內蒙古色連井田水文地質特征與導水裂隙帶高度估算

付士芳 焦鳳海 王偉 王超勇

摘要：色連煤礦礦井充水因素主要為第四系全新統（Q₄^al+pl）孔隙潛水含水層、志丹群（K_1zh）潛水一承壓水含水層、侏羅系中統（J₂）承壓水含水層和三疊系上統延長組（T_3y）碎屑巖類承壓水含水層等對侏羅系中下統延安組含水層的垂直人滲補給和大氣降水入滲補給。充水通道為封閉不良鉆孔、斷層以及采后冒落帶裂隙，通過大井法和類比法，該井正常涌水量為1292.08m³/d，1076.73m³/d與1560m³/d，1872m³/d；經過多個礦井資料的總結，煤層采后的冒裂帶高度為煤層的30-35倍。因此，需加強塌陷區裂隙的填埋和管理，以防突水和潰沙事故的發生。

關鍵詞：色連礦 水文地質 涌水量 冒裂帶

色連井田位于內蒙古東勝煤田，地層劃分屬于華北地層區鄂爾多斯分區，處于烏審旗小區的東北部如圖1，主要產煤地層為侏羅系中下統延安組（T_y1-2），該區受到多期次構造運動，煤層埋藏淺，頂板風化較為嚴重，給開采頂板管理和防治水帶了一定的難度，為了保障安全生產，急需對該礦水文特征以及頂板管理方案進行研究，為后期開采提供指導意見。

1.充水因素分析

1.1 充水水源

井田煤系地層為侏羅系中下統延安組（J_1-2y），延安組（J_1-2y）碎屑巖類承壓水含水層是井田直接充水含水層，直接充水含水層的富水性弱，透水陛與導水性能差，地下水的補給條件與徑流條件均較差，以區外承壓水微弱的側向徑流為主要充水水源。在區外露頭區域也接受大氣降水直接入滲補給。

井田首采區開采2-2上煤，除煤系地層之外的含水層為：第四系全新統（Q₄^al+pl）孔隙潛水含水層、志丹群（K_1zh）潛水一承壓水含水層、侏羅系中統（J₂）承壓水含水層、三疊系上統延長組（T_3y）碎屑巖類承壓水含水層。第四系全新統（Q₄^al+pl）孔隙潛水含水層一志丹群（K_1zh）潛水一承壓水含水層富水性弱一中等，侏羅系中統（J₂）承壓水含水層富水性弱，三疊系上統延長組（T_3y）碎屑巖類承壓水含水層富水性弱。延安組頂部隔水層位于2煤組頂板以上，巖性主要由灰色泥巖、砂質泥巖等組成，隔水層厚度3.60～12.89m，平均6.28m。隔水層的厚度較穩定，分布較為連續，隔水性能較好，有效地減弱了煤系地層與其上部含水層的水力聯系。延安組底部隔水層位于6-2下煤組底板以下，隔水層厚度一般在10m之內，分布較連續，隔水性能較好。

1.2 充水通道

煤層及其附近雖然有水存在，但只有通過某種通道，它們才能進入采煤巷道形成礦井涌水，充水通道可以根據形成因素分為自然通道及人工通道。地層裂隙、空隙帶、巖溶、陷落柱及斷層等屬于自然通道；封閉不良鉆孔、揭穿含水層的井巷及采動裂隙帶等屬于人工通道。

1.2.1 封閉不良的鉆孔

色連一號井田勘探區內原柴登南詳查階段施工的54個鉆孔，普遍存在封孔質量不合格現象；井田勘探區范圍內歷次勘查施工的部分鉆孔，存在鉆具遺留和套管遺留現象（表1）。

據原柴登南詳查報告對井田內的3214號孔封孔質量的檢查結論：孔口石樁保存完好，封閉堅固。鉆進0～20m無水泥砂漿封閉物，孔深160～374.14m采取水泥砂漿封閉物0.95m，封閉物呈圓柱狀、砂粒分布均勻，固結程度較低，封孔質量不合格。據原柴登南詳查報告，詳查階段封孔質量極差。掘進和回采時地測部做好預報和預案工作。掘進施工隊和采煤隊作業時做好排放和檢查工作。

