織金縣戴家田煤礦突水危險性分析

艾燦偉

（貴州省煤田地質局一七四隊）

關于煤礦充水因素及突水危險性分析，潘懋等［1］對斷層帶中的礦層與巖溶直接接觸而導致巖溶水向礦層突水作了分析；胡常清等［2］詳細調查了唐山市錢家營礦水文地質條件，對煤層底板突水危險性進行了分析；畢堯山［3］對煤層頂板涌（突）水特征進行研究，得出煤層頂板涌（突）水的發生與斷裂構造的發育程度有關；程培毅［4］通過五輪山煤礦鉆孔資料，研究了各煤層與層間巖性組合分布特征；宋文成等［5］通過理論計算與分析，得出煤層底板預先破壞突水部位；張珺［6］采用突水系數法，確定了煤層開采的安全下限；魯亮等［7］通過對開采下組煤有影響的主要含水層的威脅程度進行了分析，得出突水危險區域。通過對煤礦底板突水危險性進行分析，提出合理的水害防治措施［8-10］。因此，通過對戴家田煤礦突水危險性分析，為礦井防治水工作提供科學依據。

1 礦區水文地質概況

1.1 礦區水文地質條件概況

礦區位于八步向斜的揚起端北西翼，被北東東向的BaF4正斷層切割為南、北兩盤，總體構造形態為一單斜構造，BaF4斷層上盤（北盤）的地層走向近南北、傾向東、傾角15°～24°；BaF4斷層下盤的地層走向北東、傾向東、傾角25°～50°。礦區內共發現斷層34條。整個礦區屬于八步向斜匯水單元。向斜軸部及兩翼都發育嘉陵江組地層，巖溶發育，以巖溶侵蝕、溶蝕地貌為主。最高點位于礦區西南部老鷹巖山頂，海拔標高+1 623.60 m；最低點位于礦區外側東部高家橋小河，海拔標高+1 245 m，相對高差378.60 m，屬低中山山地地形。礦區地表分水嶺為南西部老鷹山頂—大箐山頂—東部外側峰子巖山頂一線。礦區內地表水最后匯入六沖河，屬長江流域烏江水系六沖河支流。當地最低侵蝕基準面為高家橋小河河谷，侵蝕標高+1 245 m。

1.2 水文地質特征

1.2.1 礦區地層含（隔）水性特征

水性區內及周邊地表出露的地層富水性（由老至新）：二疊系中統茅口組（P2m）巖溶強含水層，二疊系上統峨眉山玄武巖組（P3em）基巖裂隙弱含水層、龍潭組（P3l）基巖裂隙弱含水層、長興組（P3ch）裂隙巖溶強含水層，三疊系下統飛仙關組一段（T1f1）基巖裂隙弱含水層、飛仙關組二至四段（T1f2-4）巖溶強含水層、飛仙關組五至六段（T1f5-6）基巖裂隙弱含水層、嘉陵江組（T1j）巖溶強含水層和第四系地層（Q）孔隙水。構造綱要圖及水文地質圖見圖1，水文綜合柱狀圖見圖2。

1.2.2 礦區水文地質勘查類型

礦區礦體大部分位于最低侵蝕基準面（+1 245 m）以下。礦區地形不利于地表水排泄。本區直接充水含水層為龍潭組，含水性弱；上覆飛仙關二至三段、嘉陵江組及關嶺組二段均為強含水層，為間接充水含水層，含水性較強。地表無較大自然及人工水體，且有相對較好的飛仙關一段作為相對隔水層，正常情況下，上述含水層對礦井充水影響不大。龍潭組底部的茅口組，含水性強，且被礦區內斷層切割，將茅口組地層與龍潭組地層連通，使得茅口水上竄進入龍潭組，形成底板突水。大氣降水為地表水、地下水主要補給來源。本區水文地質類型屬以頂底板充水的裂隙巖溶充水礦床，水文地質條件為中等，水文地質勘查類型為二類二型。

1.3 煤層發育特征

龍潭組（P3l）為本礦區含煤地層，含可采煤層7層，至上而下編號為6、7、14、16、21、27及32號，均屬大部可采、較穩定煤層。

2 礦井充水因素分析

2.1 充水水源

2.1.1 大氣降水

大氣降水為礦區內地下水及地表水的主要補給來源，地形地貌不利于地表水自然排水。礦區內斷層發育，且切割較深，大氣降水在地表匯集后容易通過斷層破碎帶進入地下，間接影響礦井充水，為礦井間接充水水源。因此，大氣降水對礦區充水影響較為明顯。

2.1.2 地表水

礦區內發育較大的地表河流1條，溪溝2條，即高家橋小河、新場小溪、下寨小溪。

（1）高家橋小河。屬季節性小溪，雨季暴漲，旱季暴跌。該河流在礦區南部邊界外被BaF1斷層2次切割，在礦區內馬鞍山山腳被F8斷層切割，而BaF1斷層和F8斷層在縱向上切割了礦區內幾乎所有的地層，該河流可以通過斷層破碎帶進入地下，因此高家橋小河對礦井充水影響大，為未來礦井間接充水水源。

