梵王寺煤礦開(kāi)采9號(hào)煤對(duì)神頭泉域奧灰?guī)r溶水影響評(píng)價(jià)

王宗明 張振宇 張海波

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第三水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邯鄲 056006）

1 概況

神頭泉為山西省19大巖溶泉水之一，位于朔州市朔城區(qū)神頭鎮(zhèn)，泉域面積4756km2，泉群分布面積5km2，大小泉眼100余處，呈散狀排泄，主要由神頭泉組，司馬泊泉組，河道泉組3個(gè)泉組組成。神頭泉多年平均流量6.71m3/s(1956～2003)，年際泉水流量不穩(wěn)定系數(shù)為1.99，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。80年代以來(lái)，由于降水量等自然因素及人類(lèi)活動(dòng)的影響，泉水實(shí)際流量已由80年代前的7.96m3/s，減少為80年代后的5.52m3/s，2014年泉水實(shí)際流量?jī)H為3.03m3/s[1-2]。

梵王寺煤礦位于朔州市西南部，處于朔南礦區(qū)內(nèi)，隸屬于朔州市朔城區(qū)管轄。井田面積64.13km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模6.0Mt/a，4號(hào)、9號(hào)煤層為主采煤層，礦井服務(wù)年限71.99年。井田位于泉域南部巖溶水埋藏型徑流區(qū)，距泉域重點(diǎn)保護(hù)區(qū)南邊界約26km。

2 奧灰含水層特征

梵王寺煤礦奧灰水單位涌水量0.0046～1.1281L/s·m，滲透系數(shù) 0.0051～6.8963m/d，富水性由弱到強(qiáng)。由奧陶系富水性及流場(chǎng)圖（圖1）可知，井田由西南向東北，富水性由強(qiáng)到弱。奧灰水水位標(biāo)高為1051.42～1061.61m，總體流向由西南向東北徑流，其水力坡度為0.14%左右，水力坡度較緩，最終排泄于神頭泉域。

圖1 奧灰水富水性及流場(chǎng)圖

3 安全開(kāi)采評(píng)價(jià)

3.1 底板隔水層特征

神頭泉域奧陶系上馬家溝組頂部多為灰色厚層微晶、泥晶石灰?guī)r及礫屑石灰?guī)r，奧陶系灰?guī)r淺部巖溶孔隙多被充填，形成相對(duì)隔水層。通過(guò)鉆探過(guò)程發(fā)現(xiàn)裂隙及巖溶發(fā)育的深度、消耗量突變深度、測(cè)井解釋奧灰出水深度三方面來(lái)劃分奧灰頂部相對(duì)隔水層的厚度（表1），綜合分析奧水頂部相對(duì)隔水層發(fā)育厚度為9.68～55.45m。層厚度得出，由此可知，9號(hào)煤層底板隔水層厚度46.83～127.20m[3]。

表1 奧灰頂部相對(duì)隔水層厚度表（m）

3.2 安全開(kāi)采評(píng)價(jià)

3.2.1 五圖雙系數(shù)

根據(jù)“三下”采煤規(guī)范底板采動(dòng)破壞帶深度的公式：

式中：

h-底板導(dǎo)水破壞深度，m；

L-開(kāi)采工作面斜長(zhǎng)，m；

H-開(kāi)采深度，m；

a-開(kāi)采煤層傾角，(°)。

計(jì)算得梵王寺煤礦底板破壞深度為15.39～18.28m。

9號(hào)煤層底板有效保護(hù)層厚度為28.59～91.95m。最后通過(guò)三級(jí)判別可知，9號(hào)煤層在北部和西部構(gòu)造裂隙帶部分存在奧灰水直通式突水的可能性大，其他區(qū)段非直通式突水的可能性大，見(jiàn)圖2。

（1）相對(duì)安全區(qū)：9號(hào)煤層在評(píng)價(jià)區(qū)西部塊段，突水系數(shù)小于0.06MPa/m，面積為10.44km2；

