唐家會礦區水文地質條件及礦井充水條件分析

譚海亮

摘要：唐家會礦區位于鄂爾多斯高原東北部，準格爾煤田中部，區內煤炭資源豐富。由于水文地質條件復雜，構造比較發育，給礦區安全生產帶來風險。依據對礦區的水文地質條件分析，認為礦井主要充水水源為大氣降水、第四系孔隙水、白堊系保安群孔隙裂隙水、石炭一二疊系砂巖裂隙水、奧陶系巖溶裂隙水。地下水補給來源以大氣降雨滲入為主，地表水滲漏補給為輔。充水通道主要為斷層、陷落柱以及導水裂縫帶、煤層底板礦壓破壞帶和封閉不良鉆孔。

關鍵詞：水文地質條件；礦井充水條件；充水水源；充水通道

1.礦區概況

唐家會礦區位于鄂爾多斯高原東北部，準格爾煤田中部，井田為一不規則多邊形，南北最長約8.5km，東西最寬約5.10km，面積約28.52km²。其中石炭系上統太原組、二疊系下統山西組為主要含煤地層，主采煤層為6號煤層。地形總體為北高南低，一般海拔標高為1220m～1300m，屬于典型的黃土高原地貌。

2.地質概況

井田內大部被第四系覆蓋，但在溝谷兩側及溝掌，亦有基巖出露，根據地形地質填圖成果及鉆孔揭露和巖煤層對比結果，井田地層由老至新有：奧陶系中統馬家溝組、石炭系上統太原組、二疊系下統山西組、下石盒子組、上統上石盒子組、石千峰組、白堊系下統保安群、新近系上新統、第四系。

井田位于窯溝背斜的西翼，地層走向NNE，傾向NWW，為傾角<10°，一般為5°左右的單斜構造。在井田北部首采區發育有次一級的波狀起伏，波幅最大30m，走向基本呈東西向稍偏南。利用地震模型正驗、多重地震性屬性綜合分析得出井田內褶皺及斷層較為發育，構造復雜。

3.水文地質條件

3.1主要含水層

根據含水層的巖性特征和儲水空間的性質，單元內自上而下可劃分為以下四大含水層：即第四系松散層潛水含水層；白堊系下統保安群孔隙、裂隙含水層；石炭系～二疊系砂巖裂隙含水層；奧陶系中統馬家溝組巖溶裂隙含水層。

3.2地下水補給、徑流、排泄條件

唐家會井田位于寒武系—奧陶系碳酸鹽巖巖溶含水層系統天橋泉域的西北部，是一個完整獨立封閉全排型的水文地質單元。井田位于東部黃河西岸3km～6km的泥沙充填帶以西，構造裂隙、溶蝕裂隙發育，徑流通道較為暢通，龍口水庫和萬家寨水庫建成后水位抬升近8m，說明區內巖溶地下水有利于接受黃河地表水的滲漏補給。因此，本區地下水補給來源以大氣降雨滲入為主，地表水滲漏補給為輔。

唐家會井田位于窯溝→龍王溝→黑岱溝南至榆樹灣強徑流帶中，該徑流帶地下水流向自北東向南西，自北向南，水力坡度0.04‰～10‰左右，在龍口、河畔、天橋等處以泉群的形式排泄。

4.礦井充水條件分析

礦井充水因素是指煤礦開采過程中，各種來源的水通過不同的方式和途徑進入礦井的過程，其特征由充水水源、充水通道和充水強度等因素所決定。

4.1充水水源

4.1.1頂板充水水源

據調查統計結果表明，唐家會煤礦6煤導水裂縫帶發育高度為114.19m～624.00m，6煤距4煤28.05m～71.93m，距K8砂巖55.84m～133.96m，距白堊系底板202.60m～487.03m，距第四系底板378.85m～523.05m，在一盤區、二盤區西部、中部和南部部分地段導水裂縫帶高度發育到白堊系、第四系甚至地表，其他地段導水裂縫帶高度發育到白堊系與4煤之間。因此，一盤區、二盤區西部、中部和南部6煤頂板直接充水水源為大氣降水、第四系孔隙水、白堊系保安群孔隙裂隙水和二疊系砂巖裂隙水；其他地段直接充水水源為二疊系砂巖裂隙水，間接充水水源為白堊系保安群孔隙裂隙水、第四系孔隙水和大氣降水。

