法地煤矿沙子岭井田水文地质特征及充水因素分析

曹兴民，田亚江，李 千

（贵州省地矿局地球物理地球化学勘查院，贵阳 550018）

法地煤矿沙子岭井田水文地质特征及充水因素分析

曹兴民，田亚江，李 千

（贵州省地矿局地球物理地球化学勘查院，贵阳 550018）

矿井水害一直是煤矿生产的一项重大安全隐患，本文基于法地煤矿沙子岭井田地质勘查资料，对井田水文地质特征进行分析，明确了井田内岩层含隔水性及断层带水文地质特征；对井田充水因素进行分析，明确了充水水源；对顶板充水和底板突水进行预测，明确了矿井充水途径。最后，笔者对矿井突水带进行了分析，可为今后矿山开采过程中水害的预防提供参考。

水文地质特征；充水途径；突水带；沙子岭井田

矿井水害是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一，为仅次于瓦斯灾害的第二大煤矿灾害性事故[1]。加强矿区水文地质研究，分析井田水文地质特征及充水因素，对于预防水害事故、保障煤矿安全生产具有重大意义[2]。在煤矿开采过程中，各种充水水源通过各种充水通道在不同充水程度的影响下进入矿井[3-4]。本文通过对法地煤矿沙子岭井田水文地质特征的系统分析，确定主要的含、隔水层以及断层带水文地质特征；对矿井充水因素进行分析，确定充水水源、突水带及充水途径。这不仅为煤矿更好地开展防灾减灾、消除水害提供参考，也为处在同类型水文地质条件及充水因素下的矿井充水及突水灾害提供参考，保障安全生产。

1 井田概况

法地煤矿沙子岭井田位于纳雍县城以西勺窝乡境内。地处云贵高原东侧斜坡地带，属浅至中等切割的中山高原地形，区内属亚热带高原性湿润季风气候。

法地煤矿沙子岭井田内含煤地层为二叠系龙潭组，井田内含煤岩系（P3l）厚234.63～325.79 m，平均厚274.05 m，共含煤层（线）24～46层，平均含煤层（线）32层，其中含可采煤层8～17层，平均含11层可采煤层。

法地煤矿沙子岭井田位于六冲河流域，区域上总体处于补给区。天然条件下井田浅部分布于两个不同水文地质单元，以青龙洞－大荒坝－朝门口－油菜冲老顶－二道河垭口一带为地表分水岭，地表水分别向东、西径流。区域上以东边亚落箐溪沟下游河沟头一带1 600 m为地下水最低排泄基准面，井田区内煤层分布高程约1 250～1 930 m，大部分可采煤层分布于1 600 m以下，不利于自然排水。

2 井田水文地质特征分析

2.1 含（隔）水层

井田内主要出露有二叠系、三叠系及第四系地层，根据含水岩层的岩性、含水介质组合特征及水动力条件，可将井田区地下水分为松散岩类孔隙水、岩溶水和基岩裂隙水三大类。其中，松散岩孔隙水储存在第四系松散层中；岩溶水则赋存和运移在二叠系中统茅口组（P2m），三叠系下统飞仙关组二段（T1f2）碳酸盐岩地层中；基岩裂隙水则赋存于二叠系上统峨眉山玄武岩组（P3β）、龙潭组（P3l）、长兴—大隆组（P3c+d），三叠系下统飞仙关组一段（T1f1）、三段（T1f3）碎屑岩地层中。

2.2 断层带水文地质特征

2.2.1 断层特征分析

沙子岭井田断裂构造发育，井田内发育各种规模断层共15条，断层类型大部分属于正断层，力学性质属张性断层，规模较大断层分别为F1、F2、F3及F5，其他断层规模较小。

2.2.2 断层上下盘地层接触关系

该井田除F1、F2、F3、F5以外的其他断层规模较小，垂直断距较小，断层上下盘地层主要为T1f1、P3l及P3β地层，其富水性均较弱。

3 矿井充水性分析

3.1 直接充水水源

二叠系上统龙潭组为含煤地层，井田区主要可采煤层均产于该层中，含煤岩系成为未来矿坑的直接充水层位。该层中所含的基岩裂隙水为矿坑直接充水水源，但由于含水性弱，仅为井田区内次要充水水源。

