侏羅紀淺埋煤層開采典型水害模式及分區

苗彥平，蔚 波，姬中奎，陳小繩，路 波，薛小淵

（1.陜煤集團神木紅柳林礦業有限公司，陜西 神木 719316；2.煤炭科學研究總院，北京 100013；3.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；4.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077；5.陜西省“四主體一聯合”黃河流域中段礦區（煤礦）生態環境保護與修復校企聯合研究中心，陜西 西安 710077）

“十三五”以來，西部侏羅紀煤田已經成為我國煤炭資源開發的主戰場，煤層開采普遍面臨頂板水威脅[1]，尤其是侏羅紀淺部煤層開采過程中，導水斷裂帶發育，常溝通上覆多個充水含水層（體）[2]，頂板水害問題更加復雜。實際工作中，針對不同類型或不同威脅程度的頂板水害類型，煤礦現場采取不同的防治措施。例如，對于可疏型頂板含水層（體），一般采取頂板水預疏放的方法，對于地表水體或強富水、強補給含水層（體），一般采用留設防隔水煤（巖）柱的方法等[3-6]。但不管是采取哪種措施，水害危險性分析評價是頂板水害防治工作的基礎。

目前，煤礦水害危險性評價工作主要是通過耦合富水性分區和導水斷裂帶發育規律計算結果，繪制突水危險性分區圖，并人為給定分區標準，將研究區劃分成不同等級的突水威脅程度[7-14]。以往突水危險性指標計算多是針對導水斷裂帶能夠波及到的含水層巖性特征或構造特征參數，利用統計數學原理進行的。古氣候條件沉積形成的不良地質體、現代地貌切割巖層造成的煤層風氧化、甚至是燒變作用，往往形成良好的富導水體，對煤層開采威脅程度往往更大，但相應的水害模式及分區研究相對較少[15-20]。

實際上，古氣候條件沉積作用形成的弱膠結地層、古直羅河，以及水力或風蝕切割形成的溝谷附近煤層燒變巖和風氧化帶在新疆、寧夏以及陜西等西部大型煤炭基地廣泛發育，造成了多起頂板突水、甚至突水潰砂災害，嚴重威脅煤炭資源開發。

陜北煤炭基地侏羅紀淺部煤層開采面臨頂板風化基巖水、第四系潛水、古直羅河以及燒變巖水等多種水害威脅，井巷開拓以及煤礦防治水工作的正常開展受到較大影響。為此，選擇區內水害類型較多的某礦3-1煤為研究對象，通過計算并繪制煤層開采導水斷裂帶發育高度等值線圖，分析主要充水含水層威脅程度，提出基于煤礦水害類型的水害模式劃分方法，并進行研究區水害模式分區，為類似條件礦區煤礦水害特征研究提供參考。

1 研究區地質水文地質條件

研究區位置如圖1。紅柳林煤礦位于陜西省神木市西北部約15 km處，井田東以5-2煤自燃邊界為界井田南北寬約5.90～7.70 km，東西長約17.60～19.40 km，面積138.372 4 km2。研究區地處鄂爾多斯聚煤盆地腹地，地層近水平狀，地層總體為NWW向緩傾斜、傾角不足1°的單斜構造，局部地段發育有緩波狀起伏，構造極為簡單，僅礦區北部有為數不多的高角度正斷層。

圖1 研究區位置Fig.1 Location of the study area in the coal mine

井田地處黃河一級支流窟野河流域。井田內部發育有蘆草溝，匯入南部的麻家塔河，流量一般為500 L/s。

研究區A-A′水文地質剖面圖如圖2。研究區內含水層可劃分為第四系全新統沖積層孔隙潛水含水層（Q4al）、第四系松散層孔隙潛水含水層（Q4eol+Q3s），中更新統離石組黃土孔隙裂隙潛水含水層（Q2l），侏羅系中統直羅組、延安組風化基巖裂隙承壓水含水層，侏羅系下統富縣組砂巖裂隙含水層，三疊系上統永坪組砂巖裂隙含水層，燒變巖裂隙孔洞潛水含水層。隔水層為新近系上統保德組（N2b）黏土隔水層，以棕紅色黏土為主，結構致密、堅硬，該隔水層分布在第四系與侏羅系地層之間，是本區地下水潛水主要的隔水層。

