界溝煤礦在構造控水及生產采排作用下的防治水策略研究

武成周　李海偉　肖祖未

【摘 要】原生構造控制了水文地質邊界條件，含水層的相互補給關系，控制了地下水的補徑排條件、形成突水通道，是礦井水文地質條件復雜程度的主控因素；礦井開采后，原巖結構造到破壞，礦壓顯現，人工排水造成水壓變化，承壓水導高帶增加。因此在構造控水和生產采排的共同作用下，對礦井的防治水工作提出了更高的要求。本文以界溝煤礦為例，針對本礦具體地質條件，充分利用勘探及生產階段的成果資料，研究制定了礦井的防治水策略，為礦井安全生產提供科學的依據。

【關鍵詞】構造控水；生產采排；兩壓一薄；防治水策略

中圖分類號： TD74 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0238-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.108

0 引言

我國煤礦水害頻發，突水往往造成重大人員傷亡事故和巨大的經濟損失。因此，國內外眾多專家學者對礦井防治水工作開展了積極的研究。而煤礦水害的形成因素眾多，其中地質構造決定邊界條件、補給關系、儲水空間、突水通道等，從本質上影響礦井的水文地質條件和礦井水文地質類型的劃分；而礦井采掘活動會對原有構造格架形成人工改造，部分揭露構造由阻水轉變為導水、原儲水通道由靜儲量轉變為動儲量等。劉東升[1]提出了構造控水研究模式；馬亞杰[2]分析認為斷層發育密度、斷層走向與地下水與地下水徑流方向的關系對含水層局部富水性差異具有重要影響。

1 原生構造控水作用

界溝煤礦位于童亭背斜西翼、五溝向斜的南段，主體構造為一寬緩的向斜盆地，南北兩端分別被北東向正斷層界溝斷層、李家斷層而切割，局部有次級起伏，斷裂構造較發育。本區構造格架控制了地層產狀、接觸關系，進一步影響地下水邊界系統、水文地質單元的劃分和地下水補徑排條件。

1.1 構造水文特征

1）五溝向斜

五溝向斜使本區主要可采煤層及含水層在東北西南方向出露，控制了井田地下水的主要流向，在軸部同斷層切割處成為富水帶。總體上，向斜軸部灰巖巖溶裂隙發育程度弱于露頭附近巖溶發育程度。

2）界溝斷層

為本礦東南部邊界正斷層，傾角40～50°，落差>250m，總延展長度大于3500m；斷層錯斷51～10煤。斷層上升盤對接太原組灰巖、各主采煤層、煤層頂板砂巖含水層，為本礦主要的充水水源。

3）李家斷層

為本礦西北部邊界斷層，正斷層，傾角70°，落差90～240m，延展長度大于6500m，礦區邊界附近長度5516m，上升盤出露太原組、奧陶系馬家溝組灰巖含水層，局部對接煤層及太原組含水層。

4）F6斷層

正斷層，位于區內中南部，兩端延伸出境，斜切井田，走向NE，傾向NW，傾角45～75°，落差15～115m，錯斷51～10煤，上升盤出露太原組上部灰巖，局部對接煤層10煤層及頂板砂巖含水層。

5）F7斷層

正斷層，走向NE，傾向NW，傾角50～70°，落差20～70m，錯斷51～10煤。位于區內中部，西端延展至礦區邊界外，東端合并交匯于F6斷層，同F6斷層成為溝通向斜兩翼四含含水層的導水通道之一。上升盤出露太原組一灰，可局部對接10煤層。

6）F10斷層

正斷層，位于區內北部，橫切全礦，走向NE，傾向NW，傾角70°，落差30～80m，錯斷51～10煤層，西端延伸井田外。上升盤出露太原組上部灰巖，局部對接煤層10煤層及頂板砂巖含水層，為溝通向斜兩翼露頭含水的斷裂之一。

1.2 水文地質邊界

本礦水文地質邊界劃分以礦區邊界斷層和含水層隱伏露頭為依據。邊界位置方位為：

1）西北方向李家斷層

李家斷層為張性斷裂，致礦區范圍內各可采煤層同奧陶系灰巖、太原組灰巖直接對接，為補給邊界。

2）東北、西南邊界

東北方向含水層隱伏露頭、西南方向含水層隱伏露頭東北方向、西南方向邊界新生界四含含水層直接壓覆于10煤層頂板砂巖含水層、底板太原組含水層之上，對10煤層頂底板直接充水含水層形成補給，為補給邊界。

3）東南方向界溝斷層

東南方向界溝斷層落差大于250m，奧陶系中統馬家溝組灰巖同煤系地層直接對接。礦井尚未開發前，水壓差未形成，斷層帶表現為隔水或弱導水，而區域內一旦形成采動裂隙，并形成水位差，則會逐漸形成導水斷層。亦為補給邊界。

本礦沒有自然排泄邊界，人工開采是本礦地下水主要排泄通道。

由地質構造條件分析，本礦為太原組灰巖含水層為主要充水含水層的承壓水盆地。

1.3 水文地質分區及突水危險性

五溝向斜控制了本礦地下水的主徑流方向，同主徑流流向基本一致的NE向斷裂帶對井田內含水層切割破壞，形成多級導水通道，根據本礦構造特征可將井田分為三個水文地質分區。

1）Ⅰ水文單元

以界溝斷層和F7、F6斷層為界，本單元位于界溝斷層下降盤、F6斷層上升盤，西部抬升、東部下降，F6斷層可視為本單元阻水邊界，界溝斷層為本單元補給邊界，可直接對10煤層和主要充水含水層進行補給，本區是目前主要采掘區域，礦井生產巷道及采區均布設于此。

