方田煤礦開采引發孝坪集鎮巖溶地面塌陷可能性的分析與對策

湖南省煤炭地質勘查院，湖南 長沙 410014

引言

方田煤礦為方田井田擬設采礦權，開采二疊系吳家坪組8煤層，為頂底板巖溶直接充水礦床，礦界內資源主要分布在+50m～-450m范圍內。孝坪集鎮位于方田煤礦北東面，距礦山1.5km，該集鎮建構筑物聚集，人口較多。集鎮下伏基巖為二疊系長興組、吳家坪組、茅口組碳酸鹽巖。以往孝坪井田內有多家煤礦開采，由于礦井排水與附近供水井抽采地下水，于1973年至2004年期間曾先后引發了3次巖溶地面塌陷，共計出現了45處塌陷，造成了較大的經濟損失與社會影響。因此關閉了集鎮附近的部分煤礦，供水井停止抽采地下水。方田煤礦同樣開采吳家坪組8煤層，礦山開采可能引發孝坪集鎮巖溶地面塌陷，需采取科學的防范措施，才能既最大限度地開采煤炭資源又避免孝坪集鎮發生巖溶地面塌陷。

1.礦區地質概況

方田煤礦位于孝坪復式向斜南東翼，呈一單斜構造。礦區出露的地層自新至老分別為第四系，白堊系上統、下統，侏羅系瀘陽組，侏羅系下統～三疊系上統小江口群，二疊系上統長興組、吳家坪組，二疊系下統茅口組、棲霞組（見圖1）。開采煤層位于二疊系上統吳家坪組底部。

圖1 礦區綜合水文地質圖Figure 1 Integrated mine hydrogeological map

2.水文地質特征

2.1 含、隔水層

①第四系孔隙含水層

為第四系沖積層下部砂礫石層，分布于沅江、孝坪溪及方田溪兩岸階地，泉水流量0.1L/s～0.97L/s，含水性弱至中等。

②白堊系、瀘陽組及小江口群相對隔水層組

由中厚層狀砂質泥巖、泥巖、粉砂巖、細砂巖、含礫砂巖、礫巖等組成，厚度大于805m。有少量的泉點出露，多為季節泉。泉水流量一般小于0.02L/s,富水性弱，為相對隔水層組。

③長興組巖溶裂隙含水層

由薄～中厚層狀灰巖、含泥灰巖組成，厚約為70m。地表井泉點出露稀少，方田井田15個鉆孔未遇溶洞，裂隙較發育，但大多被泥質物及方解石脈充填，富水性較弱。

④吳家坪組巖溶裂隙含水層

灰巖段：在孝坪集鎮一帶有基巖出露，其余部分被掩蓋。為中～厚層白云質灰巖、灰巖、含泥灰巖，厚約76m，未見井泉點出露，方田井田施工15個鉆孔僅0-1孔見3個溶洞，溶洞累高4.35m，最高3.05m，溶洞發育標高+108.58m，8個鉆孔裂隙發育，局部見溶蝕小孔，裂隙大部分為方解石及泥質物填充；供水井遇高13.15m全充填大溶洞及高1m無充填溶洞各1個。區內3號小煤礦在+150m的標高見寬2.00m、高1.5m溶洞。由此可見，該層在淺部裸露區與深部覆蓋區巖溶發育極不均一，巖溶化程度、富水性差異明顯。本層是煤礦開采時的直接充水含水層之一。

辰溪段：由煤層及鋁土質泥巖組成，厚約2.40m，不具有隔水層作用。

由于長興組、吳家坪組巖溶含水層之間無顯著隔水層存在,故為一個統一含水層，為煤層頂板直接充水含水層。

⑤茅口組巖溶裂隙含水層

少量出露于孝坪集鎮東側，為中厚層狀灰巖及夾燧石灰巖，厚約174m。巖溶發育強烈，地表巖溶形態有溶洞、漏斗、洼地等。方田井田15個鉆孔未見溶洞，9個鉆孔裂隙發育，局部見溶蝕小孔，裂隙大部分為方解石及泥質物填充。5號小煤窯發生底板突水事故時，涌水量為1270m3/h，突水點標高為+50.9m。該含水層地下水位平均標高+130m，是煤層底板直接充水含水層。

