內(nèi)蒙古色連井田水文地質(zhì)特征與導(dǎo)水裂隙帶高度估算

付士芳 焦鳳海 王偉 王超勇

摘要：色連煤礦礦井充水因素主要為第四系全新統(tǒng)（Q₄^al+pl）孔隙潛水含水層、志丹群（K_1zh）潛水一承壓水含水層、侏羅系中統(tǒng)（J₂）承壓水含水層和三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組（T_3y）碎屑巖類承壓水含水層等對(duì)侏羅系中下統(tǒng)延安組含水層的垂直人滲補(bǔ)給和大氣降水入滲補(bǔ)給。充水通道為封閉不良鉆孔、斷層以及采后冒落帶裂隙，通過(guò)大井法和類比法，該井正常涌水量為1292.08m³/d，1076.73m³/d與1560m³/d，1872m³/d；經(jīng)過(guò)多個(gè)礦井資料的總結(jié)，煤層采后的冒裂帶高度為煤層的30-35倍。因此，需加強(qiáng)塌陷區(qū)裂隙的填埋和管理，以防突水和潰沙事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：色連礦 水文地質(zhì) 涌水量 冒裂帶

色連井田位于內(nèi)蒙古東勝煤田，地層劃分屬于華北地層區(qū)鄂爾多斯分區(qū)，處于烏審旗小區(qū)的東北部如圖1，主要產(chǎn)煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組（T_y1-2），該區(qū)受到多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，煤層埋藏淺，頂板風(fēng)化較為嚴(yán)重，給開(kāi)采頂板管理和防治水帶了一定的難度，為了保障安全生產(chǎn)，急需對(duì)該礦水文特征以及頂板管理方案進(jìn)行研究，為后期開(kāi)采提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

1.充水因素分析

1.1 充水水源

井田煤系地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組（J_1-2y），延安組（J_1-2y）碎屑巖類承壓水含水層是井田直接充水含水層，直接充水含水層的富水性弱，透水陛與導(dǎo)水性能差，地下水的補(bǔ)給條件與徑流條件均較差，以區(qū)外承壓水微弱的側(cè)向徑流為主要充水水源。在區(qū)外露頭區(qū)域也接受大氣降水直接入滲補(bǔ)給。

井田首采區(qū)開(kāi)采2-2上煤，除煤系地層之外的含水層為：第四系全新統(tǒng)（Q₄^al+pl）孔隙潛水含水層、志丹群（K_1zh）潛水一承壓水含水層、侏羅系中統(tǒng)（J₂）承壓水含水層、三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組（T_3y）碎屑巖類承壓水含水層。第四系全新統(tǒng)（Q₄^al+pl）孔隙潛水含水層一志丹群（K_1zh）潛水一承壓水含水層富水性弱一中等，侏羅系中統(tǒng)（J₂）承壓水含水層富水性弱，三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組（T_3y）碎屑巖類承壓水含水層富水性弱。延安組頂部隔水層位于2煤組頂板以上，巖性主要由灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖等組成，隔水層厚度3.60～12.89m，平均6.28m。隔水層的厚度較穩(wěn)定，分布較為連續(xù)，隔水性能較好，有效地減弱了煤系地層與其上部含水層的水力聯(lián)系。延安組底部隔水層位于6-2下煤組底板以下，隔水層厚度一般在10m之內(nèi)，分布較連續(xù)，隔水性能較好。

1.2 充水通道

煤層及其附近雖然有水存在，但只有通過(guò)某種通道，它們才能進(jìn)入采煤巷道形成礦井涌水，充水通道可以根據(jù)形成因素分為自然通道及人工通道。地層裂隙、空隙帶、巖溶、陷落柱及斷層等屬于自然通道；封閉不良鉆孔、揭穿含水層的井巷及采動(dòng)裂隙帶等屬于人工通道。

1.2.1 封閉不良的鉆孔

色連一號(hào)井田勘探區(qū)內(nèi)原柴登南詳查階段施工的54個(gè)鉆孔，普遍存在封孔質(zhì)量不合格現(xiàn)象；井田勘探區(qū)范圍內(nèi)歷次勘查施工的部分鉆孔，存在鉆具遺留和套管遺留現(xiàn)象（表1）。