2）Ⅱ水文單元

以F7、F6斷層和F10斷層為界。本單元位于F6斷層下降盤F10斷層上升盤，西升東降，F10斷層可視為本單元阻水邊界，F6斷層視為補給邊界。本區內斷裂構造發育，底板隔水層切割破壞程度較單元Ⅰ單元嚴重，根據突水系數的計算結果，本區具有突水危險性。

3）Ⅲ水文單元

以李家斷層和F10斷層為界，本單元位于F10斷層下降盤李家斷層下降盤，形成一地塹構造，兩條邊界斷層均為補給邊界。本區域內揭露的斷層少，在留設合理的防隔水煤柱后，突水威脅性較小。見圖1。

圖1 界溝煤礦構造簡圖及水文地質分區

2 生產及采排對水文地質的影響

開采后破壞了原巖穩定性，對圍巖形成礦壓，同時會活化部分構造，致使底板承壓水導高增加；礦井排水造成以采區為降落漏斗的水位差，使得全區煤層帶壓開采。因此“兩壓一薄”[1]極易導致礦井發生突水事故。

本區自上而下共有9層含水層，其中影響礦井10煤層開采含水層自上分別是新生界第四含水層、太原組一～四灰巖含水層、奧陶系灰巖含水層。礦井開采以來水位變化較大

1）第四含水層

四含在礦區兩端露頭處直接覆蓋在煤系地層露頭之上，煤層露頭區與上覆的四含直接對接，孔隙水地下水可沿淺部基巖風化帶裂隙、導水裂隙帶順煤層下滲進入礦井。四含水位自1973年+26.30m降至2017年11月的-103.87m，在45年內共下降129.14m，年平均降幅為3.26m，其中投產前年降幅為1.26m，2007年礦井投產以來水位開始加速下降，年降幅達11.43m。

2）太原組石灰巖巖溶裂隙含水層

太灰水主要補給源為四含和奧灰，四含水資源儲量小，補給條件有限，奧灰水資源儲量大，補給源充足。太灰水位從1978年+26.27m，下降至2017年11月的-110.20m，40年內下降136.47m，年平均降幅3.41m。太灰水位變化幅度基本同四含水一致，水位高度多年來逐漸下降，相較四含含水層，太灰富水性強，單位降深內巖層彈性釋水遠大于四含含水層，且巖溶地下水屬于管道流，易形成地下水強徑流帶。目前太原組灰巖水壓已達到4.42MPa，10煤層全區帶壓開采。

3）奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層（段）

奧灰屬于巨厚型含水層，本身水資源蘊藏量巨大，其水頭高度在40多年內下降幅度不超過30m，界溝斷層上升盤對煤系地層出露的奧灰“富水墻”面積達到0.59km2，同時李家斷層上升盤也會出露較大面積奧灰，可對太灰、煤層直接頂底板砂巖含水層、四含及可采煤層進行充水，是本區各含水層的主要補給源。

3 結論

1）本礦為一承壓水盆地，對底板注漿加固可做到安全回采，但形成了以采區為中心的降落漏斗，使采區中心帶壓程度增加；

2）依據開采中涌水狀況及其分布、涌水與地質構造、采動效應等的關系研究，劃分出了三個水文地質單元，其中Ⅰ水文單元水壓較高，突水系數較小，斷層發育程度中等，最大的威脅在界溝斷層；Ⅱ水文地質單元構造復雜，突水系數已超過臨界突水點，正、逆斷層較發育防治水工足量較大；Ⅲ水文地質分區地層緩傾，構造相對簡單，突水系數在安全范圍內，但受李家斷層的對接影響，需留設足夠防水煤柱。探查斷層是否溝通奧灰，研究Ⅱ水文地質單元安全開采，是目前面臨的主要課題。

3）本礦目前長觀孔主要集中于東北部邊界露頭外，對其他三邊的水位數據監測不足，無法準確識別地下水徑流方向、補給條件，無法提供準確的水動態特征參數，對全面研究防治水策略有一定的影響。

4）底板隔水層有效厚度還會受到放頂和礦壓的破壞導致底板隔水層導高帶增加，應當適時開展相關研究，為防治水工作提供必要的數據支撐；

5）適時開展區域綜合治理，查明集中補給邊界，阻斷主要含水層的補給源、尤其是邊界斷層奧灰水的補給條件，并對其進行帷幕注漿，截斷水源。

6）防治水由過程治理到源頭預防、局部治理到區域治理、井下治理到井上下綜合治理、措施防范到工程治理、單一治水到治保結合的綜合治水策略[3]。

【參考文獻】

[1]劉東升.構造控水的理論探討[J].山東煤炭科技，1998，4：43-45.

[2]馬亞杰，左文喆，劉伯等.隱伏向斜揚起端構造控水規律分析[J].煤炭學報，2012，37（1）：157-160.

[3]河南省煤田地質局三隊.安徽界溝礦業有限公司界溝煤礦10煤層底板水文地質補充勘探報告[R].鄭州，河南省煤田地質局三隊，2017：38-84.