界沟煤矿在构造控水及生产采排作用下的防治水策略研究

武成周　李海伟　肖祖未

【摘 要】原生构造控制了水文地质边界条件，含水层的相互补给关系，控制了地下水的补径排条件、形成突水通道，是矿井水文地质条件复雜程度的主控因素；矿井开采后，原岩结构造到破坏，矿压显现，人工排水造成水压变化，承压水导高带增加。因此在构造控水和生产采排的共同作用下，对矿井的防治水工作提出了更高的要求。本文以界沟煤矿为例，针对本矿具体地质条件，充分利用勘探及生产阶段的成果资料，研究制定了矿井的防治水策略，为矿井安全生产提供科学的依据。

【关键词】构造控水；生产采排；两压一薄；防治水策略

中图分类号： TD74 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）23-0238-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.108

0 引言

我国煤矿水害频发，突水往往造成重大人员伤亡事故和巨大的经济损失。因此，国内外众多专家学者对矿井防治水工作开展了积极的研究。而煤矿水害的形成因素众多，其中地质构造决定边界条件、补给关系、储水空间、突水通道等，从本质上影响矿井的水文地质条件和矿井水文地质类型的划分；而矿井采掘活动会对原有构造格架形成人工改造，部分揭露构造由阻水转变为导水、原储水通道由静储量转变为动储量等。刘东升[1]提出了构造控水研究模式；马亚杰[2]分析认为断层发育密度、断层走向与地下水与地下水径流方向的关系对含水层局部富水性差异具有重要影响。

1 原生构造控水作用

界沟煤矿位于童亭背斜西翼、五沟向斜的南段，主体构造为一宽缓的向斜盆地，南北两端分别被北东向正断层界沟断层、李家断层而切割，局部有次级起伏，断裂构造较发育。本区构造格架控制了地层产状、接触关系，进一步影响地下水边界系统、水文地质单元的划分和地下水补径排条件。

1.1 构造水文特征

1）五沟向斜

五沟向斜使本区主要可采煤层及含水层在东北西南方向出露，控制了井田地下水的主要流向，在轴部同断层切割处成为富水带。总体上，向斜轴部灰岩岩溶裂隙发育程度弱于露头附近岩溶发育程度。

2）界沟断层

为本矿东南部边界正断层，倾角40～50°，落差>250m，总延展长度大于3500m；断层错断51～10煤。断层上升盘对接太原组灰岩、各主采煤层、煤层顶板砂岩含水层，为本矿主要的充水水源。

3）李家断层

为本矿西北部边界断层，正断层，倾角70°，落差90～240m，延展长度大于6500m，矿区边界附近长度5516m，上升盘出露太原组、奥陶系马家沟组灰岩含水层，局部对接煤层及太原组含水层。

4）F6断层

正断层，位于区内中南部，两端延伸出境，斜切井田，走向NE，倾向NW，倾角45～75°，落差15～115m，错断51～10煤，上升盘出露太原组上部灰岩，局部对接煤层10煤层及顶板砂岩含水层。

5）F7断层

正断层，走向NE，倾向NW，倾角50～70°，落差20～70m，错断51～10煤。位于区内中部，西端延展至矿区边界外，东端合并交汇于F6断层，同F6断层成为沟通向斜两翼四含含水层的导水通道之一。上升盘出露太原组一灰，可局部对接10煤层。

6）F10断层

正断层，位于区内北部，横切全矿，走向NE，倾向NW，倾角70°，落差30～80m，错断51～10煤层，西端延伸井田外。上升盘出露太原组上部灰岩，局部对接煤层10煤层及顶板砂岩含水层，为沟通向斜两翼露头含水的断裂之一。

1.2 水文地质边界

本矿水文地质边界划分以矿区边界断层和含水层隐伏露头为依据。边界位置方位为：

1）西北方向李家断层

李家断层为张性断裂，致矿区范围内各可采煤层同奥陶系灰岩、太原组灰岩直接对接，为补给边界。

2）东北、西南边界

东北方向含水层隐伏露头、西南方向含水层隐伏露头东北方向、西南方向边界新生界四含含水层直接压覆于10煤层顶板砂岩含水层、底板太原组含水层之上，对10煤层顶底板直接充水含水层形成补给，为补给边界。

3）东南方向界沟断层

东南方向界沟断层落差大于250m，奥陶系中统马家沟组灰岩同煤系地层直接对接。矿井尚未开发前，水压差未形成，断层带表现为隔水或弱导水，而区域内一旦形成采动裂隙，并形成水位差，则会逐渐形成导水断层。亦为补给边界。

本矿没有自然排泄边界，人工开采是本矿地下水主要排泄通道。

由地质构造条件分析，本矿为太原组灰岩含水层为主要充水含水层的承压水盆地。

1.3 水文地质分区及突水危险性

五沟向斜控制了本矿地下水的主径流方向，同主径流流向基本一致的NE向断裂带对井田内含水层切割破坏，形成多级导水通道，根据本矿构造特征可将井田分为三个水文地质分区。

1）Ⅰ水文单元

以界沟断层和F7、F6断层为界，本单元位于界沟断层下降盘、F6断层上升盘，西部抬升、东部下降，F6断层可视为本单元阻水边界，界沟断层为本单元补给边界，可直接对10煤层和主要充水含水层进行补给，本区是目前主要采掘区域，矿井生产巷道及采区均布设于此。

