法地煤礦沙子嶺井田水文地質(zhì)特征及充水因素分析

曹興民，田亞江，李 千

（貴州省地礦局地球物理地球化學(xué)勘查院，貴陽(yáng) 550018）

法地煤礦沙子嶺井田水文地質(zhì)特征及充水因素分析

曹興民，田亞江，李 千

（貴州省地礦局地球物理地球化學(xué)勘查院，貴陽(yáng) 550018）

礦井水害一直是煤礦生產(chǎn)的一項(xiàng)重大安全隱患，本文基于法地煤礦沙子嶺井田地質(zhì)勘查資料，對(duì)井田水文地質(zhì)特征進(jìn)行分析，明確了井田內(nèi)巖層含隔水性及斷層帶水文地質(zhì)特征；對(duì)井田充水因素進(jìn)行分析，明確了充水水源；對(duì)頂板充水和底板突水進(jìn)行預(yù)測(cè)，明確了礦井充水途徑。最后，筆者對(duì)礦井突水帶進(jìn)行了分析，可為今后礦山開(kāi)采過(guò)程中水害的預(yù)防提供參考。

水文地質(zhì)特征；充水途徑；突水帶；沙子嶺井田

礦井水害是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，為僅次于瓦斯災(zāi)害的第二大煤礦災(zāi)害性事故[1]。加強(qiáng)礦區(qū)水文地質(zhì)研究，分析井田水文地質(zhì)特征及充水因素，對(duì)于預(yù)防水害事故、保障煤礦安全生產(chǎn)具有重大意義[2]。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，各種充水水源通過(guò)各種充水通道在不同充水程度的影響下進(jìn)入礦井[3-4]。本文通過(guò)對(duì)法地煤礦沙子嶺井田水文地質(zhì)特征的系統(tǒng)分析，確定主要的含、隔水層以及斷層帶水文地質(zhì)特征；對(duì)礦井充水因素進(jìn)行分析，確定充水水源、突水帶及充水途徑。這不僅為煤礦更好地開(kāi)展防災(zāi)減災(zāi)、消除水害提供參考，也為處在同類(lèi)型水文地質(zhì)條件及充水因素下的礦井充水及突水災(zāi)害提供參考，保障安全生產(chǎn)。

1 井田概況

法地煤礦沙子嶺井田位于納雍縣城以西勺窩鄉(xiāng)境內(nèi)。地處云貴高原東側(cè)斜坡地帶，屬淺至中等切割的中山高原地形，區(qū)內(nèi)屬亞熱帶高原性濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。

法地煤礦沙子嶺井田內(nèi)含煤地層為二疊系龍?zhí)督M，井田內(nèi)含煤巖系（P3l）厚234.63～325.79 m，平均厚274.05 m，共含煤層（線）24～46層，平均含煤層（線）32層，其中含可采煤層8～17層，平均含11層可采煤層。

法地煤礦沙子嶺井田位于六沖河流域，區(qū)域上總體處于補(bǔ)給區(qū)。天然條件下井田淺部分布于兩個(gè)不同水文地質(zhì)單元，以青龍洞－大荒壩－朝門(mén)口－油菜沖老頂－二道河埡口一帶為地表分水嶺，地表水分別向東、西徑流。區(qū)域上以東邊亞落箐溪溝下游河溝頭一帶1 600 m為地下水最低排泄基準(zhǔn)面，井田區(qū)內(nèi)煤層分布高程約1 250～1 930 m，大部分可采煤層分布于1 600 m以下，不利于自然排水。

2 井田水文地質(zhì)特征分析

2.1 含（隔）水層

井田內(nèi)主要出露有二疊系、三疊系及第四系地層，根據(jù)含水巖層的巖性、含水介質(zhì)組合特征及水動(dòng)力條件，可將井田區(qū)地下水分為松散巖類(lèi)孔隙水、巖溶水和基巖裂隙水三大類(lèi)。其中，松散巖孔隙水儲(chǔ)存在第四系松散層中；巖溶水則賦存和運(yùn)移在二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m），三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組二段（T1f2）碳酸鹽巖地層中；基巖裂隙水則賦存于二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組（P3β）、龍?zhí)督M（P3l）、長(zhǎng)興—大隆組（P3c+d），三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組一段（T1f1）、三段（T1f3）碎屑巖地層中。