在將來煤礦開采過程中，局部區域可能存在封閉不良鉆孔導通地表水，使上下含水層的水順封閉不良鉆孔進入采掘工作面。因此，要特別注意，必要時，重新進行相關鉆孔的啟封工作，特別是有些河床中的鉆孔。

1.2.2 揭穿含水層的井巷

井田井筒穿越多層含水層。井田內Q₄^al+pl潛水含水層的富水性弱一中等，透水性能較強，因大氣降水量較少，補給條件較差，補給量一般不大，但雨季補給量會明顯增大。當井筒巷道勾通Q₄^al+pl潛水及地表水體時，礦坑涌水量則會明顯增大，甚至發生透水事故。在開采過程中應注意觀察礦井涌水量，在雨季做好煤礦防排水措施。

1.2.3 采動裂隙帶

采動裂隙導水主要指頂板冒落裂隙和底板破壞裂隙。色連一號井田煤層頂底板巖石的力學強度低，以軟弱巖石為主，穩固性較差。未來煤礦在開采過程中，頂板易發生頂板局部冒落及掉塊現象，底板易發生底鼓及軟化變形破壞。在建井過程中，頂板有滴水、滲水現象；其中5101工作面輔運巷離切眼0～200m，淋水嚴重，底板有積水現象。大致2m³/h；5102工作面主運巷300～600m，大致4m³/h，在將來煤礦開采過程中，局部區域可能存在采動裂隙導通地表水，使上下含水層的水順采動裂隙進入采掘工作面。該內容將在下面詳細分析。

1.2.4 斷層

在掘進巷道過程中發現F26號斷層，在斷層附近有少量的淋水，通過時，涌水量沒有明顯增大，表明該斷層的富水性較差，但在開采時，應設保護煤柱，以防和上覆含水層溝通，造成突水事故。

1.3 充水情況

計算目的層為煤系地層含水層，計算面積為先期開采地段。按照礦區生產計劃，投入生產時，礦井投產時主斜井施工至4-1煤層，進風立井、回風立井井底布置在4-1煤層中，故此按水頭降低4-1煤層計算礦井充水強度；

計算方法分別采用解析法中的穩定流大井法及水文地質比擬法。

1.3.1 穩定流大井法

承壓一潛水完罄井計算公式：

Q—預測的礦坑涌水量（m³/d）；

K—滲透系數（m/d）；

H—水柱高度（m）；

m—含水層厚度（m）；

Ro—引用影響半徑，Ro=R+ro（m）；

R—礦坑排水引用影響半徑（m），取經驗值，按《內蒙古自治區東勝煤田柴登南礦區色連一號井田煤炭勘探報告》取R=2，000m；

F—先期開采地段和先期開采一盤區東部（2101采區以東）面積8.27km2；西部8.8kmz；煤層參數引用《內蒙古同煤鄂爾多斯礦業投資有限公司色連一號礦井井筒檢查鉆孔地質報告》相關參數：

把上述相關參數代入到公式（1）中，得礦井正常涌水量為1076.73m³/d，即44.86m³/h。根據經驗，最大涌水量通常比正常涌水量大20%，因此，可得最大涌水是為：1292.08m³/d，1076.73m³/d即53.84m³/h。

1.3.2 水文地質比擬法

（1）比擬實例1

式中：Q——預測的礦坑涌水量（m³/d）；

Qo——生產礦井實測涌水量（m³/d），鄰區金烽昌漢溝煤礦礦坑開采2-4號煤，實測涌水量Qo=1100m³/d；

pm色連礦井設計開采能力，p=500萬噸/年；

po—生產礦井實際開采能力，鄰區金烽昌漢溝煤礦實際開采能力po=1，000萬噸/年；

金烽昌漢溝位于鄂爾多斯市東勝區，與色連一號井田臨近。二者含煤地層和含水層相似，具有可比性。

因此，若色連礦按設計開采能力開采，按照富水系數比擬法公式（3），礦井的正常涌水量為：Q=550m³/d，即22.92 m³/h。

（2）比擬實例2

王家塔煤礦現開采2號煤層，年產500萬噸。現涌水量60～70m³/h。平均65m³/h，每天涌水量1560m³/d，按照富水系數比擬法公式（3），計算，色連礦涌水量為1560m³/d，即65m³/h。