4.1.2底板充水水源

據調查統計結果表明，6煤底板標高+748.02m～+802.58m，奧灰水水位標高+869.5m～+871.5m，井田內6煤均位于奧灰水位以下，屬帶壓開采。煤層底板隔水層厚度一般為33.69m～88.79m，承受的水壓值為1.166MPa～1.930MPa，突水系數為0.020MPa/m～0.043MPa/m。因此，奧灰水為6煤底板間接充水水源，一般以斷層破碎帶導通奧灰水為主，如2014年5月28日井筒掘進揭露斷層時發生突水，初期突水量達500m³/h，突水水源為奧灰水。

4.1.3采空區積水

根據調查資料，唐家會煤礦內沒有老窯分布。但是隨著生產的不斷進行，工作面接近礦區邊界時，煤礦要隨時調查周邊礦井的生產情況，防止其破壞保護煤柱或越界開采，防止周邊老窯水對本礦井產生突水影響。

4.2充水通道

4.2.1斷層

根據現有勘探資料，一盤區、二盤區內主要有井下揭露的40余條斷層、三維地震精細解釋的90條斷層。一盤區、二盤區中西部DF2斷層組和中東部DF11斷層組含導水性強。

井下探放水鉆孔資料顯示，正常地段探放水鉆孔的涌水量較小，而接近DF11斷層時，探放水鉆孔的涌水量明顯增大，最大可達100m³/h。水質分析表明，距DF11斷層越近，Cl^-、Na⁺含量及礦化度含量越高，接近奧灰水水質特征，這充分說明斷層導通了6煤底板奧灰水。

因此，斷層破碎帶可成為上部白堊系志丹群孔隙裂隙水及底板奧灰水的充水通道，對礦井開采影響較大。

4.2.2陷落柱

根據以往資料，唐家會煤礦發育疑似陷落柱X1，物探顯示陷落柱在煤層附近及奧灰地層低阻異常區明顯，具有一定的含水性，可成為礦井的充水通道。因此，建議在煤層回采過程中應對陷落柱進行防治水工作。

4.2.3頂板導水裂縫帶

6煤頂板導水裂縫帶最大高度在114.19m～624.00m。一盤區、二盤區西部、中部和南部的部分地段溝通了第四系孔隙水、白堊系保安群孔隙裂隙水、二疊系砂巖裂隙水，其他地段溝通了二疊系砂巖裂隙水。

因此，一盤區、二盤區西部、中部和南部的部分地段第四系孔隙水、白堊系志丹群孔隙裂隙水、二疊系砂巖裂隙水通過導水裂縫帶進入礦井，其他地段二疊系砂巖裂隙水通過導水裂縫帶進入礦井。

4.2.4底板礦壓破壞帶

筆者采用以下底板采動導水破壞帶深度的計算公式，計算了6煤底板采動導水破壞帶。

計算公式：

h1=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

式中：H—開采深度。選用各鉆孔的統計資料；α—煤層傾角。煤層傾角一般地段為5°左右；L—工作面斜長。工作面斜長為240m。

根據上述經驗公式計算，得出6煤底板礦壓擾動破壞深度為25.88m～27.27m。由于6煤底板隔水層厚度為33.69m～88.79m，有效隔水層厚度則為7.15m～62.24m。

正常地段開采6煤時，突水系數小于0.06MPa，奧灰水將不會通過采動裂隙進入礦井；但由于構造部位有效隔水層厚度變薄，突水系數增大，且奧灰水與上部砂巖含水層存在一定的水力聯系，構造地段可能通過采動裂隙增大斷層帶的破壞程度，對煤層開采產生奧灰水突水威脅。

