小回溝煤礦煤層底板水文地質(zhì)特征及突水危險性淺析

王瑛

摘要：小回溝煤礦9號煤層為大部分地段奧陶系灰?guī)r帶壓開采煤層。本文通過分析礦井地質(zhì)條件、構(gòu)造規(guī)模、奧陶系灰?guī)r含隔水層特征、奧陶系巖溶水化學(xué)特征、含水層間水力聯(lián)系和充水條件等，初步查明了9號煤層奧灰水文地質(zhì)條件，采用突水系數(shù)法對井田內(nèi)9號煤層在帶壓范圍內(nèi)的突水危險性進行評價，為9號煤層的安全開采提供有效理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：帶壓開采；水力聯(lián)系；突水系數(shù)；突水危險性

Hydrogeological characteristics and water inrush risk of coal seam floor in Xiaohuigou coal mine

Wang Ying

No.1 Hydrogeology Team of China Coal Geology Bureau， Handan， 056004

Abstract： No.9 coal seam in Xiaohuigou Coal Mine is the coal seam mined by Ordovician limestone under pressure in most sections. In this paper， by analyzing the geological conditions， structural scale， water-resisting layer characteristics of Ordovician limestone， chemical characteristics of Ordovician karst water， hydraulic connection between aquifers and water filling conditions， etc.， the hydrogeological conditions of Ordovician limestone in No.9 coal seam are preliminarily identified， and the water inrush risk of No.9 coal seam in the mining field is evaluated by using the water inrush coefficient method， which provides an effective theoretical basis for the safe mining of No.9 coal seam.

Key words： water inrush risk of hydraulic connection water inrush coefficient in mining under pressure

1.概況

小回溝井田屬太原西山煤田的一部分，位于西山煤田清交礦區(qū)清徐勘探區(qū)的北中部和部分邢家社普查區(qū)范圍。井田面積為33.5877km2，設(shè)計可采儲量265.37Mt，礦井建設(shè)規(guī)模3.0Mt/a，礦井服務(wù)年限63.30a。開拓方式為斜井開拓，采用綜采的采煤方法，頂板管理采用全部垮落法。根據(jù)煤層賦存條件，全井田劃分為三個水平，上煤組的03、2號煤層為第一水平，水平標(biāo)高+930m；中煤組的5、6號煤層為第二水平，水平標(biāo)高+885m；下煤組的8、9號煤層為第三水平，水平標(biāo)高+835m。9號煤層為全區(qū)可采穩(wěn)定煤層。

井田地質(zhì)及水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，據(jù)以往勘查資料及周邊生產(chǎn)礦井充水特征分析，威脅煤層開采的主要含水層為中奧陶統(tǒng)灰?guī)r含水層、含煤地層中薄層灰?guī)r含水層及二疊系砂巖裂隙含水層。其中，可采煤層層間薄層灰?guī)r巖溶裂隙水和頂板砂巖裂隙水富水性弱，對煤層開采影響較小，而煤層底板奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水，因富水性不均一，帶壓高度大（9號煤底板最低點帶壓高達2.38MPa），底板隔水層變薄處、較大斷層和陷落柱等構(gòu)造地段存在潛在突水威脅，對煤礦安全開采影響較大。因此查明井田奧陶系灰?guī)r含水層的水文地質(zhì)條件，對礦井面臨的奧灰水突水危險性做出客觀的評價，提出有效的防治水措施，對今后9號煤層的安全開采意義重大。

2.地質(zhì)概況

井田地層由老至新為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（O2s）、奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）、石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）、二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2s）、二疊系上統(tǒng)石千峰組（P2sh）、三疊系下統(tǒng)劉家溝組（T1l）和第四系（Q）。井田內(nèi)含煤地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）和二疊系下統(tǒng)山西組（P1s），可采和局部可采煤層為03、2、5、6、8、9號煤，其中9號煤層位于太原組下部一段，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。

受區(qū)域構(gòu)造控制，全區(qū)總體為一走向近北東，傾向北西的單斜構(gòu)造，在此基礎(chǔ)上發(fā)育了一系列走向近南北向和北東向的寬緩波狀褶曲。起伏幅度不大，區(qū)內(nèi)地層傾角多在5°～15°之間，并伴有斷層和陷落柱。受其影響，形成了區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)狀的波狀起伏。