（2）相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)：9號(hào)煤層在評(píng)價(jià)區(qū)北部及東南部塊段，突水系數(shù)在0.06～0.1MPa/m區(qū)間，面積為32.25km2；

（3）危險(xiǎn)區(qū)：9號(hào)煤層在評(píng)價(jià)區(qū)北部及西部構(gòu)造發(fā)育區(qū)，突水系數(shù)在0.06～0.1MPa/m區(qū)間,面積為4.80km2；在井田中西部，突水系數(shù)大于0.1MPa/m，面積為16.64km2，危險(xiǎn)區(qū)面積為21.44km2。

圖2 9號(hào)煤層底板奧灰水帶壓開(kāi)采評(píng)價(jià)分區(qū)圖

3.2.2 安全開(kāi)采評(píng)價(jià)

五圖雙系數(shù)法不僅考慮了奧灰頂部相對(duì)隔水層的存在，增加了相應(yīng)的奧灰水頭壓力，去除了煤層開(kāi)采底板破壞深度內(nèi)的隔水層厚度，更加接近煤礦開(kāi)采實(shí)際，而且對(duì)突水可能性和危害性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，對(duì)奧灰水環(huán)境的評(píng)價(jià)更加合理。

由此可以看出，梵王寺煤礦9號(hào)煤層承受的奧水水壓較大且突水危險(xiǎn)性較大，在危險(xiǎn)區(qū)開(kāi)采后，若不進(jìn)行防治水治理，將會(huì)對(duì)泉域巖溶水資源造成一定的影響，此區(qū)域?yàn)榉乐嗡攸c(diǎn)防范區(qū)域。要做到安全回采，保護(hù)水環(huán)境，不僅要對(duì)底板構(gòu)造進(jìn)行探查研究，局部區(qū)段對(duì)底板進(jìn)行注漿加固，還應(yīng)建立應(yīng)急預(yù)案[4]。

3.3 對(duì)補(bǔ)、徑、排的影響

3.3.1 對(duì)神頭泉域巖溶水補(bǔ)給的影響

神頭泉域奧灰?guī)r溶水的主要補(bǔ)給途徑為大氣降水的入滲補(bǔ)給和河流滲入補(bǔ)給，神頭泉域灰?guī)r裸露區(qū)均位于井田外圍，泉域主要滲漏河流馬營(yíng)河和馬關(guān)河距離井田較遠(yuǎn)。井田9號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為30.30～256.95m，上部二疊系地層平均厚度達(dá)340.2m，在井田西部煤層隱伏露頭部位及主要斷層處留設(shè)合理煤柱，則地表降水的滲入補(bǔ)給奧灰水的可能性較小。因此，梵王寺煤礦開(kāi)采9號(hào)煤層，對(duì)神頭泉域補(bǔ)給產(chǎn)生影響較小。

3.3.2 對(duì)神頭泉域巖溶水徑流的影響

梵王寺煤礦位于神頭泉域深部埋藏徑流區(qū)，補(bǔ)給區(qū)滲入地下后，沿層間構(gòu)造裂隙系及其他空隙向向斜核部匯集，后沿向斜核部向朔縣平原運(yùn)移。井田中部、東部區(qū)域突水系數(shù)大于底板受構(gòu)造破壞地段突水系數(shù)臨界值0.060MPa/m。在這些區(qū)域，開(kāi)采9號(hào)煤層時(shí)一旦發(fā)生奧灰水突水，將會(huì)造成新的奧灰?guī)r溶水排泄點(diǎn)，對(duì)奧灰水的水力坡度產(chǎn)生較大影響，同時(shí)對(duì)神頭泉域的徑流條件產(chǎn)生較大影響。

