育深度一般在70～100 m，最深可达150 m，含水较丰富，但富水性差异大，据王报井田资料，单位涌水量为0.584～0.632 L/s·m。

2.1.5 新生界松散岩类孔隙含水层

新生界松散岩类孔隙含水层主要分布在丹朱岭以北长治盆地、丹河及支流地带。全区层厚为0～65.46 m，平均15.32 m。第四系由砂、砂砾层，含砂粘土、粉砂质粘土、粘土等组成，包含有若干单个含水层与隔水层的含水层组，据王报井田及布村～张店普查区等资料综合分析，单位涌水量为0.094～1.55 L/s·m，渗透系数为0.457～4.60 m/d。

2.2 主要隔水层

3#煤层直接底板为平均厚约11.38 m的泥岩和砂质泥岩，其下为太原组。太原组主要由深灰～灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、灰色砂岩和5层海相薄层石灰岩及6～7层煤层组成，其中除K2、K3、K4和K5薄层灰岩为弱含水层以外，其余均为隔水层，隔水层累计厚度约为71.99～92.75 m，平均厚度为82.37 m。

3 矿井充水因素分析[4]

3.1 矿井充水水源

3.1.1 地表水

井田内的地表水主要有赵庄水库和丹河、北丹河、苏里河三条支流。由于井田内煤层埋藏较深，地表水通过基岩含水层渗透补给的水量是较弱的，但随着煤层的开采，上部覆岩结构可能遭到破坏，使基岩裂隙加大、增多，甚至形成塌陷、地裂缝，沟通断层，因此在水库和河流附近开采时要考虑最高洪水位线并留足保安煤柱，以防地表水溃入矿坑，造成危害。

3.1.2 顶板砂岩水

根据钻探资料，3#煤直接顶板平均厚度约2.7 m的砂质泥岩，其上即为中、细粒砂岩含水层，平均厚度7.30 m，该砂岩含水层顶至K8砂岩含水层底一般厚度18.42 m，主要由1～3层中、细砂岩、粉砂岩、泥岩及1～3层薄煤层组成。据试验资料，3#煤顶板K砂岩含水层和K8砂岩含水层补给条件较差，以静储量为主，水量不大，易于疏干。

3.1.3 太原组薄层灰岩水

主要包括薄层灰岩岩溶裂隙含水层K2、K3、K4、K5，均属裂隙岩溶承压弱含水层，对矿井威胁不大。

3.1.4 奥陶系灰岩水

奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层厚度大，富水性好，与3#煤层间距130 m左右，一般不可能直接发生突水。但本区岩溶陷落柱比较发育，并受到新构造运动的影响，可能由于重新活动而导水。此外本区NEE向的正断层比较发育，如果造成奥灰含水层与太灰含水层对接，甚至与开采煤层对接，对矿区水文地质条件会产生重要影响。

3.2 矿井充水途径

3.2.1 断裂构造

一切大小断裂都可能成为充水水源进入矿井的途径。各含水层中的地下水，往往通过断裂带突入矿井，华北型煤田底板奥陶系岩溶裂隙水，一般都是以断裂带为导水通道。

赵庄井田内和井田东侧的边界断层，如庄头断层、李家河断层、兴旺庄断层、五龙沟断层和后沟断层都属于张性断层。这些断层一旦形成导水通道，将会沟通岩溶水主要含水层，造成水害事故。从赵庄矿井下揭露断层的水文地质特征看，断层主要是导通3#煤层顶板各砂岩含水层组的通道，使上覆砂岩含水层水在断层附近涌入巷道或工作面。

3.2.2 岩溶陷落柱

陷落柱是华北煤田广泛发育的一种以隐伏垂向为主的极富区域特色的地质构造[5]，赵庄井田在填图过程和钻探过程中共发现陷落柱7个，地质勘探中发现8个，总体上看陷落柱较发育。从各孔情况分析来看，区内陷落柱岩性全破碎，胶结程度差，增强了各个含水层之间的水力联系，在煤层开采时要引起极大注意。从井下实际揭露情况看，陷落柱与断层一样，是导通顶板砂岩含水层水的主要通道。

3.2.3 未封堵或封堵质量差的钻孔

未封堵或封堵质量差的钻孔起沟通煤层上、下含水层和地表水的作用，回采揭露时涌水，水量、水压取决于是否贯通强含水层或地表水，以及钻孔孔径和水压差。当排水能力较小时，可能造成淹井事故，对已查明的不良钻孔，应留设防水煤柱加以防范[6]。

