织金县戴家田煤矿突水危险性分析

艾灿伟

（贵州省煤田地质局一七四队）

关于煤矿充水因素及突水危险性分析，潘懋等［1］对断层带中的矿层与岩溶直接接触而导致岩溶水向矿层突水作了分析；胡常清等［2］详细调查了唐山市钱家营矿水文地质条件，对煤层底板突水危险性进行了分析；毕尧山［3］对煤层顶板涌（突）水特征进行研究，得出煤层顶板涌（突）水的发生与断裂构造的发育程度有关；程培毅［4］通过五轮山煤矿钻孔资料，研究了各煤层与层间岩性组合分布特征；宋文成等［5］通过理论计算与分析，得出煤层底板预先破坏突水部位；张珺［6］采用突水系数法，确定了煤层开采的安全下限；鲁亮等［7］通过对开采下组煤有影响的主要含水层的威胁程度进行了分析，得出突水危险区域。通过对煤矿底板突水危险性进行分析，提出合理的水害防治措施［8-10］。因此，通过对戴家田煤矿突水危险性分析，为矿井防治水工作提供科学依据。

1 矿区水文地质概况

1.1 矿区水文地质条件概况

矿区位于八步向斜的扬起端北西翼，被北东东向的BaF4正断层切割为南、北两盘，总体构造形态为一单斜构造，BaF4断层上盘（北盘）的地层走向近南北、倾向东、倾角15°～24°；BaF4断层下盘的地层走向北东、倾向东、倾角25°～50°。矿区内共发现断层34条。整个矿区属于八步向斜汇水单元。向斜轴部及两翼都发育嘉陵江组地层，岩溶发育，以岩溶侵蚀、溶蚀地貌为主。最高点位于矿区西南部老鹰岩山顶，海拔标高+1 623.60 m；最低点位于矿区外侧东部高家桥小河，海拔标高+1 245 m，相对高差378.60 m，属低中山山地地形。矿区地表分水岭为南西部老鹰山顶—大箐山顶—东部外侧峰子岩山顶一线。矿区内地表水最后汇入六冲河，属长江流域乌江水系六冲河支流。当地最低侵蚀基准面为高家桥小河河谷，侵蚀标高+1 245 m。

1.2 水文地质特征

1.2.1 矿区地层含（隔）水性特征

水性区内及周边地表出露的地层富水性（由老至新）：二叠系中统茅口组（P2m）岩溶强含水层，二叠系上统峨眉山玄武岩组（P3em）基岩裂隙弱含水层、龙潭组（P3l）基岩裂隙弱含水层、长兴组（P3ch）裂隙岩溶强含水层，三叠系下统飞仙关组一段（T1f1）基岩裂隙弱含水层、飞仙关组二至四段（T1f2-4）岩溶强含水层、飞仙关组五至六段（T1f5-6）基岩裂隙弱含水层、嘉陵江组（T1j）岩溶强含水层和第四系地层（Q）孔隙水。构造纲要图及水文地质图见图1，水文综合柱状图见图2。

1.2.2 矿区水文地质勘查类型

矿区矿体大部分位于最低侵蚀基准面（+1 245 m）以下。矿区地形不利于地表水排泄。本区直接充水含水层为龙潭组，含水性弱；上覆飞仙关二至三段、嘉陵江组及关岭组二段均为强含水层，为间接充水含水层，含水性较强。地表无较大自然及人工水体，且有相对较好的飞仙关一段作为相对隔水层，正常情况下，上述含水层对矿井充水影响不大。龙潭组底部的茅口组，含水性强，且被矿区内断层切割，将茅口组地层与龙潭组地层连通，使得茅口水上窜进入龙潭组，形成底板突水。大气降水为地表水、地下水主要补给来源。本区水文地质类型属以顶底板充水的裂隙岩溶充水矿床，水文地质条件为中等，水文地质勘查类型为二类二型。

1.3 煤层发育特征

龙潭组（P3l）为本矿区含煤地层，含可采煤层7层，至上而下编号为6、7、14、16、21、27及32号，均属大部可采、较稳定煤层。

2 矿井充水因素分析

2.1 充水水源

2.1.1 大气降水

大气降水为矿区内地下水及地表水的主要补给来源，地形地貌不利于地表水自然排水。矿区内断层发育，且切割较深，大气降水在地表汇集后容易通过断层破碎带进入地下，间接影响矿井充水，为矿井间接充水水源。因此，大气降水对矿区充水影响较为明显。

2.1.2 地表水

矿区内发育较大的地表河流1条，溪沟2条，即高家桥小河、新场小溪、下寨小溪。

（1）高家桥小河。属季节性小溪，雨季暴涨，旱季暴跌。该河流在矿区南部边界外被BaF1断层2次切割，在矿区内马鞍山山脚被F8断层切割，而BaF1断层和F8断层在纵向上切割了矿区内几乎所有的地层，该河流可以通过断层破碎带进入地下，因此高家桥小河对矿井充水影响大，为未来矿井间接充水水源。