2.2 斷層帶水文地質(zhì)特征

2.2.1 斷層特征分析

沙子嶺井田斷裂構(gòu)造發(fā)育，井田內(nèi)發(fā)育各種規(guī)模斷層共15條，斷層類(lèi)型大部分屬于正斷層，力學(xué)性質(zhì)屬?gòu)埿詳鄬?，?guī)模較大斷層分別為F1、F2、F3及F5，其他斷層規(guī)模較小。

2.2.2 斷層上下盤(pán)地層接觸關(guān)系

該井田除F1、F2、F3、F5以外的其他斷層規(guī)模較小，垂直斷距較小，斷層上下盤(pán)地層主要為T(mén)1f1、P3l及P3β地層，其富水性均較弱。

3 礦井充水性分析

3.1 直接充水水源

二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M為含煤地層，井田區(qū)主要可采煤層均產(chǎn)于該層中，含煤巖系成為未來(lái)礦坑的直接充水層位。該層中所含的基巖裂隙水為礦坑直接充水水源，但由于含水性弱，僅為井田區(qū)內(nèi)次要充水水源。

3.2 間接充水水源

3.2.1 地下水

井田區(qū)含煤巖系上覆飛仙關(guān)組二段（T1f2），下伏茅口組（P2m）均為含水性豐富的巖溶含水層。為研究上述巖溶含水層對(duì)未來(lái)礦坑充水的可能性，根據(jù)礦區(qū)內(nèi)主要可采煤層厚度、賦存情況、頂?shù)装搴穸?、巖性及物理力學(xué)指標(biāo)，估算未來(lái)開(kāi)采中礦坑頂板冒落帶、導(dǎo)水裂隙高度，采用斯列薩列夫公式估算可采煤層隔水底板的臨界安全厚度，用以評(píng)價(jià)未來(lái)礦坑頂、底板巖溶含水層中地下水向礦坑充（突）水的可能性。各可采煤層頂?shù)装寰嗌细埠拖路鼛r溶含水層的鉛直厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 主要可采煤層頂?shù)装搴穸冉y(tǒng)計(jì)表

（1）頂板充水預(yù)測(cè)。井田區(qū)可采煤層頂板巖石抗壓強(qiáng)度為20～40 MPa，頂板管理方法采用全部陷落法，巖性主要為泥巖、粉砂巖。

冒落帶最大高度計(jì)算公式：Hc=（3～4）M

導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算公式：Ht=[100M/（3.3n+3.8）]＋5.1

式中：M——累計(jì)采厚（m）（M＝9.17 m）；n——可采煤層分層數(shù)（n＝8）。

估算結(jié)果，冒落帶最大高度為36.12 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為35 m，采礦頂板影響總高度為71.12 m。

將估算的冒落帶與導(dǎo)水裂隙帶高度與表1中列出的各可采煤層距上覆巖溶含水層底板的間距進(jìn)行比較，結(jié)論為：

井田區(qū)各可采煤層頂距上覆飛仙關(guān)組二段（T1f2）巖溶含水層的隔水層厚度均大于冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶高度，因此，開(kāi)采條件下，飛仙關(guān)組二段（T1f2）巖溶含水層中地下水不能通過(guò)飛仙關(guān)組一段（T1f1）泥巖隔水層向礦坑充水。

（2）底板突水預(yù)測(cè)。根據(jù)薩列斯列夫公式，對(duì)坑道掘進(jìn)中底板突水的可能性進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)公式：

式中：tl——能抵抗實(shí)際水壓力（HP）的臨界隔水層厚度（m）；

HP——作用在隔水底板上的實(shí)際水壓力值（MPa）；

l——采區(qū)巷道底寬（m）；

KP——隔水底板巖層的抗張強(qiáng)度（MPa）；

rR——隔水底板巖石容重（T/m3）。

根據(jù)鉆孔揭露，M35號(hào)可采煤層底板下伏還有一層厚72.72～106.74 m的峨眉山玄武巖組（P3β）隔水層。根據(jù)巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，煤系下伏峨眉山玄武巖組（P3β）巖石容重（rR）平均值為2.81 T/m3；隔水底板巖性以玄武巖為主，巖石抗拉強(qiáng)度平均值5.52 MPa；根據(jù)相鄰井田勘探鉆孔實(shí)測(cè)資料，茅口組（P2m）水頭標(biāo)高1 734.02 m，該孔M35號(hào)煤層底板標(biāo)高1 345.09 m，茅口組（P2m）地下水作用在M35號(hào)煤層隔水底板上的實(shí)際水壓力值（HP）為388.93 MPa。

