某礦井巖溶水賦存特征及對(duì)礦井充水影響

黃　繼，冉茂云，向　虎

某礦井巖溶水賦存特征及對(duì)礦井充水影響

黃繼，冉茂云，向虎

（四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院，成都 610072）

天池一號(hào)井K1煤層頂?shù)装搴畬泳鶠榛規(guī)r強(qiáng)含水層，巖溶裂隙發(fā)育，充水性強(qiáng)，對(duì)煤礦開采造成較大威脅。在對(duì)該礦進(jìn)行水患調(diào)查過程中，發(fā)現(xiàn)該礦受巖溶水威脅較大，本次研究通過認(rèn)真分析礦井巖溶水賦存特征及其補(bǔ)徑排條件，對(duì)其充水特征及對(duì)礦井危害程度有了初步認(rèn)識(shí)，并且得出目前礦井主要受到來自頂板吳家坪組上段（P2w2）間接充水巖溶含水層與底板茅口、棲霞組（P1m+q）直接充水巖溶含水層的威脅，最后提出了相應(yīng)的防治技術(shù)措施，為實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

巖溶水；賦存特征；防治水

天池集團(tuán)公司一號(hào)井（以下簡(jiǎn)稱“一號(hào)井”）位于四川省綿竹市340°方向，直線距離約17km，屬漢旺鎮(zhèn)所轄。礦區(qū)位于龍門山褶皺帶中段、地槽區(qū)歇馬廟復(fù)式背斜南東翼之天池復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜中。山脈走向與主構(gòu)造方向一致，溝谷較發(fā)育，河流向下切割強(qiáng)烈，河床狹窄。礦區(qū)總體地勢(shì)南西高北東低，山勢(shì)走向NE～SW向，最高標(biāo)高2 088.1m（馬鞍山），最低標(biāo)高745m（高橋），相對(duì)高差達(dá)1 343.1m。屬強(qiáng)烈切割構(gòu)造溶蝕中高山地貌。

礦區(qū)內(nèi)可采煤層僅一層（K1煤層）。K1煤層賦存于二疊系上統(tǒng)吳家坪組第一段之中，因煤層頂?shù)装迦珵楹駥踊規(guī)r，所以，礦區(qū)是四川省受巖溶水威脅比較嚴(yán)重的煤礦之一。天池煤礦建井至今，發(fā)生過數(shù)次突水事故，據(jù)礦方提供資料顯示，1999年11月18日，礦山一井在沿煤層底板施工主提升絞車道時(shí)揭穿地下暗河，發(fā)生突水事故，暗河涌水量約1 400 m3/h，造成直接經(jīng)濟(jì)損失200余萬元；經(jīng)64小時(shí)抽水試驗(yàn)，水位下降26 m，于標(biāo)高+730 m處穩(wěn)定。因此，對(duì)礦區(qū)巖溶水賦存特征進(jìn)行研究，分析其對(duì)礦井充水的影響，提出礦井水患防治措施，對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1　礦區(qū)水文地質(zhì)條件

礦山內(nèi)出露二疊系、三疊系，第四系有零星分布，由老至新分別是二疊系下統(tǒng)棲霞、茅口組，二疊系上統(tǒng)吳家坪組、長(zhǎng)興組，三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組。其中K1煤層賦存于二疊系上統(tǒng)吳家坪組下段（P2w1）中，該段巖性主要為粘土頁巖、鋁土泥巖夾煤層、燧石灰?guī)r條帶，為相對(duì)隔水層，對(duì)其頂板充水影響較大的含水層為吳家坪組上段（P2w2），巖性主要為燧石石灰?guī)r夾粉砂巖、薄層泥巖，為頂板間接充水巖溶含水層；對(duì)其底板充水影響較大的是茅口、棲霞組（P1m+q）巖溶含水層，為底板直接充水巖溶含水層。

