柳塔煤礦水文地質條件勘查及水害應對

解國強

(國能神東煤炭集團地測公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

柳塔煤礦一盤區2-2號煤層首采面(22101工作面)計劃2020年回采，一盤區存在母花海子古沖溝和1-2號煤層房采采空區，其中母花海子古沖溝松散層含水層較厚，需進一步查明該古沖溝松散層的水文地質條件，1-2號煤層房柱式采空區位置不確定，積水情況不詳，需進一步查明，為2-2號煤層工作面安全開采提供防治水方面的技術依據。為了解決上述水文地質問題，決定在母花海子古沖溝和1-2號煤層房柱式采空區進行水文地質勘探，工程自2019年9月26日開始施工，2019年11月10日結束，共施工鉆孔5個，總進尺466.38 m。

1 工程布置及工程質量

1.1 工程布置

根據工程目的，在柳塔煤礦工業廣場以東約300 m的位置，母花海子古沖溝中上游布置一個水文觀測孔，孔號為SW14；在柳塔煤礦一盤區22101工作面中間位置和母花海子古沖溝下游交匯處布置一個水文觀測孔，孔號為SW15；在柳塔煤礦一盤區22102工作面中間位置，1-2號煤層房采采空區底板較低的巷道上布置1個水文觀測孔，孔號為SW16；在柳塔煤礦工業廣場東北方向，1-2號煤層房采采空區底板較低的巷道上布置1個水文觀測孔，孔號為SW17。水文地質補勘工程共施工5個水位觀測孔，總進尺466.38 m。5個鉆孔中SW14、SW15號孔為松散層水位觀測孔，SW16、SW17號孔為1-2號煤層采空區水位觀測孔。由于柳塔煤礦1-2號煤層采空區為房柱式開采采空區，開采時間較長，其巷道布置情況不明，SW16號孔沒有和巷道貫通，沿巷道移動2 m施工的SW16-1號孔與巷道貫通。SW17號孔和巷道貫通。

1.2 工程質量評述

補勘手段以鉆探為主，輔以工程測量、取芯、抽水試驗及水樣化驗。

水文觀測孔鉆探：所有施工鉆孔按設計坐標用全球衛星定位實時動態觀測系統(RTK)方法測定孔位。開孔前，由地質員做出鉆孔設計書，對鉆孔質量、煤巖芯采取率和設計目的等作出具體要求，按設計施工，工程質量達到設計要求。

工程測量：工程測量采用全球衛星定位實時動態觀測系統(RTK)方法測定。儀器采用美國天寶R8接收機，GPS數據處理采用美國天寶公司提供軟件 TGO1.62解算。完成工程量5個點。

抽水試驗：抽水試驗質量執行《煤炭地質勘查鉆孔質量標準》(MT/T 1042—2007)[1]和《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》(MT/T 1091—2008)[2]，2個松散層水文觀測孔做抽水試驗。按潛水完整井穩定流進行抽水，觀測水位及流量，達到設計要求。

2 補勘區地質

2.1 地質

本次補勘區域為風積沙地貌，地表植被發育，地形起伏大，地勢由東向西逐漸降低，地表標高+1 230～+1 278 m，最大落差48 m。補勘區有母花海子古沖溝，此處為柳塔礦生活用水水源地。本次補勘揭露的地層有第四系全新統(Q4)、侏羅系中統直羅組(J2z)以及侏羅系中統延安組(J1-2y)的第四、五段。

第四系全新統(Q4)：根據補勘區以往鉆孔資料統計，補勘區第四系松散層以風積沙為主，厚28.32～83.12 m，平均52.22 m，由古沖溝內向兩側逐漸變薄，古沖溝內上游向下游逐漸變厚。松散層底部局部有礫石層，厚0.27～0.53 m。

侏羅系中統直羅組(J2z)：根據補勘區以往鉆孔資料統計，直羅組巖性以細粉砂巖及砂質泥巖為主，局部剝蝕殆盡，厚0～37.74 m，平均15.94 m，風化程度屬中-弱風化，巖性結構較完整，局部頂部為強風化，膠結松散。

2-2號煤層上覆基巖：根據補勘區以往鉆孔資料統計分析，補勘區2-2號煤層上覆基巖厚度66.91～110.10 m，平均79.82 m，母花海子古沖溝受沖刷剝蝕下切深度較深，整體基巖厚度變薄，溝谷兩側、溝頭厚度逐漸增大。

2.2 補勘區構造

補勘區地層產狀平緩與井田產狀一致，總體構造形態為走向NNW，傾向SWW，傾角1°～3°的單斜構造。區內未發現巖漿活動。補勘區構造屬簡單類。

2.3 煤層

補勘區內具對比意義的可采煤層有8層，分別是1-2上、1-2、2-2、3-1上、3-1、4-2上、5-1、5-3號煤層，本次補勘僅涉及到1-2、2-2號煤層。

1-2號煤層位于延安組第五段1號煤組中部，為補勘區內主要可采煤層，有10個見煤點，9個點可采，可采性指數0.9，變異系數52%，煤層厚度0.69～7.01 m，平均厚度3.68 m，煤層厚度有一定變化，規律明顯，東北部局部變薄至不可采，煤層結構較復雜，個別煤層含一層夾矸，整個煤層對比可靠。綜合判定為較穩定煤層。該煤層補勘區內大部已開采。

