第四系厚含水層下采煤防治水措施研究

左 偉，王金安，賈亞會

（北京科技大學 土木與環境工程學院，北京100083）

石嘴山一、二礦西區井田位于石嘴山向斜西北翼，西部為賀蘭山。在西區與賀蘭山之間，分布著一個 “封存古河谷”，為一套巨厚的砂礫和砂土等沖洪積物，是區域內主要含水層。該含水層主要接受銀川平原沖積層水與賀蘭山基巖裂隙水的補給，是西區井下主要充水水源，也是石嘴山居民點的主要供水水源。這樣的特殊結構，如同煤層之上覆蓋著一層厚厚的含水 “海綿”，只要對地下煤炭進行開采，就會造成應力的重分布，進而引起導水通道的變化，最終造成淹井，如何保證煤層開采過程中礦山的安全，成為一個難題。

1 項目概況

石嘴山礦區西依賀蘭山，東濱黃河，礦井井田地表地勢平坦，西高東低，略向黃河傾伏，坡度約為15‰。地表標高平均+1116.50 m，為沖積、洪積扇堆積平原，部分基巖裸露，形成殘缺丘陵地貌。區內有若干條干溝成為山洪向外排泄的通道，第三排水溝由礦區東側入黃河，成為銀北排泄山洪的主要人工渠。

由于礦區西采區水文地質條件復雜，地層不整合，第三系地層缺失，巨厚的第四系富水含水層直接覆蓋在煤系地層之上，各基巖含水層受沖積層的補給，水量很大。根據原三號井水文地質資料以及三號井在1983～1991年期間礦井排水量估算，總水量為1863.34萬m3，相當于260 m3/h。該區在建井期間和生產初期，井筒、石門、上下山等主要開拓巷道都曾出現過大量涌水的情況，給礦井正常生產和排水造成了巨大的困難和壓力。

2 工作成果及存在問題

為了解決礦井生產后含水層下煤層的安全開采問題，查清水害的主要成因，探明地下水的補給來源及導水通道很重要。因此，在原水文地質調查資料的基礎上，對區域構造、含隔水層分布、地層巖性等進行詳細研究，并完成了遙感技術、三維地震勘探、瞬變電磁測試和鉆孔補充勘探工程。得到了以下認識：

2.1 礦區內的主要構造

石嘴山向斜是礦區主要影響的褶皺構造，其軸向由東北向西南蜿延伸展，略呈 “S”形，由N65°～75°E轉為N40°～50°E，向南又轉為N65°～75°E，該向斜在北端黃河東側趨于閉合，向西南傾伏，在Ⅳ勘探線以北650 m處向斜軸與E1斷層相交，至E22斷層以南，向斜兩翼地質走向與軸向吻合，東南翼地層一般走向N35°～60°E，傾向N W，傾角18°～32°，平均23°，軸部近于水平。井田內次級小褶皺頗為發育。井田東北角有向南西方向傾斜的小背斜，該背斜受E2斷層斜截，延伸情況不明。地層沿傾斜方向傾角變化較大，淺部為5°～9°，中部為18°～24°，深部為35°～45°；沿走向自N 40°E，轉向近 WE向。其褶皺軸部破碎帶的儲水性能不可忽視。

采區除主要斷層E1、E2導以外，還查明了一系列以逆斷層為主，斷層走向基本為NE向，傾角較緩，壓性為主，導水性微弱的小斷層。同時，建井時揭露了一系列張扭性為主的正斷層，走向N25°～45°E，傾向N W，傾角為高角度，斷層面緊閉，斷層破碎帶中充填物已泥化，堅硬不充水。斷層多發生在煤巖層走向急劇變化的地段，其斷層走向與巖層走向成銳角分布，反映了西區斷層分布的基本規律。

由此可見，由于一、二礦西翼采區所在的向斜西北翼，處于巨厚的第四系含水層與基巖裂隙含水層的交接部位，其東部、南部均為E1逆斷層所阻隔，北部為E2正斷層切割，而西部剝蝕邊界為一個向西傾斜的斜坡面，坡度為45°；第四系接受銀川平原沖積層水和賀蘭山基巖裂隙水的補給，水量豐富，屬于黃河古河道的一部分。它既是銀川地下水排泄通道，也是賀蘭山基巖裂隙水匯集的場所，而經抽水試驗證明，斷層E1和E2均為導水性微弱的斷層。因此，除了西部剝蝕面導水外，其他各方為相對隔水的，則研究區便成了一個近于封閉的地質構造體。

