山西省楊家灣勘查區充水因素分析

摘??要：根據勘查區內的水文地質特征，經過分析認為，勘查區內的主要充水水源為新生界松散層孔隙水、主采煤層頂底板砂巖裂隙水和奧灰巖溶裂隙水。通過計算主采煤層導水裂隙帶發現，8號煤層采空后續采13號煤層時，易溝通8號煤層的采空區，進而引起頂板突水。通過計算突水系數發現，開采13號煤層比開采8號煤層時更易引發底板突水事故。

關鍵詞：水文地質特征;充水因素;導水裂隙帶;突水系數

中圖分類號：TD745??????????????文獻標識碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.074

楊家灣勘查區位于河東煤田北部，面積為73.34?km2。勘查區的總體構造為走向北西、傾向南西的單斜，地層傾角為2°～9°，地貌類型屬中低山區，主要含煤地層為二疊系下統山西組和石炭系上統太原組。其中，山西組主采煤層為8號煤層，太原組主采煤層為13號煤層。

1??勘查區的水文地質特征

勘查區隸屬于鄂爾多斯盆地東緣的天橋泉域徑流區，區內地表水屬黃河流域，主要河流有勘查區西南部的腰莊河和中北部的蘆子溝河，勘查區的水文地質特征分述如下。

1.1??含水層

1.1.1??新生界松散巖類孔隙含水層

該含水層的含水巖性為沖洪積的砂礫石層，呈帶狀分布于區內較大的溝谷中，易接受大氣降水和地表水的補給，富水性較好;中、上更新統黃土層在全區廣泛分布，受地形和巖性特征的影響，富水性極弱。

上第三系保德組底部有一層鈣質膠結的砂礫層，由于下部泥巖的頂托，泉水從該層涌出，是當地居民主要的飲用水源。泉水流量一般在5～30?m3/d，地下水屬于滲入溶濾水。

1.1.2??三疊系、二疊系碎屑巖裂隙含水層

三疊系、二疊系地下水主要賦存于砂巖裂隙中，為風化殼潛水或微承壓裂隙水，地下水屬于沉積成因水。由于砂巖各段之間有較厚的泥質間隔，且裂隙不甚發育，地下水補給條件極差，屬于富水性較弱的含水層。據區內鉆孔上、下石盒子組和山西組抽水試驗結果，單位涌水量為0.000?25～0.000?9?L/s·m，滲透系數為0.000?197～0.005?47?m/d，水質為Cl-K+Na·Ca型，礦化度為655?mg/L，總硬度為57.60?mg/L，pH值在7.61～8.30之間。

1.1.3??石炭系碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙含水層

該含水層主要為太原組砂巖，為灰巖裂隙承壓水，由于巖石膠結致密，導致裂隙不發育，埋藏較深，且補給條件差，屬于富水性較弱的承壓含水層。據區內Y502號鉆孔太原組抽水試驗結果，單位涌水量為0.000?4?L/s·m，滲透系數為0.001?465?m/d，靜止水位標高為813.12?m，水質為Cl-K+Na型，礦化度為617?mg/L，總硬度為54.91?mg/L，pH值為8.74.

1.1.4??奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層

該含水層以白云質灰巖和灰巖為主，區內地表未見出露，屬于隱伏或覆蓋巖溶區。據抽水試驗結果，單位涌水量為0.000?5～0.005?85?L/s·m，滲透系數為0.000?269～0.003?046?m/d，水位標高為825～860?m，水質為Cl-K+Na型，礦化度為16?910?mg/L，總硬度為2?224.37?mg/L，pH值為6.74，地下水屬于沉積成因水，屬于富水性中等的承壓含水層。

1.2??隔水層

為了分析區內充水的影響因素，按勘查區主采煤層8號、13號煤層將勘查區內主要隔水層劃分為以下4層。

1.2.1??新近系保德組隔水層

該隔水層全區分布穩定，巖性為棕紅色粉質黏土，偶含鈣質結核，侵水具有濕脹性，屬于上部松散巖類含水層與下部含水層之間良好的隔水層。

1.2.2??8號煤層之上的隔水層

該隔水層中的各含水層之間的泥巖、砂質泥巖結構致密，厚度穩定，單層厚度最厚可超過20?m，屬于砂巖含水層的相對隔水層。

1.2.3??8～13號煤層之間的隔水層

8～13號煤層的間隔為40.81～67.77?m，其間的泥巖、砂質泥巖隔水層與砂巖、灰巖含水層呈穩定的互層產出，屬于良好隔水層。

1.2.4??13號煤層底界至奧灰含水層頂界

13號煤底板至奧灰頂界的厚度為25.74～80.74?m，包括石炭系上統太原組下段和中統本溪組。其中，本溪組全區分布穩

定，巖性為灰黑色泥巖、鋁質泥巖，間夾有薄層砂巖、灰巖，厚度為6.04～22.40?m，屬于奧灰巖溶水與煤系地層之間重要的隔水層。

1.3??地下水的補給、徑流和排泄條件

本區地下水的補給來源主要為大氣降水，其次為地表水。

松散巖類含水層的巖性主要為砂礫，分布于各大溝谷中，易接受大氣降水和地表水的補給。地下水在向溝谷兩側運動的過程中，一部分以泉水的形式排泄，另一部分以蒸發的形式排泄至大氣中。

