紅石巖煤礦水文地質(zhì)特征及礦井充水因素分析

張冬冬，穆 馳

(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)，陜西 西安 710075)

0 引言

紅石巖煤礦是黃陵礦區(qū)骨干礦井之一，隨著礦井開(kāi)采面不斷擴(kuò)大和開(kāi)采程度的不斷加深，礦井水文條件對(duì)煤礦正常生產(chǎn)影響越來(lái)越大。分析礦井水文地質(zhì)條件，預(yù)測(cè)礦井涌水量變化趨勢(shì)，可對(duì)紅石巖煤礦的防水工作和安全開(kāi)采提供參考。

1 礦區(qū)概況

紅石巖煤礦地處黃陵縣店頭鎮(zhèn)南川河西岸的曹家峪村，行政區(qū)劃屬陜西省延安市黃陵縣店頭鎮(zhèn)管轄。紅石巖井田地處陜北黃土高原南部的低中山丘陵地帶，全井田整體呈西北高、東南低之態(tài)勢(shì)[1-2]，最高點(diǎn)位于井田西部南吳莊附近，標(biāo)高+1 305.7 m，最低點(diǎn)位于井田東部西房溝溝口附近，標(biāo)高+927.6 m，相對(duì)高差378.1 m。井田內(nèi)有曹家峪溝、秋林子溝、西房溝等3條近東西向沖溝，均有溪水由西向東流出并注入南川河，常年不斷，但流量甚微，隨季節(jié)而變化[3]。井田面積約19.9 km2。

2 地質(zhì)概況

2.1 地層

井田內(nèi)地表絕大部分被第四系松散沉積物及植被所覆蓋，基巖在溝谷內(nèi)均有不同程度的發(fā)育。上部以灰黑色泥巖、粉砂巖為主，一般厚30 m左右，井田南部含1-1煤(相當(dāng)于礦區(qū)的0#煤)，厚0～0.5 m。中部為灰黑色粉砂巖、灰白色細(xì)砂巖，含有植物化石，一般厚15 m。向井田東北部相變?yōu)榛野咨辛Ｉ皫r，其上含1-2煤(相當(dāng)于礦區(qū)的1#煤)厚0.65～0.7 m。下部為灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤層，一般厚10 m左右。2#煤為本區(qū)主要可采煤層，厚0.02～6.22 m，一般2.84 m。底部砂質(zhì)泥巖含植物根化石或鮞狀結(jié)核，為煤層底板。與三疊系地層呈假整合接觸[4]。

2.2 構(gòu)造

紅石巖井田基本構(gòu)造形態(tài)為走向北東、傾向北西的平緩單斜構(gòu)造，地層傾角1°～5°。井田內(nèi)發(fā)育一系列北東和北西向褶曲構(gòu)造，目前尚未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造存在。北東向褶曲規(guī)模較大，密度較小，兩翼寬緩，多表現(xiàn)為井田一級(jí)褶曲，控制著井田的基本走向；北西向褶曲規(guī)模較小，密度較大，多表現(xiàn)為次級(jí)褶曲。從平面分布情況看，井田東南部北西向褶曲密集、幅度較大；井田西北部褶皺稀少[5]。

2.3 煤層

紅石巖煤礦的賦存煤層呈西南厚、東北薄的規(guī)律。延安組地層為本區(qū)的含煤地層，共含煤3層，自上而下分別為1-1煤、1-2煤、2#煤。根據(jù)煤層厚度和穩(wěn)定性等綜合指標(biāo)劃分，2#煤層為區(qū)內(nèi)主采煤層，其它煤層為不可采煤層。2#煤層位于延安組下部，為井田內(nèi)主要可采煤層，地表出露于白石村至西房溝及車村一帶。大部可采，可采厚度0.7～5.77 m，平均2.53 m，為中厚煤層，其厚度變化大致為向斜部分厚，背斜部分薄，厚度總體呈南厚北薄的規(guī)律[6]。2#煤層埋深一般在240 m左右，最大埋深330.67 m，最小埋深24.65 m。井田西部埋深較大，埋深一般大于200 m，西部埋深南深北淺。煤礦東部埋深都小于200 m，東部南淺北深。