（3）統計法

根據近期的涌水量和井下的抽水量進行統計，預測未來的可能的涌水量，見表3和表4。在沒有剔除井下工業廢水情況下，2013年7-12月實際平均涌水量1059.6m³/d。

1.3.3 最終采用結果

由于大井法比較具有較強的理論基礎，加上與實際涌水量相近，因此，采用大井法的預測結果，即在先期開采區進行開采時正常涌水量1076.73m³/d（44.86m³/h），最大涌水量1292.08m³/d（53.84m³/h）（表5）。

色連一號井田范圍內沒有水庫、湖泊等地表水體，但溝谷發育，主要溝谷有罕臺川及其支溝鄂勒斯太溝、淖溝、大布蘆溝等，均呈樹枝狀分布，夏季有溪流、流水不斷，在雨后會形成短暫的洪流；冬季溪流結冰，形成斷續的厚度不大的冰層，無水流動或流動微弱。井田內所有溝谷均從東西兩側流入罕臺川，罕臺川縱貫井田中部，從南向北流出區外，其流域面積875km²，平均流量0.79m³/s，最大洪峰2580m³/s（1981年），最后注入黃河。

2.導水裂隙帶估算

根據采掘計劃，未來首先開采2煤組的2-2上煤層，2-2上煤層最大埋深197m，最小埋深87m，平均埋深142.2m。按照上三帶理論，2-2上煤層的開采將在頂板形成“上三帶”，即冒落帶、裂隙帶與彎曲下沉帶。而冒落帶、裂隙帶都是能夠導水的，合稱為導水裂隙帶。

由于目前還沒有關于該礦井的導水裂隙帶的實測數據，故根據《煤礦防治水規定》及其《釋義》來計算2-2上煤層開采后形成的導水裂隙帶高度。

（1）根據回采工藝，工作面頂板按全部跨落法進行管理。

（2）礦井首采區開采的2-2上煤層可采厚度0.98-5.19m，為安全考慮，計算采用最大可采厚度5.19m為參數計算導水裂隙帶高度。

采用的導水裂隙帶高度計算公式為：

H_f=100M/（1.6M+3.6）±5.6 （4）

其中：H—導水裂隙帶高度，m

M—厚煤層分層開采時累計采厚，取5.19m

代人相關數據，求得導水裂隙帶高度為：

H_f=49.2m

計算表明，2-2上煤層開采后，產生的導水裂隙帶高度約在49.2m左右，比煤層的埋藏最小埋藏深度87m小37.8m，在沒有斷層等因素的影響前提下，可以認為地表水體不會通過煤層開采所產生的導水裂隙帶而下滲。

由于（4—1）公式是以往分層開采積累的經驗公式，目前，還沒有總結出完全適合這種綜放開采的計算導水裂隙帶發育高度的經驗公式。

所以，2013年，色連礦地測部、生產部與中國礦業大學技術人員對王家塔煤礦進行了實地考察。該礦現采煤層為3號煤，埋深230～250m，其中1采區中有沖溝一條，為季節性河流，和色連一號井的淖溝規模近似。洪水期水量較大，2013年8月；洪水對煤礦涌水量影響不大，涌水量沒有明顯的差異。但是，地面塌陷比較嚴重，回采5～7天后，大致回采距離70-80m，地表產生明顯變形，并出現裂縫，裂縫主要出現在山脊處，經野外測量，切眼附近裂隙較大，寬度0.1～lm，地面裂隙塌陷高差0.1～1m；并有熱氣蒸發出來。一般情況下，一個采區剛回采時，在切眼100m距離內，淋水較為明顯，之后，涌水量明顯減少，反映了降水漏斗范圍至少100～200m以遠。