區(qū)內(nèi)共發(fā)育常年性溪溝一條，天然湖泊一個(gè)，其余大部分為季節(jié)性沖溝，雨季易發(fā)山洪。花石溝河為區(qū)內(nèi)唯一常年性溪溝，它為綿遠(yuǎn)河的支流，流經(jīng)礦區(qū)北端，發(fā)育于距高橋直線距離約8km的白云山腳下，順天池向斜西翼西側(cè)，由南往北徑流至馬槽溝北側(cè)山腳下，徑流方向改為由西向東切穿整個(gè)向斜西翼徑流，于高橋處匯入綿遠(yuǎn)河。河床深度小于0.5m，寬2～4m，河水流量一般200～500L/s，幾乎切割了整個(gè)礦區(qū)出露的全套地層。區(qū)內(nèi)天然湖泊為天池湖，湖面面積約0.05km2，水面標(biāo)高1 120m，但由于缺少補(bǔ)給來源，天池湖面已大面積萎縮，湖深不到1m。

1.1礦井巖溶水賦存特征

根據(jù)地面調(diào)查及以往鉆孔水文資料分析，本區(qū)含水層為：第四紀(jì)沖積層，三疊系飛仙關(guān)第一層（Tfa）及第三層（Tfc），二疊系長(zhǎng)興組、吳家坪組上段以及茅口棲霞組。其中，受K1煤層采動(dòng)裂隙帶影響，二疊系吳家坪組上段成為礦井間接充水含水層，另外，由于礦井主要運(yùn)輸巷道均布置于茅口組灰?guī)r中，因此，茅口棲霞組也為礦井的直接充水含水層。現(xiàn)將礦井直接充水含水層特征分述如下：

1）二疊系吳家坪組上段（P2w2）：為該區(qū)主要含水層，厚度116.6～130.0m，礦區(qū)內(nèi)出露面積較大，約2.52km2，主要出露于向斜兩翼與礦區(qū)南部地勢(shì)較高處，使得大氣降水形成的地表徑流下泄速度較快。

地表出露泉井很少，本次僅調(diào)繪到一處泉點(diǎn)，流量約0.05L/s；一處季節(jié)性暗河。據(jù)訪問，該處暗河出口僅雨季有水流出，暴雨過后流量近1m3/s，久晴則干。另外，從以往普查工作施工的鉆孔及坑道了解，該段巖心破碎，喀斯特溶洞極其發(fā)育。天池二井南巷499.60m處曾遇一大的溶洞長(zhǎng)18.3m，深9.7m、寬7m。一井多處亦有溶洞存在。另外根據(jù)天池煤礦一井570m、663m及1 300m三處裂隙調(diào)查，其單位面積內(nèi)裂隙率為0.788%，21.39%及1.4%，這些裂隙及溶洞均為地表水補(bǔ)給地下水的直接通道，導(dǎo)致雨后巷道涌水量突然增加。在CK5鉆孔中作注水試驗(yàn)，穩(wěn)定注水量1.641L/s，單位注水量0.017 7L/s·m，理論滲透系數(shù)0.010 08m/d。綜合判定為富水性中等偏強(qiáng)的碳酸鹽巖裂隙含水層。

2）二疊系下統(tǒng)茅口棲霞組（P1m+q）：該含水層中茅口組灰?guī)r厚約315m，為一套淺灰色、灰白色中厚層狀純灰?guī)r，上部含燧石結(jié)核；棲霞組灰?guī)r段厚約21m，巖性以灰--灰白色、灰黑色中厚--厚層狀生物碎屑灰?guī)r為主。兩者之間無明顯的隔水巖系，視為一個(gè)統(tǒng)一含水層，主要分布于向斜的兩翼及溝谷切割最低的地方。該套石灰?guī)r地表巖溶發(fā)育，各種形態(tài)的巖溶均有出現(xiàn)，尤以垂直類型的溶斗、落水洞居多。在地表以下一定深度范圍內(nèi)仍有巖溶發(fā)育，礦區(qū)鉆孔中見有0.70～1.51m溶洞。泉水多出露在河谷岸邊，流量為0.8～5L/s，水質(zhì)為HCO3·Ca-Mg型。在CK8鉆孔中作混合注水試驗(yàn)，穩(wěn)定注水量0.476 2L/s，單位注水量0.022 2L/ s·m，理論滲透系數(shù)0.020 64m/d。綜合判定為富水性強(qiáng)的碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層。

