梵王寺煤礦開采9號煤對神頭泉域奧灰巖溶水影響評價

王宗明 張振宇 張海波

（中國煤炭地質總局第三水文地質隊，河北 邯鄲 056006）

1 概況

神頭泉為山西省19大巖溶泉水之一，位于朔州市朔城區神頭鎮，泉域面積4756km2，泉群分布面積5km2，大小泉眼100余處，呈散狀排泄，主要由神頭泉組，司馬泊泉組，河道泉組3個泉組組成。神頭泉多年平均流量6.71m3/s(1956～2003)，年際泉水流量不穩定系數為1.99，動態穩定。80年代以來，由于降水量等自然因素及人類活動的影響，泉水實際流量已由80年代前的7.96m3/s，減少為80年代后的5.52m3/s，2014年泉水實際流量僅為3.03m3/s[1-2]。

梵王寺煤礦位于朔州市西南部，處于朔南礦區內，隸屬于朔州市朔城區管轄。井田面積64.13km2，設計生產規模6.0Mt/a，4號、9號煤層為主采煤層，礦井服務年限71.99年。井田位于泉域南部巖溶水埋藏型徑流區，距泉域重點保護區南邊界約26km。

2 奧灰含水層特征

梵王寺煤礦奧灰水單位涌水量0.0046～1.1281L/s·m，滲透系數 0.0051～6.8963m/d，富水性由弱到強。由奧陶系富水性及流場圖（圖1）可知，井田由西南向東北，富水性由強到弱。奧灰水水位標高為1051.42～1061.61m，總體流向由西南向東北徑流，其水力坡度為0.14%左右，水力坡度較緩，最終排泄于神頭泉域。

圖1 奧灰水富水性及流場圖

3 安全開采評價

3.1 底板隔水層特征

神頭泉域奧陶系上馬家溝組頂部多為灰色厚層微晶、泥晶石灰巖及礫屑石灰巖，奧陶系灰巖淺部巖溶孔隙多被充填，形成相對隔水層。通過鉆探過程發現裂隙及巖溶發育的深度、消耗量突變深度、測井解釋奧灰出水深度三方面來劃分奧灰頂部相對隔水層的厚度（表1），綜合分析奧水頂部相對隔水層發育厚度為9.68～55.45m。層厚度得出，由此可知，9號煤層底板隔水層厚度46.83～127.20m[3]。

表1 奧灰頂部相對隔水層厚度表（m）

3.2 安全開采評價

3.2.1 五圖雙系數

根據“三下”采煤規范底板采動破壞帶深度的公式：

式中：

h-底板導水破壞深度，m；

L-開采工作面斜長，m；

H-開采深度，m；

a-開采煤層傾角，(°)。

計算得梵王寺煤礦底板破壞深度為15.39～18.28m。

9號煤層底板有效保護層厚度為28.59～91.95m。最后通過三級判別可知，9號煤層在北部和西部構造裂隙帶部分存在奧灰水直通式突水的可能性大，其他區段非直通式突水的可能性大，見圖2。

（1）相對安全區：9號煤層在評價區西部塊段，突水系數小于0.06MPa/m，面積為10.44km2；

（2）相對危險區：9號煤層在評價區北部及東南部塊段，突水系數在0.06～0.1MPa/m區間，面積為32.25km2；

（3）危險區：9號煤層在評價區北部及西部構造發育區，突水系數在0.06～0.1MPa/m區間,面積為4.80km2；在井田中西部，突水系數大于0.1MPa/m，面積為16.64km2，危險區面積為21.44km2。

圖2 9號煤層底板奧灰水帶壓開采評價分區圖

3.2.2 安全開采評價

五圖雙系數法不僅考慮了奧灰頂部相對隔水層的存在，增加了相應的奧灰水頭壓力，去除了煤層開采底板破壞深度內的隔水層厚度，更加接近煤礦開采實際，而且對突水可能性和危害性進行了綜合評價，對奧灰水環境的評價更加合理。

由此可以看出，梵王寺煤礦9號煤層承受的奧水水壓較大且突水危險性較大，在危險區開采后，若不進行防治水治理，將會對泉域巖溶水資源造成一定的影響，此區域為防治水重點防范區域。要做到安全回采，保護水環境，不僅要對底板構造進行探查研究，局部區段對底板進行注漿加固，還應建立應急預案[4]。

