煤層底板水對(duì)煤層開采的內(nèi)在影響

趙建忠，劉興學(xué)，哈斯特爾·胡完

（新疆哈密三塘湖能源開發(fā)建設(shè)有限公司，新疆 哈密 839000）

我國(guó)是一個(gè)煤炭資源豐富的國(guó)家，在煤炭開采過程中，突水頻率與水害事故居高不下，水害是煤礦安全生產(chǎn)重大災(zāi)害之一。伴隨著露天煤礦采深的增加，地下含水層逐步揭露。在開采過程中若遇到礦區(qū)涌水量大、煤層底板突水系數(shù)逐漸增大的問題，將對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)造成極為不利的影響[1-3]。

以石頭梅一號(hào)露天煤礦為例，從含水層、隔水層和以往抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)等方面，研究9－1 煤層底板水文地質(zhì)條件[4-5]，并結(jié)合采礦現(xiàn)狀地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況，辨識(shí)9－1 煤層底板水突水的危險(xiǎn)源，根據(jù)9－1 煤層底板巖石物理力學(xué)特征、構(gòu)造發(fā)育狀況以及涌水量等，評(píng)價(jià)9－1 煤層底板水的危險(xiǎn)性。為露天采場(chǎng)水害防治提供一定依據(jù)，從而降低煤層開采的水害事故。

1 礦區(qū)地質(zhì)

三塘湖石頭梅一號(hào)露天煤礦礦區(qū)位于石頭梅凸起西南部，夾于漢水泉凹陷和條湖凹陷之間，已查明發(fā)育斷層5 條，構(gòu)造屬簡(jiǎn)單型。正斷層屬于張性斷裂透水性強(qiáng)，逆斷層屬于壓性斷裂透水性弱。

三塘湖石頭梅一號(hào)露天煤礦礦區(qū)沉積特點(diǎn)為古生代－中新生代陸相沉積，地層主要有三疊系（T）、侏羅系（J）、新近系（N）、第四系（Q）。

1）三疊系。以湖泊相沉積為主，夾河流相、泥炭沼澤相沉積，為非含煤沉積。巖性為紅棕色泥巖與灰綠色粉砂巖互層。厚層砂礫巖與上覆侏羅系地層整合接觸。

2）侏羅系。侏羅系在本區(qū)發(fā)育下侏羅統(tǒng)八道灣組（J1b）、三工河組（J1s）及中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）、頭屯河組（J2t）。從侏羅世中晚期開始沉積，八道灣后期沉積較少，以辮河狀沉積為主；三工河期，隨著水位的上升，轉(zhuǎn)變?yōu)楹I相；西山窯期，伴隨著基底上升，盆地準(zhǔn)平原化。以曲流河相沉積為主，河岸沼澤沉積了巨厚煤層，古氣候向干旱－半干旱沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變，形成紅綠相間為特征的沉積組合。其中西山窯組（J2x）為礦區(qū)的含煤地層。具體為：①下侏羅統(tǒng)八道灣組（J1b）：下侏羅統(tǒng)八道灣組為辮河狀相沉積，廣泛分布于礦區(qū)內(nèi)，巖性以深灰色粉砂巖、灰黑色泥巖為主，夾薄層中砂巖、砂礫巖、炭質(zhì)泥巖，地層平均厚度139.35 m，地層厚度總體呈西薄東厚的趨勢(shì)，根據(jù)以往鉆探資料顯示，該組地層不含煤，與下伏三疊系上統(tǒng)郝家溝組整合接觸；②下侏羅統(tǒng)三工河組（J1s）：下侏羅統(tǒng)三工河組為辮狀河、湖濱相沉積，廣泛分布于勘查區(qū)內(nèi)部，主要巖性以灰色粉砂巖、泥巖、砂巖與砂礫巖不等厚互層，局部夾炭質(zhì)泥巖和薄煤層，地層平均厚度93.81 m，地層厚度總體趨勢(shì)變化不大，與下伏八道灣組呈整合接觸；③中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）：主要為湖沼相沉積，廣泛分布于勘查區(qū)內(nèi)部，巖性上粗下細(xì)，為本區(qū)的含煤地層，巖性以灰色、淺灰、灰綠色的粉細(xì)砂巖為主，灰白中粗砂巖、砂礫巖次之，可見植物化石碎片及少量暗色礦物，地層平均厚度272.99 m，該地層為礦區(qū)含煤地層，含煤9 層，與下伏三工河組呈整合接觸。