1.2礦區(qū)巖溶地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

該礦山為該區(qū)范圍內(nèi)的地表分水嶺，自成一個(gè)小型的水文地質(zhì)單元，加之場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)受區(qū)域構(gòu)造影響，形成一個(gè)倒轉(zhuǎn)向斜的蓄水構(gòu)造，整個(gè)向斜構(gòu)造控制著礦山所在部位的地下水徑流方向。場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)地表水體出露極少，水源不豐，大氣降雨成為礦井充水的主要充水水源。

通過本次調(diào)查并結(jié)合以往勘探報(bào)告發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)高745m以上，巖層裂隙溶洞極為發(fā)育，地下水露頭少，鉆孔中漏水嚴(yán)重，且均可聽到淺部地下水流入鉆孔中，由此可見，地表水及淺部地下水，沿巖層裂隙溶洞滲入深部。在海拔標(biāo)高745m以下，巖層裂隙溶洞不太發(fā)育，含水性較強(qiáng)，受大氣降水及地表水通過垂直循環(huán)帶補(bǔ)給此帶。鉆孔CK1穩(wěn)定水位6.50m，與附近油房溝河水面相一致。標(biāo)高745m是井田最低侵蝕標(biāo)高。據(jù)此段長(zhǎng)期觀測(cè)站觀測(cè)，在綿堰河流入煤系地段的流量為10.75m3/s，流出煤系地段流量為11.53m3/s，由此可見，地下水補(bǔ)給河水。因此本次研究工作，將礦區(qū)地下水大致分為兩帶，在向斜北東端之高橋，標(biāo)高745m以上，為垂直循環(huán)帶，以下為水平循環(huán)帶（圖1）。

圖1　茅口棲霞組（P1m+q）地下水水平、垂直循環(huán)帶立面投影圖

根據(jù)地面調(diào)繪，發(fā)現(xiàn)主要含水層組石灰?guī)r大面積出露于礦山范圍內(nèi)，山體表面，植被茂密，灌木叢生，將地表發(fā)育巖溶隱匿其中。由于區(qū)內(nèi)水量、水源有限，地下水的溶蝕強(qiáng)度相對(duì)較低，較大規(guī)模的暗河管道發(fā)育于巖溶水深部循環(huán)中，即位于地下水水平循環(huán)帶內(nèi)。區(qū)內(nèi)地表水與地下水的最低排泄基準(zhǔn)面位于礦區(qū)最北端高橋附近（海拔約+745m）。

如圖1所示，一號(hào)井+1 132m水平處于地下水垂直循環(huán)帶內(nèi)，+756m水平處于地下水由垂直循環(huán)帶向水平循環(huán)帶過渡的區(qū)域，+714m放水平硐完全處于地下水水平循環(huán)帶內(nèi)。另外，從圖上還可以看出，+714m放水平硐幾乎位于+1 132m水平正下方，其垂直于地下水流向布置，對(duì)其平硐所揭穿的含水層起到很好的疏干作用，因此，使得位于其上方的+1 132m水平在揭露含水層時(shí)水量大大減少，對(duì)+1 132m水平起到很好疏水降壓的保護(hù)作用。

天池復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜南西端高北東端低，似一不規(guī)則菱形。向斜構(gòu)造形態(tài)寬緩，兩翼地勢(shì)相近，西翼受到花石溝河的切割（圖2）。主要含水層在向斜四周出露，含水層在兩翼出露的高差不大，在核部埋深較大，超過500m，巖溶含水層上覆良好的隔水層（飛仙關(guān)組第二層Tfb）。因此，向斜內(nèi)部地下水很難從向斜的一翼徑流到另一翼排泄，向斜東翼、西翼是相對(duì)獨(dú)立的地下水系統(tǒng)，因其翼部裂隙和巖溶較為發(fā)育，易形成富水帶。地下水從向斜兩翼接受補(bǔ)給，并沿隔水層傾斜方向中部運(yùn)動(dòng)，此時(shí)地下水多具承壓性，而后由于深部透水性變?nèi)?，地下水轉(zhuǎn)而沿走向徑流，最后被橫切西翼巖層走向的花石溝河排泄。

