織金縣戴家田煤礦突水危險(xiǎn)性分析

艾燦偉

（貴州省煤田地質(zhì)局一七四隊(duì)）

關(guān)于煤礦充水因素及突水危險(xiǎn)性分析，潘懋等［1］對斷層帶中的礦層與巖溶直接接觸而導(dǎo)致巖溶水向礦層突水作了分析；胡常清等［2］詳細(xì)調(diào)查了唐山市錢家營礦水文地質(zhì)條件，對煤層底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行了分析；畢堯山［3］對煤層頂板涌（突）水特征進(jìn)行研究，得出煤層頂板涌（突）水的發(fā)生與斷裂構(gòu)造的發(fā)育程度有關(guān)；程培毅［4］通過五輪山煤礦鉆孔資料，研究了各煤層與層間巖性組合分布特征；宋文成等［5］通過理論計(jì)算與分析，得出煤層底板預(yù)先破壞突水部位；張珺［6］采用突水系數(shù)法，確定了煤層開采的安全下限；魯亮等［7］通過對開采下組煤有影響的主要含水層的威脅程度進(jìn)行了分析，得出突水危險(xiǎn)區(qū)域。通過對煤礦底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，提出合理的水害防治措施［8-10］。因此，通過對戴家田煤礦突水危險(xiǎn)性分析，為礦井防治水工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

1.1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件概況

礦區(qū)位于八步向斜的揚(yáng)起端北西翼，被北東東向的BaF4正斷層切割為南、北兩盤，總體構(gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造，BaF4斷層上盤（北盤）的地層走向近南北、傾向東、傾角15°～24°；BaF4斷層下盤的地層走向北東、傾向東、傾角25°～50°。礦區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)斷層34條。整個(gè)礦區(qū)屬于八步向斜匯水單元。向斜軸部及兩翼都發(fā)育嘉陵江組地層，巖溶發(fā)育，以巖溶侵蝕、溶蝕地貌為主。最高點(diǎn)位于礦區(qū)西南部老鷹巖山頂，海拔標(biāo)高+1 623.60 m；最低點(diǎn)位于礦區(qū)外側(cè)東部高家橋小河，海拔標(biāo)高+1 245 m，相對高差378.60 m，屬低中山山地地形。礦區(qū)地表分水嶺為南西部老鷹山頂—大箐山頂—東部外側(cè)峰子巖山頂一線。礦區(qū)內(nèi)地表水最后匯入六沖河，屬長江流域?yàn)踅盗鶝_河支流。當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面為高家橋小河河谷，侵蝕標(biāo)高+1 245 m。

1.2 水文地質(zhì)特征

1.2.1 礦區(qū)地層含（隔）水性特征

水性區(qū)內(nèi)及周邊地表出露的地層富水性（由老至新）：二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m）巖溶強(qiáng)含水層，二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組（P3em）基巖裂隙弱含水層、龍?zhí)督M（P3l）基巖裂隙弱含水層、長興組（P3ch）裂隙巖溶強(qiáng)含水層，三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組一段（T1f1）基巖裂隙弱含水層、飛仙關(guān)組二至四段（T1f2-4）巖溶強(qiáng)含水層、飛仙關(guān)組五至六段（T1f5-6）基巖裂隙弱含水層、嘉陵江組（T1j）巖溶強(qiáng)含水層和第四系地層（Q）孔隙水。構(gòu)造綱要圖及水文地質(zhì)圖見圖1，水文綜合柱狀圖見圖2。

1.2.2 礦區(qū)水文地質(zhì)勘查類型

礦區(qū)礦體大部分位于最低侵蝕基準(zhǔn)面（+1 245 m）以下。礦區(qū)地形不利于地表水排泄。本區(qū)直接充水含水層為龍?zhí)督M，含水性弱；上覆飛仙關(guān)二至三段、嘉陵江組及關(guān)嶺組二段均為強(qiáng)含水層，為間接充水含水層，含水性較強(qiáng)。地表無較大自然及人工水體，且有相對較好的飛仙關(guān)一段作為相對隔水層，正常情況下，上述含水層對礦井充水影響不大。龍?zhí)督M底部的茅口組，含水性強(qiáng)，且被礦區(qū)內(nèi)斷層切割，將茅口組地層與龍?zhí)督M地層連通，使得茅口水上竄進(jìn)入龍?zhí)督M，形成底板突水。大氣降水為地表水、地下水主要補(bǔ)給來源。本區(qū)水文地質(zhì)類型屬以頂?shù)装宄渌牧严稁r溶充水礦床，水文地質(zhì)條件為中等，水文地質(zhì)勘查類型為二類二型。