3.2 间接充水水源

3.2.1 地下水

井田区含煤岩系上覆飞仙关组二段（T1f2），下伏茅口组（P2m）均为含水性丰富的岩溶含水层。为研究上述岩溶含水层对未来矿坑充水的可能性，根据矿区内主要可采煤层厚度、赋存情况、顶底板厚度、岩性及物理力学指标，估算未来开采中矿坑顶板冒落带、导水裂隙高度，采用斯列萨列夫公式估算可采煤层隔水底板的临界安全厚度，用以评价未来矿坑顶、底板岩溶含水层中地下水向矿坑充（突）水的可能性。各可采煤层顶底板距上覆和下伏岩溶含水层的铅直厚度统计结果见表1。

表1 主要可采煤层顶底板厚度统计表

（1）顶板充水预测。井田区可采煤层顶板岩石抗压强度为20～40 MPa，顶板管理方法采用全部陷落法，岩性主要为泥岩、粉砂岩。

冒落带最大高度计算公式：Hc=（3～4）M

导水裂隙带计算公式：Ht=[100M/（3.3n+3.8）]＋5.1

式中：M——累计采厚（m）（M＝9.17 m）；n——可采煤层分层数（n＝8）。

估算结果，冒落带最大高度为36.12 m，导水裂隙带高度为35 m，采矿顶板影响总高度为71.12 m。

将估算的冒落带与导水裂隙带高度与表1中列出的各可采煤层距上覆岩溶含水层底板的间距进行比较，结论为：

井田区各可采煤层顶距上覆飞仙关组二段（T1f2）岩溶含水层的隔水层厚度均大于冒落带及导水裂隙带高度，因此，开采条件下，飞仙关组二段（T1f2）岩溶含水层中地下水不能通过飞仙关组一段（T1f1）泥岩隔水层向矿坑充水。

（2）底板突水预测。根据萨列斯列夫公式，对坑道掘进中底板突水的可能性进行预测。预测公式：

式中：tl——能抵抗实际水压力（HP）的临界隔水层厚度（m）；

HP——作用在隔水底板上的实际水压力值（MPa）；

l——采区巷道底宽（m）；

KP——隔水底板岩层的抗张强度（MPa）；

rR——隔水底板岩石容重（T/m3）。

根据钻孔揭露，M35号可采煤层底板下伏还有一层厚72.72～106.74 m的峨眉山玄武岩组（P3β）隔水层。根据岩石物理力学实验结果，煤系下伏峨眉山玄武岩组（P3β）岩石容重（rR）平均值为2.81 T/m3；隔水底板岩性以玄武岩为主，岩石抗拉强度平均值5.52 MPa；根据相邻井田勘探钻孔实测资料，茅口组（P2m）水头标高1 734.02 m，该孔M35号煤层底板标高1 345.09 m，茅口组（P2m）地下水作用在M35号煤层隔水底板上的实际水压力值（HP）为388.93 MPa。

估算结果：当采区巷道底宽为4 m时，tl=18.53 m；当采区巷道地宽为8 m时，tl=40.03 m。

M35号煤层底板隔水岩层厚61.29～126.14 m，远大于临界隔水层厚度tl。因此，未来开采条件下，井田区发生底板突水的可能性小，茅口组（P2m）中地下水不会突破底板隔水层向矿坑突水，但由于该井田断裂构造发育，致使局部地段断层沟通了茅口组（P2m）含水层，以及由于断层的错动，茅口组（P2m）含水层直接与含煤岩系接触，导致向矿坑的突水。

综上分析：未来开采条件下，上覆飞仙关组二段（T1f2）岩溶含水层不会向矿坑充水。而下伏茅口组（P2m）中地下水不会直接突破底板向矿坑突水，但易通过断裂构造向矿坑突水。

3.2.2 大气降水

大气降水是矿区地下水的主要补给来源，充水含水层中地下水接受补给后，其地下水可通过采空塌陷带、导水裂隙带及突水带间接或直接进入矿坑，对矿床进行充水，故为矿床充水的间接充水因素。

3.2.3 地表水

图1 突水带分布图

沙子岭井田内无地表水体，仅在该井田以南有一溪沟（压落箐溪），流量较小。该溪沟未流经开采地段，故该溪沟对矿坑充水不构成影响。

3.2.4 老窑积水

沙子岭井田区煤层仅在北及北西方向出露，在煤层露头一带分布有规模不同的老硐，基本为20世纪60～90年代民采，都分布在浅部煤层地表露头一带。

3.3 矿井突水带分析

根据综合研究分析，该井田包含两个水文地质系统，分别可概化为两种不同的水文地质模型。第一个水文地质系统为含煤岩系及其上覆地层（P3l－T1f1）含水系统，可概化为潜水系统；另外一个水文地质系统为煤系下伏茅口组（P2m）含水系统，可概化为承压水类型。