由于區(qū)內(nèi)水源匱乏，較大類型的如豎井、落水洞等巖溶發(fā)育程度相對(duì)較低，礦井采掘活動(dòng)進(jìn)行初期往往水量較少，當(dāng)大面積的采空區(qū)形成后，采空塌陷裂隙貫通至地表形成巨大的拉裂縫，將采空區(qū)與地面直接貫通，形成了大氣降水進(jìn)入坑道的直接通道，并最終通過人工開拓的坑道匯集排泄。

隨著地下工程的開拓，井巷這一集水廊道的形成，礦井坑道已成為地下水新的匯集、泄水暢地，成為除河流溪溝外的另一個(gè)主要的地下水排泄通道。

圖2　一號(hào)井水文地質(zhì)剖面示意圖

2　巖溶水對(duì)礦井充水影響分析

K1煤層頂?shù)装寰鶠閹r溶含水層，對(duì)礦井采煤活動(dòng)有直接影響。受構(gòu)造控制，礦區(qū)范圍內(nèi)自成一獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，頂?shù)装搴畬邮芷涓髯运诘匦蔚孛?、?gòu)造等相關(guān)因素控制，對(duì)礦井的充水有各自不同的補(bǔ)給途徑及來源。

2.1K1煤層頂板直接/間接充水巖溶含水層

由于采礦的作用，使得煤層頂板巖層產(chǎn)生破壞，并降低強(qiáng)度或形成人工裂隙，通過本次調(diào)查，本礦井頂板充水主要通過導(dǎo)水裂隙帶貫通K1煤層間接充水含水層造成。根據(jù)《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度由公式①計(jì)算得出：

注：M—煤層開采厚度（m）；N—煤分層數(shù)

據(jù)此計(jì)算，按K1可采煤層最大采厚（2.0m）計(jì)算，導(dǎo)水裂隙帶（含冒落帶）高度為55.7m。

2.1.1K1煤層頂板直接充水巖溶含水層

該套含水層巖性主要為灰色厚層石灰?guī)r，含燧石結(jié)核少許，厚度約20m，裂隙較發(fā)育，多被方解石充填，較堅(jiān)硬，為K1煤層直接頂板，具有一定承壓性，但由于隨煤層露頭一起多從較陡的半山坡上通過，積水條件較差，只在每次大暴雨后降水會(huì)通過裂隙注入巷道，補(bǔ)給來源有限，因此，只要做好雨后巷道的排水工作，其對(duì)坑道充水的影響有限。

2.1.2吳家坪組上段（P2w2）頂板間接充水巖溶含水層

該套含水層為富水性較強(qiáng)的巖溶含水層，厚度約120m，地表分布面積大。位于K1煤層上約30m處，其與K1煤層直接頂板巖溶含水層間僅有不到1m厚的粘土巖相隔，從而導(dǎo)致該套含水層中的巖溶地下水極易通過采煤產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶，擊穿厚度不大的粘土巖隔水層，與下伏煤層直接頂板含水層產(chǎn)生水力聯(lián)系，直接補(bǔ)給煤層頂板含水層，成為礦井頂板涌水可靠的補(bǔ)給來源。因此，該套巖溶含水層為礦井頂板涌水直接、持續(xù)的充水含水層，也是礦井頂板突水的最大水害隱患。

2.2茅口、棲霞組（P1m+q）底板直接充水巖溶含水層

該套含水層為富水性極強(qiáng)的巖溶含水層，厚度約300m，出露于海拔較高的山頂?shù)貛В邮艽髿饨邓c冰雪融水補(bǔ)給，匯水面積大。

據(jù)調(diào)查，本區(qū)地下水水平循環(huán)帶和垂直循環(huán)帶的標(biāo)高位于745m附近，兩水平分別位于不同地下水循環(huán)帶，因此，分水平介紹該套含水層水對(duì)坑道充水影響。