3）新近系。為內(nèi)陸湖相沉積，主要有礫巖、泥巖、鈣質(zhì)結(jié)核等。巖性上部為紅色泥巖、紫紅色粉砂質(zhì)泥巖組成；下部為灰白色鈣質(zhì)礫巖，夾具明顯棱角狀的灰白色鈣質(zhì)團(tuán)塊。地層厚度總體變化趨勢(shì)為南薄北厚、西薄東厚。與下覆侏羅系地層不整合接觸。

4）第四系。在礦區(qū)大面積第四系覆蓋，巖性為灰色洪積礫石層，未膠結(jié)，一般層理不清。地層總體呈西薄東厚、南薄北厚的趨勢(shì)。

2 水文地質(zhì)

石頭梅煤礦位于三塘湖盆地水文地質(zhì)單元的排泄區(qū)，地下水類型包括基巖裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙承壓水及多層結(jié)構(gòu)的松散巖類孔隙潛水－碎屑巖類孔隙裂隙承壓水，富水性變化較大。礦區(qū)南側(cè)為西南逆沖推覆，南側(cè)山前斷裂接受山區(qū)地表、地下水的側(cè)向補(bǔ)給。山區(qū)地下水通過側(cè)向徑流的形式向平原區(qū)排泄，平原區(qū)地下水除接受山區(qū)地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給外，還接受河流入滲和暴雨洪流的入滲補(bǔ)給；山區(qū)及山前洪積平原的洪流對(duì)盆地地下水亦有一定的補(bǔ)給。

2.1 煤層底板水文地質(zhì)條件

9－1 煤層地板水位于侏羅系西山窯組下段碎屑巖類孔隙、裂隙弱富水性含水層。該含水層巖性以灰色、深灰色中、粗砂巖及砂礫巖為主，該含水層厚度3.84～103.07 m，平均厚度37.51 m。該含水層為煤系地層主要含水層，據(jù)以往抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)反映：?jiǎn)挝挥克繛?.002 3～0.005 1 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.001～0.008 5 m/d，水位埋深為28.1～59.97 m，自然水位標(biāo)高為717.146～782.824 m，具有一定承壓性。水質(zhì)為微咸水－半咸水，中性水－弱堿性水，為SO4·Cl－Na 型水，為含煤地層直接充水含水層。

在采掘場(chǎng)不斷降深過程中，煤層底板與此承壓含水層頂界面之間巖層厚度逐漸變薄，突水系數(shù)逐漸增大。根據(jù)以往9－1 煤層底板施工鉆孔數(shù)據(jù)顯示，所揭露的承壓含水層水頭高度約120 m，計(jì)算突水系數(shù)為0.017 MPa/m，后期在降深開采11、12 號(hào)煤層時(shí)，個(gè)別地方巖層（隔水層）厚度僅為6 m，計(jì)算突水系數(shù)為0.132 MPa/m，大于《煤礦防治水細(xì)則》規(guī)定的0.1 MPa/m，一旦遇見導(dǎo)水?dāng)鄬拥犬惓５刭|(zhì)構(gòu)造，此承壓含水層地下水將大量涌入礦坑中，可能造成淹坑的后果，嚴(yán)重威脅煤層開采及生產(chǎn)安全[6-7]。

2.2 充水因素

1）地層巖性。9－1 煤層賦存地層為侏羅系西山窯組，其巖性主要以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等細(xì)顆粒狀的巖性為主，局部夾有中、粗砂巖及煤層。通過以往抽水試驗(yàn)的結(jié)果顯示，單位涌水量一般小于0.1 L/（s·m），表明9－1 煤層賦存地層的滲透性差，富水性弱，從而進(jìn)一步說明9－1 煤層不利于礦床充水。9－1 煤層底板巖性以粉砂巖為主，次為泥巖、細(xì)砂巖，局部含炭質(zhì)泥巖，一般呈薄層狀，層厚最薄約20 m，最厚可超40 m。但粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為軟巖，遇水易軟化、易崩解，孔隙較發(fā)育，具有一定透水性，只能劃分為相對(duì)隔水層。根據(jù)目前揭露狀況來看，局部底板透水。