（2）下寨小溪。为季节性溪流，丰水期水量较大，贫水期河床干枯无水。该溪流在戛泥下寨一带迳流后，于岩脚处由落水洞进入地下，进入地下后通过BaF4断层的破碎带，沿着岩层层面向八步向斜轴部汇聚，因此该溪流对矿井充水影响也较大。为未来矿井间接充水水源。

（3）新场小溪。补给来源主要为煤窑水、大气降水、地表泉水。属季节性小溪，雨季暴涨，旱季暴跌，甚至干涸。该溪沟流经煤层露头及BaF2带，可以通过浅部煤层及断层破碎带进入矿井，对未来矿井影响有一定影响，为未来矿井间接充水水源。

上述矿区内地表水对未来矿井充水有一定的影响。

2.1.3 地下水

（1）嘉陵江组、飞仙关二至四段岩溶发育，地下水丰富。但由于飞仙关一段富水性弱，是相对较好的隔水层，从这方面看其上覆地层地下水对矿井充水影响较小；但从另一方面，矿区多条断层切割该地层至含煤地层，使得含水层与含煤地层对接，上覆地层中的地下水通过断层破碎带进入煤层，直接影响矿井充水。上覆地层中的岩溶地下水对矿井充水的影响仍然较大。

（2）长兴组富水性强，裂隙岩溶较发育，为含煤地层上覆地层，与之呈假整合接触。根据下文分析，裂隙岩溶水会通过冒落导水裂隙带进入未来矿井，为未来矿井的直接充水水源，对未来矿井充水影响大。

（3）龙潭组富水性弱，具有一定的含水性，但因矿体直接分布于该地层中，故该地层是矿井的直接充水含水层，其地下水为未来矿井直接充水水源，其自身的裂隙水对矿井造成直接充水。

（4）茅口组地层下伏于含煤地层中，地层厚度为380 m左右，含岩溶管道水，富水性极强，矿区内多条断层将茅口组地层与龙潭组连通，使得茅口水直接进入煤层中或通过断层破碎带进入煤层中。因此，茅口组地下水对矿井影响巨大，为未来矿井间接或直接充水水源。

2.2 充水途径

矿区内断层较发育，部分断层已从地表切割至茅口组地层，地表水及地下水可以通过断层带向矿井充水，故断层带将成为矿井充水的通道；而矿区各地层浅部岩石风化裂隙发育，风化裂隙是大气降水补给充水含水层的主要通道，也是地表水或老窑水渗入矿井的通道，同时也是充水含水层的基岩裂隙水流入井巷的通道；未来采矿活动产生的冒落导水裂隙也将成为地表水、上覆岩层地下水或老窑水渗入矿井的通道。封闭不良的钻孔亦是地表水或地下水进入矿井的通道。

3 突水危险性分析

3.1 先期开采地段煤层顶、底板突水危险性分析

3.1.1 顶板突水危险性分析

煤矿采用冒落放顶的方式管理采空区顶板，未来矿井在最上一层可采煤层（6号煤层）时，必然形成的冒落导水裂隙带，其高度计算如下。

式中，Hf为冒落导水裂隙带最大高度，m；M为6号煤层平均厚度2.96 m；n为煤层层数。

经计算，冒落导水裂隙带最大高度为46.79 m。含煤地层上覆地层长兴组富水性强，底界距最上一层可采煤层（6号煤层）平均高度为28.30 m，小于冒落导水裂隙带最大高度，故未来矿井在开采过程中引起的冒落导水裂隙带会延伸至长兴组地层，长兴组地层裂隙岩溶水会沿着导水裂隙带对矿井直接充水、甚至突水。

3.1.2 底板突水危险性分析

根据1005号孔抽水试验资料显示，该孔揭露茅口地层57.60 m，抽水试验段为36.34 m。静止水位标高为1 309.82 m，最大降深为53.12 m，渗透系数为0.053 8 m/d。先期开采地段煤层最低标高+1 000 m，经统计，先期开采地段内茅口组顶板至32号煤底板最大厚度为47.87 m（1301号钻孔），平均厚度为26.55 m，先期开采地段茅口组顶界最低标高为+973.45 m，因此茅口组地层顶底的实际水头高度为336.37 m，故水头压力为3.36 MPa。采用底板为砂泥岩的底板突水系数经验公式进行计算。

式中，TS为突水系数，MPa/m；P为隔水层承受的水压，MPa；M为底板隔水层厚度，m。

由于矿区内小构造发育，对可采煤层底板造成一定的破坏，故TS取值临界值0.06 MPa/m、P=3.36 MPa，经计算，可采煤层板突水安全厚度M为56 m，故先期开采地段要抵抗茅口组水头，隔水底板厚度应大于56 m。根据所施工钻孔的27、32号煤层距茅口组顶板厚度的统计，见表1。

?