3.3 對補、徑、排的影響

3.3.1 對神頭泉域巖溶水補給的影響

神頭泉域奧灰巖溶水的主要補給途徑為大氣降水的入滲補給和河流滲入補給，神頭泉域灰巖裸露區均位于井田外圍，泉域主要滲漏河流馬營河和馬關河距離井田較遠。井田9號煤層開采時導水裂隙帶發育高度為30.30～256.95m，上部二疊系地層平均厚度達340.2m，在井田西部煤層隱伏露頭部位及主要斷層處留設合理煤柱，則地表降水的滲入補給奧灰水的可能性較小。因此，梵王寺煤礦開采9號煤層，對神頭泉域補給產生影響較小。

3.3.2 對神頭泉域巖溶水徑流的影響

梵王寺煤礦位于神頭泉域深部埋藏徑流區，補給區滲入地下后，沿層間構造裂隙系及其他空隙向向斜核部匯集，后沿向斜核部向朔縣平原運移。井田中部、東部區域突水系數大于底板受構造破壞地段突水系數臨界值0.060MPa/m。在這些區域，開采9號煤層時一旦發生奧灰水突水，將會造成新的奧灰巖溶水排泄點，對奧灰水的水力坡度產生較大影響，同時對神頭泉域的徑流條件產生較大影響。

3.3.3 對神頭泉域巖溶水排泄的影響

梵王寺煤礦位于神頭泉域徑流區，若井田開采9號煤層時發生較嚴重的奧灰水突水事故，造成新的奧灰巖溶水排泄點，必將會對下游泉口排泄區泉水出流量產生一定的影響，突水形成的礦坑水排放對下游區水環境質量構成威脅，嚴重影響到泉域巖溶水資源的合理開發與配置利用[4]。

4 防治措施

（1）按照9號煤層突水危險性分區，確定合理的開采邊界，危險區嚴禁開采。根據突水評價結果，在突水危險區內禁止開采9號煤層，在相對危險區內不采取措施禁止開采9號煤層。

（2）主要斷層和構造發育地帶留足隔水煤柱，對于斷層發育導通奧灰水的區域留設保安煤柱或進行水泥灌漿，在主要構造和含水層的防隔水煤巖柱寬度為不小于20m。

（3）底板薄弱地帶進行底板注漿加固，通過綜合物探探測底板斷層破碎帶及隔水層的位置和分布，注漿加固的目的層主要為9號煤層底板下隔水層及局部奧灰頂部相對隔水層。

（4）建立巖溶水動態觀測網。①在井田內、周圍的構造復雜區及井田北部排泄區建立巖溶地下水動態觀測網，定期采樣監測，進行水位、水溫、水質監測，定期整理研究，定期預報，發現問題及時研究，并及時采取措施，盡量減小煤炭開采對地下水的不利影響。②目前梵王寺煤礦北部有豐予煤礦、東部有麻家梁煤礦、南部有北辛窯煤礦等多個煤礦均位于神頭泉域南部徑流區，因此要定期收集、調查和核對相鄰煤礦的情況，并在專門的圖紙上標出其井田位置、開采范圍、開采年限、水情況等，且要制定科學合理的綜合開采方案[5]。

（5）封閉不良鉆孔，以往施工進入奧灰地層的鉆孔，若存在封閉不良鉆孔，畢竟會成為導水通道。因此，對有透水威脅的鉆孔進行啟封或者留設防水煤柱。

（6）建立突水應急預案。神頭泉域奧灰水具有水壓大、富水性較好的特征，一旦突水會導致災難性的后果，同時勢必會破壞神頭泉域奧灰水水環境。因此要做好突水應急預案，加強水文觀測、做好信息預警等工作。

5 結語

梵王寺煤礦9號煤層開采對神頭泉域奧灰水有一定的影響。開采9號煤層時應嚴格按照突水危險性分區開采，禁止對奧灰水采用疏水降壓的方法進行采煤，在主要導水斷層留設隔水煤柱，底板薄弱地段進行注漿加固，建立井田內外巖溶動態觀測網，加強對底板奧灰水的防治，制定科學合理的開采方案，保證煤礦安全生產，同時減少對神頭泉域水資源的影響，保護神頭泉域水資源。