圖2 研究區A-A′水文地質剖面圖Fig.2 Geological cross-section A-A′in study sit

根據紅柳林煤礦地質與水文地質條件，煤層第四系松散巖類潛水、頂板砂巖裂隙水和各煤層火燒區形成的燒變巖水是礦井主要充水水源。

2 充水要素

2.1 主要充水含水層（體）及分布

在礦井水文地質條件分析結果基礎上，結合多年來礦井生產實踐過程中所受水害情況，研究區煤礦頂板充水水源有4類。

1）風化基巖裂隙含水層。風化基巖裂隙水主要來源于直羅組風化基巖含水層，該含水層基本上全區分布，由于受到風化作用的影響該地層上部層段，甚至全部以致部分延安組頂部層段全部成為風化巖層，巖層嚴重風化至中等風化，風化裂隙發育，具有較好的滲透性及儲水條件，富水性強，往往側向補給也較強。

2）松散層含水層。此類水害主要來源于本區第四系薩拉烏蘇組含水層，以細砂、中砂為主，由于沉積受古地形制約，各地厚度差異較大，主要分布在井田西部。在古溝槽及低洼中心沉積最厚，向兩側逐漸變薄，有些至分水嶺處尖滅。在局部地段如河谷、古沖溝一帶易形成富水區，這些地段內由于煤層埋藏淺，基巖較薄，砂層含水層厚度大，回采過程中冒裂帶導通砂層含水層，會出現較大涌水。

3）燒變巖孔隙裂隙含水層（體）。從礦區尺度分析，燒變巖屬于主要的特殊含水層，井田內分布于蘆草溝、麻家塔溝等溝谷兩岸厚煤層露頭區，煤層自燃后，含煤地層頂板巖性原生結構發生變化，形成燒熔、燒變、烘烤特殊巖類，富水性差異極大，主要受補給條件、隔水底板發育程度及地貌形態的控制，并與燒變巖裂隙的發育程度密切相關。總體來看，礦區內該層總體概述為富水性較強。3-1煤層主要在北二盤區以及南二盤區局部存在火燒區，井田內燒變巖含水層極有可能影響本層煤和下伏煤層的開采。

4）古直羅河含水體。紅柳林井田與古直羅河位置關系及燒變巖露頭分布圖如圖3。另外，根據區域勘探資料，紅柳林井田西翼與古河流階地重疊，2011年，檸條塔煤礦南翼首采工作面S1210出現較大規模涌水，最大涌水量達到1 300 m3/h，目前涌水量仍保持在400 m3/h左右，2019年，紅柳林煤礦西一盤區礦井掘進過程中最大涌水量超過700 m3/h，部分學者認為檸條塔煤礦、紅柳林煤礦礦井涌水量較大的原因與北西-南東向分布的古河道沖刷帶密切相關[21-22]。因此，紅柳林煤礦西翼采掘過程中受直羅河水害威脅較為嚴重。

圖3 紅柳林井田與古直羅河位置關系及燒變巖露頭分布圖Fig.3 The position relationship between Hongliulin mine field and ancient Zhiluo river and the distribution map of burnt rock outcrops

2.2 導水斷裂帶發育特征

紅柳林煤礦充水通道主要是采礦擾動形成的頂板裂隙。由于3-1煤層埋藏深度較淺，根據各可采煤層導水斷裂帶最大高度計算，各可采煤層導水斷裂帶高度大于相鄰兩煤層間的距離，且導水斷裂帶互相疊加。大部分地區導水斷裂帶可直達地表，溝通第四系松散層潛水和地表水，組成間接的充水水源。對3-1煤導水斷裂帶發育高度進行計算，計算依據與結果如下：

