小回溝煤礦煤層底板水文地質特征及突水危險性淺析

王瑛

摘要：小回溝煤礦9號煤層為大部分地段奧陶系灰巖帶壓開采煤層。本文通過分析礦井地質條件、構造規模、奧陶系灰巖含隔水層特征、奧陶系巖溶水化學特征、含水層間水力聯系和充水條件等，初步查明了9號煤層奧灰水文地質條件，采用突水系數法對井田內9號煤層在帶壓范圍內的突水危險性進行評價，為9號煤層的安全開采提供有效理論依據。

關鍵詞：帶壓開采；水力聯系；突水系數；突水危險性

Hydrogeological characteristics and water inrush risk of coal seam floor in Xiaohuigou coal mine

Wang Ying

No.1 Hydrogeology Team of China Coal Geology Bureau， Handan， 056004

Abstract： No.9 coal seam in Xiaohuigou Coal Mine is the coal seam mined by Ordovician limestone under pressure in most sections. In this paper， by analyzing the geological conditions， structural scale， water-resisting layer characteristics of Ordovician limestone， chemical characteristics of Ordovician karst water， hydraulic connection between aquifers and water filling conditions， etc.， the hydrogeological conditions of Ordovician limestone in No.9 coal seam are preliminarily identified， and the water inrush risk of No.9 coal seam in the mining field is evaluated by using the water inrush coefficient method， which provides an effective theoretical basis for the safe mining of No.9 coal seam.

Key words： water inrush risk of hydraulic connection water inrush coefficient in mining under pressure

1.概況

小回溝井田屬太原西山煤田的一部分，位于西山煤田清交礦區清徐勘探區的北中部和部分邢家社普查區范圍。井田面積為33.5877km2，設計可采儲量265.37Mt，礦井建設規模3.0Mt/a，礦井服務年限63.30a。開拓方式為斜井開拓，采用綜采的采煤方法，頂板管理采用全部垮落法。根據煤層賦存條件，全井田劃分為三個水平，上煤組的03、2號煤層為第一水平，水平標高+930m；中煤組的5、6號煤層為第二水平，水平標高+885m；下煤組的8、9號煤層為第三水平，水平標高+835m。9號煤層為全區可采穩定煤層。

井田地質及水文地質條件較為復雜，據以往勘查資料及周邊生產礦井充水特征分析，威脅煤層開采的主要含水層為中奧陶統灰巖含水層、含煤地層中薄層灰巖含水層及二疊系砂巖裂隙含水層。其中，可采煤層層間薄層灰巖巖溶裂隙水和頂板砂巖裂隙水富水性弱，對煤層開采影響較小，而煤層底板奧陶系灰巖巖溶裂隙水，因富水性不均一，帶壓高度大（9號煤底板最低點帶壓高達2.38MPa），底板隔水層變薄處、較大斷層和陷落柱等構造地段存在潛在突水威脅，對煤礦安全開采影響較大。因此查明井田奧陶系灰巖含水層的水文地質條件，對礦井面臨的奧灰水突水危險性做出客觀的評價，提出有效的防治水措施，對今后9號煤層的安全開采意義重大。

2.地質概況

井田地層由老至新為奧陶系中統上馬家溝組（O2s）、奧陶系中統峰峰組（O2f）、石炭系中統本溪組（C2b）、石炭系上統太原組（C3t）、二疊系下統山西組（P1s）、二疊系下統下石盒子組（P1x）、二疊系上統上石盒子組（P2s）、二疊系上統石千峰組（P2sh）、三疊系下統劉家溝組（T1l）和第四系（Q）。井田內含煤地層主要為石炭系上統太原組（C3t）和二疊系下統山西組（P1s），可采和局部可采煤層為03、2、5、6、8、9號煤，其中9號煤層位于太原組下部一段，為全區穩定可采煤層。

受區域構造控制，全區總體為一走向近北東，傾向北西的單斜構造，在此基礎上發育了一系列走向近南北向和北東向的寬緩波狀褶曲。起伏幅度不大，區內地層傾角多在5°～15°之間，并伴有斷層和陷落柱。受其影響，形成了區內地層產狀的波狀起伏。

井田內發育褶皺15條，物探以鉆探揭露大小斷層共101條，陷落柱102個，構造較發育。大多數斷層、陷落柱不富水，也不導水。

3.含隔水層特征

3.1含水層

井田主要含水層包括：第四系松散巖類孔隙含水層、二疊系下石盒子組以上砂巖裂隙含水層、二疊系山西組砂巖裂隙含水層、石炭系太原組碎屑巖夾薄層碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層、奧陶系峰峰組及上馬家溝組碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層。本次以9號煤層底板奧陶系灰巖含水層為研究對象。奧陶系灰巖含水層為9號煤層的底板充水含水層，由石灰巖及泥灰巖構成。根據鉆孔揭露，該地層裂隙發育較差，局部見溶孔。由于井田距邊山斷裂距離較遠，富水層整體較弱。根據鉆孔抽水資料顯示，統一口徑單位涌水量0.00003L/s·m～0.00239L/s·m，滲透系數0.0007m/d～ 0.00372m/d，富水性弱。

根據水質化驗資料分析，水中K++Na+、Ca2+、HCO3-、SO42-離子含量均較高。其中，K++Na+含量40.2mg/l～508.98mg/l，Ca2+含量6.87mg/l～132.13mg/l；SO42-含量85.61mg/l～828.96mg/l，HCO3-含量32.09mg/l～417.17mg/l。礦化度222.43mg/l～ 1711.98mg/l，總硬度24.78mg/l～406.32mg/l，pH值7.1～9.79，地下水水化學類型為SO4·HCO3—Na、SO4—Na、SO4·HCO3—Ca·Na、SO4·HCO3—Ca、SO4—Na·Ca型。奧陶系陽離子Ca、Na離子含量較大，Mg離子含量較低；陰離子Cl離子含量較低，SO4離子含量較高。平面上SO4離子含量和礦化度由西北向東南未顯示增高的趨勢，相反是逐漸減少，表明奧灰水在本井田水交替不積極、富水性差的特點。