两个水文地质系统中间有一层峨眉山玄武岩组隔水层相隔，使之成为相对独立的系统，无直接关系。但是，由于井田内几条规模较大的断层（主要为F1、F2、F3）的破坏、沟通，在断层带附近，两个水文地质系统发生水力联系，水利联系的方式是通过断层导水沟通以及断层错动形成两个水文地质系统的直接接触。

综上所述，井田内的几条规模较大的断层为两个水文地质系统的主径流带，也是未来矿山开采中矿井可能发生突水的地带（见图1）。

3.4 矿井充水途径分析

根据上述矿井充水水源分析，矿井顶板充水直接来源于含煤岩系本身所含的基岩裂隙水，地下水通过构造裂隙向矿井充水。井田上覆矿坑水也是通过裂隙导水向矿井充水。

断裂构造的发育，对煤系充水影响较大，煤系底板茅口组（P2m）岩溶水主要通过断裂构造向煤系突水，根据调查以及综合分析，F2断层带泉水发育，F2断层压落箐寨子头S40断层泉表明，底板茅口组（P2m）岩溶水已经通过断层的沟通在地表出露，该地带为底板易突水带，而F1、F3断层由于垂直断距较大，致使茅口组（P2m）直接与煤系接触，形成易突水区。而F5断层虽未沟通茅口组，但沟通上覆飞仙关组二段，可能导致该层岩溶水对矿井充水，为易突水区。综上所述，井田在未来的开采中，F1、F2、F3、F5断层带附近发生突水的可能性大，是未来开采设计和开采中应特别注意预防矿坑突水的部位。根据分析，以后开采时可在S40泉水点附近打大口径的疏干井群进行底板排水，以降低底板充水含水层的水头压力，防止底板突水，并在几条断层突水带留设防水煤柱。

除地表已查明的导水断裂之外，矿区内可能发育有隐伏导水断裂，在今后的开采过程中，应注意先探后掘，若遇突水应首先采取抽排放水措施。

4 结语

（1）井田总体位于地下水的补给区，井田的F1、F2、F3断层带的主径流带，可能成为未来茅口组岩溶地下水向矿井突水的集中径流带，应做好防治措施。

（2）井田水文地质类型为水文地质条件中等的以顶板直接充水为主的裂隙充水矿床。在开采过程中，要注意顶板岩溶裂隙水，防止底板茅口组的岩溶裂隙水通过断层破碎带对矿井进行充水。在采掘过程中，要超前探水，先探后掘，防止水患发生。

1 国家煤矿安全监察局．煤矿防治水规定释义[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2009．

2 赵爱萍.我国煤矿水害事故分析及对策[J].煤，2008，17（11）：39-40．

3 吴 涛，司庆超，王济洲．煤矿酸性矿井水的危害及其主要防治技术[J]．山东煤炭科技，2010，（5）：179-180．

4 乔小娟，李国敏，周金龙，等．采煤对地下水资源与环境的影响分析——以山西太原西山煤矿开采区为例[J]．水资源保护，2010，（1）：49-52.

Method of Sand Ridge Coal Mine Hydrogeological Characteristics and Water Filling Factors Analysis

Cao Xingmin, Tian Yajiang, Li Qian
(The Earth Geophysical and Geochemical Exploration Institute, Guizhou Bureau of Geology and Mineral Resources, Guiyang 550018,China)

Mine flood has been a major coal mine production safety, this article based on the method of coal geological exploration data of the sand ridge field, analyses the hydrogeological characteristics, has been clear about the rock strata in mining field with every other water-based and hydrogeological characteristics of fault zones. For mine water filling factors into the analysis, has been clear about the water filling water sources, water filling and inrush from roof is forecasted, clear the way of mine water filling. Finally, the author analyzes the mine water bursting belt, which can provide reference for the prevention of water disaster during mining.

hydrogeologic features; water filling way; water inrush; Shaziling minefield

TD745

A

1008-9500(2017)06-0091-04

2017-04-03

曹兴民（1985-），男，河南永城人，工程师，从事水工环地质工作。