2-2號煤層位于延安組第四段2號煤組中部，上距1-2號煤層平均25.42 m，為補勘區內主要可采煤層，有10個見煤點，全部可采，可采性指數1，變異系數36%，煤層厚度1.18～3.24 m，平均厚度2.22 m，煤層厚度有一定變化，規律明顯，煤層結構較復雜，含一層夾矸，整個煤層對比可靠。綜合判定為較穩定煤層。

3 補勘區水文地質

水文地質補勘目的是對母花海子古沖溝松散層含水層進行抽水試驗，求取水文地質參數。以下敘述內容只涉及松散層含水層及直羅組、延安組頂部隔水層。

3.1 含水層

補勘區以往勘查中有ZK3509、SW3號孔做過松散層抽水試驗，此次水文地質補勘中SW14、SW15號孔做了松散層含水層抽水試驗。根據抽水試驗結果判斷補勘區內母花海子古沖溝含水層為第四系上更新統薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層，沙層廣覆地表，結構松散、地形地貌極易接受大氣降水補給，巖性以黃褐色細砂、粉砂為主，底部局部含砂礫，結構疏松，匯水面積大，補給條件好，下伏一般有隔水的砂質泥巖、粉砂巖等基巖，故地下水賦存條件較好。

3.2 隔水層

以1-2號煤層以上第四系以下的第1隔水層分布最廣，一般厚度34.48～83 m，平均厚度52.41 m。其中分布數層的泥巖、粉砂巖、砂質泥巖，是較穩定的隔水層。

3.3 礦井充水因素

3.3.1 充水水源

根據本區水文地質條件及煤層覆巖結構類型，礦井充水方式有直接和間接2種[3-7]。它們分別受大氣降水、地表水和地下水等因素的控制，且具有一定的水力聯系，對礦井生產均有不同程度的影響。

間接充水水源：大氣降水、地表水入滲后先補給松散層含水層，再通過含水層進入井下，故大氣降水、地表水為間接充水水源[8-11]。只有在冒落帶或冒裂帶發育高度達到地表時，大氣降水及地表水可成為直接充水水源。①大氣降水——根據2017—2019年氣象資料，每年降水量多集中在7、8、9這3個月，年降水量為399.29～725.20 mm，平均為449.80 mm；由于本區煤層埋深較大，大氣降水直接進入井下采空區的可能性很小，為間接充水水源。②地表水——補勘區內沒有地表水。

直接充水水源：根據柳塔煤礦地質與水文地質條件，第四系松散層孔隙潛水、煤層頂板砂巖孔隙-裂隙水及1-2號煤層采空區積水是礦井主要的直接充水水源。①第四系松散層孔隙潛水——主要是上更新統薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層。補勘區母花海子古沖溝溝谷基巖薄，部分1-2號煤層采空區的導水裂隙帶與第四系含水層溝通。因此，第四系孔隙潛水成為礦井的主要充水水源之一。②基巖孔隙——裂隙含水層。礦井主采煤層均位于侏羅系延安組地層中，延安組砂巖類孔隙-裂隙含水層(J1-2y)為煤層開采直接充水水源，據柳塔礦勘探地質報告該含水層為弱含水層。③1-2號煤層采空區積水——補勘區1-2號煤層可采區大部開采完畢，EⅡ308—EⅡ311采空區導水裂隙帶導通了第四系松散層含水層，22101工作面在此區域施工探放水鉆孔3個，和1-2號煤層采空區貫通，出水量約100 m3/h。此次補勘施工的1-2號煤層采空區(兩塊獨立的)水文觀測孔SW16-1、SW17號鉆孔，與采空區貫通，經觀測沒有水，判斷此房采采空區頂板沒有垮落，沒有形成導水裂隙帶。開采2-2號煤層時，1-2號煤層采空區積水會通過采動裂隙進入2-2號煤層礦坑。因此，1-2號煤層采空區積水是直接充水水源。

3.3.2 充水通道

區內充水通道主要是煤層開采形成的冒落帶和導水裂隙帶，其次為斷層裂隙、封閉不良鉆孔。1-2號煤層開采后，其冒落帶和導水裂隙帶與第四系松散層含水層溝通，引起該含水層的水及大氣降水沿裂隙涌入井下，將來2-2號煤層開采后冒落帶和導水裂隙帶與1-2號煤層采空區溝通，引起采空區水涌入井下。