3.2隔水層

9號煤底板隔水層脆性巖與塑性巖軟硬交互發育，其中太原組底部的K1砂巖和本溪組中上部砂巖、下部泥灰巖和底部鐵質粉砂巖（山西式鐵礦）等脆性巖石，力學強度高，抗水壓能力強，隔水消壓能力弱；而層間泥巖類隔水消壓能力較強，抗水壓能力強。軟硬互層組合隔水性能較好。

3.3奧陶系灰巖含水層與各含水層間的水力聯系

奧陶系與太原組底界距離為10.8m～59.3m，隔水層厚度4.75m～51.3m，主要為本溪組鋁質泥巖、砂質泥巖，且軟硬巖石交互發育，隔水性能良好；奧陶系與二疊系山西組K3砂巖距離為91.55m～135.4m，隔水層厚度較大。

根據抽水資料，二疊系含水層混合抽水水位標高+1230.158～+1478.965m，石炭系太原組含水層水位標高+928.15～+1308.367m，奧陶系含水層水位標高+845～+905m，奧陶系與其他含水層水位標高差值較大。

據井田內本次及以往的水質資料分析，奧陶系與上部各含水層水化學特征有顯著差異。井田內各系組水質離子含量由上向下依次增大，礦化度依次增大，pH值依次增大，二疊系水屬中性偏弱堿水，石炭系水屬弱堿水，奧陶系水比石炭系水堿性更強。

由于奧陶系與各含水層之間隔水層厚度較大，水位標高差值較大，水化學特征差別較大，因此奧陶系灰巖與上部各含水層在正常地段基本不存在水力聯系，構造帶可通過裂隙發生水力聯系。

4.充水條件分析

經計算，井田內9號煤層頂板導水裂隙帶發育高度為33.05m～73.48m，大部分地段導水裂縫帶溝通6號煤及太原組上部的主要含水層。因此9號煤頂板直接充水水源為9號煤導水裂隙帶發育范圍內太原組含水層；間接充水水源為山西組含水層。山西組及太原組富水性弱，但不排除在構造地段存在富水性較好的地段，因此頂板水對9號煤正常地段開采影響不大，構造地段產生一定的影響。

9號煤的底板充水水源為奧陶系灰巖水，為間接充水水源。奧陶系灰巖含水層水位標高+845m～+905m，統一口徑單位涌水量0.00003L/s·m～0.00239L/s·m，9號煤底板標高為+670m～+890m，9號煤為全井田大部分地段奧陶系灰巖帶壓開采。本文著重對9號煤層底板奧灰巖溶水突水危險性進行評價分析。

井田內構造較發育，共發褶曲15條、斷層101條、陷落柱102個，根據現有資料，尚未發現導水構造。

5.煤層底板涌突水危險性評價

本次采用突水系數法對井田內9號煤層在帶壓范圍內的突水危險性進行評價。突水系數法主要考慮煤層底板隔水層厚度和水壓兩個因素。根據《煤礦防治水細則》，突水系數計算公式為：

5.1煤層帶壓范圍

根據井田內及周邊礦井鉆孔奧灰水位數據，推測小回溝井田內奧灰水位標高+845～+905m；根據各煤層底板標高等值線圖推測，井田內9號煤底板標高為+670～+890m，9號煤除了井田東北角局部屬于非帶壓區外，其他大部分為帶壓區。

5.2參數確定

本次突水系數計算，采用了終孔層位揭露奧灰地層的鉆孔，各鉆孔的水位標高為本次推測的井田奧灰水位標高。隔水層厚度采用9煤層底板至奧灰界面的距離。水頭壓力為9煤層底板至奧陶系灰巖頂板之間的隔水層承受的水壓值。

根據鉆孔資料統計，煤層底板隔水層承受的水壓值為0.4492MPa～2.8249MPa。井田內煤層底板隔水層承受的水壓分布情況由東向西逐漸增大。9號煤層底板隔水層厚度一般為48.36m～75.35m，平均厚度62.31m，隔水層厚度由西南向中北部逐漸變厚。

5.3煤層底板奧陶系灰巖巖溶水突水危險性評價

根據煤層底板隔水層承受的水壓與隔水層厚度，計算奧灰突水系數。井田9號煤帶壓范圍內突水系數最大值為0.0562MPa/m。各煤層突水系數整體由東向西逐漸增大（見圖1）。

按《煤礦防治水細則》，底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06MPa/m，正常塊段不大于0.1MPa/m劃分標準，9煤層帶壓開采范圍內奧陶系灰巖含水層突水危險性屬于相對安全區（淺黃色區域）。

6.結論

本次通過突水系數法對小回溝煤礦9號煤層底板奧灰水突水危險性進行了分析和評價，評價結果為9號煤層底板奧陶系灰巖水帶壓范圍內底板突水危險性均為相對安全區。但是由于9號煤與奧灰之間隔水層相對較小，且井田內構造發育，需要防范構造地段突水的潛在危險性。

參考文獻：

[1]國家煤礦安全監察局礦井防治水細則[M].北京煤炭工業出版社，2018.

[2]馬玉玲，孟宇平，王紅燕等.平朔集團公司小回溝煤礦奧灰水文地質補充勘探報告，2019.