1.3 煤層發(fā)育特征

龍?zhí)督M（P3l）為本礦區(qū)含煤地層，含可采煤層7層，至上而下編號(hào)為6、7、14、16、21、27及32號(hào)，均屬大部可采、較穩(wěn)定煤層。

2 礦井充水因素分析

2.1 充水水源

2.1.1 大氣降水

大氣降水為礦區(qū)內(nèi)地下水及地表水的主要補(bǔ)給來源，地形地貌不利于地表水自然排水。礦區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，且切割較深，大氣降水在地表匯集后容易通過斷層破碎帶進(jìn)入地下，間接影響礦井充水，為礦井間接充水水源。因此，大氣降水對礦區(qū)充水影響較為明顯。

2.1.2 地表水

礦區(qū)內(nèi)發(fā)育較大的地表河流1條，溪溝2條，即高家橋小河、新場小溪、下寨小溪。

（1）高家橋小河。屬季節(jié)性小溪，雨季暴漲，旱季暴跌。該河流在礦區(qū)南部邊界外被BaF1斷層2次切割，在礦區(qū)內(nèi)馬鞍山山腳被F8斷層切割，而BaF1斷層和F8斷層在縱向上切割了礦區(qū)內(nèi)幾乎所有的地層，該河流可以通過斷層破碎帶進(jìn)入地下，因此高家橋小河對礦井充水影響大，為未來礦井間接充水水源。

（2）下寨小溪。為季節(jié)性溪流，豐水期水量較大，貧水期河床干枯無水。該溪流在戛泥下寨一帶逕流后，于巖腳處由落水洞進(jìn)入地下，進(jìn)入地下后通過BaF4斷層的破碎帶，沿著巖層層面向八步向斜軸部匯聚，因此該溪流對礦井充水影響也較大。為未來礦井間接充水水源。

（3）新場小溪。補(bǔ)給來源主要為煤窯水、大氣降水、地表泉水。屬季節(jié)性小溪，雨季暴漲，旱季暴跌，甚至干涸。該溪溝流經(jīng)煤層露頭及BaF2帶，可以通過淺部煤層及斷層破碎帶進(jìn)入礦井，對未來礦井影響有一定影響，為未來礦井間接充水水源。

上述礦區(qū)內(nèi)地表水對未來礦井充水有一定的影響。

2.1.3 地下水

（1）嘉陵江組、飛仙關(guān)二至四段巖溶發(fā)育，地下水豐富。但由于飛仙關(guān)一段富水性弱，是相對較好的隔水層，從這方面看其上覆地層地下水對礦井充水影響較小；但從另一方面，礦區(qū)多條斷層切割該地層至含煤地層，使得含水層與含煤地層對接，上覆地層中的地下水通過斷層破碎帶進(jìn)入煤層，直接影響礦井充水。上覆地層中的巖溶地下水對礦井充水的影響仍然較大。

（2）長興組富水性強(qiáng)，裂隙巖溶較發(fā)育，為含煤地層上覆地層，與之呈假整合接觸。根據(jù)下文分析，裂隙巖溶水會(huì)通過冒落導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入未來礦井，為未來礦井的直接充水水源，對未來礦井充水影響大。

（3）龍?zhí)督M富水性弱，具有一定的含水性，但因礦體直接分布于該地層中，故該地層是礦井的直接充水含水層，其地下水為未來礦井直接充水水源，其自身的裂隙水對礦井造成直接充水。

（4）茅口組地層下伏于含煤地層中，地層厚度為380 m左右，含巖溶管道水，富水性極強(qiáng)，礦區(qū)內(nèi)多條斷層將茅口組地層與龍?zhí)督M連通，使得茅口水直接進(jìn)入煤層中或通過斷層破碎帶進(jìn)入煤層中。因此，茅口組地下水對礦井影響巨大，為未來礦井間接或直接充水水源。