3.2.4 褶曲构造

褶曲构造使顶板砂岩含水层中水流不畅，易于形成地下水聚集现象，在向斜及盘状褶曲地区，开采影响范围内会出现短时间大量顶板淋水，因此在两沟向斜、东坡向斜、堡头向斜一带采掘时应当注意此征兆。

4 矿井水文地质类型划分要素分析

4.1 受采掘破坏影响的含水层

3#煤层顶部含水层不全部受采掘破坏的影响，根据导水裂隙带发育高度公式计算，可得开采3#煤层时顶板导水裂隙带发育高度约为59.4m。在导水裂隙带内发育的含水层有K砂岩含水层和K8 、K9砂岩含水层。由于3#煤层顶部采掘破坏或影响的含水层埋藏深度较深，且与上覆风化带及松散层之间相隔一定厚度的隔水层，从含、隔水层分布的宏观组合分析，应属平行复合结构类型，含、隔水层均处于分散隔离状态，因此受3#煤层采掘破坏或影响的含水层以静储量为主，补给来源少，另通过1607孔、2201孔对含水层进行混合抽水试验结果表明，单位涌水量为0.0019～0.0051 L/s·m，小于0.1 L/s·m，水文地质类型简单。

3#煤底部含水层受采掘影响的主要为K7和K5砂岩含水层，两含水层间的水力联系被其间隔水层所阻隔，补给条件差，单位涌水量小于0.1 L/s·m，水文地质类型简单。

4.2 4采空区及老窑积水对矿井开采的充水影响

4.2.1 井田内采空区积水

赵庄矿设计生产能力600万t/a.，根据调查对采空区积水进行了预测估算。

采空区积水估算采用公式：

式中：Q—采空区积水量(m3)；S—采空区投影面积(m2)；α—煤层倾角；M—煤层平均厚度(m)；K—充水系数(0.2)。

井田北部、东部开采3#煤层采空区预计积水面积在9.8万m2左右，累计积水量14万m3左右。

4.2.2 周边老空水分布状况

赵庄井田处于庄头断层盘西侧，含煤地层埋藏较深，无生产矿井及老窑。目前只有外围(集中在庄头断层东侧)分布众多的老窑，且距离赵庄井田3#煤层较远，只要做好庄头断层的防治水工作，这部分老窑对赵庄井田3#煤层的开采影响不大。

4.3 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[7]。据矿井涌水量统计资料，矿井涌水量最大值为271 m3/h，最小为202 m3/h，平均为244.1 m3/h，矿井涌水量有限，不会影响安全生产。

4.4 开采受水害影响程度及防治水难易程度

当前矿井涌水水源主要为顶板水，即K砂岩含水层和K8 、K9砂岩含水层，而这些含水层以静储量为主，补给来源少，因此矿井涌水的排放容易进行。

在3#煤层开采过程中，底板及下部的含水层按临界突水系数0.06 Mpa/m和底板破坏深度15 m计算[8]，K2、K3、K4、K5灰岩含水层与3#煤之间的隔水层承受的水压分别为4.51 Mpa，3.84 Mpa、3.16 Mpa和1.30 Mpa，对于较完整的底板，K2、K3、K4含水层对矿井威胁不大，而K5灰岩含水层在557.75水平以下可能产生K5灰岩水突出，但K5灰岩较薄，渗透系数为0.011～0.023 m/d，属裂隙岩溶承压弱含水层，对矿井威胁也不大。而奥陶系灰岩水有可能通过导水陷落柱、断层和裂隙密集带等地质异常体或未封闭和封闭质量不好的钻孔突入矿井，成为煤层底板发生突水的最重要的水源。

目前水害对赵庄井田采掘工程有一定程度的影响，但没有威胁矿井安全，没有发生过突水事故。因此开采受水害影响程度及防治水难易程度中等。

5 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，对矿井3#煤层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 矿井3#煤层水文地质类型划分表

6 结语

影响3#煤层开采的主要水源为顶板砂岩水和奥灰水，由于其富水性的不均匀性，应坚决贯彻执行《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。

[1] 葛亮涛.中国煤田水文地质学[M].北京：煤炭工业出版社，2001.

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[6] 刘德民，尹尚先，连会青.封闭不良钻孔导水危险性定量评价研究[J].煤炭工程，2014，(04)：119-121+125.

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