河南省平禹一矿井田二1煤层突水因素分析

2011-06-06程立华

地下水 2011年5期

程立华

(河南省地矿局第一水文地质工程地质队，河南新乡 453002)

平禹一矿始建于1969年，主要开采煤层为二叠系下统山西组二1煤层，煤层厚度5.69m，现可采储量2 585.4万t，自1972年至2008年底已发生大小突水48次(表1)，造成多次矿井或开采区被淹。

1 井田地质条件

平禹一矿位于河南省禹州市境内的朱阁乡、古城乡一带，南距禹州市区9 km。受季风气候影响，降水四季分配不均，多年平均降水量为650 mm，降水量在空间的分布，由西部山区向东部平原呈递减的趋势。禹州处于伏牛山余脉与豫东南平原的交接部位，整个地势由西北向东南逐渐降低。北部、西部及南部为低山及丘陵区，中部和东南部为颖河冲洪积平原，井田地貌属岗前冲洪积倾斜平原。在井田外南部有颖河和白沙东干渠，颖河常年有水，以排泄地下水为主，白沙东干渠由于受两岸地质条件的制约，补给地下水的能力差。

1.1 地层

本区地层属华北地层区豫西分区。区内主要发育地层为古生界寒武系、奥陶系、石炭系和二叠系、新生界古近系，新近系和第四系。北部、西部及西南部为寒武系、奥陶系、石炭系碳酸盐岩组成的低山丘陵区，裂隙密集，岩溶发育。石炭系和二叠系为主要含煤地层。井田区除大武庄一带基岩有零星出露外，地表大面积被新近系地层掩盖。

1.2 构造

本区位于新华夏系第三隆起带与秦岭—昆仑为总构造带东端的小秦岭—嵩山东西向构造带的复合部位，以东西向构造为主。平禹一矿位于白沙向斜的东北部，向斜枢纽倾向东南，西北收敛翘起，向东南撒开倾没，轴迹走向300°。北翼岩层倾角20°～35°，南翼后期破坏严重，岩层倾角变化极大。矿区主要断裂构造为(1)魏庄正断层:矿区北部边界断层，呈北西至近东西的弧形走向，倾向北东，倾角60°～70°，落差100～520 m;(2)肖庄正断层:位于矿区西南部边界附近，走向北西，倾向北东，倾角 55°～75°左右，落差 0～350 m。(3)黑水河正断层:位于矿区西南部边界附近，走向北西，倾向北东，倾角60°～65°左右，落差400～580 m。

2 井田突水因素分析

2.1 突水水源及突水强度

平禹一矿井田二1煤层突水水源主要包括底板含水层、顶板含水层及老空水。底板含水层主要为寒武系上统灰岩岩溶裂隙承压含水层、石炭系上统太原组上、下段薄层灰岩岩溶裂隙承压含水层;二1煤层顶板含水层主要为二叠系山西组二1煤层顶板砂岩裂隙承压含水层，新近系和第四系砂卵石含水层。

2.1.1 寒武系上统灰岩岩溶裂隙承压含水层

岩性为灰白色白云质灰岩和白云岩，该层距二1煤层80 m左右，岩溶裂隙发育，为含水丰富但不均一的含水层，为二1煤层底板的间接充水含水层。其间有厚5～29 m的本溪组铝土质泥岩阻隔了寒武系上统白云质灰岩与太原组下段灰岩含水层的水力联系，但在断层地段，使得多层含水层相互沟通，当井巷工程接近断层时，将会导致矿井涌水量的大幅增加，是造成矿井灾害性水患的主要水源。

以寒武系灰岩岩溶水为水源的突水，突水强度大，四次淹采取和淹井事故，水源均为寒武系灰岩和太原组下段灰岩岩溶水。例如，平禹一矿2005年10月19日东大巷扩砌时，发生寒武系岩岩溶水为水源的突水，初期水量5 000 m3/h，最大突水量38 056 m3/h，导致矿井被淹。说明平禹矿区寒武系灰岩富水性强，补给条件充沛，承压水头高，破坏性强。