2）構(gòu)造。礦區(qū)內(nèi)部斷裂構(gòu)造發(fā)育，在斷層兩盤有可能形成裂隙集中發(fā)育的地段，從而成為礦坑水的主要通道。構(gòu)造斷裂成為充水通道主要取決于斷裂本身的水力性質(zhì)和礦床開采時(shí)人為采礦的方式和強(qiáng)度，所以礦區(qū)內(nèi)斷層受采動(dòng)的影響，可能形成即時(shí)導(dǎo)水通道，也可能形成滯后導(dǎo)水通道，給采場(chǎng)帶來嚴(yán)重的水害威脅[8-9]。礦區(qū)內(nèi)斷層大多為逆斷層，逆斷層屬于壓性斷裂透水性弱。目前采坑9－1 煤層底板揭露正斷層，斷層走向北東—南西向，斷距12 m，走向延伸距離未知。正斷層屬于張性斷裂透水性強(qiáng)，通過目前現(xiàn)狀，該處斷層是導(dǎo)水通道，9－1 煤層底板水沿?cái)鄬由嫌俊ｋS著采礦活動(dòng)的進(jìn)行，9－1 煤層底板未查明隱伏斷裂構(gòu)造將陸續(xù)揭露。

2.3 水力聯(lián)系及底板涌水量

1）9－1 煤層底板水與地表水間的水力聯(lián)系。礦區(qū)無地表逕流，但存在罕見的較大的降水過程，在局部低洼處形成暫時(shí)地表水體，通過地表巖石的風(fēng)化裂隙補(bǔ)給地下水的可能。因此，地下水與地表水之間，在特定的環(huán)境條件下，存在一定的水力聯(lián)系。而礦區(qū)氣候極度干燥，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，所以，這種補(bǔ)給關(guān)系甚微?？傮w而言，9－1 煤層底板水與地表水之間的水力聯(lián)系是很微弱的。

2）含水層間的水力聯(lián)系。9－1 煤層底板含水層位于整個(gè)礦區(qū)H4 含水層，上部還有3 層含水層。各含水層在礦內(nèi)廣泛分布，揭露厚度較大，含、隔水層呈互層狀，各含水層間均有厚層狀致密砂巖阻隔，起到了隔水作用，構(gòu)成總體含水層巖性組合相似的含水層組，自然狀態(tài)下一般不具水力聯(lián)系。隨著生產(chǎn)活動(dòng)的進(jìn)行將會(huì)溝通各含水層[10]。

根據(jù)以往勘探資料，9－1 煤層底板水為承壓含水層，水頭高度位120～150 m，影響半徑約922 m，含水層涌水量為564 m3/d。

3 底板水的危險(xiǎn)性分類及評(píng)價(jià)

3.1 底板水危險(xiǎn)性分類

根據(jù)含水層性質(zhì)條件、斷裂構(gòu)造條件和隔水介質(zhì)條件復(fù)合后確定9－1 煤層底板水危險(xiǎn)性的等級(jí)。

1）將隔水介質(zhì)條件和斷裂構(gòu)造條件復(fù)合，也就是根據(jù)隔水層的巖性和結(jié)構(gòu)特征，將隔水層的隔水性能分為4 類。隔水層的隔水性能分類：①Ⅰ類：隔水性能好，包括泥巖為主型完整結(jié)構(gòu)、砂泥巖復(fù)合型完整結(jié)構(gòu)和泥巖為主型塊裂結(jié)構(gòu)；②Ⅱ類：隔水性能中等，包括泥巖為主型完整結(jié)構(gòu)、砂泥巖復(fù)合型塊裂結(jié)構(gòu)和砂巖為主型碎裂結(jié)構(gòu)；③Ⅲ類：隔水性能差，包括泥巖為主型塊裂結(jié)構(gòu)、砂泥巖復(fù)合型碎裂結(jié)構(gòu)和泥巖為主型碎裂結(jié)構(gòu)；④Ⅳ類：隔水性能極差，包括砂巖為主型松散結(jié)構(gòu)、砂泥巖復(fù)合型松散結(jié)構(gòu)和泥巖為主型松散結(jié)構(gòu)。9－1 煤層底板巖性為砂泥巖復(fù)合型，塊裂結(jié)構(gòu)，隔水性能中等，類別為II 類。不同斷裂構(gòu)造條件的隔水類別見表1。