《礦區水文地質工程地質勘探規范》公式法：

式中：Hf2為導水斷裂帶高度，m；M為2煤采厚，m；n為煤層開采層數。

《煤礦防治水手冊》公式法：

紅柳林井田3-1煤頂板導水斷裂帶計算成果見表1。2種經驗公式計算結果裂采比基本一致。為了安全考慮，3-1煤開采裂采比取17。

表1 紅柳林井田3-1煤頂板導水斷裂帶計算成果Table 1 Calculation results of water flowing fractured zone in roof of 3-1 coal seam in Hongliulin mine field

3-1煤層導水斷裂帶波及頂板層位分區。在2-2煤分布區，3-1煤到2-2煤厚度為28.16～47.19 m，平均32.69 m，導水斷裂帶高度31.16～52.99 m，平均47.57 m。3-1煤開采導水斷裂帶將能夠突破2-2煤，進入正常基巖。在2-2煤剝蝕區，3-1煤采動導水斷裂帶將直接進入正常基巖內，在薄基巖或地表溝谷區域，導水斷裂帶將直達地表，紅柳林井田3-1煤層導水斷裂帶等值線圖如圖4。

圖4 紅柳林井田3-1煤層導水斷裂帶等值線圖Fig.4 Isogram of water flowing fractured zone in 3-1 coal seam of Hongliulin mine field

3 煤層開采水害模式及分區

3.1 煤層開采水害模式

根據3-1煤開采充水水源以及導水裂隙帶發育規律分析結果，可將研究區3-1煤開采主要的水害模式劃分成頂板單一含水層水害、頂板復合含水層水害以及頂板古直羅河水害等模式。

3.1.1 煤層開采頂板單一含水層水害模式

井田范圍內，由于地形及水力沖蝕等因素影響，溝谷較發育，淺部煤層及巖層在溝谷處出露、剝蝕，受氣候因素長期作用影響，分別發生燒變和風化，形成良好的含導水地層。根據井田地層組合特征，單一含水層水害類型主要分布在溝谷相對發育地段，這些區域第四系松散層較薄，甚至缺失，導水裂隙帶可溝通至地表。根據充水水源的不同，單一含水層水害類型主要分為頂板燒變巖水害型（Ⅰ-1型）、頂板風化基巖水害型（Ⅰ-2型），頂板單一含水層水害模式如圖5。

圖5 頂板單一含水層水害模式Fig.5 Water damage mode of single roof aquifer

1）頂板燒變巖水害型（Ⅰ-1型）。主要是下伏煤層開采導水斷裂帶波及上覆煤層燒變巖含水層，根據各煤層導水斷裂帶發育高度計算結果，該類型水害一般發生在相鄰煤層下伏煤層采動過程，主要分布在各煤層燒變巖露頭向內一定距離。

2）頂板風化基巖水害型（Ⅰ-2型）。主要是煤層開采導水斷裂帶波及直羅組風化基巖含水層，根據各煤層導水斷裂帶發育高度計算結果，該類型水害一般發生在開采煤層埋深較淺的區域。

3.1.2 煤層開采頂板復合含水層水害模式

井田內部分區域存在埋深相對較深的隱伏燒變巖和風化基巖含水層。根據煤層開采導水斷裂帶發育高度與上覆主要含水層間的位置關系，將煤層開采受到復合含水層水害主要分為頂板燒變巖直接-松散層間接水害型（Ⅱ-1型）、頂板風化基巖直接-松散層直接水害型（Ⅱ-2型）、頂板燒變巖直接-松散層直接水害型（Ⅱ-3型）以及頂板風化基巖直接-松散層間接水害型（Ⅱ-4型）等模式。頂板復合含水層水害模式如圖6。