2.1.2 石炭系上统太原组下段灰岩岩溶裂隙承压含水层

由四层深灰色灰岩(L1～L4)组成，距二1煤层42 m左右，其间有厚5～29 m太原组中段砂泥岩隔水层，阻隔其与太原组上段灰岩含水层的水力联系，为二1煤层底板的间接充水含水层。

表1 平禹一矿历年突水点统计表

井下揭露太原组下段灰岩岩溶水最大涌水量90 m3/h，但流量随之逐渐减少，直至干枯，表现为补给水源不足。但太原组下段灰岩岩溶水与寒武系灰岩岩溶水水力联系密切，凡以寒武系灰岩岩溶水为水源的突水，多表现为太原下段灰岩岩溶水与寒武系灰岩岩溶水联合突水。

2.1.3 石炭系上统太原组上段灰岩岩溶裂隙承压含水层

主要由五层深灰色灰岩(L5～L11)组成，夹砂质泥岩和细粒砂岩，含薄煤层，裂隙多被方解石充填。该段厚20～37 m，单位涌水量 0.000 847 ～0.0 263 L/s·m，渗透系数为 0.062～0.18 m/d，该层上距二1煤层12～16 m，富水性弱，导水性弱～中等，是二1煤层底板的直接充水含水层，该含水层补给水源不足，以静态储量为主，充水形式以裂隙涌水为主，出水点的初始水量较大，对矿井生产开采有一定影响。

单纯以石炭系上统太原组上段灰岩岩溶裂隙承压水为水源的突水，突水强度较小，在27次底板岩溶水突水水害中，21次突水没有寒武系灰岩岩溶水的参与，最大突水量为350 m3/h，其次为164 m3/h其余为10～70 m3/h之间。由于石炭系灰岩岩溶水动储量小，突水后水量衰减较快。虽影响采掘正常生产，但一般不会形成水害事故。

2.1.4 二叠系山西组二1煤层顶板砂岩裂隙承压含水层

岩性为灰、灰白色中粒、中粗粒石英砂岩，一般厚度30～35 m。裂隙不发育，该层段富水性不均一，是二1煤层顶板的直接充水含水层。井下开拓回采过程中主要以滴、淋水的形式向矿坑充水，水量小，易于疏排，对矿井生产影响不大。

2.1.5 新近系和第四系砂卵石含水层

新近系和第四系由北向南、自西向东厚度逐渐增大，下部为厚约35 m富水性弱的隙承压水，中间为约55 m的隔水层，上部为厚约40 m富水性中等的孔隙水，单井出水量100～500 m3/d其间有厚300 m左右的二叠系石盒子组砂泥质岩隔水层，是二1煤层顶板含水层与新近系、第四系砂卵石含水层间的相对隔水层。此含水层对矿井生产影响小。

2.1.6 老空水

老空水主要来自老采空区或老巷道积水，在采空区附近布置采掘工程时，可能诱发老空水突水。到目前，已经发生7次老空水突水，最大水量达到105 m3/h。由于自身采煤形成的采空区及积水区位置确定，在其附近布置采掘工程时，对老空水和老塘水会有所防范，老空水对生产影响很小

综上所述，煤层底板石炭系薄层灰岩和寒武系厚层灰岩岩溶水是矿井主要突水水源，寒武系灰岩水是威胁矿井安全生产的最不利因素。

2.2 井田岩溶水补给、径流和排泄条件

矿区北、西、南三面环山，为一向东南开阔的“箕形”向斜汇水盆地。在平禹一矿西北部和西南部的低山丘陵区，寒武系灰岩和白云岩大面积出露于地表，出露总面积400 km2;在山地和平原区的煤矿区，则埋藏于石炭—二叠系地层之下，面积近900 km2。寒武系—奥陶系灰岩白云岩裸露区，地表岩溶裂隙发育，接受大气降水和地表水的补给，是区内岩溶水的直接补给区。白沙向斜东北翼岩溶水自西北向东南径流，在平禹一矿以矿井排水和自流井的形式排泄于地表。

