法地煤礦沙子嶺井田水文地質特征及充水因素分析

曹興民，田亞江，李 千

（貴州省地礦局地球物理地球化學勘查院，貴陽 550018）

法地煤礦沙子嶺井田水文地質特征及充水因素分析

曹興民，田亞江，李 千

（貴州省地礦局地球物理地球化學勘查院，貴陽 550018）

礦井水害一直是煤礦生產的一項重大安全隱患，本文基于法地煤礦沙子嶺井田地質勘查資料，對井田水文地質特征進行分析，明確了井田內巖層含隔水性及斷層帶水文地質特征；對井田充水因素進行分析，明確了充水水源；對頂板充水和底板突水進行預測，明確了礦井充水途徑。最后，筆者對礦井突水帶進行了分析，可為今后礦山開采過程中水害的預防提供參考。

水文地質特征；充水途徑；突水帶；沙子嶺井田

礦井水害是威脅煤礦安全生產的重大災害之一，為僅次于瓦斯災害的第二大煤礦災害性事故[1]。加強礦區水文地質研究，分析井田水文地質特征及充水因素，對于預防水害事故、保障煤礦安全生產具有重大意義[2]。在煤礦開采過程中，各種充水水源通過各種充水通道在不同充水程度的影響下進入礦井[3-4]。本文通過對法地煤礦沙子嶺井田水文地質特征的系統分析，確定主要的含、隔水層以及斷層帶水文地質特征；對礦井充水因素進行分析，確定充水水源、突水帶及充水途徑。這不僅為煤礦更好地開展防災減災、消除水害提供參考，也為處在同類型水文地質條件及充水因素下的礦井充水及突水災害提供參考，保障安全生產。

1 井田概況

法地煤礦沙子嶺井田位于納雍縣城以西勺窩鄉境內。地處云貴高原東側斜坡地帶，屬淺至中等切割的中山高原地形，區內屬亞熱帶高原性濕潤季風氣候。

法地煤礦沙子嶺井田內含煤地層為二疊系龍潭組，井田內含煤巖系（P3l）厚234.63～325.79 m，平均厚274.05 m，共含煤層（線）24～46層，平均含煤層（線）32層，其中含可采煤層8～17層，平均含11層可采煤層。

法地煤礦沙子嶺井田位于六沖河流域，區域上總體處于補給區。天然條件下井田淺部分布于兩個不同水文地質單元，以青龍洞－大荒壩－朝門口－油菜沖老頂－二道河埡口一帶為地表分水嶺，地表水分別向東、西徑流。區域上以東邊亞落箐溪溝下游河溝頭一帶1 600 m為地下水最低排泄基準面，井田區內煤層分布高程約1 250～1 930 m，大部分可采煤層分布于1 600 m以下，不利于自然排水。

2 井田水文地質特征分析

2.1 含（隔）水層

井田內主要出露有二疊系、三疊系及第四系地層，根據含水巖層的巖性、含水介質組合特征及水動力條件，可將井田區地下水分為松散巖類孔隙水、巖溶水和基巖裂隙水三大類。其中，松散巖孔隙水儲存在第四系松散層中；巖溶水則賦存和運移在二疊系中統茅口組（P2m），三疊系下統飛仙關組二段（T1f2）碳酸鹽巖地層中；基巖裂隙水則賦存于二疊系上統峨眉山玄武巖組（P3β）、龍潭組（P3l）、長興—大隆組（P3c+d），三疊系下統飛仙關組一段（T1f1）、三段（T1f3）碎屑巖地層中。

2.2 斷層帶水文地質特征

2.2.1 斷層特征分析

沙子嶺井田斷裂構造發育，井田內發育各種規模斷層共15條，斷層類型大部分屬于正斷層，力學性質屬張性斷層，規模較大斷層分別為F1、F2、F3及F5，其他斷層規模較小。

2.2.2 斷層上下盤地層接觸關系

該井田除F1、F2、F3、F5以外的其他斷層規模較小，垂直斷距較小，斷層上下盤地層主要為T1f1、P3l及P3β地層，其富水性均較弱。

3 礦井充水性分析

3.1 直接充水水源

二疊系上統龍潭組為含煤地層，井田區主要可采煤層均產于該層中，含煤巖系成為未來礦坑的直接充水層位。該層中所含的基巖裂隙水為礦坑直接充水水源，但由于含水性弱，僅為井田區內次要充水水源。