⑥棲霞組巖溶裂隙含水層

僅在孝坪鎮東部有少量出露，僅706孔揭露此層，未見巖溶裂隙。與茅口組強巖溶含水層之間無完整的隔水層存在，故為一個統一含水層。

2.2 斷層水文地質特征

影響方田煤礦開采的斷層主要有F3、F11、F12。

①F3斷層：供水井揭露該斷層帶，遇高13.15m全充填大溶洞及高1m無充填溶洞各1個，抽水試驗單位涌水量為6.5L/s.m。斷層帶含水性、導水性強。

②F11斷層：孝坪集鎮三次巖溶地面塌陷均沿F11斷層斷裂帶分布，斷層含水性、導水性強。

③F12斷層：斷層兩側有泉點分布，5號小煤窯突水2小時后在田家附近F12出露位置產生了巖溶塌陷坑。斷層帶導水性、富水性強。

2.3 巖溶發育規律

孝坪井田溶洞主要分布在±0m以上。各層位溶洞發育高程相差較大，長興組發育標高最低為+74.5m；吳家坪組發育標高絕大部分在+20m以上；茅口組溶洞最低為-82m。

方田井田施工的15個鉆孔情況，僅0-1孔在吳家坪灰巖中遇見3個溶洞，總高4.35m，單個溶洞最大高度3.05m，溶洞發育標高在+108.58m以上。長興組、茅口組灰巖未揭露溶洞，僅發現有溶蝕裂隙與溶蝕小孔。區內老窯井巷揭露情況如下，3號小煤窯在+150m的標高見寬2.00m、高1.5m溶洞；5號小煤窯在+50.9m標高遇茅口灰巖溶洞突水；6號小煤窯在-37.1m標高遇茅口灰巖溶洞突水。據礦井揭露情況，溶洞發育標高主要分布在-37.1m以上。

斷層帶巖溶較發育，但隨深度增加也明顯減弱，如孝坪井田迎客坳煤礦在-20m水平遇大斷層，未見溶洞。

綜上所述，無論是含水層還是斷層帶巖溶發育程度隨深度增加而顯著減弱，由溶洞過渡到溶隙、溶孔。

2.4 水文地質條件分區

據孝坪井田生產井水文地質調查，灰巖巖溶充水礦井只有在井巷揭露溶洞裂隙時，才會有涌水或淋水現象，否則干燥無水，相當于隔水層體，相似水文地質條件的大坪煤礦等帶壓開采的成功實例已充分證明這一觀點。因此，根據巖溶發育特規律，將本礦劃分水文地質條件復雜區與水文地質條件中等區。

-37.1m標高以上，含水層巖溶發育，老窯絕大部分發生過突水，礦井充水因素主要為吳家坪、茅口組溶洞水，F12斷層帶水及老窯水。水文地質條件復雜。

-37.1m標高以下，為三疊系～下侏羅統小江口群、中侏羅統瀘陽組及白堊系紅層等相對隔水層覆蓋，厚300m～765m；鉆孔未遇溶洞，巖溶發育弱，以溶隙為主，巖層富水性較弱；3線以北大部分為不可采的碳質泥巖帶，為自然隔離帶；F12下盤煤層在斷層下盤交煤線北西300m范圍內均為不可采區，形成了礦井開采天然的斷層帶防水巖柱。礦井充水因素主要是吳家坪、茅口組溶隙、溶孔水，F3、F12斷層帶水。水文地質條件中等。

-37.1m～-50m為以溶洞充水為主向以溶隙充水過渡帶。

因此，將礦井范內-50m標高以上劃分為礦井水文地質條件復雜區，-50m標高以下為礦井水文地質條件中等區。

3.礦山開采引發孝坪集鎮巖溶地面塌陷分析

3.1 孝坪集鎮地質環境條件概況

圖2 A-B水文地質剖面圖Figure 2 Hydrogeololgy section of A-B

孝坪集鎮位于本礦北東面，相距1.5Km。地貌上為孝坪溪兩岸階地。地表廣泛分布第四系沖積層，厚2.80m～35.30m，土層在水平和垂直方向上分布不均，靠近孝坪溪兩側砂卵石層較厚,遠離孝坪溪河谷地段粘性土較厚、砂卵石層較薄。正常地下水位埋深為0.91m～13.52m，標高+140.96m～+155.64m。下伏基巖為二疊系長興組、吳家坪組及茅口組等碳酸鹽巖，巖溶發育強烈，含豐富巖溶水，斷層發育，地質環境條件復雜。