據(jù)原柴登南詳查報(bào)告對(duì)井田內(nèi)的3214號(hào)孔封孔質(zhì)量的檢查結(jié)論：孔口石樁保存完好，封閉堅(jiān)固。鉆進(jìn)0～20m無(wú)水泥砂漿封閉物，孔深160～374.14m采取水泥砂漿封閉物0.95m，封閉物呈圓柱狀、砂粒分布均勻，固結(jié)程度較低，封孔質(zhì)量不合格。據(jù)原柴登南詳查報(bào)告，詳查階段封孔質(zhì)量極差。掘進(jìn)和回采時(shí)地測(cè)部做好預(yù)報(bào)和預(yù)案工作。掘進(jìn)施工隊(duì)和采煤隊(duì)作業(yè)時(shí)做好排放和檢查工作。

在將來(lái)煤礦開(kāi)采過(guò)程中，局部區(qū)域可能存在封閉不良鉆孔導(dǎo)通地表水，使上下含水層的水順?lè)忾]不良鉆孔進(jìn)入采掘工作面。因此，要特別注意，必要時(shí)，重新進(jìn)行相關(guān)鉆孔的啟封工作，特別是有些河床中的鉆孔。

1.2.2 揭穿含水層的井巷

井田井筒穿越多層含水層。井田內(nèi)Q₄^al+pl潛水含水層的富水性弱一中等，透水性能較強(qiáng)，因大氣降水量較少，補(bǔ)給條件較差，補(bǔ)給量一般不大，但雨季補(bǔ)給量會(huì)明顯增大。當(dāng)井筒巷道勾通Q₄^al+pl潛水及地表水體時(shí)，礦坑涌水量則會(huì)明顯增大，甚至發(fā)生透水事故。在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)注意觀察礦井涌水量，在雨季做好煤礦防排水措施。

1.2.3 采動(dòng)裂隙帶

采動(dòng)裂隙導(dǎo)水主要指頂板冒落裂隙和底板破壞裂隙。色連一號(hào)井田煤層頂?shù)装鍘r石的力學(xué)強(qiáng)度低，以軟弱巖石為主，穩(wěn)固性較差。未來(lái)煤礦在開(kāi)采過(guò)程中，頂板易發(fā)生頂板局部冒落及掉塊現(xiàn)象，底板易發(fā)生底鼓及軟化變形破壞。在建井過(guò)程中，頂板有滴水、滲水現(xiàn)象；其中5101工作面輔運(yùn)巷離切眼0～200m，淋水嚴(yán)重，底板有積水現(xiàn)象。大致2m³/h；5102工作面主運(yùn)巷300～600m，大致4m³/h，在將來(lái)煤礦開(kāi)采過(guò)程中，局部區(qū)域可能存在采動(dòng)裂隙導(dǎo)通地表水，使上下含水層的水順采動(dòng)裂隙進(jìn)入采掘工作面。該內(nèi)容將在下面詳細(xì)分析。

1.2.4 斷層

在掘進(jìn)巷道過(guò)程中發(fā)現(xiàn)F26號(hào)斷層，在斷層附近有少量的淋水，通過(guò)時(shí)，涌水量沒(méi)有明顯增大，表明該斷層的富水性較差，但在開(kāi)采時(shí)，應(yīng)設(shè)保護(hù)煤柱，以防和上覆含水層溝通，造成突水事故。

1.3 充水情況

計(jì)算目的層為煤系地層含水層，計(jì)算面積為先期開(kāi)采地段。按照礦區(qū)生產(chǎn)計(jì)劃，投入生產(chǎn)時(shí)，礦井投產(chǎn)時(shí)主斜井施工至4-1煤層，進(jìn)風(fēng)立井、回風(fēng)立井井底布置在4-1煤層中，故此按水頭降低4-1煤層計(jì)算礦井充水強(qiáng)度；

計(jì)算方法分別采用解析法中的穩(wěn)定流大井法及水文地質(zhì)比擬法。

1.3.1 穩(wěn)定流大井法

承壓一潛水完罄井計(jì)算公式：

Q—預(yù)測(cè)的礦坑涌水量（m³/d）；

K—滲透系數(shù)（m/d）；

H—水柱高度（m）；

m—含水層厚度（m）；

Ro—引用影響半徑，Ro=R+ro（m）；

R—礦坑排水引用影響半徑（m），取經(jīng)驗(yàn)值，按《內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝煤田柴登南礦區(qū)色連一號(hào)井田煤炭勘探報(bào)告》取R=2，000m；