井田內(nèi)發(fā)育褶皺15條，物探以鉆探揭露大小斷層共101條，陷落柱102個，構(gòu)造較發(fā)育。大多數(shù)斷層、陷落柱不富水，也不導(dǎo)水。

3.含隔水層特征

3.1含水層

井田主要含水層包括：第四系松散巖類孔隙含水層、二疊系下石盒子組以上砂巖裂隙含水層、二疊系山西組砂巖裂隙含水層、石炭系太原組碎屑巖夾薄層碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層、奧陶系峰峰組及上馬家溝組碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層。本次以9號煤層底板奧陶系灰?guī)r含水層為研究對象。奧陶系灰?guī)r含水層為9號煤層的底板充水含水層，由石灰?guī)r及泥灰?guī)r構(gòu)成。根據(jù)鉆孔揭露，該地層裂隙發(fā)育較差，局部見溶孔。由于井田距邊山斷裂距離較遠，富水層整體較弱。根據(jù)鉆孔抽水資料顯示，統(tǒng)一口徑單位涌水量0.00003L/s·m～0.00239L/s·m，滲透系數(shù)0.0007m/d～ 0.00372m/d，富水性弱。

根據(jù)水質(zhì)化驗資料分析，水中K++Na+、Ca2+、HCO3-、SO42-離子含量均較高。其中，K++Na+含量40.2mg/l～508.98mg/l，Ca2+含量6.87mg/l～132.13mg/l；SO42-含量85.61mg/l～828.96mg/l，HCO3-含量32.09mg/l～417.17mg/l。礦化度222.43mg/l～ 1711.98mg/l，總硬度24.78mg/l～406.32mg/l，pH值7.1～9.79，地下水水化學(xué)類型為SO4·HCO3—Na、SO4—Na、SO4·HCO3—Ca·Na、SO4·HCO3—Ca、SO4—Na·Ca型。奧陶系陽離子Ca、Na離子含量較大，Mg離子含量較低；陰離子Cl離子含量較低，SO4離子含量較高。平面上SO4離子含量和礦化度由西北向東南未顯示增高的趨勢，相反是逐漸減少，表明奧灰水在本井田水交替不積極、富水性差的特點。

3.2隔水層

9號煤底板隔水層脆性巖與塑性巖軟硬交互發(fā)育，其中太原組底部的K1砂巖和本溪組中上部砂巖、下部泥灰?guī)r和底部鐵質(zhì)粉砂巖（山西式鐵礦）等脆性巖石，力學(xué)強度高，抗水壓能力強，隔水消壓能力弱；而層間泥巖類隔水消壓能力較強，抗水壓能力強。軟硬互層組合隔水性能較好。

3.3奧陶系灰?guī)r含水層與各含水層間的水力聯(lián)系

奧陶系與太原組底界距離為10.8m～59.3m，隔水層厚度4.75m～51.3m，主要為本溪組鋁質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖，且軟硬巖石交互發(fā)育，隔水性能良好；奧陶系與二疊系山西組K3砂巖距離為91.55m～135.4m，隔水層厚度較大。

根據(jù)抽水資料，二疊系含水層混合抽水水位標(biāo)高+1230.158～+1478.965m，石炭系太原組含水層水位標(biāo)高+928.15～+1308.367m，奧陶系含水層水位標(biāo)高+845～+905m，奧陶系與其他含水層水位標(biāo)高差值較大。

據(jù)井田內(nèi)本次及以往的水質(zhì)資料分析，奧陶系與上部各含水層水化學(xué)特征有顯著差異。井田內(nèi)各系組水質(zhì)離子含量由上向下依次增大，礦化度依次增大，pH值依次增大，二疊系水屬中性偏弱堿水，石炭系水屬弱堿水，奧陶系水比石炭系水堿性更強。

由于奧陶系與各含水層之間隔水層厚度較大，水位標(biāo)高差值較大，水化學(xué)特征差別較大，因此奧陶系灰?guī)r與上部各含水層在正常地段基本不存在水力聯(lián)系，構(gòu)造帶可通過裂隙發(fā)生水力聯(lián)系。