3.2 間接充水水源

3.2.1 地下水

井田區含煤巖系上覆飛仙關組二段（T1f2），下伏茅口組（P2m）均為含水性豐富的巖溶含水層。為研究上述巖溶含水層對未來礦坑充水的可能性，根據礦區內主要可采煤層厚度、賦存情況、頂底板厚度、巖性及物理力學指標，估算未來開采中礦坑頂板冒落帶、導水裂隙高度，采用斯列薩列夫公式估算可采煤層隔水底板的臨界安全厚度，用以評價未來礦坑頂、底板巖溶含水層中地下水向礦坑充（突）水的可能性。各可采煤層頂底板距上覆和下伏巖溶含水層的鉛直厚度統計結果見表1。

表1 主要可采煤層頂底板厚度統計表

（1）頂板充水預測。井田區可采煤層頂板巖石抗壓強度為20～40 MPa，頂板管理方法采用全部陷落法，巖性主要為泥巖、粉砂巖。

冒落帶最大高度計算公式：Hc=（3～4）M

導水裂隙帶計算公式：Ht=[100M/（3.3n+3.8）]＋5.1

式中：M——累計采厚（m）（M＝9.17 m）；n——可采煤層分層數（n＝8）。

估算結果，冒落帶最大高度為36.12 m，導水裂隙帶高度為35 m，采礦頂板影響總高度為71.12 m。

將估算的冒落帶與導水裂隙帶高度與表1中列出的各可采煤層距上覆巖溶含水層底板的間距進行比較，結論為：

井田區各可采煤層頂距上覆飛仙關組二段（T1f2）巖溶含水層的隔水層厚度均大于冒落帶及導水裂隙帶高度，因此，開采條件下，飛仙關組二段（T1f2）巖溶含水層中地下水不能通過飛仙關組一段（T1f1）泥巖隔水層向礦坑充水。

（2）底板突水預測。根據薩列斯列夫公式，對坑道掘進中底板突水的可能性進行預測。預測公式：

式中：tl——能抵抗實際水壓力（HP）的臨界隔水層厚度（m）；

HP——作用在隔水底板上的實際水壓力值（MPa）；

l——采區巷道底寬（m）；

KP——隔水底板巖層的抗張強度（MPa）；

rR——隔水底板巖石容重（T/m3）。

根據鉆孔揭露，M35號可采煤層底板下伏還有一層厚72.72～106.74 m的峨眉山玄武巖組（P3β）隔水層。根據巖石物理力學實驗結果，煤系下伏峨眉山玄武巖組（P3β）巖石容重（rR）平均值為2.81 T/m3；隔水底板巖性以玄武巖為主，巖石抗拉強度平均值5.52 MPa；根據相鄰井田勘探鉆孔實測資料，茅口組（P2m）水頭標高1 734.02 m，該孔M35號煤層底板標高1 345.09 m，茅口組（P2m）地下水作用在M35號煤層隔水底板上的實際水壓力值（HP）為388.93 MPa。

估算結果：當采區巷道底寬為4 m時，tl=18.53 m；當采區巷道地寬為8 m時，tl=40.03 m。

M35號煤層底板隔水巖層厚61.29～126.14 m，遠大于臨界隔水層厚度tl。因此，未來開采條件下，井田區發生底板突水的可能性小，茅口組（P2m）中地下水不會突破底板隔水層向礦坑突水，但由于該井田斷裂構造發育，致使局部地段斷層溝通了茅口組（P2m）含水層，以及由于斷層的錯動，茅口組（P2m）含水層直接與含煤巖系接觸，導致向礦坑的突水。

綜上分析：未來開采條件下，上覆飛仙關組二段（T1f2）巖溶含水層不會向礦坑充水。而下伏茅口組（P2m）中地下水不會直接突破底板向礦坑突水，但易通過斷裂構造向礦坑突水。

3.2.2 大氣降水

大氣降水是礦區地下水的主要補給來源，充水含水層中地下水接受補給后，其地下水可通過采空塌陷帶、導水裂隙帶及突水帶間接或直接進入礦坑，對礦床進行充水，故為礦床充水的間接充水因素。

3.2.3 地表水

圖1 突水帶分布圖

沙子嶺井田內無地表水體，僅在該井田以南有一溪溝（壓落箐溪），流量較小。該溪溝未流經開采地段，故該溪溝對礦坑充水不構成影響。

3.2.4 老窯積水

沙子嶺井田區煤層僅在北及北西方向出露，在煤層露頭一帶分布有規模不同的老硐，基本為20世紀60～90年代民采，都分布在淺部煤層地表露頭一帶。

3.3 礦井突水帶分析

根據綜合研究分析，該井田包含兩個水文地質系統，分別可概化為兩種不同的水文地質模型。第一個水文地質系統為含煤巖系及其上覆地層（P3l－T1f1）含水系統，可概化為潛水系統；另外一個水文地質系統為煤系下伏茅口組（P2m）含水系統，可概化為承壓水類型。