2.2 地層巖性

礦區新生界第四系地層受古地形的控制總體趨勢比較陡、厚度變化大，厚度在7～400 m；區內新生界呈一單斜形態，北部厚、南部薄；西部厚、東部薄。最薄處出現在318孔附近，厚度為7 m左右；最厚處約400 m。坡度一般約在10°～30°之間。

本區主要可采煤層為3、6煤層，全區總體為一單斜構造，煤系地層走向為近北東向，傾向南東。煤層埋藏北部淺、南部深。北部傾角較緩，南部較陡，北部有小的褶曲存在。3、6煤層在北部有露頭。全區以逆斷層為主，主體走向為北東向。3煤層埋藏深度在250～550 m左右。6煤埋深在360～650 m左右。

3煤層的厚度變化趨勢是中間厚、四周較薄，南部較厚最厚處在318孔附近，厚度約11 m左右，最薄處出現在319孔附近，厚度2.25 m。6煤層的厚度變化趨勢是：中間相對較薄，四周相對較厚。最厚處在39孔附近，厚度9.22 m左右。最薄處出現在44孔附近，厚度約4.5 m。

2.3 瞬變電磁、連通試驗、抽水試驗聯合探查導水通道

第四系巨厚沉積物與煤系地層呈角度不整合接觸，中間缺失部分第三系，且接觸面無穩定的隔水層，黏性土多為透鏡體而不起隔水作用。因此，第四系含水層成為其穩定的補給來源，西區成為一個水流只進不出的蓄水構造。

但是，第四系并非大面積均衡補給煤系地層，而是透過局部缺失第三系的區域小范圍集中補給。根據瞬變電磁法、連通試驗、抽水試驗的結果可知：第四系與煤系地層的主要導水通道，處于瞬變電磁測線13～17線和4勘探線和12勘探線之間。

3 防治水技術措施

石嘴山礦西翼采區恢復生產的關鍵，是解決西區礦井涌水量大的問題。若要采取疏干第四系含水層，人工改變第四系含水層對煤系地層的補水條件，則由于第四系含水層與銀川古河道相連，得到賀蘭山區水源的不斷補給，工程量巨大，耗時難以計數，因此不可行；若要沿剝蝕斜坡的走向進行帷幕注漿，截斷第四系沖積層水對礦井煤系地層補給，不但工程投資高，且隨著采動，原本加固的涌水通道有進一步貫通的可能，因此也很難奏效。

本采區開采煤層含水量一般在1%左右，屬特低含水煤。由于本區基巖剝蝕面及煤層露頭與第四系水體直接接觸，二層煤頂板的K7砂層及五層煤頂板K5灰巖含水主要由第四系水體補給，屬中等含水砂巖。二、三層煤層間距為15～24 m，如果開采三層煤，導水裂隙帶會直接波及到K7砂巖，K7砂層水會直接涌入工作面及采空區內，對開采可能造成較大的影響。因此，圍繞西區防治水工程設計方案，結合西區的具體水文地質條件，在充分研究現有資料的基礎上，采用如下防治水措施：①制定 “以防為主、堵疏結合”防治水方案。該方案主要思想是留夠足夠寬防水煤柱，并通過對西部進水的裂隙通道的注漿，截斷第四系水向工作面補給，然后利用深部巷道揭露含水層放水，以消耗靜儲量，降低水位水壓，達到疏水降壓式疏干開采條件。②通過控制放頂煤開采的放煤量來控制垮落帶高度，從而減小工作面的涌水。③通過建立可靠的排水系統和相應的排水保障措施，保障能夠處理工作面突然涌水和人員的安全撤離。④在地面布置一些水文地質觀測網，用于觀測開采與地下水體之間的關系。⑤通過試采工作面來探明、總結和掌握防治水的經驗，為采區的正式投產以及下組煤的開采、防水煤柱的預留總結經驗。

4 結論

（1）針對石嘴山礦區西翼采區第四系巨厚含水層不整合覆蓋于煤系地層之上這一復雜地質條件，對以往地質資料進行分析，摸清主要構造和含隔水層分布情況及充水性特征。

（2）應用瞬變電磁方法 （TEM）探明主要含水層與煤層之間的導水通道，同時，為驗證其可靠性，對主要充水區域進行連通試驗，最后通過以往鉆孔資料進行對比驗證，通過3種方法的相互對比、相互驗證，最終得到導水通道的位置。

（3）通過地質分析得到礦區水害的主要原因，并采用有針對性的 “以防為主，疏堵結合”的方法進行防治，為解決第四系巨厚含水層下采煤提供一條新思路。