3 區(qū)域水文地質(zhì)條件

3.1 礦區(qū)水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐?/h3>

黃陵礦區(qū)地處陜北黃土高原南部的低山丘陵地帶。區(qū)內(nèi)山巒起伏，溝壑縱橫，地形復(fù)雜，相對(duì)高差幾十米至二三百米不等。由于第四紀(jì)以來(lái)間歇性上升較為顯著，不利于黃土堆積，而形成黃土高原中的孤島狀石質(zhì)低山丘陵，缺少連續(xù)的黃土覆蓋，僅在平緩的山坡和谷地有黃土零星分布，厚5～20 m不等。區(qū)內(nèi)植被發(fā)育，壯年期溯源侵蝕作用明顯，現(xiàn)代侵蝕比較輕微[7]。巖體相對(duì)完整，坡體穩(wěn)定性較好。黃陵礦區(qū)北側(cè)為洛河水系二級(jí)支流葫蘆河，黃陵礦區(qū)地形地貌與地表水系分布如圖1所示，南側(cè)為涇河水系二級(jí)支流三水河，洛河二級(jí)支流沮河橫穿礦區(qū)中部。

圖1 黃陵礦區(qū)地形地貌與地表水系分布圖

3.2 礦井主要含水層組

全新統(tǒng)沖、洪積層孔隙潛水含水層：主要分布于沮水河谷一級(jí)階地與河床地帶，厚0～8.87 m，巖性為沖積亞砂土、亞粘土、細(xì)砂、砂粒石層。礫石分選性差，粒徑一般2～8 cm，大者可達(dá)20 cm，水位埋深1～2 m。該層屬中等富水的孔隙潛水含水層。

上、中更新統(tǒng)黃土裂隙孔隙含水層：該層主要分布于山梁坡地，厚度0～77.90 m，巖性由灰黃色、棕黃色亞砂土、亞粘土組成。中下部含鈣質(zhì)結(jié)核層，同時(shí)夾數(shù)層棕紅色亞粘土、粘土層與古土壤層，大孔結(jié)構(gòu)，垂直裂隙發(fā)育，立壁性能好，地表形成許多黃土梁、黃土橋、黃土懸谷等黃土地貌景觀。

白堊系下統(tǒng)華池組裂隙含水層：該層分布于梁峁地帶，厚0～274.81 m，巖性上部以粉砂巖為主，中夾泥巖與砂質(zhì)泥巖，下部以細(xì)砂巖為主，夾泥巖、粉砂巖。砂巖鈣質(zhì)膠結(jié)，質(zhì)脆。該層細(xì)砂巖裂隙發(fā)育，但很少切穿泥巖，裂隙中部分被石膏充填。該層泉點(diǎn)甚多，流量0.014～0.2 L/s。

白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖裂隙孔隙含水層：該層基本全區(qū)分布，厚0～276.94 m。巖性以棕紅色、磚紅色中粒砂巖為主，中夾泥巖、粉砂巖層。分選性好，次棱角狀，接觸式泥鈣質(zhì)膠結(jié)，松散，收斂型板狀交錯(cuò)層理發(fā)育，風(fēng)化成粉、細(xì)砂。該層泉水甚多，流量0.015～1.296 L/s。

侏羅系中統(tǒng)直羅組下段含水層：該層全區(qū)分布，厚度43.23～91.80 m，一般厚度60 m左右。巖性頂部灰綠色、灰色泥巖、粉砂巖，中、下部以灰白色中、粗粒砂巖為主，底部為細(xì)礫巖或含礫粗砂巖，該層俗稱“直羅砂巖”。

