西曲井田煤層淺埋區含隔水層特征及水害分區

郭啟琛，王順喜，郭太剛

(西山煤電集團有限公司 西曲礦， 山西 太原 030200)

太原西山煤田古交礦區是山西省內六大煤田之一，也是我國最重要的焦煤生產基地之一，區內溝壑縱橫深切，地形相對高差大，煤層整體埋深淺，使得開采時地表水的影響較大[1-3]. 近年來，國內地質界對淺埋煤層的開采研究逐漸深入，淺埋煤層防治水是其中一個重大課題，并且取得了非常豐富的成果[4-9].

近年來科技設備的進步，已大大減少了煤礦事故的發生，然而礦井水害一直是困擾西山各礦的難點[3]，尤其西曲礦2016年5月5日發生的水害更是讓礦井防治水成為了亟需解決的重要課題。本文以西曲礦為例，對礦區煤層淺埋區最可能受地表水體等影響的區域進行分析，了解其主采8#煤上覆含隔水層性質，以期劃定西曲礦淺層水防治的重點并為相似礦區提供參考。

1 研究區概況

西曲井田位于山西省太原市古交市區北約0.5 km處，井田位于呂梁山東麓，屬中低山區，區內切割強烈，溝谷縱橫，溝谷兩側基巖裸露，較大的有礬石溝、水深溝、李家溝等，這些溝谷平時水量不大，其余除雨季外，常年無水。山頂多為黃土覆蓋，汾河處于井田邊界外南部，留有完整的河床保護煤柱，且對河壩進行了整修加固。

研究區內基巖頂部普遍風化，其中個別區域松散層薄，且經溝谷沖刷，地形起伏變化大，基巖風化嚴重且深，形成8#煤層風氧化帶。

2 研究區含(隔)水層空間組合特征

2.1 研究區水文地質現狀

西曲井田為復雜型水文地質條件，構造發育，以陷落柱和斷層為主，礦區內廣泛分布的早期私采小煤窯采空區更是增加了防治水的難度。礦區目前主采8#煤，屬太原組，厚度1.30～5.05 m，平均3.79 m，屬賦煤區可采的穩定煤層。研究區內煤層整體傾向西南，平均埋深在200 m左右，上覆基巖厚度不均一。地表溝谷尤其礬石溝的發育，使黏性土層缺失，基巖變薄，煤層埋深不足70 m，最淺處僅37 m.

2.2 含(隔)水層概況

8#煤頂板的主要含水層包括第四系松散巖類孔隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層及石炭系砂巖夾薄層灰巖裂隙含水巖組。根據礦區10個水文孔的抽水試驗數據，基巖含水層中鉆孔單位涌水量小于0.1 L/s·m，富水性普遍較弱。

研究區內王馬市附近存在8#煤風氧化帶和井田范圍內最大的溝谷礬石溝，溝谷處基巖出露，且雨季地表水流量較大。其中，松散層底部的二疊系砂巖裂隙含水層，風化裂隙發育，使得松散層與風化帶產生直接水力聯系，上述區域的325、328、338號鉆孔在揭露含水層時均有自流水現象，且單位涌水量為0.039 8～2.17 L/s·m，說明松散巖類孔隙含水層和基巖風化帶含水層在研究區內富水性不均一。因此研究區內的淺埋煤層主要的充水水源是地表水、第四系松散巖類孔隙含水層水和基巖風化帶潛水。

研究區內隔水層分兩部分：2#煤層底至8#煤層間隔水層，間距74 m左右，主要由泥巖、粉砂巖、煤層組成，厚度穩定，隔水性能良好；其次為在基巖頂部，松散層底部不均勻存在的由中更新統Q2黃土及上新統N2紅土組成的隔水黏性土層。西曲礦未對該黏性隔水層做過具體物化、水文參數分析，結合周邊區域資料及相似煤礦實驗數據，N2紅土的黏土礦物成分主要以綠泥石為主，一般結構致密。Q2黃土屬于弱隔水-較強隔水層，紅土的黏粒含量高達35%，為較強-強隔水層[10].

2.3 研究區含(隔)水層空間組合特征

8#煤標高均位于奧灰水位之上，因此不受下伏含水層水影響。研究區內煤與水賦存空間組合總的特點是煤水共生，水在上、煤在下，富水性不均一，隔水巖組變化大[10].