表1 不同斷裂構(gòu)造條件的隔水類別

2）再與含水層條件復(fù)合，復(fù)合后構(gòu)成突水地質(zhì)條件危險(xiǎn)性的等級(jí)，并劃分為安全（Ⅰ）、中等安全（II）、安全差（III）和安全極差（Ⅳ）4 類。危險(xiǎn)性等級(jí)劃分：①Ⅰ類：采掘工程一般不受水害影響，防治水工作簡(jiǎn)單；②Ⅱ類：采掘工程受水害影響，但不威脅礦井安全生產(chǎn)，防治水工作簡(jiǎn)單或易于進(jìn)行；③Ⅲ類：采掘工程、礦井安全受水害威脅，防治水工程量較大，難度較高，防治水的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果較差；④Ⅳ類：礦井突水頻繁，來勢(shì)兇猛，含泥沙率高，采掘工程、礦井安全受水害嚴(yán)重威脅，防治水工程量大，難度高，往往難以治本，或防治水的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果極差。9－1 煤層底板水含水層條件中等，斷裂構(gòu)造條件中等，危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)為中等，屬于Ⅱ類。煤層底板水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分類見表2。

表2 煤層底板水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分類

3）綜合含水層性質(zhì)及補(bǔ)給條件、斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度、隔水介質(zhì)條件對(duì)9－1 煤層底板水危險(xiǎn)性等級(jí)進(jìn)行劃分，最終得出9－1 煤層底板水危險(xiǎn)性等級(jí)為中等安全，類別為Ⅱ類。

3.2 底板水的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

1）9－1 煤層底板水具有一定承壓性，底板承壓水可在承壓含水層上方形成一定范圍的承壓水導(dǎo)升帶，完整底板條件下底板突水事故發(fā)生的主要控制因素為底板抗破壞能力以及隔水層厚度，只有在底板破壞區(qū)域觸及承壓水導(dǎo)升帶時(shí)會(huì)導(dǎo)致突水事故的發(fā)生[11]。

2）礦區(qū)發(fā)育多條斷裂，目前已查明發(fā)育5 條斷裂（4 條逆斷層、1 條正斷層），隱伏斷裂隨著采礦活動(dòng)進(jìn)行逐步揭露。隱伏斷裂構(gòu)造對(duì)底板破壞區(qū)域及承壓水導(dǎo)升帶的發(fā)育有較大的促進(jìn)作用，且容易在含水層上方出現(xiàn)巖體破壞情況，煤層開采過程中底板巖層及斷層內(nèi)部發(fā)生變形破壞，斷層頂部上方水壓突變證明了突水事故的發(fā)生。

3）鑒于煤礦隨著采礦活動(dòng)的推進(jìn)，按照設(shè)計(jì)規(guī)劃將進(jìn)行內(nèi)排作業(yè)，由于排棄物巖性多為濕陷性黃土、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖等，膠結(jié)性差、遇水易崩解、易軟化，若9－1 煤層底板水發(fā)生突涌情況勢(shì)必影響內(nèi)排土場(chǎng)的整體穩(wěn)定性。

4）隱伏陷落柱發(fā)育條件下，突水事故的發(fā)生時(shí)間要早于隱伏斷裂構(gòu)造條件，且突水特征更為明顯[12]。隱伏構(gòu)造尤其是隱伏陷落柱的發(fā)育明顯增大了底板塑性區(qū)發(fā)育，底板破壞深度增加。

4 結(jié)語

1）石頭梅一號(hào)露天煤礦9－1 煤層底板水具有突水發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，危險(xiǎn)性等級(jí)為中等安全，類別為Ⅱ類。采取突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分類的方法，通過辨識(shí)引發(fā)突水的潛在影響因素，是底板突水危險(xiǎn)源辨識(shí)與危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)的重要環(huán)節(jié)。

2）石頭梅一號(hào)露天煤礦9－1 煤層底板巖性遇水易軟化、易崩解、孔隙發(fā)育，巖層局部較薄弱、厚度較薄，斷裂構(gòu)造發(fā)育，地下水類型為承壓水的特征是突水風(fēng)險(xiǎn)的潛在危險(xiǎn)源。其次，爆破振動(dòng)、采動(dòng)影響以及人為因素，也可能誘發(fā)突水情況。

3）對(duì)煤層底板邊形情況監(jiān)測(cè)是防止突水發(fā)生的先決條件，簡(jiǎn)單說煤層底板變形監(jiān)測(cè)更直觀，突水現(xiàn)象發(fā)生的征兆底板會(huì)出現(xiàn)隆起、裂縫、滲水等跡象，出現(xiàn)類似現(xiàn)象說明底板的力學(xué)強(qiáng)度不足以支撐下部承壓水的水頭壓力。

4）鑒于礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育（目前在底板已經(jīng)揭露到斷層），屬于力學(xué)性質(zhì)薄弱地帶，當(dāng)?shù)叵滤^壓力足夠大時(shí)，地下水將沿著斷層面突涌上來，此時(shí)的斷層構(gòu)造帶將成為導(dǎo)水通道。