F—先期開(kāi)采地段和先期開(kāi)采一盤(pán)區(qū)東部（2101采區(qū)以東）面積8.27km2；西部8.8kmz；煤層參數(shù)引用《內(nèi)蒙古同煤鄂爾多斯礦業(yè)投資有限公司色連一號(hào)礦井井筒檢查鉆孔地質(zhì)報(bào)告》相關(guān)參數(shù)：

把上述相關(guān)參數(shù)代入到公式（1）中，得礦井正常涌水量為1076.73m³/d，即44.86m³/h。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最大涌水量通常比正常涌水量大20%，因此，可得最大涌水是為：1292.08m³/d，1076.73m³/d即53.84m³/h。

1.3.2 水文地質(zhì)比擬法

（1）比擬實(shí)例1

式中：Q——預(yù)測(cè)的礦坑涌水量（m³/d）；

Qo——生產(chǎn)礦井實(shí)測(cè)涌水量（m³/d），鄰區(qū)金烽昌漢溝煤礦礦坑開(kāi)采2-4號(hào)煤，實(shí)測(cè)涌水量Qo=1100m³/d；

pm色連礦井設(shè)計(jì)開(kāi)采能力，p=500萬(wàn)噸/年；

po—生產(chǎn)礦井實(shí)際開(kāi)采能力，鄰區(qū)金烽昌漢溝煤礦實(shí)際開(kāi)采能力po=1，000萬(wàn)噸/年；

金烽昌漢溝位于鄂爾多斯市東勝區(qū)，與色連一號(hào)井田臨近。二者含煤地層和含水層相似，具有可比性。

因此，若色連礦按設(shè)計(jì)開(kāi)采能力開(kāi)采，按照富水系數(shù)比擬法公式（3），礦井的正常涌水量為：Q=550m³/d，即22.92 m³/h。

（2）比擬實(shí)例2

王家塔煤礦現(xiàn)開(kāi)采2號(hào)煤層，年產(chǎn)500萬(wàn)噸?，F(xiàn)涌水量60～70m³/h。平均65m³/h，每天涌水量1560m³/d，按照富水系數(shù)比擬法公式（3），計(jì)算，色連礦涌水量為1560m³/d，即65m³/h。

（3）統(tǒng)計(jì)法

根據(jù)近期的涌水量和井下的抽水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，預(yù)測(cè)未來(lái)的可能的涌水量，見(jiàn)表3和表4。在沒(méi)有剔除井下工業(yè)廢水情況下，2013年7-12月實(shí)際平均涌水量1059.6m³/d。

1.3.3 最終采用結(jié)果

由于大井法比較具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，加上與實(shí)際涌水量相近，因此，采用大井法的預(yù)測(cè)結(jié)果，即在先期開(kāi)采區(qū)進(jìn)行開(kāi)采時(shí)正常涌水量1076.73m³/d（44.86m³/h），最大涌水量1292.08m³/d（53.84m³/h）（表5）。

色連一號(hào)井田范圍內(nèi)沒(méi)有水庫(kù)、湖泊等地表水體，但溝谷發(fā)育，主要溝谷有罕臺(tái)川及其支溝鄂勒斯太溝、淖溝、大布蘆溝等，均呈樹(shù)枝狀分布，夏季有溪流、流水不斷，在雨后會(huì)形成短暫的洪流；冬季溪流結(jié)冰，形成斷續(xù)的厚度不大的冰層，無(wú)水流動(dòng)或流動(dòng)微弱。井田內(nèi)所有溝谷均從東西兩側(cè)流入罕臺(tái)川，罕臺(tái)川縱貫井田中部，從南向北流出區(qū)外，其流域面積875km²，平均流量0.79m³/s，最大洪峰2580m³/s（1981年），最后注入黃河。

2.導(dǎo)水裂隙帶估算

根據(jù)采掘計(jì)劃，未來(lái)首先開(kāi)采2煤組的2-2上煤層，2-2上煤層最大埋深197m，最小埋深87m，平均埋深142.2m。按照上三帶理論，2-2上煤層的開(kāi)采將在頂板形成“上三帶”，即冒落帶、裂隙帶與彎曲下沉帶。而冒落帶、裂隙帶都是能夠?qū)模戏Q為導(dǎo)水裂隙帶。