2.2.1+1 132m水平

一號(hào)井+1 132水平位于向斜翼部較高處，靠近該套含水層地下水補(bǔ)給區(qū)，地下水徑流過程通暢且速度較快，很難在該區(qū)域發(fā)育能容納地下水靜儲(chǔ)量的巖溶空間，即該區(qū)域地下水來也快，去也快，不會(huì)形成持續(xù)的補(bǔ)給。并且，由于+714m放水平硐對(duì)該套含水層的疏干降壓作用，使得+1 123水平的采掘工作主要受雨季大氣降水影響，表現(xiàn)為枯季無水、雨季出水。

但由于目前在該水平布置了一下山采區(qū)，+1 020m底板運(yùn)輸巷標(biāo)高更接近地下水水平循環(huán)帶，因此，該采區(qū)在掘進(jìn)過程中受該巖溶含水層水的威脅較大。

2.2.2+756m水平

一號(hào)井+756水平位于向斜翼部較低處，靠近向斜核部，即位于該套含水層地下水由垂直循環(huán)帶向水平循環(huán)帶過渡區(qū)域，是該含水層地下水的強(qiáng)徑流帶，地下水循環(huán)交替作用強(qiáng)烈，溶蝕管道橫七縱八、異常發(fā)育，地下水徑流路徑長(zhǎng)、補(bǔ)給來源豐富，因此，在該水平進(jìn)行下山采掘工作，即向向斜核部開拓將十分危險(xiǎn)，一旦揭露地下暗河，便會(huì)出現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定的涌水，甚至淹沒井巷。

另外，由于礦井新掘運(yùn)輸大巷及總回風(fēng)巷均布置在煤層底板茅口灰?guī)r中，因此，該套強(qiáng)含水層成為礦井充水最主要的來源和水害隱患。通過本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，+756m水平的排水能力還不能滿足未來本礦采掘+756～+1 132之間資源的需要，在下階段應(yīng)對(duì)本水平的水溝、排水管進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，進(jìn)一步完善排水系統(tǒng)。

3　結(jié)論與建議

本礦煤層的直接頂?shù)装搴畬泳鶠榛規(guī)r強(qiáng)含水層，有一定補(bǔ)給來源且出露面積較大，對(duì)礦井充水影響較大。礦井當(dāng)前面臨的水害隱患除了巖溶水外，主要還有來自大氣降水、老采空水等。作為預(yù)防巖溶突水的最佳途徑，應(yīng)嚴(yán)格按煤礦安全生產(chǎn)之規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)超前探放水技術(shù)要求，根據(jù)實(shí)際情況合理布置探水孔。超前探水距離不得小于20m，建議超前探水40m，掘進(jìn)20m，并且，采用物探手段，獲得本礦礦區(qū)范圍內(nèi)的地下巖溶發(fā)育資料。

［1］ 鄭世書， 陳江中， 劉漢湖. 專門水文地質(zhì)學(xué)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.

［2］ 黃繼， 向虎. 四川省德陽市天池集團(tuán)一號(hào)井礦井水患現(xiàn)狀調(diào)查報(bào)告［R］. 四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院，2011.

［3］ 牛俊偉， 申江. 灰?guī)r巖溶裂隙水賦存特征及其對(duì)礦井充水影響［J］. 中州煤炭， 2013，10（3）: 144～148.

［4］ 蔡保新， 李文昌. 富煤三礦四礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析［J］. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2013（18）: 94～97.

Occurrence of Karst Water and Its Influence on Water Filling of Mine in the Tianchi Mining Shaft 1

HUANG Ji RAN Mao-yun XIANG Hu
（Sichuan Design and Research Institute for Coal Geology， Chengdu 610072）

Coal seam roof and floor in the Tianchi Mining Shaft 1 are composed of limestone as strong aquifer which is characterizes by very development of fissures. This results in serious threat of karst water to the production of the mine. The study indicates that the threat comes mainly from the karst aquifer of the Upper Member of the Wujiaping Formation （P2w2） as the roof and the karst aquifer of the Maoukou and Xixia Formations as floor （P1m+q）. Some control measures are put forward.

karst water； occurrence； control； Tianchi Mining Shaft

P641.4+6

A

1006-0995（2015）04-0574-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.04.022

2014-10-23

黃繼（1983—），男，四川宜賓人，水工環(huán)工程師，主要從事水工環(huán)調(diào)查與勘察