演馬莊礦水文地質(zhì)特征淺析

吳斌強

摘要： 本文以演馬莊礦區(qū)域及礦井水文地質(zhì)為淺析對象，對礦井充水條件、充水狀況及主要含水層進行分析，總結(jié)了礦井建井以來的突水點特征并提出了防范措施，為礦井安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

Abstract： In this paper， taking Yanmazhuang Mine and its hydrogeology as objects， to make a analysis of the mine water filling condition， water filling situation and the main aquifers， to summarize the characteristics of water inrush points since the mine construction and to put forward the preventive measures， in order to provide technical guarantee for the safe production of the mine.

關(guān)鍵詞： 水文地質(zhì)；充水條件；含水層；突水點特征

Key words： hydrogeology；water filling condition；aquifer；characteristics of water inrush points

中圖分類號：P641.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）13-0109-03

0 引言

演馬莊礦處于北東向太行山背斜的東南翼，斷裂構(gòu)造發(fā)育，各含水層之間水力聯(lián)系密切，水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，自建井以來共發(fā)生1m3/min以上突水事故47次，最大突水量達320m3/min，淹地區(qū)2次，淹井2次。礦井主要含水層有奧陶系灰?guī)r（O2）含水層、石炭系灰?guī)r含水層，其中L8、L2、O2灰?guī)r含水層富水性強，是礦井突水的主要水源。

由于礦井水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，需要對井田內(nèi)各含水層的巖性、埋藏條件、水位、水量以及相互水力聯(lián)系進行分析，查明礦井水文地質(zhì)特征及礦井充水因素，保障礦井的生產(chǎn)安全。

1 區(qū)域水文地質(zhì)

焦作煤田地處太行山隆起帶南端，屬太行山山前沖積、洪積緩傾斜平原，地勢為西北高、東南低，微向東南傾斜，構(gòu)造以斷層為主。區(qū)內(nèi)寒武系、奧陶系灰?guī)r中巖溶裂隙發(fā)育，為地下水提供了良好的儲水空間和徑流通道。另外，在斷層帶附近巖溶裂隙相對發(fā)育，常常形成強富水、導(dǎo)水帶。大氣降水是焦作煤田巖溶裂隙水的主要補給來源，西部、北部裸露山區(qū)廣泛出露的石灰?guī)r是巖溶地下水良好的補給場所，補給面積約4900km2。

1.1 巖溶地下水補給、徑流與排泄

大氣降水為焦作煤田巖溶裂隙水的主要補給來源，西部、北部裸露山區(qū)廣泛出露的石灰?guī)r是巖溶地下水良好的補給場所，屬九里山巖溶水系統(tǒng)，補給面積約4900km2，天然資源量為38541萬m3/a。其中灰?guī)r裸露補給區(qū)面積1395km2，大氣降水補給量10～15m3/s、河流及水庫滲入補給量26.28m3/s。

在天然狀態(tài)下，補給區(qū)地下水水力坡度為11‰，徑流區(qū)為5‰，進入煤田后為2～0.44‰。雙頭泉巖溶水的石灰?guī)r裸露區(qū)為焦作礦區(qū)巖溶水的直接補給區(qū)，演馬莊礦區(qū)即處于該區(qū)的徑流排泄區(qū)內(nèi)。巖溶水一部分沿山前沖洪積扇形成泉群排泄，總排泄量3.14～14.3m3/s，其中，九里山泉群流量9.2m3/s，百泉最大流量2.32m3/s；另一部分向深部循環(huán)徑流或由人工排泄。

1.2 巖溶地下水的動態(tài)特征

本區(qū)為大氣降水入滲型兼有地表滲漏，地下水動態(tài)直接受大氣降水支配，巖溶埋藏區(qū)地下水位的峰值多出現(xiàn)在9～10月，滯后降水一個月左右，每年6～9月水位上升速度0.1～1.0m/d，10月至次年5月水位緩慢下降，速度為0.02～0.03m/d。

2 礦井水文地質(zhì)

2.1 井田邊界及其水力性質(zhì)

生產(chǎn)實踐證實，礦井西北部的二1煤層露頭被新生界砂礫層覆蓋，奧陶系、石炭系灰?guī)r與沖積層直接接觸，并相互發(fā)生水力聯(lián)系，形成強補給邊界；南部鳳凰嶺斷層落差180m，北升南降，造成區(qū)內(nèi)二1煤層、灰?guī)r含水層與區(qū)外富水性弱的二疊系地層對接，形成阻水邊界；從充水情況分析，礦井水主要來自西部，為西部充水邊界；東部與九里山礦區(qū)相接，水力聯(lián)系密切，為東部充水邊界。

2.2 煤層底板含水層

2.2.1 奧陶系灰?guī)r（O2）含水層

O2灰?guī)r厚約400m，一般上距二1煤層100m左右、平均105.53m。巖溶裂隙發(fā)育，富水性極強，水頭高、水壓大之特征，是威脅礦井安全的主要含水層。根據(jù)巖性特征、富水程度和對二1煤層開采影響，可分為上下兩段：上段O22-2+O23厚220m，單位涌水量1.1～37.9L/s·m；下段O21-2厚70～80m、單位涌水量0.5～1.0L/s·m，兩段之間被厚50～60m灰色角礫狀泥灰?guī)r隔斷。井田內(nèi)具有統(tǒng)一地下水位。