4.充水條件分析

經(jīng)計算，井田內(nèi)9號煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為33.05m～73.48m，大部分地段導(dǎo)水裂縫帶溝通6號煤及太原組上部的主要含水層。因此9號煤頂板直接充水水源為9號煤導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育范圍內(nèi)太原組含水層；間接充水水源為山西組含水層。山西組及太原組富水性弱，但不排除在構(gòu)造地段存在富水性較好的地段，因此頂板水對9號煤正常地段開采影響不大，構(gòu)造地段產(chǎn)生一定的影響。

9號煤的底板充水水源為奧陶系灰?guī)r水，為間接充水水源。奧陶系灰?guī)r含水層水位標(biāo)高+845m～+905m，統(tǒng)一口徑單位涌水量0.00003L/s·m～0.00239L/s·m，9號煤底板標(biāo)高為+670m～+890m，9號煤為全井田大部分地段奧陶系灰?guī)r帶壓開采。本文著重對9號煤層底板奧灰?guī)r溶水突水危險性進行評價分析。

井田內(nèi)構(gòu)造較發(fā)育，共發(fā)褶曲15條、斷層101條、陷落柱102個，根據(jù)現(xiàn)有資料，尚未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水構(gòu)造。

5.煤層底板涌突水危險性評價

本次采用突水系數(shù)法對井田內(nèi)9號煤層在帶壓范圍內(nèi)的突水危險性進行評價。突水系數(shù)法主要考慮煤層底板隔水層厚度和水壓兩個因素。根據(jù)《煤礦防治水細則》，突水系數(shù)計算公式為：

5.1煤層帶壓范圍

根據(jù)井田內(nèi)及周邊礦井鉆孔奧灰水位數(shù)據(jù)，推測小回溝井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高+845～+905m；根據(jù)各煤層底板標(biāo)高等值線圖推測，井田內(nèi)9號煤底板標(biāo)高為+670～+890m，9號煤除了井田東北角局部屬于非帶壓區(qū)外，其他大部分為帶壓區(qū)。

5.2參數(shù)確定

本次突水系數(shù)計算，采用了終孔層位揭露奧灰地層的鉆孔，各鉆孔的水位標(biāo)高為本次推測的井田奧灰水位標(biāo)高。隔水層厚度采用9煤層底板至奧灰界面的距離。水頭壓力為9煤層底板至奧陶系灰?guī)r頂板之間的隔水層承受的水壓值。

根據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計，煤層底板隔水層承受的水壓值為0.4492MPa～2.8249MPa。井田內(nèi)煤層底板隔水層承受的水壓分布情況由東向西逐漸增大。9號煤層底板隔水層厚度一般為48.36m～75.35m，平均厚度62.31m，隔水層厚度由西南向中北部逐漸變厚。

5.3煤層底板奧陶系灰?guī)r巖溶水突水危險性評價

根據(jù)煤層底板隔水層承受的水壓與隔水層厚度，計算奧灰突水系數(shù)。井田9號煤帶壓范圍內(nèi)突水系數(shù)最大值為0.0562MPa/m。各煤層突水系數(shù)整體由東向西逐漸增大（見圖1）。

按《煤礦防治水細則》，底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06MPa/m，正常塊段不大于0.1MPa/m劃分標(biāo)準(zhǔn)，9煤層帶壓開采范圍內(nèi)奧陶系灰?guī)r含水層突水危險性屬于相對安全區(qū)（淺黃色區(qū)域）。

6.結(jié)論

本次通過突水系數(shù)法對小回溝煤礦9號煤層底板奧灰水突水危險性進行了分析和評價，評價結(jié)果為9號煤層底板奧陶系灰?guī)r水帶壓范圍內(nèi)底板突水危險性均為相對安全區(qū)。但是由于9號煤與奧灰之間隔水層相對較小，且井田內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，需要防范構(gòu)造地段突水的潛在危險性。

參考文獻：

[1]國家煤礦安全監(jiān)察局礦井防治水細則[M].北京煤炭工業(yè)出版社，2018.

[2]馬玉玲，孟宇平，王紅燕等.平朔集團公司小回溝煤礦奧灰水文地質(zhì)補充勘探報告，2019.