煤礦區域地下水特征及水文地質結構充水模式探析

吾斯曼江

（新疆水電設計院地質研究所，烏魯木齊 830000）

新疆煤炭資源具有總儲量大、埋藏較淺、可采性好等一系列優勢，預測儲量2.19 萬億噸，約占全國的40.5%。在煤礦開采作業中，必須要提前探明礦區的水文地質條件，在此基礎上制定科學的開采方案，從而保證開采效率與作業安全。結合現有地質調查資料，礦區充水水源主要有降水、地表水，以及煤層頂底板基巖裂隙水、火燒區積水和老窯積水等類型[1]。在此基礎上，研究煤礦水文地質結構充水模式，能夠為下一步采取水害防治措施，切實保障生產安全提供一定的參考。

1 新疆煤礦區域地下水特征

1.1 地下水特征

新疆煤礦區域的地層含水層以第四系松散巖孔隙含水層和侏羅系碎屑巖裂隙含水層為主，另外還有部分燒變巖裂隙含水層、凍水含水層。其中，第四系孔隙含水層的主要成分為多孔砂巖、礫巖；裂隙水主要為出露于淺表的基巖分化裂隙、構造裂隙產生的承壓裂隙水，例如位于天山東段、準格爾盆地南部邊緣的吉新礦區，其含水層即為裂隙含水層。地下水的補給源較為豐富，像大氣降水、冰雪融水、地表水體、孔隙水及裂隙水等，都屬于主要的地下水充水水源。地下水的排泄方式以泉水、植物蒸騰為主，在一些礦井比較集中的地方，采煤后期疏干排水也是地下水排泄的一種主要途徑[2]。

1.2 礦區充水水源

新疆煤礦區域的充水水源主要有降水和地表水、裂隙水、積水3 種類型。按照補給量從大到小排序，依次為：裂隙水＞降水和地表水＞積水。

1.2.1 裂隙水

根據透水性的強弱，將巖層分為透水層和不透水層。而透水層又可分為潛水含水層、承壓水含水層，不透水層通常為隔水層，如圖1 所示。

圖1 地下水埋藏示意圖

其中，含水層在自然條件下能夠儲備和透過相當數量的地下水，形成含水層的必要條件有3 個，即孔隙發育、具備儲集地下水的條件和良好的透水能力。如果煤層頂板、底板存在含水層，后期煤層開采作業時將含水層下方的隔水層破壞，形成了裂隙通道，則含水層的地下水就會沿著裂隙通道涌入礦井，成為最主要的充水水源。

1.2.2 降水和地表水

新疆屬于典型的溫帶大陸性季風氣候，年均降水量僅為150mm。大氣降水主要是降雨和降雪，其中6-8 月份降雨集中，11 月至翌年3 月降雪較多。降水成為煤礦礦床充水的又一主要水源。尤其是在春季高山冰雪開始融化后，由于水流速度較慢，因此大部分都滲透到地下，是主要的礦床充水水源。另外，一些開采力度較大、開采年限較久的煤礦區域，由于地下煤層被掏空，上覆巖層因為失去支撐出現彎曲，形成了若干洼地和裂縫。洼地處更容易匯集雨水和冰雪融水，并且沿著裂隙繼續向下滲透，也成為了礦床充水水源。

1.2.3 賦存積水

賦存積水也是礦床充水的水源之一，在新疆煤礦區域比較常見的有火燒區積水、老窯積水2 種類型。所謂老窯積水，就是一些較早開發的煤礦中，由于采煤方式不當或者存在越界開采等問題，導致老窯水涌入礦井中。而火燒區積水則是因為礦區內燒變巖受到火燒程度不同或者地質活動影響等，在底部形成鍋底或鋸齒形狀。這種形狀很容易蓄積從地表滲透下來的地表水，久而久之形成了大量的積水[3]。在火燒區下方進行采煤作業時，如果地質擾動過大或沒有采取有效的支撐保護措施，出現導水裂隙帶，就會使得火燒區積水沿著裂隙帶涌入礦井。