2.2.2 石炭系灰?guī)r含水層

石炭系灰?guī)r9層，總厚一般20～35m。其中L8、L2兩層灰?guī)r分布較穩(wěn)定，富水性強，分述如下：

① L2灰?guī)r含水層。

厚4.82～14.34m，一般9～11m，平均10.81m，一般上距二1煤層70～80m、平均73.58m；下距O2灰?guī)r11.72～37.52m，一般約20m，平均21.24m；是二1煤層底板間接充水含水層。據(jù)鉆孔注水試驗，單位涌水量1.81～7.15L/s·m，滲透系數(shù)5～20m/d。富水性極強，與O2灰?guī)r含水層聯(lián)系密切。

②L8灰?guī)r含水層。

上距二1煤層14.17～23.90m，一般18～20m，平均18.56m，為二1煤層底板直接充水含水層。厚8～10m，巖溶裂隙發(fā)育，富水性強，但差異性較大。發(fā)育程度隨深度增加而有所減弱。據(jù)鉆孔注水試驗和井下突水點反求，單位涌水量0.00345～5.4L/s·m，平均1.32L/s·m，滲透系數(shù)8.17～39.9m/d、平均23.05m/d，導(dǎo)水系數(shù)70.18～321.3m2/d，平均197.09m2/d。為HCO3-Ca·Mg型水。

2.3 礦井充水條件

2.3.1 充水水源

①大氣降水。

地下水除接受大氣降水與隱伏露頭區(qū)附近新近系、第四系孔隙水補給外，主要為來自太行山區(qū)的側(cè)向逕流補給。井田位于區(qū)域地下水逕流帶，以透水性良好的寒武和奧陶系碳酸鹽巖為主，具有良好的天然補給條件。對本礦而言，大氣降水主要以側(cè)向逕流補給地下水的形式間接進入井下。

②地表水。

井田內(nèi)無河流、水庫等水體存在，地表水對生產(chǎn)沒有影響。

③小煤窯積水。

井田內(nèi)有東韓王村小煤窯，位于一二采區(qū)上部，1995年投產(chǎn)，2005年6月關(guān)閉，井筒已回填，地面已平整。小煤窯與本礦之間按規(guī)定留設(shè)有防隔水煤（巖）柱。

④礦井老空積水。

井田內(nèi)老空積水7處：二水平大巷、1441工作面、2509工作面、一一采區(qū)、二二下段采區(qū)、二一下山采區(qū)、二二采區(qū)。

⑤含水層水。

1）底板L2、O2灰?guī)r水：L2、O2灰?guī)r水一般不會直接充入礦井，但受斷層錯動和導(dǎo)水裂隙影響時，可通過斷層破碎帶進入礦井，水量較大，常給礦井造成較大損失。

2）底板L8灰?guī)r水：L8灰?guī)r水是主要充水水源，水量約占總水量的75%。該含水層平均上距二1煤層18.56m，巖溶裂隙發(fā)育，徑流暢通。因上距開采煤層較近，在礦壓和水壓共同作用下，特別受斷層影響時，常沿底板裂隙進入礦井。該含水層充水具有先小后大、然后趨于穩(wěn)定或干涸之特點，涌水量多小于600m3/h。

3）二1煤層頂板砂巖裂隙水：受頂板冒落和斷層破碎帶影響，上覆砂巖裂隙水往往以淋水、滴水的形式進入礦井，水量較小，單點出水量一般不超過60m3/h，且持續(xù)時間短、易于疏干；據(jù)統(tǒng)計，開采至今頂板砂巖裂隙水總量600m3/h左右，對礦井安全無威脅，但給開采環(huán)境造成一定影響。

4）新近系、第四系砂礫石孔隙水：礦井開采初期，在井筒開挖與巷道掘進穿越或接近該含水層時，常有孔隙水流進巷道，水量變化多受季節(jié)影響，一般單點最大出水量不足300m3/h。當(dāng)該含水層與基巖、特別與巖溶裂隙發(fā)育的灰?guī)r含水層直接接觸時，亦會對礦井安全形成威脅。

2.3.2 充水通道

①受煤層采掘影響，在煤層頂板和底板常形成大量采動裂隙，為煤層頂板水、底板L8灰?guī)r水進入礦井提供了良好通道。如砂礫石層水、基巖裂隙風(fēng)化帶水等多是沿頂板裂隙進入礦井，而L8灰?guī)r巖溶裂隙水則多是沿底板裂隙進入礦井。

②受構(gòu)造影響，在斷層附近或褶曲軸部常形成構(gòu)造裂隙，嚴重破壞了地層的完整性，是地下水、特別是L2、O2灰?guī)r巖溶水進入礦井的主要通道。礦井底板突水淹井事故均是L2+O2灰?guī)r巖溶水通過斷層裂隙帶進入礦井造成的。