3.3 礦井主要隔水層組

侏羅系中統(tǒng)直羅組上段相對(duì)隔水層：該層全區(qū)分布，厚度33.36～154.18 m，巖性上部淺藍(lán)、紫灰色、雜色泥巖、粉砂巖，夾細(xì)砂巖條帶，下部中粒砂巖與粉砂巖、泥巖互層，底部粗砂巖到細(xì)礫巖，分選性差，接觸-空隙式泥鐵質(zhì)膠結(jié)。該層厚度大，分布穩(wěn)定，巖性以泥巖、粉砂巖為主，富水性極弱，可作為上、下含水層的相對(duì)隔水層。

侏羅系中統(tǒng)延安組上部相對(duì)隔水層：該層全區(qū)分布。厚度3.33～102.83 m，巖性以深灰色、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，夾細(xì)砂巖，厚度由南向北加厚。簡(jiǎn)易水文觀測(cè)未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，證實(shí)該層含水十分微弱或不含水。該層厚度大，分布穩(wěn)定，是直羅組下段與煤系含水層的穩(wěn)定隔水層。

侏羅系中統(tǒng)延安組下部與富縣組相對(duì)隔水層：延安組下部為2#煤底板以下延安組地層，延安組下部厚度0.40～26.70 m，一般厚度3 m左右。該層巖性主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖組成。富縣組厚度0～40.70 m，南部缺失，北部加厚，巖性由雜色泥巖、粉砂巖組成，具滑面。該層富水性極弱，可作為相對(duì)隔水層。

4 礦井充水條件分析

4.1 充水水源分析

大氣降水：大氣降水是地下水及地表水的補(bǔ)給來(lái)源，因此，礦床充水都直接或間接與大氣降水有關(guān)。據(jù)延安地區(qū)大氣降水資料顯示，降雨多集中在6～9月份。通過(guò)分析礦井涌水量與延安地區(qū)大氣降水之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。礦井涌水量與降雨量的變化趨勢(shì)一致，大氣降水可能會(huì)通過(guò)導(dǎo)水裂隙、廢棄老窯巷道等直接涌入井下，成為礦井的直接充水水源[8]。另外，本區(qū)內(nèi)各含水層在井田及其周邊均有不同程度的出露，大氣降水可通過(guò)補(bǔ)給含水層而成為礦井充水的間接水源。

圖2 礦井涌水量與降水量相關(guān)曲線

地表水：井田及其周邊地表水主要有秋林子溝、曹家峪溝、西房溝、沮水河和南川河?！叭郎稀眱?nèi)均有溪水流出，常年不斷，但流量甚微，隨季節(jié)變化而變化?！皟珊印焙铀髁渴芗竟?jié)性降水的影響較大，枯水季節(jié)與豐水季節(jié)流量變化懸殊[9-11]。

井田水：井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，主釆煤層的直接充水含水層為上覆砂巖含水層，富水性弱-中等，地下水補(bǔ)給條件一般。而礦井水文地質(zhì)變化規(guī)律依地層巖性組成而定，本區(qū)地層巖性以中生代的粗、細(xì)粒砂巖與粉砂巖、泥巖相間的碎屑巖類組成。區(qū)內(nèi)地下水可分為2種類型，即第四系松散層孔隙裂隙潛水和基巖裂隙孔隙層間水。

4.2 充水通道分析

目前紅石巖煤礦開(kāi)采顯現(xiàn)的導(dǎo)水通道主要有煤層采動(dòng)裂隙、廢棄小窯采空區(qū)及井筒，其次為含水層空隙(包括孔隙和裂隙)。潛在導(dǎo)水通道主要是封閉不良鉆孔。

采動(dòng)裂隙：根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》及本區(qū)煤層頂板巖層的工程地質(zhì)特征[12]，2#煤層開(kāi)采后，其開(kāi)采冒落帶、采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶最大高度按堅(jiān)硬類巖石的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即

(1)

(2)