（2）下寨小溪。為季節性溪流，豐水期水量較大，貧水期河床干枯無水。該溪流在戛泥下寨一帶逕流后，于巖腳處由落水洞進入地下，進入地下后通過BaF4斷層的破碎帶，沿著巖層層面向八步向斜軸部匯聚，因此該溪流對礦井充水影響也較大。為未來礦井間接充水水源。

（3）新場小溪。補給來源主要為煤窯水、大氣降水、地表泉水。屬季節性小溪，雨季暴漲，旱季暴跌，甚至干涸。該溪溝流經煤層露頭及BaF2帶，可以通過淺部煤層及斷層破碎帶進入礦井，對未來礦井影響有一定影響，為未來礦井間接充水水源。

上述礦區內地表水對未來礦井充水有一定的影響。

2.1.3 地下水

（1）嘉陵江組、飛仙關二至四段巖溶發育，地下水豐富。但由于飛仙關一段富水性弱，是相對較好的隔水層，從這方面看其上覆地層地下水對礦井充水影響較小；但從另一方面，礦區多條斷層切割該地層至含煤地層，使得含水層與含煤地層對接，上覆地層中的地下水通過斷層破碎帶進入煤層，直接影響礦井充水。上覆地層中的巖溶地下水對礦井充水的影響仍然較大。

（2）長興組富水性強，裂隙巖溶較發育，為含煤地層上覆地層，與之呈假整合接觸。根據下文分析，裂隙巖溶水會通過冒落導水裂隙帶進入未來礦井，為未來礦井的直接充水水源，對未來礦井充水影響大。

（3）龍潭組富水性弱，具有一定的含水性，但因礦體直接分布于該地層中，故該地層是礦井的直接充水含水層，其地下水為未來礦井直接充水水源，其自身的裂隙水對礦井造成直接充水。

（4）茅口組地層下伏于含煤地層中，地層厚度為380 m左右，含巖溶管道水，富水性極強，礦區內多條斷層將茅口組地層與龍潭組連通，使得茅口水直接進入煤層中或通過斷層破碎帶進入煤層中。因此，茅口組地下水對礦井影響巨大，為未來礦井間接或直接充水水源。

2.2 充水途徑

礦區內斷層較發育，部分斷層已從地表切割至茅口組地層，地表水及地下水可以通過斷層帶向礦井充水，故斷層帶將成為礦井充水的通道；而礦區各地層淺部巖石風化裂隙發育，風化裂隙是大氣降水補給充水含水層的主要通道，也是地表水或老窯水滲入礦井的通道，同時也是充水含水層的基巖裂隙水流入井巷的通道；未來采礦活動產生的冒落導水裂隙也將成為地表水、上覆巖層地下水或老窯水滲入礦井的通道。封閉不良的鉆孔亦是地表水或地下水進入礦井的通道。

3 突水危險性分析

3.1 先期開采地段煤層頂、底板突水危險性分析

3.1.1 頂板突水危險性分析

煤礦采用冒落放頂的方式管理采空區頂板，未來礦井在最上一層可采煤層（6號煤層）時，必然形成的冒落導水裂隙帶，其高度計算如下。

式中，Hf為冒落導水裂隙帶最大高度，m；M為6號煤層平均厚度2.96 m；n為煤層層數。

經計算，冒落導水裂隙帶最大高度為46.79 m。含煤地層上覆地層長興組富水性強，底界距最上一層可采煤層（6號煤層）平均高度為28.30 m，小于冒落導水裂隙帶最大高度，故未來礦井在開采過程中引起的冒落導水裂隙帶會延伸至長興組地層，長興組地層裂隙巖溶水會沿著導水裂隙帶對礦井直接充水、甚至突水。

3.1.2 底板突水危險性分析

根據1005號孔抽水試驗資料顯示，該孔揭露茅口地層57.60 m，抽水試驗段為36.34 m。靜止水位標高為1 309.82 m，最大降深為53.12 m，滲透系數為0.053 8 m/d。先期開采地段煤層最低標高+1 000 m，經統計，先期開采地段內茅口組頂板至32號煤底板最大厚度為47.87 m（1301號鉆孔），平均厚度為26.55 m，先期開采地段茅口組頂界最低標高為+973.45 m，因此茅口組地層頂底的實際水頭高度為336.37 m，故水頭壓力為3.36 MPa。采用底板為砂泥巖的底板突水系數經驗公式進行計算。

式中，TS為突水系數，MPa/m；P為隔水層承受的水壓，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

由于礦區內小構造發育，對可采煤層底板造成一定的破壞，故TS取值臨界值0.06 MPa/m、P=3.36 MPa，經計算，可采煤層板突水安全厚度M為56 m，故先期開采地段要抵抗茅口組水頭，隔水底板厚度應大于56 m。根據所施工鉆孔的27、32號煤層距茅口組頂板厚度的統計，見表1。