2 新疆煤礦區域水文地質結構充水模式

煤礦開采中發生的礦井水害，很多與礦區水文地質結構有直接關系。尤其是在充水水源豐富、突水威脅較高的情況下，如果未能提前采取行之有效的預防措施，均有較大概率發生礦井用水事故。從水文地質勘察資料來看，新疆煤礦區域水文地質結構模式主要分為3 種，即地表水充水模式、地下水含水層充水模式以及燒變巖區積水充水模式。

2.1 地表水充水模式

此種水文地質結構是由地表河流水沿著巖層裂隙向地下滲透，進而導致煤層富水性升高，對礦井造成涌水危害。根據河流的周期性水位變化，又可分成季節性河流、常年性河流2 種類型。季節充水型水文地質結構模式下，礦井周邊通常有一條或多條季節性河流，并且河流底部巖層存在裂隙，裂縫貫通河流底部與礦井，形成一個涌水通道。進入多雨季節后，河流水位上漲，河水也隨之進入礦井，造成礦井水災。常年性河流雖然徑流比較穩定，但是在河流下方進行煤礦開采時，若未做好相應的保護措施，也有可能因為地質擾動等原因導致礦井內出現滲水[4]。

2.2 地下水含水層充水模式

由上文分析可知，新疆煤礦區域的充水水源以第四紀裂隙水、侏羅紀裂隙水為主，并且巖層多為砂巖。隨著煤炭開采深度的不斷增加，開采面與含水層的距離也會越來越近。如果煤層頂板裂隙帶與含水層聯通，將會形成一條充水通道，使得上部含水層的水，沿著這條充水通道滲透到礦井中。位于天山山前的煤礦區，從地質調查數據來看，其煤層厚度通常在10m 左右，基巖厚度在50~100m 不等，屬于較厚煤層。在開采過程中，形成的導水裂隙帶如果與山前沖積物中季節性雪融水、斜坡過境流相互混合，也會引起突水潰沙事故。除此之外，像庫車永新煤礦、吐魯番艾丁湖煤礦等礦區，煤層頂板均存在厚層裂隙水。如果開采期間未做好保護支撐措施，后松散層底礫層有較大概率出現突水潰沙事故。事實上，近年來新疆一些煤礦在開采中，因為面臨頂板侏羅系和白堊系厚層砂巖突水威脅，均有較高概率發生礦井水害。例如，新疆哈密大南湖礦區，頂板侏羅系砂巖水突水威脅嚴重，個別礦井記錄到的正常涌水量已經接近300m3/h，整個礦區的開采作業都受到了影響。

2.3 燒變巖區積水充水模式

煤層頂板因為受到煤層露頭附近溝谷切割作用，或者傾斜露頭與空氣接觸并發生自燃影響后，容易在頂板處形成燒變巖。由于燒變巖本身呈破碎狀，含有大量的裂隙，地下水在重力作用下匯集并填充到燒變巖的裂隙中，形成燒變巖含水區。由于燒變巖區的地下水補給條件較好，使得該區域含水率較高，在煤層開采時將會面臨突水威脅。

3 結 語

新疆煤礦集中分布在山前棚頂、山前傾斜帶盆地邊緣，但是由于開采過程中產生地質擾動、破壞巖層結構，使得第四系松散巖孔隙含水層與侏羅系碎屑巖孔隙—裂隙含水層受到破壞，地下水沿著裂隙、孔隙涌入礦井，成為礦區主要的充水水源。除此之外，大氣降水、高山冰雪融水，以及地表河流水等也是礦區充水的主要途徑，在部分礦區存在燒變巖區積水，也會成為礦區充水水源之一。從整體上來看，新疆煤礦區域的充水通道多集中在斷層、裂隙密集帶，并且礦井涌水量偏小，因此正常開采下受到的突水潰沙威脅較小。但是隨著煤礦開采力度的增加，以及開采深度的加深，下一步必須要繼續加強區域內水文地質結構的勘察與分析，定期更新和全面掌握煤礦區域內的水文地質信息，才能為煤礦開采作業的高效率和安全開展提供保障。