估算結(jié)果：當(dāng)采區(qū)巷道底寬為4 m時(shí)，tl=18.53 m；當(dāng)采區(qū)巷道地寬為8 m時(shí)，tl=40.03 m。

M35號(hào)煤層底板隔水巖層厚61.29～126.14 m，遠(yuǎn)大于臨界隔水層厚度tl。因此，未來(lái)開(kāi)采條件下，井田區(qū)發(fā)生底板突水的可能性小，茅口組（P2m）中地下水不會(huì)突破底板隔水層向礦坑突水，但由于該井田斷裂構(gòu)造發(fā)育，致使局部地段斷層溝通了茅口組（P2m）含水層，以及由于斷層的錯(cuò)動(dòng)，茅口組（P2m）含水層直接與含煤巖系接觸，導(dǎo)致向礦坑的突水。

綜上分析：未來(lái)開(kāi)采條件下，上覆飛仙關(guān)組二段（T1f2）巖溶含水層不會(huì)向礦坑充水。而下伏茅口組（P2m）中地下水不會(huì)直接突破底板向礦坑突水，但易通過(guò)斷裂構(gòu)造向礦坑突水。

3.2.2 大氣降水

大氣降水是礦區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，充水含水層中地下水接受補(bǔ)給后，其地下水可通過(guò)采空塌陷帶、導(dǎo)水裂隙帶及突水帶間接或直接進(jìn)入礦坑，對(duì)礦床進(jìn)行充水，故為礦床充水的間接充水因素。

3.2.3 地表水

圖1 突水帶分布圖

沙子嶺井田內(nèi)無(wú)地表水體，僅在該井田以南有一溪溝（壓落箐溪），流量較小。該溪溝未流經(jīng)開(kāi)采地段，故該溪溝對(duì)礦坑充水不構(gòu)成影響。

3.2.4 老窯積水

沙子嶺井田區(qū)煤層僅在北及北西方向出露，在煤層露頭一帶分布有規(guī)模不同的老硐，基本為20世紀(jì)60～90年代民采，都分布在淺部煤層地表露頭一帶。

3.3 礦井突水帶分析

根據(jù)綜合研究分析，該井田包含兩個(gè)水文地質(zhì)系統(tǒng)，分別可概化為兩種不同的水文地質(zhì)模型。第一個(gè)水文地質(zhì)系統(tǒng)為含煤巖系及其上覆地層（P3l－T1f1）含水系統(tǒng)，可概化為潛水系統(tǒng)；另外一個(gè)水文地質(zhì)系統(tǒng)為煤系下伏茅口組（P2m）含水系統(tǒng)，可概化為承壓水類(lèi)型。

兩個(gè)水文地質(zhì)系統(tǒng)中間有一層峨眉山玄武巖組隔水層相隔，使之成為相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，無(wú)直接關(guān)系。但是，由于井田內(nèi)幾條規(guī)模較大的斷層（主要為F1、F2、F3）的破壞、溝通，在斷層帶附近，兩個(gè)水文地質(zhì)系統(tǒng)發(fā)生水力聯(lián)系，水利聯(lián)系的方式是通過(guò)斷層導(dǎo)水溝通以及斷層錯(cuò)動(dòng)形成兩個(gè)水文地質(zhì)系統(tǒng)的直接接觸。

綜上所述，井田內(nèi)的幾條規(guī)模較大的斷層為兩個(gè)水文地質(zhì)系統(tǒng)的主徑流帶，也是未來(lái)礦山開(kāi)采中礦井可能發(fā)生突水的地帶（見(jiàn)圖1）。

3.4 礦井充水途徑分析

根據(jù)上述礦井充水水源分析，礦井頂板充水直接來(lái)源于含煤巖系本身所含的基巖裂隙水，地下水通過(guò)構(gòu)造裂隙向礦井充水。井田上覆礦坑水也是通過(guò)裂隙導(dǎo)水向礦井充水。