研究區煤層頂板內巖性為堅硬、軟弱、極軟弱互層，巖性多為泥巖、粉砂巖、砂質泥巖，屬軟弱至中硬巖性，但夾有堅硬的薄層細、中、粗粒砂巖和灰巖(粒狀砂巖和灰巖常作為標志層)。需要注意的是西曲礦2013年針對8#煤淺埋區補勘施工煤田孔10個，均揭露上部風氧化層，且部分鉆孔內風氧化帶一直向下延伸至8#煤底板。一般巖層在風化后其泥質含量多有增加，黏塑性也增加，使得巖性偏軟弱[2]，同時成為地下水的良好貯存空間，給井下安全生產帶來嚴重威脅。

因此，依據礦區8#煤覆巖巖性、含隔水層分布和厚度、地形等因素，將西曲礦淺埋區煤層含隔水層空間賦存組合劃分為以下3種類型[9](圖1).

圖1 研究區淺埋煤層含隔水層空間賦存組合類型

1) 薄基巖型組合。

該型組合主要分布在研究區范圍內的礬石溝溝谷區內，地表溝谷等的發育導致松散層變薄，甚至基巖直接出露，基巖厚度普遍小于70 m，煤層的開采可能使井下工作面直接接受大氣降水的補給，見圖1a).

2) 砂基型組合。

該型組合在研究區內分布較廣，由于第四系底部Q2和N2黏性土隔水層缺失，因此第四系松散巖類孔隙含水層與基巖頂部的風化帶直接接觸，不僅使得風化帶內富水性增大，煤層之上隔水層厚度變薄，更增加了含水層的厚度，風化帶底部隔水層厚度不足時突水危險性更大，見圖1b).

3) 砂土基型組合。

該型組合在研究區內分布不均，松散層厚度大，同時松散層底部黏性土層隔水層厚度大，切斷了松散巖類孔隙含水層與基巖含水層的水力聯系，弱化了基巖含水層的富水性，同時土層的存在抑制了導水裂縫帶高度的發育，見圖1c).

研究區內3種不同的含(隔)水層組合對應不同的防治水區域。薄基巖型組合和砂基型組合中由于黏性土層隔水層的缺失，當煤層上覆隔水層厚度不足時，可能使得松散巖類孔隙含水層水甚至地表水直接匯入工作面內，造成井下涌水[11].正確對西曲礦淺埋煤層進行含(隔)水層組合分區并留設相應高度的防隔水煤柱是井下安全生產的前提保障。

3 淺埋煤層水害分區

3.1 研究區導高預測

淺埋煤層開采導水裂縫帶發育高度的影響因素眾多，包括煤層采厚、工作面寬度、采煤方法、頂板覆巖巖性、工程地質特征、地質構造、煤層蓋山厚度及基巖厚度等[13-16]. 本文選取研究區內的33個鉆孔進行分析，分別統計8#煤厚度、頂底板標高、煤層埋深、松散層厚度、底部黏性土層厚度、風化帶厚度、覆巖巖性及工程地質特征等數據，作為此次分析的重要基礎數據。

西曲礦整體為緩傾斜煤層(0～5°)，煤層頂板抗壓強度在32.7～164 MPa，保守定義8#煤覆巖巖性為中硬巖性，其中北三、北四盤區交界處風氧化帶附近基巖風化嚴重，巖層泥質含量增加，黏塑性也增加，特別是原巖泥質含量較高的巖層，在煤層采動影響后，導水裂縫帶的發育會受到限制，許多新生裂隙很快閉合。結合該區補勘施工的10個鉆孔發現，風氧化的煤層、巖層均極為破碎，各種裂隙擴展和增多，破壞了巖體的完整性，使巖體的力學強度降低，黏性增強，因此將風氧化區巖性定為軟弱。

西曲礦暫無采后導水裂縫帶高度實測資料，利用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》(以下簡稱“三下規程”)中經驗計算公式(見表1)，結合覆巖巖性、累計采厚對導高進行預測計算。

表1 厚煤層分層開采的導水裂縫帶高度計算公式表

結合8#煤風氧化帶鉆孔巖性描述，XQK13-1至XQK13-10和345、363、368共13個鉆孔為風化嚴重區域鉆孔，含(隔)水層空間組合特征主要為砂土基型，在計算導高時應當適用巖性軟弱的計算公式，其他區域則主要為薄基巖型和砂基型組合，適用中硬巖性預測公式進行計算。據此求得研究區內導水裂縫帶發育高度，覆巖軟弱區域導高平均約27m，覆巖中硬區域導高平均約50m(見表2).

表2 研究區預測導水裂縫帶高度表

3.2 研究區淺埋煤層水害分區

針對風氧化帶附近巖性軟弱區域和其他覆巖巖性中硬區域，根據松散層底部黏性土層厚度的數值分別確定不同情況下防隔水保護層厚度(3A～6A)，確保各自區域保護層厚度滿足要求。按照導水裂縫帶高度同頂板含水層及地表水的關系(圖2)將西曲礦淺埋煤層受地表及潛水的影響劃分為3類區域。

1) 地表補給危險區。

該區煤層上覆含(隔)水層組合以薄基巖型為主，開采后導水裂縫帶高度大于煤層埋深，或者基巖中導高發育雖未超出地表，但導高之上防隔水保護層厚度不足，判斷依據為：

Hg≤HL+Hb

式中：

Hg—煤層埋深，m；

HL—中硬巖性區域導水裂縫帶的最大高度，m；

Hb—保護層厚度，m.