式中：Hm—冒落帶最大高度，m；HLi—導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；∑M—累計(jì)采厚，m。依據(jù)紅石巖煤礦目前的采煤方法，采煤最大高度按3.5 m計(jì)算。根據(jù)礦井地質(zhì)資料，2#煤層的開(kāi)采冒落帶發(fā)育高度在5.43～17.49 m之間，平均13.49 m；采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度在31.21～66.12 m之間，平均55.07 m。其余導(dǎo)水裂隙帶幾乎全部發(fā)育至直羅組砂巖含水層，未導(dǎo)通至洛河砂巖含水層。

廢棄小窯采空區(qū)及井筒：紅石巖井田及其周邊存在眾多廢棄小窯，并與淺部二、七采區(qū)采空區(qū)相互貫通。主、副井筒也有較大范圍位于小窯破壞區(qū)內(nèi)，巖體破壞嚴(yán)重。因此，一旦雨季來(lái)臨，地表水體水位上漲，地表水可能會(huì)沿著采空區(qū)或主、副井筒涌入井下，成為礦井的直接充水通道。另外，秋林子災(zāi)害治理區(qū)采煤坑遺留殘坑，曹家峪災(zāi)害治理區(qū)露天采煤坑，均未及時(shí)回填夯實(shí)，雨季時(shí)可能成為礦井涌水的直接導(dǎo)水通道[13-14]。

含水層空隙及裂隙：各含水層中均不同程度地發(fā)育有孔隙和裂隙，它們是保持含水層內(nèi)水力聯(lián)系的通道，當(dāng)采礦揭穿含水層時(shí)，這些孔隙和裂隙也必然成為地下水向礦坑充水的直接通道[15]。

4.3 充水強(qiáng)度分析

礦井充水強(qiáng)度主要決定于地質(zhì)構(gòu)造以及煤層頂板以上含水層的富水性、厚度及導(dǎo)水裂隙溝通各含水層的程度、采煤方式、開(kāi)采強(qiáng)度和大氣降水特征等因素[16]。

根據(jù)礦井涌水量與煤炭產(chǎn)量、采空面積分析，如圖3、4所示，礦井涌水量與煤炭產(chǎn)量變化趨勢(shì)一致，而與月采空面積和累計(jì)采空面積關(guān)系不大。而在雨季，由于受大氣降水和地表水體的影響，礦井涌水量明顯加大。由此可知，礦井涌水量的多少是由大氣降水、地表水體和煤炭產(chǎn)量共同作用的結(jié)果。礦井在未來(lái)開(kāi)采過(guò)程當(dāng)中，隨著煤炭產(chǎn)量的加大，破壞區(qū)面積的增大，導(dǎo)水裂隙帶高度的增大，礦井涌水量會(huì)進(jìn)一步增加，礦井充水強(qiáng)度也必然會(huì)增大。

圖3 礦井涌水量與煤炭產(chǎn)量關(guān)系曲線

圖4 礦井涌水量采空面積關(guān)系曲線

5 結(jié)論

(1)紅石巖煤礦劃分為5個(gè)含水層，有孔隙潛水含水層和基巖裂隙含水層兩種類型。受采掘破壞或影響的含水層主要有：第四系孔隙潛水含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組下段砂巖裂隙含水層、侏羅系中統(tǒng)延安組中部砂巖裂隙含水層。

(2)礦井主要充水水源有大氣降水、地表水、地下水和采空區(qū)積水；礦井充水通道主要有煤層采動(dòng)裂隙、含水層空隙(包括孔隙和裂隙)和廢棄小窯采空區(qū)及井筒等，潛在導(dǎo)水通道主要是封閉不良鉆孔。

(3)紅石巖煤礦井田邊界全部為人為邊界，上部層間水由北西向南東方向徑流、下部層間水向向斜軸部徑流。大氣降水是該區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源。紅石巖煤礦礦井正常涌水量基本維持在310 m3/h左右，最大涌水量在379 m3/h左右。

(4)礦井在未來(lái)開(kāi)采過(guò)程當(dāng)中，隨著煤炭產(chǎn)量的加大，采空區(qū)面積和導(dǎo)水裂隙帶高度的增大，礦井涌水量會(huì)進(jìn)一步增加，礦井充水強(qiáng)度也必然會(huì)增大。