水文地质上，矿区属于白沙向斜汇水盆地的倾伏端，属区域地下水的强径流排泄区。对于岩溶水来说，井田西部、西北部及东北部均为开放性的边界，来自西部和西北部的岩溶水可以畅通无阻的进入平禹一矿井田，井田东部寒武系灰岩埋藏深，埋深大于1 000 m，岩溶发育微弱，径流滞缓，起到隔水边界的作用。井田东南部以肖庄正断层和黑水河正断层为界，黑水河正断层南盘为下降盘，落差超过400 m，黑水河正断层以南为白沙向斜轴部，寒武系灰岩埋藏深度超过800～1 500 m，起到隔水边界的作用。因此，当岩溶水回流到平禹井田后，既不能向南径流，也不能向东径流，使平禹井田形成汇水区，以矿井排水的形式向外排泄。正是由于井田的这种水文地质条件使得以寒武系灰岩岩溶水为水源的突水破坏性大。

2.3 矿井突水通道

2.3.1 岩溶裂隙

矿区石炭系太原组薄层灰岩L8-9灰岩岩溶裂隙非常发育。矿区内18个钻孔揭穿该层，有5孔漏水，漏水量6 m3/h～全漏，揭露最大裂隙宽度为0.5 m。矿井运输大巷沿该层掘进，在掘进过程中多次发生突水和涌水。

2.3.2 采动裂隙

(1)底板采动裂隙:L8-9灰岩上距二1煤层12～16 m，由于隔水层厚度薄，在采动影响下底板隔水层出现破坏，在隔水层中产生导水裂隙，当裂隙L8-9灰岩富水段沟通时，便发生底板岩溶水突水。(2)顶板采动裂隙:二1煤层顶板为泥岩和砂质泥岩，顶板砂岩裂隙发育微弱，含有少量裂隙水。在采动影响下煤层顶板冒落带和导水裂隙带高度范围的砂岩裂隙水，通过采动裂隙进入矿井。由于砂岩富水性差，突水量通常较小。

2.3.3 断层突水通道

断层不仅控制着区域或井田范围岩溶水渗流的总体方向和渗流场空间分布，而且常是岩溶水进入矿井的通道。断层是构造薄弱带和富水带，由此，断层引起的突水具有突水强度大和危险性高的特点。如1985年总回风巷滞后突水淹井事故，最大突水量达2 375 m3/h，造成淹井，这次突水与断层导水、断层防水煤柱留设不合理、断层位置判断不准等因素有关。

2.3.3 钻孔突水通道

在巷道施工钻孔的过程中，当揭漏灰岩富水部位或导水岩溶裂隙时，承压岩溶水常会从钻眼中喷涌而出。

2.4 突水原因和突水机理

2.4.1 底板沿巷道灰岩裂隙突水

矿区太原组灰岩与寒武系灰岩岩溶裂隙发育，它们往往受到断层控制，切割深度可达数米甚至数十米。深切割的垂向裂隙往往会形成良好的导水通道，煤矿巷道揭露富水的岩溶裂隙时，便发生涌水和突水。

2.4.2 断层导水造成的煤层地板岩溶水突水

断层切割岩层破坏了岩层的完整性，在隔水层中形成薄弱带。采煤时，在矿山压力和水头压力的共同作用下，地下水常常突破这些薄弱带而发生突水。(2)断层带岩石破碎，裂隙岩溶发育，构成垂向导水通道，深部地下水沿断层到进入矿井。(3)断层改变了两侧含、隔水层组合方式，进而改变矿井直接充水含水层补给条件，如断层使得直接含水层和其他强含水层对接。(4)是煤层与含水层对接或接近，使含水层向矿井充水可能性增大。

2.4.3 采动造成的底板隔水层破坏

煤层采动过程中，对底板造成扰动破坏，破坏底板隔水层的完整性，在破坏带内形成导水通道使得煤层底板承压水含水层水涌入井巷。