潞安礦區康莊井田3號煤層水文地質條件分析

郭瑞睿

(長治職業技術學院，山西 長治 046000)

康莊井田處于潞安礦區中部，是二崗山地壘中的相對孤立含煤帶，位于山西省長治市屯留區李高鄉康莊村-駝坊村一帶，地理坐標為東經112°57′30″～112°59′30″，北緯36°12′30″～36°14′00″，東西長3.0 km，南北寬2.7 km，面積為4.5 km2。該井田周邊礦井有古城煤礦、王莊煤礦、高河煤礦以及小常煤礦(見圖1)。目前，該井田的煤炭地質勘查工作已達到勘探程度，已具備開展礦井建設可行性研究和初步設計的前提條件。因此，很有必要對其水文地質條件進行詳細分析，以便指導今后的煤炭開發工作。

1 井田地質

1.1 井田地層

該井田地表均為黃土覆蓋，無基巖出露。根據地質鉆孔及鄰區資料，井田地層從下至上依次發育奧陶系馬家溝組、峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組，第四系。井田主要含煤地層為二疊系下統山西組和石炭系上統太原組。

康莊井田3號煤層所在的山西組地層平均厚度為45.11 m，含煤1～4層，煤層總厚度為8 m，含煤系數為17.7%。其中，3號煤層為穩定可采煤層，厚6.90～10.00 m，平均7.91 m，底板標高為280～860 m，主要賦存于二崗山地壘的中間斷盤，少量賦存于南側斷盤和北側斷盤，在二崗山地壘中間斷盤靠二崗山北正斷層(F1)一側有一帶狀剝蝕無煤區(圖1)。

圖1 康莊井田構造綱要及3號煤層帶壓開采分區

1.2 井田構造

該井田最典型的構造特征就是地壘構造(二崗山地壘，圖1)，由走向NEE的二崗山北正斷層(F1，傾角75°，斷距280～310 m)和二崗山南正斷層(F2，傾角75°，斷距201～255 m)兩大斷裂構造控制，在二崗山地壘的中間斷盤上還發育一軸向NEE、貫穿全區的向斜構造(康莊向斜)。受大斷裂影響，二崗山南正斷層的北側還派生一些斷距多小于50 m的7條小型斷裂(F3～F9)。暫未見陷落柱及巖漿巖侵入。

2 井田水文地質條件分析

2.1 含水層

井田內含水層由下至上依次發育奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層，石炭系太原組灰巖巖溶裂隙含水層，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組砂巖孔隙裂隙含水層，基巖風化帶裂隙含水層，第四系松散層孔隙含水層。

1) 奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層是井田最主要的含水層。井田中部的85-26水文孔奧灰水位標高648.86 m，但因鉆孔施工年代久遠，本次不予采用其水位標高值。井田西側邊界1 km外1301水文孔奧灰水位標高634.66 m，井田北側邊界3 km外王-168水文孔奧灰水位標高為632.36 m，目前西北側相鄰的古城煤礦在兩井田交界段的奧灰水位標高為632～634 m，因此推測康莊井田奧灰水位標高為632～634 m，水位自西南向東北方向逐漸降低。據區域水文地質資料，該含水層富水性以中等為主。

2) 石炭系太原組灰巖巖溶裂隙含水層。井田內以往勘查鉆孔未揭露該含水層，據區域水文地質資料，該區域富水性弱。

3) 二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組砂巖孔隙裂隙含水層。該含水層巖性主要為中、細粒砂巖，包括K7、K8、K10等幾層砂巖。據井田內ZK3-3鉆孔風化帶以下含水層抽水試驗資料，其單位涌水量q為0.011 7～0.011 8 L/(s·m)，滲透系數k為0.016 3 m/d。富水性弱。

4) 基巖風化帶裂隙含水層。井田內風化裂隙帶發育深度一般在基巖面以下50～60 m。在鉆遇該層時，大多有沖洗液漏失現象，富水性為弱-中等。

5) 第四系松散層孔隙含水層。巖性主要為粉、細粒砂巖。富水性一般為弱-中等，隨季節變化較大。

2.2 隔水層

井田內隔水層包括石炭系本溪組及太原組底部隔水層、太原組灰巖含水層層間隔水層、二疊系砂巖含水層層間隔水層、第四系隔水層。石炭二疊系隔水層的巖性主要為煤層、泥巖、鐵鋁質泥巖、粉砂質泥巖等；第四系隔水層的巖性主要為黏土、亞黏土。

2.3 充水因素分析

2.3.1 主要充水水源

根據性質，礦井充水水源可分為地表水、頂板水、底板水、老空水等幾大類。井田內無小窯開采歷史，不存在老空水。地表無水庫、常年性河流等水體，黃土蓋層平均厚度151 m，能夠有效阻隔地表水(包括大氣降水)向礦井充水。因此，該井田的主要充水水源只需考慮頂板水和底板水。

1) 頂板水。包括3號煤層上方的全部含水層水。未開采3號煤層前，其上覆各含水層因層間隔水層的阻隔導致相互間的水力聯系較為微弱，僅在構造發育部位可能會產生一定的水力聯系。3號煤層開采后，其頂板各含水層水將通過導水裂隙帶向礦井充水，是礦井充水的主要來源之一。

2) 底板水。井田內3號煤層底板標高在280～860 m之間，推測奧灰水位標高為632～634 m之間，因此3號煤層在井田內大部分區域帶壓。為了安全起見，本次將3號煤層底板標高634 m以下的區域，均劃分為帶壓區。奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層是井田最主要的含水層，富水性以中等為主。在帶壓區域，尤其是受構造破壞地段，該含水層將是礦井充水的主要來源之一。

