某礦井巖溶水賦存特征及對礦井充水影響

黃　繼，冉茂云，向　虎

某礦井巖溶水賦存特征及對礦井充水影響

黃繼，冉茂云，向虎

（四川省煤田地質工程勘察設計研究院，成都 610072）

天池一號井K1煤層頂底板含水層均為灰巖強含水層，巖溶裂隙發育，充水性強，對煤礦開采造成較大威脅。在對該礦進行水患調查過程中，發現該礦受巖溶水威脅較大，本次研究通過認真分析礦井巖溶水賦存特征及其補徑排條件，對其充水特征及對礦井危害程度有了初步認識，并且得出目前礦井主要受到來自頂板吳家坪組上段（P2w2）間接充水巖溶含水層與底板茅口、棲霞組（P1m+q）直接充水巖溶含水層的威脅，最后提出了相應的防治技術措施，為實現礦井安全生產提供了科學依據。

巖溶水；賦存特征；防治水

天池集團公司一號井（以下簡稱“一號井”）位于四川省綿竹市340°方向，直線距離約17km，屬漢旺鎮所轄。礦區位于龍門山褶皺帶中段、地槽區歇馬廟復式背斜南東翼之天池復式倒轉向斜中。山脈走向與主構造方向一致，溝谷較發育，河流向下切割強烈，河床狹窄。礦區總體地勢南西高北東低，山勢走向NE～SW向，最高標高2 088.1m（馬鞍山），最低標高745m（高橋），相對高差達1 343.1m。屬強烈切割構造溶蝕中高山地貌。

礦區內可采煤層僅一層（K1煤層）。K1煤層賦存于二疊系上統吳家坪組第一段之中，因煤層頂底板全為厚層灰巖，所以，礦區是四川省受巖溶水威脅比較嚴重的煤礦之一。天池煤礦建井至今，發生過數次突水事故，據礦方提供資料顯示，1999年11月18日，礦山一井在沿煤層底板施工主提升絞車道時揭穿地下暗河，發生突水事故，暗河涌水量約1 400 m3/h，造成直接經濟損失200余萬元；經64小時抽水試驗，水位下降26 m，于標高+730 m處穩定。因此，對礦區巖溶水賦存特征進行研究，分析其對礦井充水的影響，提出礦井水患防治措施，對礦井安全生產具有現實意義。

1　礦區水文地質條件

礦山內出露二疊系、三疊系，第四系有零星分布，由老至新分別是二疊系下統棲霞、茅口組，二疊系上統吳家坪組、長興組，三疊系下統飛仙關組。其中K1煤層賦存于二疊系上統吳家坪組下段（P2w1）中，該段巖性主要為粘土頁巖、鋁土泥巖夾煤層、燧石灰巖條帶，為相對隔水層，對其頂板充水影響較大的含水層為吳家坪組上段（P2w2），巖性主要為燧石石灰巖夾粉砂巖、薄層泥巖，為頂板間接充水巖溶含水層；對其底板充水影響較大的是茅口、棲霞組（P1m+q）巖溶含水層，為底板直接充水巖溶含水層。

區內共發育常年性溪溝一條，天然湖泊一個，其余大部分為季節性沖溝，雨季易發山洪。花石溝河為區內唯一常年性溪溝，它為綿遠河的支流，流經礦區北端，發育于距高橋直線距離約8km的白云山腳下，順天池向斜西翼西側，由南往北徑流至馬槽溝北側山腳下，徑流方向改為由西向東切穿整個向斜西翼徑流，于高橋處匯入綿遠河。河床深度小于0.5m，寬2～4m，河水流量一般200～500L/s，幾乎切割了整個礦區出露的全套地層。區內天然湖泊為天池湖，湖面面積約0.05km2，水面標高1 120m，但由于缺少補給來源，天池湖面已大面積萎縮，湖深不到1m。

1.1礦井巖溶水賦存特征

根據地面調查及以往鉆孔水文資料分析，本區含水層為：第四紀沖積層，三疊系飛仙關第一層（Tfa）及第三層（Tfc），二疊系長興組、吳家坪組上段以及茅口棲霞組。其中，受K1煤層采動裂隙帶影響，二疊系吳家坪組上段成為礦井間接充水含水層，另外，由于礦井主要運輸巷道均布置于茅口組灰巖中，因此，茅口棲霞組也為礦井的直接充水含水層。現將礦井直接充水含水層特征分述如下：