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結合茅口組頂界距可采煤層的厚度，煤層底板突水危險性分析如下。

（1）32號煤層距茅口組頂界隔水巖層厚度為16.48~47.87 m，小于隔水底板安全厚度56 m，要抵抗茅口組巖溶水對底板突水的最小壓力為P=0.06×16.48=0.99 MPa，其突水標高H=1 309.82-99=1 210.82 m，由此，在先期開采地段內，未來礦井開采至標高1 210.82 m以下的32號煤層時，茅口組巖溶水會對底板突水。

（2）27號煤層距茅口組頂界隔水巖層厚度為47.48~60.63 m，平均60.63 m，厚度小于隔水底板安全厚度56 m的地段，要抵抗茅口組巖溶水對底板突水的最小壓力為P=0.06×47.48=2.85 MPa，其突水標高H=1 309.82-285=1 024.82 m，說明先期開采地段內，未來礦井開采至標高1 024.82 m以下的27號煤層時，應注意茅口組巖溶水對底板突水。

3.2 老窯及老采空區突水地帶分析

20世紀90年代左右，礦區西部煤層露頭分布著眾多老窯，主要開采的是6、7、16和27號煤層，一般從煤層露頭處沿煤層傾向或煤層底板掘進20～50 m之后，再順煤層走向開采100～200 m后停采。且大多數老窯已形成一定面積的采空區，并存在一定的積水量，未來礦井掘進到老窯附近地帶時，老窯積水可對礦井進行充水，甚至突水，為未來礦井水害之一。

3.3 斷層帶突水分析

（1）BaF2斷層出露于礦區北邊界牛角沖—白洞—毛稗沖一線，延伸長度4.60 km。傾角38°～84°，最大平距位移450 m，落差85 m。該斷層斷裂帶大，落差高，斷層的導水性強。橫向上該斷層過石梯子—牛角沖—白洞一帶，這一地帶都屬于低洼積水地帶。地表水及上覆地層中的地下水沿斷層帶進入含煤地層，而且該斷層在深部也切斷了茅口組地層，使得茅口組地層與27、32號煤層對接，茅口組地下水可以直接向27、32號煤層充水，也可以通過斷層帶上竄至27號以上煤層，因此對未來礦井開采中礦井充水影響大，為未來礦井主要突水地帶之一。

（2）BaF4正斷層出露于礦區中部，長約為5.50 km。斷層走向北東東，傾向北西，傾角為69°～74°，落差為150 m左右。該斷層本身的導水性極好，將地表水及地下水串通，更有利于淺部的地下水進入深部地層。在龍潭組底部，斷層將茅口與上覆地層連通，使得茅口組地層與14號及以下煤層對接，茅口組地下水可以直接向14號及以下煤層充水，也可以通過斷層帶上竄至14號以上煤層，因此對未來開采中礦井充水影響很大，為未來礦井主要突水地帶之一。該斷層切割各地層情況見圖3。

（3）F8正斷層在礦區內延伸長度為1 330 m。斷層走向南西—北東向，傾向北西，傾角為48~77°，落差為45~200 m。該斷層在區內從縱向上切割了整個二疊系及三疊系地層，造成了強含水層（長興大隆組及茅口組）與龍潭組地層的可采煤層對接（其中長興組與6、7號對接，茅口組與14、21、27、32號煤層對接），使得巖溶含水層中的地下水進入煤層中，特別是茅口組地層中的地下水，還會沿著斷層帶上竄至上部煤層（6、7號煤層），對未來礦井開采礦井造成很大的影響，為未來礦井主要突水地帶之一。該斷層切割各地層之間關系見圖3。

此外，DF2、F1006-1、F1302-1、FJ201-1等正斷層均切割至茅口組地層，造成茅口組直接與27、32號煤層對接，茅口組地下水可以直接向所對接的煤層充水，也可以通過斷層帶上竄至27號以上煤層，因此，這些斷層對未來礦井開采中礦井充水影響很大。斷層帶突水分析見表2。

4 結論與防治水建議

（1）礦井是以頂底板充水為主的裂隙巖溶充水礦床，水文地質條件為中等，勘查類型為二類二型。

（2）老窯及老采空區積水對未來礦井突水，建議未來礦井先對其積水進行疏干，確保無安全隱患后方可進行掘進開采。

（3）斷層帶上的可采煤層與茅口組接觸處的茅口組巖溶水，建議未來礦井應預留足夠厚的隔水巖層，防止茅口組巖溶水對未來礦井突水。

（4）在先期開采地段內，未來礦井開采至標高1 210.82 m以下的32號煤層時，茅口組巖溶水會對煤層底板突水；在開采至標高1 024.82 m以下的27號煤層，該煤層距茅口組頂界隔水巖層厚度一旦小于隔水底板安全厚度時，茅口組巖溶水會對煤層底板突水。建議未來礦井應預留足夠厚的隔水巖層防止茅口組巖溶水對未來礦井突水。

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