兩個水文地質系統中間有一層峨眉山玄武巖組隔水層相隔，使之成為相對獨立的系統，無直接關系。但是，由于井田內幾條規模較大的斷層（主要為F1、F2、F3）的破壞、溝通，在斷層帶附近，兩個水文地質系統發生水力聯系，水利聯系的方式是通過斷層導水溝通以及斷層錯動形成兩個水文地質系統的直接接觸。

綜上所述，井田內的幾條規模較大的斷層為兩個水文地質系統的主徑流帶，也是未來礦山開采中礦井可能發生突水的地帶（見圖1）。

3.4 礦井充水途徑分析

根據上述礦井充水水源分析，礦井頂板充水直接來源于含煤巖系本身所含的基巖裂隙水，地下水通過構造裂隙向礦井充水。井田上覆礦坑水也是通過裂隙導水向礦井充水。

斷裂構造的發育，對煤系充水影響較大，煤系底板茅口組（P2m）巖溶水主要通過斷裂構造向煤系突水，根據調查以及綜合分析，F2斷層帶泉水發育，F2斷層壓落箐寨子頭S40斷層泉表明，底板茅口組（P2m）巖溶水已經通過斷層的溝通在地表出露，該地帶為底板易突水帶，而F1、F3斷層由于垂直斷距較大，致使茅口組（P2m）直接與煤系接觸，形成易突水區。而F5斷層雖未溝通茅口組，但溝通上覆飛仙關組二段，可能導致該層巖溶水對礦井充水，為易突水區。綜上所述，井田在未來的開采中，F1、F2、F3、F5斷層帶附近發生突水的可能性大，是未來開采設計和開采中應特別注意預防礦坑突水的部位。根據分析，以后開采時可在S40泉水點附近打大口徑的疏干井群進行底板排水，以降低底板充水含水層的水頭壓力，防止底板突水，并在幾條斷層突水帶留設防水煤柱。

除地表已查明的導水斷裂之外，礦區內可能發育有隱伏導水斷裂，在今后的開采過程中，應注意先探后掘，若遇突水應首先采取抽排放水措施。

4 結語

（1）井田總體位于地下水的補給區，井田的F1、F2、F3斷層帶的主徑流帶，可能成為未來茅口組巖溶地下水向礦井突水的集中徑流帶，應做好防治措施。

（2）井田水文地質類型為水文地質條件中等的以頂板直接充水為主的裂隙充水礦床。在開采過程中，要注意頂板巖溶裂隙水，防止底板茅口組的巖溶裂隙水通過斷層破碎帶對礦井進行充水。在采掘過程中，要超前探水，先探后掘，防止水患發生。

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

2 趙愛萍.我國煤礦水害事故分析及對策[J].煤，2008，17（11）：39-40．

3 吳 濤，司慶超，王濟洲．煤礦酸性礦井水的危害及其主要防治技術[J]．山東煤炭科技，2010，（5）：179-180．

4 喬小娟，李國敏，周金龍，等．采煤對地下水資源與環境的影響分析——以山西太原西山煤礦開采區為例[J]．水資源保護，2010，（1）：49-52.

Method of Sand Ridge Coal Mine Hydrogeological Characteristics and Water Filling Factors Analysis

Cao Xingmin, Tian Yajiang, Li Qian
(The Earth Geophysical and Geochemical Exploration Institute, Guizhou Bureau of Geology and Mineral Resources, Guiyang 550018,China)

Mine flood has been a major coal mine production safety, this article based on the method of coal geological exploration data of the sand ridge field, analyses the hydrogeological characteristics, has been clear about the rock strata in mining field with every other water-based and hydrogeological characteristics of fault zones. For mine water filling factors into the analysis, has been clear about the water filling water sources, water filling and inrush from roof is forecasted, clear the way of mine water filling. Finally, the author analyzes the mine water bursting belt, which can provide reference for the prevention of water disaster during mining.

hydrogeologic features; water filling way; water inrush; Shaziling minefield

TD745

A

1008-9500(2017)06-0091-04

2017-04-03

曹興民（1985-），男，河南永城人，工程師，從事水工環地質工作。