碎屑巖類裂隙含水層由三疊系、二疊系和石炭系地層構成。其中，山西組以上地層在區內溝谷兩側有出露。由于本區溝深壁陡，且降水多以暴雨的形式出現，因此，大氣降水對裸露基巖的入滲量很小。隨著巖層深度的增加，巖石的節理裂隙越來越少，且有砂巖之間較厚的泥巖間隔，導致地下水的補給條件也隨之變差。山西組、太原組地層在研究區內的埋深較大，地面未見出露，其含水層僅接受少量的側向補給或其他含水層通過斷裂破碎帶、陷落破壞帶提供的滲入補給。由于碎屑巖類呈層狀產出，含水層與隔水層互層疊置，導致地下水主要沿地層產狀層面徑流，地下水整體自東向西沿地層傾，并向平緩運移。在基巖侵蝕基準面以上的地層，因受溝谷切割的影響，多以泉水點狀排泄于溝谷下游;在侵蝕基準面以下的地層，多以潛流形式向深部運移，在未遇導水構造的情況下，地下水的滲流速率漸趨降低，從而在本區西部邊緣形成地下水滯流帶。碎屑巖類裂隙水主要以徑流的方式向區外排泄。在煤層開采或煤層氣開發后，人工的抽排水方式成為了主要的排泄形式。

碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層主要由石灰巖、白云質灰巖組成，屬于隱伏巖溶徑流區，主要接受東部巖溶水的側向補給。本區位于天橋泉域的西部邊緣，天橋泉群出露點的南面，屬于天橋泉域強徑流帶，巖溶水整體自南向北偏東方向徑流，最后在天橋泉集中排泄。

2??礦井主要充水因素分析

2.1??頂板砂巖裂隙水

頂板砂巖裂隙水為煤層直接充水含水層，根據本次抽水試驗結果，其富水性較弱。煤層開采引起的頂板導水裂隙可能會溝通上部的多個含水層，成為充水的主要來源。采用導水裂隙帶計算公式，計算8號煤層和13號煤層采空后產生的導水裂隙帶的高度：

.????????????（1）

式（1）中：H為導水裂隙帶高度，m;M為煤層厚度，m;n為煤層分層開采層數。

經計算，13號煤層的導水裂隙帶高度為69.55～72.19?m，8～13號煤層的間距在24.69～50.62?m之間。由此可見，8號煤層采空后，續采下煤組13號煤層時，易溝通8號煤層的采空區，存在發生頂板突水事故的危險。

2.2??奧灰水

勘查區內主采煤層底板標高均位于奧灰水水位以下，各煤層均存在不同程度的帶壓開采。根據本次勘查成果，推測勘查區奧灰水水位標高為825～860?m。下面分別計算主要可采的8號煤層和13號煤層的突水系數：

.????????????????（2）

式（2）中：Ts為突水系數，MPa/m;P為隔水層承受的水壓，MPa;M為底板隔水層的厚度，m;Cp為采礦對隔水層底板擾動破壞的厚度，16?m。

依據式（2）可獲得本勘查區8號煤層和13號煤層的突水系數，并繪制了8號煤層帶壓開采圖和13號煤層帶壓開采圖，如圖1和圖2所示。

從圖1和圖2中可以看出，8號煤層東北部的突水系數小于受構造破壞地段奧灰突水系數的臨界值0.06?MPa/m，西南部大于正常地段奧灰突水系數的臨界值0.10?MPa/m;13號煤層僅東北部一小塊區域的突水系數小于正常地段奧灰突水系數的臨界值0.10?MPa/m。因此，8號煤層受奧灰水突水的可能性較小，而13號煤層受奧灰水突水可能性較大。

圖1??8號煤層帶壓開采圖??????????圖2??13號煤層帶壓開采圖

3??結束語

楊家灣勘查區的煤層直接充水含水層以砂巖裂隙含水層為主，含水層的富水性較弱;間接充水含水層的充水來源為大氣降水和地表水，相對比較貧乏。奧灰巖溶含水層為煤層底板的間接充水含水層，主采煤層均位于奧灰水水位之下。綜合分析認為，煤層開采由于受奧灰水的威脅而變的復雜，礦井水文地質類型為二類二型，水文地質條件中等。

參考文獻

[1]國家煤礦安全監察局.煤礦防治水規定[M].徐州：中國礦業大學出版社，2009.

[2]徐淑媛.山西蘆子溝煤礦充水因素分析及礦井涌水量預測[J].中國煤炭地質，2012，24（06）：30-40.

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作者簡介：覃軒（1986—），男，山西交城人，2009年畢業于中國礦業大學水文與水資源工程專業，現從事水文地質方面的技術工作。

〔編輯：張思楠〕

Analysis?of?District?Water?Filling?Factors?in?Shanxi?Province?Yangjiawan?Exploration

Tan?Xuan

Abstract：?According?to?the?exploration?and?hydrogeological?characteristics?in?the?region，?through?analysis，?exploration?the?main?water?filling?source?region?for?Cenozoic?loose?bed?pore?water，?the?main?coal?seam?roof?and?floor?sandstone?fissure?water?and?Ordovician?limestone?karst?fissure?water.?Found?through?the?calculation?of?the?main?coal?seam?water?flowing?fractured?zone，?No.?8?coal?seam?mined?subsequent?mining?of?No.?13?coal?seam，?easy?communication?in?No.?8?coal?seam?goaf，?and?then?cause?the?roof?water?inrush.?Through?the?calculation?of?water?inrush?coefficient?found?in?No.?13?coal?mining，?mining?more?than?No.?8?coal?seam?floor?water?inrush?accidents?easily?caused.

Key?words：?hydrological?and?geological?characteristics;?water?filling?factors;?water?flowing?fractured?zone;?coefficient?of?water?inrush