孝坪集鎮以往曾產生過3次巖溶地面塌陷地質災害，主要原因是大量抽排、抽采地下巖溶水，地下水位大幅度降低所致。

3.2 礦山開采引發孝坪集鎮巖溶地面塌陷分析

①水文地質條件復雜區開采引發孝坪集鎮巖溶地面塌陷分析

-50m標高以上地段為水文地質條件復雜區，含水層地下水水力性質以潛水為主。根據公式計算礦坑排水引用影響半徑。式中H、S為180m，K值采用礦區淺部鉆孔溶洞帶（+74.51m以上）兩次抽水試驗結果，K值為2.98m/d～0.31m/d，取其最小值0.31m/d,計算出R0=2690m。由于該區邊界距孝坪集鎮距離僅1500m，計算的影響半徑遠大于該距離。根據侵潤曲線水力坡度計算，孝坪集鎮地下水位將下降至+70m標高（見圖2），正常地下水位標高+140.96m～+155.64m，下伏吳家坪、茅口組等基巖巖溶發育強烈。因此，當該處地下水沒有得到充足及時補給，地下水位將大幅度下降。地下水對第四系松散層的強烈潛蝕，引發孝坪集鎮地面巖溶塌陷可能性大。

②水文地質條件中等區開采引發孝坪集鎮巖溶地面塌陷分析

-50m標高以下地段為水文地質條件中等區，地下水以承壓水為主。根據公式 計算礦坑排水引用影響半徑，式中S為330m，K值采用礦區中深部鉆孔抽水試驗結果，取值0.1786m/d，計算礦山在-200m標高（-200m標高以下溶洞溶隙不發育）礦井排水引用影響半徑為1450m。降落漏斗影響邊界距孝坪集鎮50m（見圖2）。因此，礦井排水不會導致孝坪集鎮地下水位下降，該地段礦井排水引發孝坪集鎮產生巖溶地面塌陷的可能性小。若遇溶洞或斷層突水，與突水溶洞有水力聯系的地段其引用影響半徑將大于1450m。如果不進行及時堵水處理，可能引發孝坪集鎮地下水位下降，引發巖溶地面塌陷。因此，在水文地質條件中等區開采引發孝坪集鎮巖溶地面塌陷的可能性小～中等。

4.礦山開采引發孝坪集鎮巖溶地面塌陷的防范措施

①鑒于-50m水平以上水文地質條件復雜，礦井以灰巖溶洞水充水為主。礦井開拓遇溶洞可能發生巖溶突水，在孝坪集鎮可能引發巖溶地面塌陷，危害程度和防治難度大。因此，-50m水平以上不宜開采，劃定為禁采區。

②按規范要求在F3、F12斷層帶兩側留設防水煤巖柱。

③由于老窯開采最低標高已到-37.1m，老窯存在大量積水，按煤礦安全規程留設老窯防水煤巖柱，并劃好老窯探水線。

④礦山企業必須堅持“預測預報，有掘必探，先探后掘，先治后采”的原則，充分應用孝坪礦區、辰溪礦區以往防治水的“探、防、堵、截、排”防治水經驗，在保證安全生產情況下做到遇水就堵，實行帶水壓開采，盡量少疏排地下水，可避免引發巖溶地面塌陷。

⑤建立一支以礦長為組長的礦井防治水領導小組，負責礦井防治水工作，并配備足夠的防治水人員及裝備。建立礦坑排水日記、檔案，掌握礦井涌水量動態變化，及時將井下突水點位置、突水層位、突水流量標注在采掘工程平面圖上。

⑥在礦區東北吳家坪、茅口灰巖巖層中建立地下水長期觀測網。本礦設觀測孔為3孔，一號孔位于F12與F11交叉處西面，孔深在水位在靜止水位以下30m，二號觀測孔應建5號老窯北東面，孔深在靜止水位以下50m，三號孔利用供水井。觀測網應在采區巷道掘進前建立，并與孝坪集鎮觀測孔共同建立地下水位監測網，配備專人進行觀測并做好記錄，如發現地下水位驟降，立即采取有效措施將災害損失減低到最小程度。

5.結語

綜上所述，方田煤礦-50標高以上水文地質條件復雜，礦山開采引發孝坪集鎮巖溶塌陷的可能性大，防治難度大，劃定為禁采區；-50m標高以下水文地質條件中等，礦山開采引發孝坪集鎮產生巖溶地面塌陷的可能性小～中等，該區在采取防治水措施的前提下建礦開采，可避免引發孝坪集鎮地面巖溶塌陷。

參考資料

[1]湖南湘煤地質工程勘察有限公司.湖南省辰溪縣方田井田水文地質條件及開采對孝坪集鎮地質環境影響論證報告[R].湖南長沙,2008.12

[2]湖南煤田地質局第二勘探隊.湖南省辰溪縣辰溪煤礦區方田井田勘探報告.[R]湖南株洲,1995.12

[3]湖南省煤田地質勘探指揮部第五勘探隊.湖南省辰溪縣孝坪井田地質最終勘探報告.[R]湖南郴州,1972

[4]武強等編.礦井水災防治.北京.中國礦業大學出版社,2002.