本次采用《煤礦防治水細則》中的突水系數計算公式，對開采3號煤層時奧灰水突水危險性進行分析：

T=p/M

式中：T為突水系數，MPa/m；p為底板隔水層承受的實際水頭值，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

奧灰水位標高取井田內的最大值634 m，3號煤層底板標高取井田內的最小值280 m，理論上3號煤層底板隔水層承受的奧灰水最大水頭高度h=634 m-280 m=354 m，則底板隔水層承受的最大水頭值p=ρgh=3.47 MPa(ρ取1.0×103kg/m3)；底板隔水層厚度M取潞安礦區最小值80 m(潞安礦區3號煤層底板至奧陶系頂界的地層厚度為80～140 m[1])。

經計算，開采3號煤層時的最大突水系數：T=p/M=3.47/80=0.043 MPa/m。

就全國實際資料看，底板受構造破壞的地段突水系數一般不得大于0.06 MPa/m，因此，將3號煤層帶壓區域全部劃分為非突水危險區。需要強調的是，0.043 MPa/m是出于安全考慮的理論上的最大值，而井田內實際的最大突水系數肯定小于此值。

2.3.2 主要充水通道

從成因上，一般將礦井充水通道分為天然通道和人為通道兩種。天然通道包括斷層、陷落柱等地質構造，人為通道包括導水裂隙帶、井筒、封閉不良鉆孔等。該井田以往地質勘查施工的鉆孔均封閉良好，且歷史上無小窯開采。因此，井田內主要充水通道只需考慮潛在陷落柱、斷層和導水裂隙帶。

1) 潛在陷落柱。目前井田暫未發現陷落柱，可能是二維地震勘探精度低造成的。由于二崗山地壘的巖溶發育，加之向斜軸部裂隙一般較為發育，因此井田內極可能發育有若干個陷落柱，且多沿康莊向斜軸部分布。在井田內康莊向斜的軸部，3號煤層底板標高為400～600 m，均處于帶壓區。一旦這些潛在陷落柱導水，將能夠直接導通奧灰水。因此，本文將潛在陷落柱列為最重要的充水通道。今后，應通過三維地震勘探查明那些潛在陷落柱。

2) 斷層。根據井田內以往二維地震勘探資料，除二崗山北正斷層和二崗山南正斷層兩條區域斷層外，井田內還發育有7條斷距大小不一的斷層(正斷層4條，逆斷層3條)。由于二崗山地壘為匯(導)水蓄水構造，主要接受其南部背斜蓄水構造及單斜蓄水構造的補給，向東排泄于潞城一帶，巖溶發育，導水性好[2]，因此二崗山北正斷層和二崗山南正斷層應該是導水的，是重要的充水通道。另外7條斷層因無鉆孔控制，且無進一步的物探資料佐證，目前其導水性暫不能確定，有待進一步查明。今后，在生產過程中必須嚴格執行“有掘必探”“三專兩探”等規定，從而查明上述斷層的導水性。另外，因二維地震勘探精度低，井田內可能還發育有其他斷層。今后，應通過三維地震勘探進一步查明。

3) 導水裂隙帶。目前，潞安礦區絕大多數礦井采用放頂煤采煤法開采3號煤層。盡管《煤礦防治水細則》第87條規定“導水裂隙帶可以按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中的公式計算”，但該公式僅適用于“厚煤層分層開采”的情形。同樣根據《煤礦防治水細則》第87條“放頂煤開采或者大采高(3 m以上)綜采的垮落帶、導水裂隙帶高度，應當根據本礦區類似地質條件實測資料等多種方法綜合確定”的規定，本次采用朱偉等[3]提出的潞安礦區放頂煤開采導水裂隙帶發育高度經驗公式計算：

式中：Hli為導水裂隙帶發育高度，m；M為累計采高，m；n為開采分層數。

井田內3號煤層厚6.90～10.00 m，平均7.91 m。假定累計采高M等于煤層厚度，當采用放頂煤開采3號煤層時n取1，經計算導水裂隙帶發育高度Hli為149.38～212 m，平均為169.78 m。而3號煤層距K8砂巖底平均32.93 m，距K10砂巖底平均88.38 m。因此，導水裂隙帶可直接導通上覆的K8砂巖、K10砂巖含水層，大部分區域還能導通基巖風化帶裂隙含水層及第四系松散層孔隙含水層(康莊向斜軸部附近區域除外)。

3 存在問題

井田內僅開展過二維地震勘探工作，對構造的控制精度較低。是否還存在其他未查明的斷層和陷落柱？井田內的構造是否導(富)水？各含水層是否存在富水區？這些問題與井田水文地質條件密切相關，有待今后通過三維地震勘探、地面瞬變電磁勘探等手段進一步查明。

4 結 語

1) 井田內3號煤層的主要充水水源為頂板水和底板水，主要充水通道為潛在陷落柱、斷層和導水裂隙帶。

2) 3號煤層在井田內大部分區域帶壓，理論上的最大突水系數為0.043 MPa/m，帶壓區域均為非突水危險區。

3) 當采用放頂煤開采3號煤層時，導水裂隙帶發育高度為149.38～212 m，平均為169.78 m，可直接導通上覆的K8砂巖、K10砂巖含水層，大部分區域還能導通基巖風化帶裂隙含水層及第四系松散層孔隙含水層。

4) 由于井田內僅開展過二維地震勘探工作，對構造的控制精度較低。是否還存在其他未查明的斷層和陷落柱，井田內的構造是否導(富)水，各含水層是否存在富水區，這些問題與井田水文地質條件密切相關。未來開采3號煤層前，應通過三維地震勘探、地面瞬變電磁勘探等手段進一步查明。