1）二疊系吳家坪組上段（P2w2）：為該區主要含水層，厚度116.6～130.0m，礦區內出露面積較大，約2.52km2，主要出露于向斜兩翼與礦區南部地勢較高處，使得大氣降水形成的地表徑流下泄速度較快。

地表出露泉井很少，本次僅調繪到一處泉點，流量約0.05L/s；一處季節性暗河。據訪問，該處暗河出口僅雨季有水流出，暴雨過后流量近1m3/s，久晴則干。另外，從以往普查工作施工的鉆孔及坑道了解，該段巖心破碎，喀斯特溶洞極其發育。天池二井南巷499.60m處曾遇一大的溶洞長18.3m，深9.7m、寬7m。一井多處亦有溶洞存在。另外根據天池煤礦一井570m、663m及1 300m三處裂隙調查，其單位面積內裂隙率為0.788%，21.39%及1.4%，這些裂隙及溶洞均為地表水補給地下水的直接通道，導致雨后巷道涌水量突然增加。在CK5鉆孔中作注水試驗，穩定注水量1.641L/s，單位注水量0.017 7L/s·m，理論滲透系數0.010 08m/d。綜合判定為富水性中等偏強的碳酸鹽巖裂隙含水層。

2）二疊系下統茅口棲霞組（P1m+q）：該含水層中茅口組灰巖厚約315m，為一套淺灰色、灰白色中厚層狀純灰巖，上部含燧石結核；棲霞組灰巖段厚約21m，巖性以灰--灰白色、灰黑色中厚--厚層狀生物碎屑灰巖為主。兩者之間無明顯的隔水巖系，視為一個統一含水層，主要分布于向斜的兩翼及溝谷切割最低的地方。該套石灰巖地表巖溶發育，各種形態的巖溶均有出現，尤以垂直類型的溶斗、落水洞居多。在地表以下一定深度范圍內仍有巖溶發育，礦區鉆孔中見有0.70～1.51m溶洞。泉水多出露在河谷岸邊，流量為0.8～5L/s，水質為HCO3·Ca-Mg型。在CK8鉆孔中作混合注水試驗，穩定注水量0.476 2L/s，單位注水量0.022 2L/ s·m，理論滲透系數0.020 64m/d。綜合判定為富水性強的碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層。

1.2礦區巖溶地下水補給、徑流、排泄條件

該礦山為該區范圍內的地表分水嶺，自成一個小型的水文地質單元，加之場區范圍內受區域構造影響，形成一個倒轉向斜的蓄水構造，整個向斜構造控制著礦山所在部位的地下水徑流方向。場區范圍內地表水體出露極少，水源不豐，大氣降雨成為礦井充水的主要充水水源。

通過本次調查并結合以往勘探報告發現，在標高745m以上，巖層裂隙溶洞極為發育，地下水露頭少，鉆孔中漏水嚴重，且均可聽到淺部地下水流入鉆孔中，由此可見，地表水及淺部地下水，沿巖層裂隙溶洞滲入深部。在海拔標高745m以下，巖層裂隙溶洞不太發育，含水性較強，受大氣降水及地表水通過垂直循環帶補給此帶。鉆孔CK1穩定水位6.50m，與附近油房溝河水面相一致。標高745m是井田最低侵蝕標高。據此段長期觀測站觀測，在綿堰河流入煤系地段的流量為10.75m3/s，流出煤系地段流量為11.53m3/s，由此可見，地下水補給河水。因此本次研究工作，將礦區地下水大致分為兩帶，在向斜北東端之高橋，標高745m以上，為垂直循環帶，以下為水平循環帶（圖1）。

圖1　茅口棲霞組（P1m+q）地下水水平、垂直循環帶立面投影圖

根據地面調繪，發現主要含水層組石灰巖大面積出露于礦山范圍內，山體表面，植被茂密，灌木叢生，將地表發育巖溶隱匿其中。由于區內水量、水源有限，地下水的溶蝕強度相對較低，較大規模的暗河管道發育于巖溶水深部循環中，即位于地下水水平循環帶內。區內地表水與地下水的最低排泄基準面位于礦區最北端高橋附近（海拔約+745m）。