③據(jù)以往勘探資料，封孔用煤矸石、粘土、黃泥漿等材料均定為封閉質(zhì)量不良鉆孔。這些封閉不良鉆孔將會增加礦井內(nèi)的充水通道，從而引起含水層水甚至地表水、大氣降水沿其涌入井下，采掘活動接近時，應(yīng)采取有效防治水措施或留設(shè)防（隔）水煤柱，預(yù)防鉆孔出水對礦井生產(chǎn)帶來危害。

3 礦井充水狀況

3.1 突水點概況

礦井發(fā)生突水79次。按最大突水量（Q）：Q≤60m3/h的突水11次、11800m3/h的突水5次；按水源：新近系、第四系砂礫石層水+基巖風(fēng)化帶裂隙水17次、大占砂巖裂隙水1次、L8灰?guī)r巖溶裂隙水55次、L2+O2灰?guī)r巖溶裂隙水3次、老空水3次；按充水通道：斷層帶21次、頂板裂隙13次、底板底鼓或裂隙35次、鉆孔4次、其它6次；按突水點標高：±0m以淺16次、±0～50m17次、50～100m19次、100～150m10次、150m以深17次。

3.2 突水點特征

3.2.1 位置

①底板薄弱處：水壓和礦壓共同作用下，可破壞巖體原有應(yīng)力平衡，當(dāng)受巷道開拓或構(gòu)造影響，導(dǎo)致隔水層變薄或揭露含水層時，常形成底板水進入礦井的通道。

②斷層帶附近、斷層尖滅及交匯處：與斷層有關(guān)的突水21次，其中斷層尖滅或交匯處突水8次，占38.1%。斷層本身已破壞了隔水層，其附近巖體破碎、隔水性差，再加上礦壓和水壓作用，常形成地下水的良好通道；斷層尖滅和交匯附近，是地應(yīng)力集中地帶，在礦壓、水壓、地應(yīng)力共同作用下，可使巖體破裂而導(dǎo)致突水。

③巖溶裂隙發(fā)育處：斷層破碎帶附近、褶曲軸部、標高+10～-10m和+45～+65m之間及靜水位活動帶，巖溶裂隙發(fā)育，是地下水充水點的主要位置。

3.2.2 水量

水量大小受充水水源控制，一般先小后大、隨后趨于穩(wěn)定或者減??；其次與所處位置有關(guān)，淺部砂礫石層水多受季節(jié)變化影響，深部則受補給含水層控制。

3.2.3 突水水源

①底板灰?guī)r水是礦井充水主要水源：在79次突水中有55次為底板水，占69.6%，而最大水量大于600m3/h的15次，其中大于3000m3/h 2次。盡管L8灰?guī)r自身富水性中等，但當(dāng)有L2、O2灰?guī)r水參與時，則會造成災(zāi)害性突水，如礦井的兩次淹井事故。

②松散層孔隙水：1995年以前，礦井多在淺部開采，難免受孔隙水影響。據(jù)統(tǒng)計，有16次孔隙水進入礦井。水量一般≤180m3/h、最大702m3/h，給礦井生產(chǎn)帶來一定影響。

③頂板水：頂板大占砂巖水水量較小，對礦井生產(chǎn)有一定影響。

3.3 突水通道

據(jù)分析，主要突水通道為采動裂隙和構(gòu)造裂隙帶。

①受煤層采動影響，在煤層上部和底板常形成大量采動裂隙，為煤層上部水、L8灰?guī)r水進入礦井提供了良好通道。如砂礫石層水、基巖裂隙風(fēng)化帶水等多是沿頂板裂隙進入礦井，而L8灰?guī)r巖溶裂隙水則多是沿底板擾動裂隙進入礦井。

②受構(gòu)造影響，在斷層附近或褶曲軸部常形成構(gòu)造裂隙，嚴重破壞了地層完整性，是地下水、特別是O2灰?guī)r巖溶水進入礦井的主要通道。本礦2次最大底板突水淹井事故，均是L2+O2灰?guī)r巖溶水通過斷層裂隙帶進入礦井造成的。

③若以往施工鉆孔封閉不良，?？蓸?gòu)成地下水進入礦井的良好通道。

4 結(jié)論

通過對礦井水文地質(zhì)特征的分析，礦井水文地質(zhì)條件評價為極復(fù)雜。為此，礦井在生產(chǎn)中應(yīng)始終堅持“預(yù)測預(yù)報、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則，落實“防、堵、疏、排、截”的綜合治理措施，按規(guī)定留設(shè)各類防隔水煤（巖）柱，采取超前探測、底板含水層注漿改造與斷層注漿加固、深部導(dǎo)水通道截流、進行采掘工作面水害評價等防治水措施，保證在極復(fù)雜水文地質(zhì)條件下，使礦井具備防災(zāi)抗災(zāi)能力，實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)。

參考文獻：

[1]河南焦煤能源有限公司演馬莊礦.生產(chǎn)地質(zhì)報告[R].2015.

[2]國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2016.

[3]國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.