结合茅口组顶界距可采煤层的厚度，煤层底板突水危险性分析如下。

（1）32号煤层距茅口组顶界隔水岩层厚度为16.48~47.87 m，小于隔水底板安全厚度56 m，要抵抗茅口组岩溶水对底板突水的最小压力为P=0.06×16.48=0.99 MPa，其突水标高H=1 309.82-99=1 210.82 m，由此，在先期开采地段内，未来矿井开采至标高1 210.82 m以下的32号煤层时，茅口组岩溶水会对底板突水。

（2）27号煤层距茅口组顶界隔水岩层厚度为47.48~60.63 m，平均60.63 m，厚度小于隔水底板安全厚度56 m的地段，要抵抗茅口组岩溶水对底板突水的最小压力为P=0.06×47.48=2.85 MPa，其突水标高H=1 309.82-285=1 024.82 m，说明先期开采地段内，未来矿井开采至标高1 024.82 m以下的27号煤层时，应注意茅口组岩溶水对底板突水。

3.2 老窑及老采空区突水地带分析

20世纪90年代左右，矿区西部煤层露头分布着众多老窑，主要开采的是6、7、16和27号煤层，一般从煤层露头处沿煤层倾向或煤层底板掘进20～50 m之后，再顺煤层走向开采100～200 m后停采。且大多数老窑已形成一定面积的采空区，并存在一定的积水量，未来矿井掘进到老窑附近地带时，老窑积水可对矿井进行充水，甚至突水，为未来矿井水害之一。

3.3 断层带突水分析

（1）BaF2断层出露于矿区北边界牛角冲—白洞—毛稗冲一线，延伸长度4.60 km。倾角38°～84°，最大平距位移450 m，落差85 m。该断层断裂带大，落差高，断层的导水性强。横向上该断层过石梯子—牛角冲—白洞一带，这一地带都属于低洼积水地带。地表水及上覆地层中的地下水沿断层带进入含煤地层，而且该断层在深部也切断了茅口组地层，使得茅口组地层与27、32号煤层对接，茅口组地下水可以直接向27、32号煤层充水，也可以通过断层带上窜至27号以上煤层，因此对未来矿井开采中矿井充水影响大，为未来矿井主要突水地带之一。

（2）BaF4正断层出露于矿区中部，长约为5.50 km。断层走向北东东，倾向北西，倾角为69°～74°，落差为150 m左右。该断层本身的导水性极好，将地表水及地下水串通，更有利于浅部的地下水进入深部地层。在龙潭组底部，断层将茅口与上覆地层连通，使得茅口组地层与14号及以下煤层对接，茅口组地下水可以直接向14号及以下煤层充水，也可以通过断层带上窜至14号以上煤层，因此对未来开采中矿井充水影响很大，为未来矿井主要突水地带之一。该断层切割各地层情况见图3。

（3）F8正断层在矿区内延伸长度为1 330 m。断层走向南西—北东向，倾向北西，倾角为48~77°，落差为45~200 m。该断层在区内从纵向上切割了整个二叠系及三叠系地层，造成了强含水层（长兴大隆组及茅口组）与龙潭组地层的可采煤层对接（其中长兴组与6、7号对接，茅口组与14、21、27、32号煤层对接），使得岩溶含水层中的地下水进入煤层中，特别是茅口组地层中的地下水，还会沿着断层带上窜至上部煤层（6、7号煤层），对未来矿井开采矿井造成很大的影响，为未来矿井主要突水地带之一。该断层切割各地层之间关系见图3。

此外，DF2、F1006-1、F1302-1、FJ201-1等正断层均切割至茅口组地层，造成茅口组直接与27、32号煤层对接，茅口组地下水可以直接向所对接的煤层充水，也可以通过断层带上窜至27号以上煤层，因此，这些断层对未来矿井开采中矿井充水影响很大。断层带突水分析见表2。

4 结论与防治水建议

（1）矿井是以顶底板充水为主的裂隙岩溶充水矿床，水文地质条件为中等，勘查类型为二类二型。

（2）老窑及老采空区积水对未来矿井突水，建议未来矿井先对其积水进行疏干，确保无安全隐患后方可进行掘进开采。

（3）断层带上的可采煤层与茅口组接触处的茅口组岩溶水，建议未来矿井应预留足够厚的隔水岩层，防止茅口组岩溶水对未来矿井突水。

（4）在先期开采地段内，未来矿井开采至标高1 210.82 m以下的32号煤层时，茅口组岩溶水会对煤层底板突水；在开采至标高1 024.82 m以下的27号煤层，该煤层距茅口组顶界隔水岩层厚度一旦小于隔水底板安全厚度时，茅口组岩溶水会对煤层底板突水。建议未来矿井应预留足够厚的隔水岩层防止茅口组岩溶水对未来矿井突水。

?