如圖1所示，一號井+1 132m水平處于地下水垂直循環帶內，+756m水平處于地下水由垂直循環帶向水平循環帶過渡的區域，+714m放水平硐完全處于地下水水平循環帶內。另外，從圖上還可以看出，+714m放水平硐幾乎位于+1 132m水平正下方，其垂直于地下水流向布置，對其平硐所揭穿的含水層起到很好的疏干作用，因此，使得位于其上方的+1 132m水平在揭露含水層時水量大大減少，對+1 132m水平起到很好疏水降壓的保護作用。

天池復式倒轉向斜南西端高北東端低，似一不規則菱形。向斜構造形態寬緩，兩翼地勢相近，西翼受到花石溝河的切割（圖2）。主要含水層在向斜四周出露，含水層在兩翼出露的高差不大，在核部埋深較大，超過500m，巖溶含水層上覆良好的隔水層（飛仙關組第二層Tfb）。因此，向斜內部地下水很難從向斜的一翼徑流到另一翼排泄，向斜東翼、西翼是相對獨立的地下水系統，因其翼部裂隙和巖溶較為發育，易形成富水帶。地下水從向斜兩翼接受補給，并沿隔水層傾斜方向中部運動，此時地下水多具承壓性，而后由于深部透水性變弱，地下水轉而沿走向徑流，最后被橫切西翼巖層走向的花石溝河排泄。

由于區內水源匱乏，較大類型的如豎井、落水洞等巖溶發育程度相對較低，礦井采掘活動進行初期往往水量較少，當大面積的采空區形成后，采空塌陷裂隙貫通至地表形成巨大的拉裂縫，將采空區與地面直接貫通，形成了大氣降水進入坑道的直接通道，并最終通過人工開拓的坑道匯集排泄。

隨著地下工程的開拓，井巷這一集水廊道的形成，礦井坑道已成為地下水新的匯集、泄水暢地，成為除河流溪溝外的另一個主要的地下水排泄通道。

圖2　一號井水文地質剖面示意圖

2　巖溶水對礦井充水影響分析

K1煤層頂底板均為巖溶含水層，對礦井采煤活動有直接影響。受構造控制，礦區范圍內自成一獨立的水文地質單元，頂底板含水層受其各自所在地形地貌、構造等相關因素控制，對礦井的充水有各自不同的補給途徑及來源。

2.1K1煤層頂板直接/間接充水巖溶含水層

由于采礦的作用，使得煤層頂板巖層產生破壞，并降低強度或形成人工裂隙，通過本次調查，本礦井頂板充水主要通過導水裂隙帶貫通K1煤層間接充水含水層造成。根據《煤礦床水文地質、工程地質及環境勘查評價標準》規定，導水裂隙帶發育高度由公式①計算得出：

注：M—煤層開采厚度（m）；N—煤分層數

據此計算，按K1可采煤層最大采厚（2.0m）計算，導水裂隙帶（含冒落帶）高度為55.7m。

2.1.1K1煤層頂板直接充水巖溶含水層

該套含水層巖性主要為灰色厚層石灰巖，含燧石結核少許，厚度約20m，裂隙較發育，多被方解石充填，較堅硬，為K1煤層直接頂板，具有一定承壓性，但由于隨煤層露頭一起多從較陡的半山坡上通過，積水條件較差，只在每次大暴雨后降水會通過裂隙注入巷道，補給來源有限，因此，只要做好雨后巷道的排水工作，其對坑道充水的影響有限。

2.1.2吳家坪組上段（P2w2）頂板間接充水巖溶含水層

該套含水層為富水性較強的巖溶含水層，厚度約120m，地表分布面積大。位于K1煤層上約30m處，其與K1煤層直接頂板巖溶含水層間僅有不到1m厚的粘土巖相隔，從而導致該套含水層中的巖溶地下水極易通過采煤產生的導水裂隙帶，擊穿厚度不大的粘土巖隔水層，與下伏煤層直接頂板含水層產生水力聯系，直接補給煤層頂板含水層，成為礦井頂板涌水可靠的補給來源。因此，該套巖溶含水層為礦井頂板涌水直接、持續的充水含水層，也是礦井頂板突水的最大水害隱患。