圖6 頂板復合含水層水害模式Fig.6 Water damage mode of roof composite aquifer

1）頂板燒變巖直接-松散層間接水害型（Ⅱ-1型）。主要是下伏煤層開采導水斷裂帶能夠直接波及上覆煤層燒變巖含水層，但未波及松散層含水層，松散層含水層通過垂向或繞流方式間接充水，根據各煤層導水斷裂帶發育高度計算結果，該類型水害一般發生在煤層埋深相對較深的相鄰煤層下伏煤層采動過程，主要分布在燒變巖內側區域（即Ⅱ-1型內邊界至燒變巖熄火邊界）。

2）頂板風化基巖直接-松散層直接水害型（Ⅱ-2型）。主要是上部煤層開采導水段磊帶波及直羅組風化基巖含水層，同時溝通松散層含水層，但未發育至地表，直羅組風化基巖和松散層含水層均直接充水，根據煤層導水斷裂帶發育高度計算結果，該類型水害一般發生在開采煤層埋深較淺的Ⅰ-1型與Ⅰ-2型過度地帶。

3）頂板燒變巖直接-松散層直接水害型（Ⅱ-3型）。主要是下伏煤層開采導水斷裂帶波及上覆煤層燒變巖含水層，同時，波及松散層含水層或風化基巖含水層等，復合含水層水均直接充水，根據煤層導水斷裂帶發育高度計算結果，該類型水害一般發生在Ⅱ-2型向Ⅱ-1型過度地帶。

4）頂板風化基巖直接-松散層間接水害型（Ⅱ-4型）。主要是上部煤層開采導水斷裂帶波及直羅組風化基巖含水層，但未波及松散層含水層，松散層含水層通過垂向或繞流方式間接充水，根據煤層導水斷裂帶發育高度計算結果，該類型水害一般發生在Ⅱ-2型向Ⅱ-3型過度地帶。

3.1.3 煤層開采頂板古直羅河水害模式

根據以往勘探資料，部分學者提出了神南礦區西南發育有古直羅河，賦存于延安組煤層以上，成為煤層開采具有較大威脅的充水水源。且部分區段由于保德組隔水層的缺失，古直羅河直接與松散層接觸，地表水、大氣降水成為其直接的補給水源，煤層開采、特別是淺部煤層開采導水裂隙帶波及古直羅河、或波及直羅河與松散層，極易產生集中涌水、甚至潰水潰砂（沙）災害，根據煤層與古直羅河、松散層等地層之間的關系，提出的頂板古直羅河水害模式（Ⅲ-1型）如圖7。

圖7 頂板古直羅河水害模式（Ⅲ-1型）Fig.7 Water damage model of ancient Zhiluo river

3.2 研究區水害模式分區

1）煤層開采頂板單一含水層水害分區。煤層開采頂板單一含水層水害按照其充水水源不同分為頂板風化基巖水害型和頂板燒變巖水害型。其中，頂板風化基巖水害型主要集中分布于西一盤區，煤層埋藏較淺，3-1煤層開采的導水斷裂帶波及到直羅組風化基巖含水層，使其成為充水水源，同時該井田內部分盤區存在隱伏燒變巖含水層，燒變巖水也將成為3-1煤層及其下伏煤層開采的充水水源，形成頂板燒變巖水害型。

2）煤層開采頂板復合含水層水害分區。井田范圍內煤層開采頂板復合含水層水害模式主要存在頂板風化基巖直接-松散層直接水害型和頂板風化基巖直接-松散層間接水害型2種類型。在井田內2-2煤層剝蝕區，導水斷裂帶發育高度較高，突破直羅組風化基巖含水層后可直接溝通松散層含水層，基巖含水層與松散層含水層同時成為充水水源，形成頂板風化基巖直接-松散層直接水害型；在開采煤層上方2-2煤未剝蝕區域，導水斷裂帶發育同樣直接突破基巖，但未直接波及松散層含水層，使其通過側向等方式進行補給，松散含水層成為其間接充水水源，該區域水害類型為頂板風化基巖直接-松散層間接水害型。