此類區域存在使得地表水或者大氣降水能夠通過裂縫帶直接涌入開采工作面內的隱患，受地表水和潛水補給可能大，因此必須留設相應高度的防隔水煤巖柱。

2) 潛水冒裂危險區。

該區域地表松散層較薄，煤層上覆含(隔)水層組合以砂基型為主，基巖雖未出露，但厚度較薄，其中松散層底部黏性土隔水層缺失或較薄(小于4m). 該區導高進入了基巖風化帶含水層甚至松散層內潛水，亦或基巖風化帶下部完整基巖保護層厚度不足，存在潛水滲入工作面的情況，判斷依據為：

Hj-Hfe≤HL+Hb

式中：

Hj—煤層上覆基巖厚度，m；

Hfe—基巖頂部風化帶厚度，m.

對于該區域而言，雖不存在直接接受大氣降水補給的風險，但是必須考慮松散含水層內富水性較強時導高可能波及該含水層，加之基巖與松散層間隔水層的缺失，使得基巖風化帶內可能成為地下潛水的良好貯存空間，因此也應當留設相應防隔水煤柱或采取充填開采等特殊工藝限制導高的發育。

3) 潛水冒裂安全區。

該區域煤層上覆含(隔)水層組合以砂土基型為主，基巖厚度變大，在72～253m，由于松散層底部黏性土層發育情況不同，導水機理存在差異，按照松散層底部黏性土隔水層厚度對導高的抑制和對上下含水層水力聯系的阻隔效果，以黏性土層厚度10m作為分區，將該區分為兩小區：

a) 導高抑制安全區：松散層底部厚黏性土層N2的存在使得導高的發育在該層段會進一步被抑制，采動裂隙在土層中很快就被壓實封閉[15]，且土層弱化了基巖風化帶與松散層含水層的水力聯系，判斷依據為：

Hj-Hfe≥HL+HbHt≥10 m，Hb=2A～3A

式中：

Ht—松散層底部黏性土層的厚度，m；

∑M—累計采厚，m；

n—分層層數。

b) 導高完整安全區：該區域黏性土層缺失，但是基巖厚度超出導高與保護層厚度之和，導高不會進入松散層潛水含水層，判斷依據為：

Hj-Hfe≤HL+HbHt≤10 m，Hb=5A～6A

根據研究區內33個鉆孔數據，在煤層底板標高的基礎上，疊加研究區內不同的含(隔)水層空間組合下的導高、保護層厚度，運用ArcGIS軟件多源信息復合疊加功能，求得對應區域同滿足地表水或潛水冒裂安全時的理論地表高程與DEM原始空間高程對比，根據兩高程差值為0的點進行礦區實際水害分區(見圖3).

由圖3可以看出，在西曲礦的淺埋煤層區域中，大部分區域為冒裂安全區，煤層的開采不會引起潛水含水層水涌入工作面；地表補給危險區分布較少，主要集中在礦界內礬石溝延伸范圍的最南端，該區早期28201、28202、28203工作面在回采期間頂板較為破碎，且工作面涌水情況與地表水大小聯系較密切，說明該區域存在潛水和地表水灌入的可能，必須留設相應高度的防隔水煤巖柱；潛水冒裂危險區內松散層厚度的變薄以及基巖風化帶的加厚使得該區在王馬市風氧化帶、礬石溝、圪垛溝處分布廣泛，應當采取相應的開采工藝或留設防水煤柱等措施，并加強地表水情監測。

4 結 論

1) 西曲礦內煤層淺埋區域容易受到地表水和第四系松散巖類孔隙含水層水的威脅，不同的含隔水層空間組合使淺埋煤層受水害威脅的程度不同，基巖的風化抑制了導高的發展。

2) 利用淺埋區滿足地表水或潛水冒裂安全時的理論地表高程與實際空間高程對比，根據兩高程差值為0的點進行礦區實際水害分區，劃分為地表補給危險區、潛水冒裂危險區、潛水冒裂安全區。

3) 地表補給危險區工作面在實際生產中涌水情況受地表水及潛水影響大，應當抓住礦井淺埋區的防治水工作重點，對地表補給危險區、潛水冒裂危險區采取留設防隔水煤柱等措施，并加強日常監測。