2.2 充水途徑

礦區(qū)內(nèi)斷層較發(fā)育，部分?jǐn)鄬右褟牡乇砬懈钪撩┛诮M地層，地表水及地下水可以通過斷層帶向礦井充水，故斷層帶將成為礦井充水的通道；而礦區(qū)各地層淺部巖石風(fēng)化裂隙發(fā)育，風(fēng)化裂隙是大氣降水補(bǔ)給充水含水層的主要通道，也是地表水或老窯水滲入礦井的通道，同時(shí)也是充水含水層的基巖裂隙水流入井巷的通道；未來采礦活動(dòng)產(chǎn)生的冒落導(dǎo)水裂隙也將成為地表水、上覆巖層地下水或老窯水滲入礦井的通道。封閉不良的鉆孔亦是地表水或地下水進(jìn)入礦井的通道。

3 突水危險(xiǎn)性分析

3.1 先期開采地段煤層頂、底板突水危險(xiǎn)性分析

3.1.1 頂板突水危險(xiǎn)性分析

煤礦采用冒落放頂?shù)姆绞焦芾聿煽諈^(qū)頂板，未來礦井在最上一層可采煤層（6號(hào)煤層）時(shí)，必然形成的冒落導(dǎo)水裂隙帶，其高度計(jì)算如下。

式中，Hf為冒落導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；M為6號(hào)煤層平均厚度2.96 m；n為煤層層數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，冒落導(dǎo)水裂隙帶最大高度為46.79 m。含煤地層上覆地層長興組富水性強(qiáng)，底界距最上一層可采煤層（6號(hào)煤層）平均高度為28.30 m，小于冒落導(dǎo)水裂隙帶最大高度，故未來礦井在開采過程中引起的冒落導(dǎo)水裂隙帶會(huì)延伸至長興組地層，長興組地層裂隙巖溶水會(huì)沿著導(dǎo)水裂隙帶對礦井直接充水、甚至突水。

3.1.2 底板突水危險(xiǎn)性分析

根據(jù)1005號(hào)孔抽水試驗(yàn)資料顯示，該孔揭露茅口地層57.60 m，抽水試驗(yàn)段為36.34 m。靜止水位標(biāo)高為1 309.82 m，最大降深為53.12 m，滲透系數(shù)為0.053 8 m/d。先期開采地段煤層最低標(biāo)高+1 000 m，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，先期開采地段內(nèi)茅口組頂板至32號(hào)煤底板最大厚度為47.87 m（1301號(hào)鉆孔），平均厚度為26.55 m，先期開采地段茅口組頂界最低標(biāo)高為+973.45 m，因此茅口組地層頂?shù)椎膶?shí)際水頭高度為336.37 m，故水頭壓力為3.36 MPa。采用底板為砂泥巖的底板突水系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

式中，TS為突水系數(shù)，MPa/m；P為隔水層承受的水壓，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

由于礦區(qū)內(nèi)小構(gòu)造發(fā)育，對可采煤層底板造成一定的破壞，故TS取值臨界值0.06 MPa/m、P=3.36 MPa，經(jīng)計(jì)算，可采煤層板突水安全厚度M為56 m，故先期開采地段要抵抗茅口組水頭，隔水底板厚度應(yīng)大于56 m。根據(jù)所施工鉆孔的27、32號(hào)煤層距茅口組頂板厚度的統(tǒng)計(jì)，見表1。

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結(jié)合茅口組頂界距可采煤層的厚度，煤層底板突水危險(xiǎn)性分析如下。

（1）32號(hào)煤層距茅口組頂界隔水巖層厚度為16.48~47.87 m，小于隔水底板安全厚度56 m，要抵抗茅口組巖溶水對底板突水的最小壓力為P=0.06×16.48=0.99 MPa，其突水標(biāo)高H=1 309.82-99=1 210.82 m，由此，在先期開采地段內(nèi)，未來礦井開采至標(biāo)高1 210.82 m以下的32號(hào)煤層時(shí)，茅口組巖溶水會(huì)對底板突水。

（2）27號(hào)煤層距茅口組頂界隔水巖層厚度為47.48~60.63 m，平均60.63 m，厚度小于隔水底板安全厚度56 m的地段，要抵抗茅口組巖溶水對底板突水的最小壓力為P=0.06×47.48=2.85 MPa，其突水標(biāo)高H=1 309.82-285=1 024.82 m，說明先期開采地段內(nèi)，未來礦井開采至標(biāo)高1 024.82 m以下的27號(hào)煤層時(shí)，應(yīng)注意茅口組巖溶水對底板突水。