3）煤層開采頂板古直羅河水害分區。古河道與古河流階地主要發育在礦區西南部，該區域內由于存在保德組隔水層缺失的情況，地表水體直接補給古直羅河，成為充水水源，對煤層開采造成威脅。

3.3 水害模式突水風險性

煤層開采頂板單一含水層水害模式中，燒變巖水害型在區域內呈零星分布，單位涌水量為0.003 984～0.013 90 L/（s·m），富水性較弱，具有較好可控性，一般對煤層開采不會構成較大威脅，突水風險較小；頂板風化基巖水害型主要分布于西一盤區，其充水水源直羅組風化基巖含水層具有較好的滲透性和儲水條件，單位涌水量為0.015 404～3.775 585 L/（s·m），富水性不均勻，部分區域具有強富水性，且由于局部存在基巖薄、砂層厚的情況，所以成為突水潰沙危險區域，有較大突水風險。

煤層開采頂板復合含水層水害模式中，2種水害類型充水水源均為直羅組風化基巖含水層和第四系松散層潛水含水層，松散層潛水含水層透水性好，富水性為弱～中等，涌水量受季節影響明顯，在開采過程中若導水斷裂帶發育導通兩含水層則使其成為強富水性，在部分地段存在隔水層厚度較薄區域、基巖裸露易匯水區域和由于地面溝谷切割造成局部隔水層缺失的區域，兩含水層中的水源可能通過裂隙進入井下，對工作面構成威脅，具有較大突水風險。紅柳林煤礦3-1煤開采水害模式分區如圖8。

圖8 紅柳林煤礦3-1煤開采水害模式分區Fig.8 Division of water disaster model

煤層開采頂板古直羅河水害模式主要發育在井田西部，處于直羅期古河流的邊緣至尖滅地帶，前期勘探表明，井田部分區域頂板遭到古河流侵蝕，富水性較好，水量較大。同時由于部分區域保德組隔水層缺失，古直羅河與松散層直接接觸，地表水體及大氣降水成為其補給水源，淺部煤層開采極易產生集中涌水，因此也具有較大突水風險。

4 結 語

1）按照區域內水害產生原因的不同，劃分出3種主要水害模式，分別為：單一含水層水害類型、復合含水層水害模式和古直羅河水害模式。單一含水層水害模式，可分為頂板燒變巖水害型、頂板風化基巖水害型；復合含水層水害模式可分為頂板燒變巖直接-松散層間接水害型、頂板風化基巖直接-松散層直接水害型、頂板燒變巖直接-松散層直接水害型以及頂板風化基巖直接-松散層間接水害型等；古直羅河接受大氣降水等補給成為充水水源而造成的水害威脅為古直羅河水害模式。

2）綜合分析地質條件、2-2煤層剝蝕情況及導水斷裂帶發育高度，對3種水害模式進行分區：單一含水層水害型主要分布于導水斷裂帶波及基巖風化含水層區域，以及煤層上覆存在隱伏燒變巖含水層區域；復合含水層水害型分布于導水斷裂帶突破基巖區域，結合2-2煤剝蝕情況，進一步劃分為頂板風化基巖直接-松散層直接水害型和頂板風化基巖直接-松散層間接水害型；古直羅河水害型主要分布于古直羅河和古河流階地發育區域。

3）根據各含水層分布范圍、充水條件等因素分析，結合可能存在的導水通道，對不同水害模式突水風險性進行評價：頂板單一含水層水害模式中燒變巖水害型突水風險較小，頂板風化基巖水害型突水風險較大；煤層開采頂板復合含水層水害模式、煤層開采頂板古直羅河水害模式均有較大突水風險。