由于目前還沒(méi)有關(guān)于該礦井的導(dǎo)水裂隙帶的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，故根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》及其《釋義》來(lái)計(jì)算2-2上煤層開(kāi)采后形成的導(dǎo)水裂隙帶高度。

（1）根據(jù)回采工藝，工作面頂板按全部跨落法進(jìn)行管理。

（2）礦井首采區(qū)開(kāi)采的2-2上煤層可采厚度0.98-5.19m，為安全考慮，計(jì)算采用最大可采厚度5.19m為參數(shù)計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度。

采用的導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式為：

H_f=100M/（1.6M+3.6）±5.6 （4）

其中：H—導(dǎo)水裂隙帶高度，m

M—厚煤層分層開(kāi)采時(shí)累計(jì)采厚，取5.19m

代人相關(guān)數(shù)據(jù)，求得導(dǎo)水裂隙帶高度為：

H_f=49.2m

計(jì)算表明，2-2上煤層開(kāi)采后，產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶高度約在49.2m左右，比煤層的埋藏最小埋藏深度87m小37.8m，在沒(méi)有斷層等因素的影響前提下，可以認(rèn)為地表水體不會(huì)通過(guò)煤層開(kāi)采所產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶而下滲。

由于（4—1）公式是以往分層開(kāi)采積累的經(jīng)驗(yàn)公式，目前，還沒(méi)有總結(jié)出完全適合這種綜放開(kāi)采的計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的經(jīng)驗(yàn)公式。

所以，2013年，色連礦地測(cè)部、生產(chǎn)部與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)技術(shù)人員對(duì)王家塔煤礦進(jìn)行了實(shí)地考察。該礦現(xiàn)采煤層為3號(hào)煤，埋深230～250m，其中1采區(qū)中有沖溝一條，為季節(jié)性河流，和色連一號(hào)井的淖溝規(guī)模近似。洪水期水量較大，2013年8月；洪水對(duì)煤礦涌水量影響不大，涌水量沒(méi)有明顯的差異。但是，地面塌陷比較嚴(yán)重，回采5～7天后，大致回采距離70-80m，地表產(chǎn)生明顯變形，并出現(xiàn)裂縫，裂縫主要出現(xiàn)在山脊處，經(jīng)野外測(cè)量，切眼附近裂隙較大，寬度0.1～lm，地面裂隙塌陷高差0.1～1m；并有熱氣蒸發(fā)出來(lái)。一般情況下，一個(gè)采區(qū)剛回采時(shí)，在切眼100m距離內(nèi)，淋水較為明顯，之后，涌水量明顯減少，反映了降水漏斗范圍至少100～200m以遠(yuǎn)。

上述情況綜合表明由于煤層開(kāi)采的影響，雖然導(dǎo)水裂隙帶沒(méi)有貫通到地表，但“上三帶”中的彎曲下沉帶在該礦井產(chǎn)生了較大的沉降，且不均勻。由于山脊兩側(cè)是臨空面，在重力作用下，產(chǎn)生拉張應(yīng)力，因而，隨著開(kāi)采的擾動(dòng)，山脊出現(xiàn)裂縫，而山谷處于擠壓狀態(tài)，加上有松散沉積物覆蓋，巖性較軟，易產(chǎn)生適應(yīng)性變形，而裂縫相對(duì)較小。這種情況，在山西霍州霍寶干河煤礦也出現(xiàn)過(guò)。該礦也是開(kāi)采2號(hào)煤層，煤層厚4.5m，距地表高度有500～600m，但隨回采工作面的推進(jìn)，地表仍然產(chǎn)生與切眼平行的拉張裂隙，最寬處有15～20cm，有的甚至形成危險(xiǎn)性黃土滑坡。而礦井中間有一條團(tuán)柏河，團(tuán)柏河由于沿河匯入的種種廢水，流量達(dá)2m³/s，但據(jù)井下和地表觀測(cè)，該河對(duì)煤層開(kāi)采沒(méi)有影響，沒(méi)有形成補(bǔ)給作用。