3.2 老窯及老采空區(qū)突水地帶分析

20世紀(jì)90年代左右，礦區(qū)西部煤層露頭分布著眾多老窯，主要開采的是6、7、16和27號(hào)煤層，一般從煤層露頭處沿煤層傾向或煤層底板掘進(jìn)20～50 m之后，再順煤層走向開采100～200 m后停采。且大多數(shù)老窯已形成一定面積的采空區(qū)，并存在一定的積水量，未來礦井掘進(jìn)到老窯附近地帶時(shí)，老窯積水可對礦井進(jìn)行充水，甚至突水，為未來礦井水害之一。

3.3 斷層帶突水分析

（1）BaF2斷層出露于礦區(qū)北邊界牛角沖—白洞—毛稗沖一線，延伸長度4.60 km。傾角38°～84°，最大平距位移450 m，落差85 m。該斷層斷裂帶大，落差高，斷層的導(dǎo)水性強(qiáng)。橫向上該斷層過石梯子—牛角沖—白洞一帶，這一地帶都屬于低洼積水地帶。地表水及上覆地層中的地下水沿?cái)鄬訋нM(jìn)入含煤地層，而且該斷層在深部也切斷了茅口組地層，使得茅口組地層與27、32號(hào)煤層對接，茅口組地下水可以直接向27、32號(hào)煤層充水，也可以通過斷層帶上竄至27號(hào)以上煤層，因此對未來礦井開采中礦井充水影響大，為未來礦井主要突水地帶之一。

（2）BaF4正斷層出露于礦區(qū)中部，長約為5.50 km。斷層走向北東東，傾向北西，傾角為69°～74°，落差為150 m左右。該斷層本身的導(dǎo)水性極好，將地表水及地下水串通，更有利于淺部的地下水進(jìn)入深部地層。在龍?zhí)督M底部，斷層將茅口與上覆地層連通，使得茅口組地層與14號(hào)及以下煤層對接，茅口組地下水可以直接向14號(hào)及以下煤層充水，也可以通過斷層帶上竄至14號(hào)以上煤層，因此對未來開采中礦井充水影響很大，為未來礦井主要突水地帶之一。該斷層切割各地層情況見圖3。

（3）F8正斷層在礦區(qū)內(nèi)延伸長度為1 330 m。斷層走向南西—北東向，傾向北西，傾角為48~77°，落差為45~200 m。該斷層在區(qū)內(nèi)從縱向上切割了整個(gè)二疊系及三疊系地層，造成了強(qiáng)含水層（長興大隆組及茅口組）與龍?zhí)督M地層的可采煤層對接（其中長興組與6、7號(hào)對接，茅口組與14、21、27、32號(hào)煤層對接），使得巖溶含水層中的地下水進(jìn)入煤層中，特別是茅口組地層中的地下水，還會(huì)沿著斷層帶上竄至上部煤層（6、7號(hào)煤層），對未來礦井開采礦井造成很大的影響，為未來礦井主要突水地帶之一。該斷層切割各地層之間關(guān)系見圖3。

此外，DF2、F1006-1、F1302-1、FJ201-1等正斷層均切割至茅口組地層，造成茅口組直接與27、32號(hào)煤層對接，茅口組地下水可以直接向所對接的煤層充水，也可以通過斷層帶上竄至27號(hào)以上煤層，因此，這些斷層對未來礦井開采中礦井充水影響很大。斷層帶突水分析見表2。

4 結(jié)論與防治水建議

（1）礦井是以頂?shù)装宄渌疄橹鞯牧严稁r溶充水礦床，水文地質(zhì)條件為中等，勘查類型為二類二型。

（2）老窯及老采空區(qū)積水對未來礦井突水，建議未來礦井先對其積水進(jìn)行疏干，確保無安全隱患后方可進(jìn)行掘進(jìn)開采。

（3）斷層帶上的可采煤層與茅口組接觸處的茅口組巖溶水，建議未來礦井應(yīng)預(yù)留足夠厚的隔水巖層，防止茅口組巖溶水對未來礦井突水。

（4）在先期開采地段內(nèi)，未來礦井開采至標(biāo)高1 210.82 m以下的32號(hào)煤層時(shí)，茅口組巖溶水會(huì)對煤層底板突水；在開采至標(biāo)高1 024.82 m以下的27號(hào)煤層，該煤層距茅口組頂界隔水巖層厚度一旦小于隔水底板安全厚度時(shí)，茅口組巖溶水會(huì)對煤層底板突水。建議未來礦井應(yīng)預(yù)留足夠厚的隔水巖層防止茅口組巖溶水對未來礦井突水。

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