3.3.3 對(duì)神頭泉域巖溶水排泄的影響

梵王寺煤礦位于神頭泉域徑流區(qū)，若井田開(kāi)采9號(hào)煤層時(shí)發(fā)生較嚴(yán)重的奧灰水突水事故，造成新的奧灰?guī)r溶水排泄點(diǎn)，必將會(huì)對(duì)下游泉口排泄區(qū)泉水出流量產(chǎn)生一定的影響，突水形成的礦坑水排放對(duì)下游區(qū)水環(huán)境質(zhì)量構(gòu)成威脅，嚴(yán)重影響到泉域巖溶水資源的合理開(kāi)發(fā)與配置利用[4]。

4 防治措施

（1）按照9號(hào)煤層突水危險(xiǎn)性分區(qū)，確定合理的開(kāi)采邊界，危險(xiǎn)區(qū)嚴(yán)禁開(kāi)采。根據(jù)突水評(píng)價(jià)結(jié)果，在突水危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)禁止開(kāi)采9號(hào)煤層，在相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)不采取措施禁止開(kāi)采9號(hào)煤層。

（2）主要斷層和構(gòu)造發(fā)育地帶留足隔水煤柱，對(duì)于斷層發(fā)育導(dǎo)通奧灰水的區(qū)域留設(shè)保安煤柱或進(jìn)行水泥灌漿，在主要構(gòu)造和含水層的防隔水煤巖柱寬度為不小于20m。

（3）底板薄弱地帶進(jìn)行底板注漿加固，通過(guò)綜合物探探測(cè)底板斷層破碎帶及隔水層的位置和分布，注漿加固的目的層主要為9號(hào)煤層底板下隔水層及局部奧灰頂部相對(duì)隔水層。

（4）建立巖溶水動(dòng)態(tài)觀測(cè)網(wǎng)。①在井田內(nèi)、周?chē)臉?gòu)造復(fù)雜區(qū)及井田北部排泄區(qū)建立巖溶地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)網(wǎng)，定期采樣監(jiān)測(cè)，進(jìn)行水位、水溫、水質(zhì)監(jiān)測(cè)，定期整理研究，定期預(yù)報(bào)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)研究，并及時(shí)采取措施，盡量減小煤炭開(kāi)采對(duì)地下水的不利影響。②目前梵王寺煤礦北部有豐予煤礦、東部有麻家梁煤礦、南部有北辛窯煤礦等多個(gè)煤礦均位于神頭泉域南部徑流區(qū)，因此要定期收集、調(diào)查和核對(duì)相鄰煤礦的情況，并在專(zhuān)門(mén)的圖紙上標(biāo)出其井田位置、開(kāi)采范圍、開(kāi)采年限、水情況等，且要制定科學(xué)合理的綜合開(kāi)采方案[5]。

（5）封閉不良鉆孔，以往施工進(jìn)入奧灰地層的鉆孔，若存在封閉不良鉆孔，畢竟會(huì)成為導(dǎo)水通道。因此，對(duì)有透水威脅的鉆孔進(jìn)行啟封或者留設(shè)防水煤柱。

（6）建立突水應(yīng)急預(yù)案。神頭泉域奧灰水具有水壓大、富水性較好的特征，一旦突水會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，同時(shí)勢(shì)必會(huì)破壞神頭泉域奧灰水水環(huán)境。因此要做好突水應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)水文觀測(cè)、做好信息預(yù)警等工作。

5 結(jié)語(yǔ)

梵王寺煤礦9號(hào)煤層開(kāi)采對(duì)神頭泉域奧灰水有一定的影響。開(kāi)采9號(hào)煤層時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照突水危險(xiǎn)性分區(qū)開(kāi)采，禁止對(duì)奧灰水采用疏水降壓的方法進(jìn)行采煤，在主要導(dǎo)水?dāng)鄬恿粼O(shè)隔水煤柱，底板薄弱地段進(jìn)行注漿加固，建立井田內(nèi)外巖溶動(dòng)態(tài)觀測(cè)網(wǎng)，加強(qiáng)對(duì)底板奧灰水的防治，制定科學(xué)合理的開(kāi)采方案，保證煤礦安全生產(chǎn)，同時(shí)減少對(duì)神頭泉域水資源的影響，保護(hù)神頭泉域水資源。