斷裂構(gòu)造的發(fā)育，對(duì)煤系充水影響較大，煤系底板茅口組（P2m）巖溶水主要通過(guò)斷裂構(gòu)造向煤系突水，根據(jù)調(diào)查以及綜合分析，F(xiàn)2斷層帶泉水發(fā)育，F(xiàn)2斷層壓落箐寨子頭S40斷層泉表明，底板茅口組（P2m）巖溶水已經(jīng)通過(guò)斷層的溝通在地表出露，該地帶為底板易突水帶，而F1、F3斷層由于垂直斷距較大，致使茅口組（P2m）直接與煤系接觸，形成易突水區(qū)。而F5斷層雖未溝通茅口組，但溝通上覆飛仙關(guān)組二段，可能導(dǎo)致該層巖溶水對(duì)礦井充水，為易突水區(qū)。綜上所述，井田在未來(lái)的開(kāi)采中，F(xiàn)1、F2、F3、F5斷層帶附近發(fā)生突水的可能性大，是未來(lái)開(kāi)采設(shè)計(jì)和開(kāi)采中應(yīng)特別注意預(yù)防礦坑突水的部位。根據(jù)分析，以后開(kāi)采時(shí)可在S40泉水點(diǎn)附近打大口徑的疏干井群進(jìn)行底板排水，以降低底板充水含水層的水頭壓力，防止底板突水，并在幾條斷層突水帶留設(shè)防水煤柱。

除地表已查明的導(dǎo)水?dāng)嗔阎?，礦區(qū)內(nèi)可能發(fā)育有隱伏導(dǎo)水?dāng)嗔眩诮窈蟮拈_(kāi)采過(guò)程中，應(yīng)注意先探后掘，若遇突水應(yīng)首先采取抽排放水措施。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）井田總體位于地下水的補(bǔ)給區(qū)，井田的F1、F2、F3斷層帶的主徑流帶，可能成為未來(lái)茅口組巖溶地下水向礦井突水的集中徑流帶，應(yīng)做好防治措施。

（2）井田水文地質(zhì)類(lèi)型為水文地質(zhì)條件中等的以頂板直接充水為主的裂隙充水礦床。在開(kāi)采過(guò)程中，要注意頂板巖溶裂隙水，防止底板茅口組的巖溶裂隙水通過(guò)斷層破碎帶對(duì)礦井進(jìn)行充水。在采掘過(guò)程中，要超前探水，先探后掘，防止水患發(fā)生。

1 國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局．煤礦防治水規(guī)定釋義[M]．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009．

2 趙愛(ài)萍.我國(guó)煤礦水害事故分析及對(duì)策[J].煤，2008，17（11）：39-40．

3 吳 濤，司慶超，王濟(jì)洲．煤礦酸性礦井水的危害及其主要防治技術(shù)[J]．山東煤炭科技，2010，（5）：179-180．

4 喬小娟，李國(guó)敏，周金龍，等．采煤對(duì)地下水資源與環(huán)境的影響分析——以山西太原西山煤礦開(kāi)采區(qū)為例[J]．水資源保護(hù)，2010，（1）：49-52.

Method of Sand Ridge Coal Mine Hydrogeological Characteristics and Water Filling Factors Analysis

Cao Xingmin, Tian Yajiang, Li Qian
(The Earth Geophysical and Geochemical Exploration Institute, Guizhou Bureau of Geology and Mineral Resources, Guiyang 550018,China)

Mine flood has been a major coal mine production safety, this article based on the method of coal geological exploration data of the sand ridge field, analyses the hydrogeological characteristics, has been clear about the rock strata in mining field with every other water-based and hydrogeological characteristics of fault zones. For mine water filling factors into the analysis, has been clear about the water filling water sources, water filling and inrush from roof is forecasted, clear the way of mine water filling. Finally, the author analyzes the mine water bursting belt, which can provide reference for the prevention of water disaster during mining.

hydrogeologic features; water filling way; water inrush; Shaziling minefield

TD745

A

1008-9500(2017)06-0091-04

2017-04-03

曹興民（1985-），男，河南永城人，工程師，從事水工環(huán)地質(zhì)工作。