2.2茅口、棲霞組（P1m+q）底板直接充水巖溶含水層

該套含水層為富水性極強的巖溶含水層，厚度約300m，出露于海拔較高的山頂地帶，接受大氣降水與冰雪融水補給，匯水面積大。

據調查，本區地下水水平循環帶和垂直循環帶的標高位于745m附近，兩水平分別位于不同地下水循環帶，因此，分水平介紹該套含水層水對坑道充水影響。

2.2.1+1 132m水平

一號井+1 132水平位于向斜翼部較高處，靠近該套含水層地下水補給區，地下水徑流過程通暢且速度較快，很難在該區域發育能容納地下水靜儲量的巖溶空間，即該區域地下水來也快，去也快，不會形成持續的補給。并且，由于+714m放水平硐對該套含水層的疏干降壓作用，使得+1 123水平的采掘工作主要受雨季大氣降水影響，表現為枯季無水、雨季出水。

但由于目前在該水平布置了一下山采區，+1 020m底板運輸巷標高更接近地下水水平循環帶，因此，該采區在掘進過程中受該巖溶含水層水的威脅較大。

2.2.2+756m水平

一號井+756水平位于向斜翼部較低處，靠近向斜核部，即位于該套含水層地下水由垂直循環帶向水平循環帶過渡區域，是該含水層地下水的強徑流帶，地下水循環交替作用強烈，溶蝕管道橫七縱八、異常發育，地下水徑流路徑長、補給來源豐富，因此，在該水平進行下山采掘工作，即向向斜核部開拓將十分危險，一旦揭露地下暗河，便會出現持續、穩定的涌水，甚至淹沒井巷。

另外，由于礦井新掘運輸大巷及總回風巷均布置在煤層底板茅口灰巖中，因此，該套強含水層成為礦井充水最主要的來源和水害隱患。通過本次調查發現，+756m水平的排水能力還不能滿足未來本礦采掘+756～+1 132之間資源的需要，在下階段應對本水平的水溝、排水管進行重新設計，進一步完善排水系統。

3　結論與建議

本礦煤層的直接頂底板含水層均為灰巖強含水層，有一定補給來源且出露面積較大，對礦井充水影響較大。礦井當前面臨的水害隱患除了巖溶水外，主要還有來自大氣降水、老采空水等。作為預防巖溶突水的最佳途徑，應嚴格按煤礦安全生產之規定，標準超前探放水技術要求，根據實際情況合理布置探水孔。超前探水距離不得小于20m，建議超前探水40m，掘進20m，并且，采用物探手段，獲得本礦礦區范圍內的地下巖溶發育資料。

［1］ 鄭世書， 陳江中， 劉漢湖. 專門水文地質學［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1999.

［2］ 黃繼， 向虎. 四川省德陽市天池集團一號井礦井水患現狀調查報告［R］. 四川省煤田地質工程勘察設計研究院，2011.

［3］ 牛俊偉， 申江. 灰巖巖溶裂隙水賦存特征及其對礦井充水影響［J］. 中州煤炭， 2013，10（3）: 144～148.

［4］ 蔡保新， 李文昌. 富煤三礦四礦區水文地質條件分析［J］. 科技創新導報， 2013（18）: 94～97.

Occurrence of Karst Water and Its Influence on Water Filling of Mine in the Tianchi Mining Shaft 1

HUANG Ji RAN Mao-yun XIANG Hu
（Sichuan Design and Research Institute for Coal Geology， Chengdu 610072）

Coal seam roof and floor in the Tianchi Mining Shaft 1 are composed of limestone as strong aquifer which is characterizes by very development of fissures. This results in serious threat of karst water to the production of the mine. The study indicates that the threat comes mainly from the karst aquifer of the Upper Member of the Wujiaping Formation （P2w2） as the roof and the karst aquifer of the Maoukou and Xixia Formations as floor （P1m+q）. Some control measures are put forward.

karst water； occurrence； control； Tianchi Mining Shaft

P641.4+6

A

1006-0995（2015）04-0574-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.04.022

2014-10-23

黃繼（1983—），男，四川宜賓人，水工環工程師，主要從事水工環調查與勘察