上述情況綜合表明由于煤層開采的影響，雖然導水裂隙帶沒有貫通到地表，但“上三帶”中的彎曲下沉帶在該礦井產生了較大的沉降，且不均勻。由于山脊兩側是臨空面，在重力作用下，產生拉張應力，因而，隨著開采的擾動，山脊出現裂縫，而山谷處于擠壓狀態，加上有松散沉積物覆蓋，巖性較軟，易產生適應性變形，而裂縫相對較小。這種情況，在山西霍州霍寶干河煤礦也出現過。該礦也是開采2號煤層，煤層厚4.5m，距地表高度有500～600m，但隨回采工作面的推進，地表仍然產生與切眼平行的拉張裂隙，最寬處有15～20cm，有的甚至形成危險性黃土滑坡。而礦井中間有一條團柏河，團柏河由于沿河匯入的種種廢水，流量達2m³/s，但據井下和地表觀測，該河對煤層開采沒有影響，沒有形成補給作用。

再如，哈拉溝煤礦，該礦所采煤層同樣為2-2煤層，埋深100m左右，煤厚5.5m，設計采高5.2m，采煤方法主要為現代化的綜合機械化長壁后退采煤，工作面長800m～3000m不等，寬300m。通過實地監測表明，在工作面走向上最大下沉深度為2.4m左右，在下沉盆地內一般平均下沉的深度在2.0m左右。在工作面的順槽表現為下沉不均勻，呈凹形向工作面中心傾斜，為應力擠壓區，在工作面順槽的外邊緣下沉不明顯，多數情況下形成張性地裂縫，為應力拉伸區。從剖面上看，塌陷呈一漏斗狀，“漏斗”的開口程度主要取決于巖石的破裂角（一般取75°）和松散層的移動角（一般取45°）。由于被壓實采空高度3.5m，埋深按平均100m計算，冒落帶或垮塌帶高度是至少是煤厚的30倍。酸刺溝煤礦開采實踐也已證明，冒裂帶高度為煤層采高的30-35倍。

還有煤層埋藏更淺的，其導水裂隙帶就能直接波及地表。比如蒙泰范家村礦和恒泰煤業二礦。蒙泰范家村礦開采延安組3號煤，煤厚4m左右，埋藏40～50m，一般采距5～6m，就產生塌陷，地表裂隙發育，0.1～0.2m寬；裂縫形成后需不斷填充，配備了人員和專門車輛。3-4年整體壓實，可以恢復原來的面貌。需填3-4次。恒泰煤業礦采延安組3～4號煤，煤厚4-5m，埋藏40～70m，一般采距5～10m，就產生塌陷，地表裂縫發育，需專門人員和車輛管理，不斷填充，需填3～4次。

通過以上實例表明，對于東勝附近礦區而言，導水裂縫帶基本可以導通到地表。由于在溝谷處裂隙受到擠壓應力，裂隙處于封閉狀態，導水性較差，因此，不會造成較大威脅。但連續的雨季，在山脊處，雨水可能直接灌入裂隙，造成突水和潰沙。

造成裂隙高度不僅和才高有關，和上覆頂板巖性組合有關，上覆巖石以泥巖或砂質泥巖為主，其抗風化侵蝕能力強，巖石固結程度好，上覆巖層碎脹系數小，透水性差，頂板易于管理，而砂巖遇水或暴露空氣中，迅速風化，難于管理。

因此，色連井田煤層開采時，對于煤層埋藏淺的局部區域導水裂隙帶可能具導通地表的可能性，具有一定危險性，特別要加強塌陷區的及時填埋，以防雨水灌入，造成災害事故。

3.結論

色連煤礦礦井充水因素主要為第四系全新統（Q₄^al+pl）孔隙潛水含水層、志丹群（_1zh）潛水一承壓水含水層、侏羅系中統（J₂）承壓水含水層和三疊系上統延長組（T3y）碎屑巖類承壓水含水層等對侏羅系中下統延安組含水層的垂直入滲補給和大氣降水入滲補給。充水通道為不良鉆孔，斷層以及采后冒落帶裂隙等。通過大井法和類比法，該井正常涌水量為1292.08m³/d，1076.73m3/d與1560m³/d，1872m³/d；經過多個礦井資料的總結，煤層采后的導水裂隙帶高度為煤層的30-35倍。因此，需加強塌陷區裂隙的填埋和管理，以防突水和潰沙事故的發生。