冒落帶和導水裂隙帶高度的計算：煤層上覆基巖巖性以細粒砂巖、粉砂巖為主，次為中粒砂巖及泥巖，呈互層結構體。砂巖多為泥質膠結，部分層段為鈣質膠結。根據柳塔煤礦勘探地質報告描述砂巖、粉砂巖、泥巖巖樣飽和極限抗壓強度平均值均在40 MPa以下，大多為20～30 MPa，屬于中硬巖類，所以選取原國家煤炭工業局2000年頒布的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中推薦的中硬巖類冒落帶、導水裂隙帶最大高度及保護層厚度的計算公式，得到2-2號煤層最大冒落帶與導水裂隙帶計算結果，見表1。可看出，以2-2號煤層平均采高2.22 m計算，本區2-2號煤層開采后冒落帶高度為9.74 m，加保護層為16.40 m。導水裂隙帶最大高度為39.80 m，加保護層為46.46 m。計算得出的導水裂隙帶高度均小于2-2號煤層上覆基巖厚度，但是大于1-2和2-2號煤層的層間距厚度，因此2-2號煤層開采時受松散層含水層威脅較小，局部受采空區積水影響較大，甚至發生突水事故。應提前做好1-2號煤層采空區疏放水工作。

表1 2-2號煤層冒落帶與導水裂隙帶計算結果Table 1 Calculation results of caving zone and water-conducting fracture zone of No.2-2 coal seam

斷層裂隙：目前2-2號煤層巷道掘進時揭露的斷層有30條，斷距最小0.3 m，最大7.2 m，斷層帶寬0.01～0.02 m，斷層面整齊，沒有填充物，裂隙不發育。斷層裂隙是礦井的重要充水通道，生產中嚴格執行防治水規定，做到“先探后掘，邊探邊掘”，加強工作面排水及通風能力[12]。

封閉不良鉆孔：補勘區內有5個水文觀測孔和2個水源井。這些鉆孔部分基巖以上或沙層以上層段均未封閉。ZK3709號鉆孔在孔深98 m處有止水托盤遺留，鉆具底部在1-2上號煤層底板處。ZK3334號鉆孔在孔深240.69～245.58 m層段有鉆具遺留，鉆具頂部在5-2號煤層底板下4 m處。補勘區內以往的補勘鉆孔都按照設計要求進行了封孔，據《柳塔礦勘探地質報告》對個別鉆孔做了透孔檢查，取上來的灰芯的抗壓強度達到了規范要求，但孔內部分空段的水泥凝固不好，有的孔段沒有水泥。因此，封閉不良鉆孔是礦井一個重要的充水通道。采掘中應予以高度重視。

3.4 水文地質勘探類型

補勘區內主要含水層為第四系上更新統薩拉烏蘇組粉細砂孔隙潛水含水層，單位涌水量0.003～0.415 L/(m·s)，富水性弱-中。母花海子古沖溝含水層經導水裂隙帶與1-2號煤層采空區溝通，因此2-2號煤層開采時受1-2號煤層采空區積水影響較大，據此將補勘區2-2號煤層水文地質勘探類型確定為一類三型，即以孔隙-裂隙充水為主的水文地質條件復雜的礦床。

3.5 存在的問題及應對

據補勘區以往勘探的鉆孔資料，沒有明確顯示母花海子古沖溝第四系松散含水層底部發育粘土層，含水層厚度一般為19.2～28.99 m，含水層富水性中等。建議回采前根據抽水試驗所得水文參數計算工作面最大涌水量，并配備相應的排水設備，并對第四系松散含水層進行疏放水工作。22101工作面上部存在走向長臂式開采采空區，前期已經施工了3個鉆孔，和1-2號煤層采空區貫通，出水量約100 m3/h，建議加大1-2號煤層采空區疏放水力度，以保證安全回采。補勘區內有5個水文觀測孔和2個水源井。這些鉆孔部分基巖以上或沙層以上層段均未封閉。ZK3709、ZK3343號孔封閉不良，有鉆具遺留。補勘區內以往的補勘鉆孔都按照設計要求進行了封孔，據《柳塔礦勘探地質報告》個別鉆孔做了透孔檢查，取上來的灰芯的抗壓強度達到了規范要求，但孔內部分孔段的水泥凝固不好，有的孔段沒有水泥。若工作面采掘范圍內存在上述鉆孔，建議提前制定過鉆孔措施，加強工作面排水能力，防止鉆孔導水發生事故。建議對水文孔進行長期觀測，分析水位變化規律，作為指導礦井生產的水文地質依據。

4 結論

(1)根據補勘區以往鉆孔資料統計，補勘區第四系松散層以風積沙為主，厚28.59～83.12 m，由古沖溝內向兩側逐漸變薄，古沖溝內上游向下游逐漸變厚。松散層底部局部有礫石層，厚0.27～0.53 m。

(2)施工的1-2號煤層采空區(兩塊獨立的)水文觀測孔SW16-1、SW17號鉆孔，與采空區貫通，經觀測無水。