2）Ⅱ水文单元

以F7、F6断层和F10断层为界。本单元位于F6断层下降盘F10断层上升盘，西升东降，F10断层可视为本单元阻水边界，F6断层视为补给边界。本区内断裂构造发育，底板隔水层切割破坏程度较单元Ⅰ单元严重，根据突水系数的计算结果，本区具有突水危险性。

3）Ⅲ水文单元

以李家断层和F10断层为界，本单元位于F10断层下降盘李家断层下降盘，形成一地堑构造，两条边界断层均为补给边界。本区域内揭露的断层少，在留设合理的防隔水煤柱后，突水威胁性较小。见图1。

图1 界沟煤矿构造简图及水文地质分区

2 生产及采排对水文地质的影響

开采后破坏了原岩稳定性，对围岩形成矿压，同时会活化部分构造，致使底板承压水导高增加；矿井排水造成以采区为降落漏斗的水位差，使得全区煤层带压开采。因此“两压一薄”[1]极易导致矿井发生突水事故。

本区自上而下共有9层含水层，其中影响矿井10煤层开采含水层自上分别是新生界第四含水层、太原组一～四灰岩含水层、奥陶系灰岩含水层。矿井开采以来水位变化较大

1）第四含水层

四含在矿区两端露头处直接覆盖在煤系地层露头之上，煤层露头区与上覆的四含直接对接，孔隙水地下水可沿浅部基岩风化带裂隙、导水裂隙带顺煤层下渗进入矿井。四含水位自1973年+26.30m降至2017年11月的-103.87m，在45年内共下降129.14m，年平均降幅为3.26m，其中投产前年降幅为1.26m，2007年矿井投产以来水位开始加速下降，年降幅达11.43m。

2）太原组石灰岩岩溶裂隙含水层

太灰水主要补给源为四含和奥灰，四含水资源储量小，补给条件有限，奥灰水资源储量大，补给源充足。太灰水位从1978年+26.27m，下降至2017年11月的-110.20m，40年内下降136.47m，年平均降幅3.41m。太灰水位变化幅度基本同四含水一致，水位高度多年来逐渐下降，相较四含含水层，太灰富水性强，单位降深内岩层弹性释水远大于四含含水层，且岩溶地下水属于管道流，易形成地下水强径流带。目前太原组灰岩水压已达到4.42MPa，10煤层全区带压开采。

3）奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层（段）

奥灰属于巨厚型含水层，本身水资源蕴藏量巨大，其水头高度在40多年内下降幅度不超过30m，界沟断层上升盘对煤系地层出露的奥灰“富水墙”面积达到0.59km2，同时李家断层上升盘也会出露较大面积奥灰，可对太灰、煤层直接顶底板砂岩含水层、四含及可采煤层进行充水，是本区各含水层的主要补给源。

3 结论

1）本矿为一承压水盆地，对底板注浆加固可做到安全回采，但形成了以采区为中心的降落漏斗，使采区中心带压程度增加；

2）依据开采中涌水状况及其分布、涌水与地质构造、采动效应等的关系研究，划分出了三个水文地质单元，其中Ⅰ水文单元水压较高，突水系数较小，断层发育程度中等，最大的威胁在界沟断层；Ⅱ水文地质单元构造复杂，突水系数已超过临界突水点，正、逆断层较发育防治水工足量较大；Ⅲ水文地质分区地层缓倾，构造相对简单，突水系数在安全范围内，但受李家断层的对接影响，需留设足够防水煤柱。探查断层是否沟通奥灰，研究Ⅱ水文地质单元安全开采，是目前面临的主要课题。

3）本矿目前长观孔主要集中于东北部边界露头外，对其他三边的水位数据监测不足，无法准确识别地下水径流方向、补给条件，无法提供准确的水动态特征参数，对全面研究防治水策略有一定的影响。

4）底板隔水层有效厚度还会受到放顶和矿压的破坏导致底板隔水层导高带增加，应当适时开展相关研究，为防治水工作提供必要的数据支撑；

5）适时开展区域综合治理，查明集中补给边界，阻断主要含水层的补给源、尤其是边界断层奥灰水的补给条件，并对其进行帷幕注浆，截断水源。

6）防治水由过程治理到源头预防、局部治理到区域治理、井下治理到井上下综合治理、措施防范到工程治理、单一治水到治保结合的综合治水策略[3]。

【参考文献】

[1]刘东升.构造控水的理论探讨[J].山东煤炭科技，1998，4：43-45.

[2]马亚杰，左文喆，刘伯等.隐伏向斜扬起端构造控水规律分析[J].煤炭学报，2012，37（1）：157-160.

[3]河南省煤田地质局三队.安徽界沟矿业有限公司界沟煤矿10煤层底板水文地质补充勘探报告[R].郑州，河南省煤田地质局三队，2017：38-84.