再如，哈拉溝煤礦，該礦所采煤層同樣為2-2煤層，埋深100m左右，煤厚5.5m，設(shè)計(jì)采高5.2m，采煤方法主要為現(xiàn)代化的綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁后退采煤，工作面長(zhǎng)800m～3000m不等，寬300m。通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)表明，在工作面走向上最大下沉深度為2.4m左右，在下沉盆地內(nèi)一般平均下沉的深度在2.0m左右。在工作面的順槽表現(xiàn)為下沉不均勻，呈凹形向工作面中心傾斜，為應(yīng)力擠壓區(qū)，在工作面順槽的外邊緣下沉不明顯，多數(shù)情況下形成張性地裂縫，為應(yīng)力拉伸區(qū)。從剖面上看，塌陷呈一漏斗狀，“漏斗”的開(kāi)口程度主要取決于巖石的破裂角（一般取75°）和松散層的移動(dòng)角（一般取45°）。由于被壓實(shí)采空高度3.5m，埋深按平均100m計(jì)算，冒落帶或垮塌帶高度是至少是煤厚的30倍。酸刺溝煤礦開(kāi)采實(shí)踐也已證明，冒裂帶高度為煤層采高的30-35倍。

還有煤層埋藏更淺的，其導(dǎo)水裂隙帶就能直接波及地表。比如蒙泰范家村礦和恒泰煤業(yè)二礦。蒙泰范家村礦開(kāi)采延安組3號(hào)煤，煤厚4m左右，埋藏40～50m，一般采距5～6m，就產(chǎn)生塌陷，地表裂隙發(fā)育，0.1～0.2m寬；裂縫形成后需不斷填充，配備了人員和專門(mén)車(chē)輛。3-4年整體壓實(shí)，可以恢復(fù)原來(lái)的面貌。需填3-4次。恒泰煤業(yè)礦采延安組3～4號(hào)煤，煤厚4-5m，埋藏40～70m，一般采距5～10m，就產(chǎn)生塌陷，地表裂縫發(fā)育，需專門(mén)人員和車(chē)輛管理，不斷填充，需填3～4次。

通過(guò)以上實(shí)例表明，對(duì)于東勝附近礦區(qū)而言，導(dǎo)水裂縫帶基本可以導(dǎo)通到地表。由于在溝谷處裂隙受到擠壓應(yīng)力，裂隙處于封閉狀態(tài)，導(dǎo)水性較差，因此，不會(huì)造成較大威脅。但連續(xù)的雨季，在山脊處，雨水可能直接灌入裂隙，造成突水和潰沙。

造成裂隙高度不僅和才高有關(guān)，和上覆頂板巖性組合有關(guān)，上覆巖石以泥巖或砂質(zhì)泥巖為主，其抗風(fēng)化侵蝕能力強(qiáng)，巖石固結(jié)程度好，上覆巖層碎脹系數(shù)小，透水性差，頂板易于管理，而砂巖遇水或暴露空氣中，迅速風(fēng)化，難于管理。

因此，色連井田煤層開(kāi)采時(shí)，對(duì)于煤層埋藏淺的局部區(qū)域?qū)严稁Э赡芫邔?dǎo)通地表的可能性，具有一定危險(xiǎn)性，特別要加強(qiáng)塌陷區(qū)的及時(shí)填埋，以防雨水灌入，造成災(zāi)害事故。

3.結(jié)論

色連煤礦礦井充水因素主要為第四系全新統(tǒng)（Q₄^al+pl）孔隙潛水含水層、志丹群（_1zh）潛水一承壓水含水層、侏羅系中統(tǒng)（J₂）承壓水含水層和三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組（T3y）碎屑巖類承壓水含水層等對(duì)侏羅系中下統(tǒng)延安組含水層的垂直入滲補(bǔ)給和大氣降水入滲補(bǔ)給。充水通道為不良鉆孔，斷層以及采后冒落帶裂隙等。通過(guò)大井法和類比法，該井正常涌水量為1292.08m³/d，1076.73m3/d與1560m³/d，1872m³/d；經(jīng)過(guò)多個(gè)礦井資料的總結(jié)，煤層采后的導(dǎo)水裂隙帶高度為煤層的30-35倍。因此，需加強(qiáng)塌陷區(qū)裂隙的填埋和管理，以防突水和潰沙事故的發(fā)生。