4.2.5封閉不良鉆孔

礦區內不同時期施工鉆孔較多，鉆孔封閉質量參差不齊，部分鉆孔由鉆孔底部至最上可采煤層頂板以上50m和孔口以下20m共2段用水泥砂漿封閉，其余地段用稠泥漿灌注。這些鉆孔由于后期采動影響，尤其是冒落式采煤的影響，下段封堵區段有可能處于冒落帶和導水裂隙帶之中，失去阻水性能，鉆孔即將會與上部含水層、破碎帶相溝通，形成導水通道，積水在動壓和靜壓的作用下造成采區上面舊采跡、含水層中存在的積水潰入井下，釀成水災事故。

由于封閉不良鉆孔在垂向上串通了多個含水層，所以一旦發生該類導水通道的突水事故，不僅突水初期水量大，而且有比較穩定的補給量。井田內及周邊有50個揭露灰巖鉆孔，白堊系孔隙裂隙水及奧灰水富水性強地段的鉆孔應引起高度重視。

4.3礦井充水強度

4.3.1地表水充水強度

由于井田內溝谷發育，地表水季節性很強，旱季一般無水，在雨季大雨過后會形成短暫的洪水，很快就會變成溪流，對礦床充水可造成一定的影響。井田內部分地段6煤導水裂縫帶發育至第四系及地表，在地面易產生塌陷。煤層的開采增加了礦井接受地表水補給的通道，大氣降水經地面塌陷、地表裂縫直接泄入礦井。

4.3.2頂板含水層充水強度

①第四系孔隙水

6煤頂板與第四系底板距離在378.85m～523.05m，導水裂縫帶發育高度114.19m～624.00m，第四系孔隙水部分地段為6煤直接充水含水層。第四系孔隙含水層富水性一般較弱，局部富水性中等。根據唐家會水井調查資料，涌水量為0.18L/s～29.63L/s。由于導水裂縫帶部分地段發育到第四系孔隙含水層，在構造地段或導水裂縫帶造成導水通道的前提下，第四系孔隙水對6煤的開采有一定的影響。

②白堊系保安群孔隙裂隙水

白堊系保安群孔隙裂隙水為6煤間接充水水源。雖然白堊系含水層富水性弱～中等，但由于6煤距白堊系保安群沙礫巖202.60m～487.03m，部分地段含水層在導水裂縫帶范圍內，對礦井充水影響較大。在斷層帶及富水性相對較好地段，煤層開采時礦井涌水量會增大。

③二疊系砂巖裂隙水

二疊系砂巖裂隙水為6煤直接充水含水層，由二疊系石千峰組、上石盒子組、下石盒子組和山西組砂巖組成。二疊系砂巖裂隙地下水的補給區位于井田外圍基巖裸露地帶，以及井田內溝谷基巖露頭地段。因砂巖裂隙水匯水面積有限，補給條件差，含水層總體富水性弱，對礦井充水影響不大。在斷層帶、含水層厚度較大、富水性相對較好地段，煤層開采時礦井涌水量會增大。

4.3.3底板含水層充水強度

根據以往水文孔奧灰抽水試驗統計結果表明，盡管奧灰水富水性弱～強，但奧灰水突水系數為0.020MPa/m～0.043MPa/m，正常地段回采6煤時底板突水危險性較小，但由于斷層、陷落柱造成隔水層厚度變薄，增大了突水系數，且奧灰水與上部砂巖含水層在構造部位有一定的水力聯系。因此，采動裂隙可增大斷層的破壞程度，在構造地段奧灰水對煤層開采可造成突水威脅。

另據礦方提供的資料，2014年5月28日井筒掘進揭露斷層時發生突水，初期突水量達500m³/h，水質分析表明為斷層破碎帶導通的奧灰水。

5.結論

經分析研究礦區6煤主要的充水水源有大氣降水、第四系孔隙水、白堊系保安群孔隙裂隙水、石炭～二疊系砂巖裂隙水、奧陶系巖溶裂隙水；地下水補給來源以大氣降雨滲入為主，地表水滲漏補給為輔；充水通道主要為斷層、陷落柱以及導水裂縫帶、煤層底板礦壓破壞帶和封閉不良鉆孔。

白堊系孔隙、裂隙含水層富水性弱～中等，且部分地段已被6煤導水裂縫帶溝通，對煤層開采有一定影響；區內6煤底板均位于奧灰水位以下，屬帶壓開采區；6煤開采發生頂板突水和底板突水的可能性較大。