平煤十三矿水文地质特征及充水因素分析

摘要：本文通过对平煤十三矿含、隔水层及断层带水文地质特征的分析，对现开采二1煤层有影响的主要为地表汝河水、第四系含水层水、二1煤层顶板砂岩水、石炭系灰岩溶岩水和寒武系灰岩水。地表汝河水、第四系含水层水和二1煤顶板砂岩水对煤层的开采影响较小。受采掘活动的影响，煤层底板下的石炭系灰岩溶岩水对矿井安全生产威胁最大，在遇断层时，寒武系灰岩水可能会通过断层带参与补给，要特别注意预防底板灰岩水突入矿井。

关键词：水文地质 充水因素 十三矿

平煤十三矿位于平顶山煤田的东北部，距平顶山市17km，辖区属许昌市襄城县紫云镇，归襄、郏两县管辖。矿区东西走向长15km，倾向宽2.3～5km，面积53.6km2。2008年核定年生产能力为210万吨/a，主采二1（己15、17）煤层，开采深度由-100m至-800m标高。矿井开拓方式采用一对立井、两个水平（-525m、-800m）分区开拓，采区上下山开采，采煤方法为走向长壁式采煤法，现有己一、己二、己三3个生产采区和己四准备采区。

1 区域水文地质条件

平顶山煤田构造形态呈现出地垒型的复向斜构造，其座落在汝河和沙河之间的分水岭地带，平顶山煤田的四周受到接近南北和接近东西向两组张性断裂的控制，构成的地垒型断块呈现多边形。其褶曲以李口向斜为主体，向斜西部倾向状张寨；东部翘起收敛，轴向为北西-东南方向。十三矿井田处在李口向斜的东北翼，襄郏一号正断层以南。详细构造如图1-1所示：

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图1-1 平顶山煤田九里山-十三矿地质剖面示意图

受平顶山煤田的构造控制相对抬起的影响，导致含水层的水力联系被切断，使平顶山煤田成为相对独立的水文地质单元。李口向斜的北东翼浅部高，深部低，西北高，东南低，具有自流水向斜盆地的径流特征。总的排泄方向为南东，但是由于断裂构造的干扰，可能会出现局部复杂情况。天然水位动态变化，越近补给区变化幅度越明显。地下水的水质由西向东，矿化度由0.3～0.4g/l增大至0.5～0.8g/l。从总的情况看，由于地下水补给来源有限，地下水动储量并不很大。

2 矿井水文地质条件

按照自下而上的顺序，根据矿井的沉积条件、岩性、水力特征、含水层，以及隔水层的组合关系，和对可采煤层造成的影响，可将矿区内分为7个含水层组、4个隔水层。

2.1 含水层

2.1.1 寒武系灰岩含水层 寒武系灰岩为灰、浅灰色，隐晶质结构，坚硬。裂隙多被方解石或泥质充填或半充填。在全区有范围内，其中处于寒武系灰岩的钻孔有32个，厚度在0.55～92.86m之间。其中，位于溶洞及有溶蚀现象的钻孔有10个，高度最大的溶洞高1.37m，并且存在漏水的钻孔有5个，最大漏失量为0.14m3/h。单位涌水量0.0226L/s.m，渗透系数0.084m/d，水位标高-400m。水质类型HCO3·SO4-Na·Ca，矿化度0.77g/L。

2.1.2 石炭系太原组灰岩含水层组 石炭系太原组灰岩是本区主要含水层之一，本层石灰岩层呈灰、浅灰色，隐晶质石灰岩、含大量燧石结核、致密、坚硬，局部含泥质呈褐色。地层平均厚度56m，灰岩4～8层，总厚20m左右，其含水层不均匀，富水性较强，水位标高变化比较大，矿区东部的己三采区水位约在-663.2m左右，而在矿区西部的浅部观测孔水2和2001钻孔的水位标高则分别为-221.3m和-106.9m。该含水层在矿区内又可分为灰6含水层和灰1-4含水层上下两段。

①太原组下段灰1-4含水层。该含水层组厚度为5-15m，在全区有范围内钻孔见溶洞的个数就有5个，其中溶洞的最大高度0.58m，有7个钻孔存在漏水现象，漏失量在1.8～12m3/h，单位涌水量0.075～0.019 L/s·m，渗透系数0.335～0.528m/d，水质类型HCO3·SO4-Na·Ca·Mg，矿化度0.66-0.80g/L。水温32℃。

②太原组上段灰6含水层。灰6含大量燧石结核，该岩层的特征是致密而且坚硬，厚度为1.2～25.1m，属于隐晶质石灰岩。可溶岩内溶蚀裂隙、溶洞等是岩溶的地下的主要形态。在该层见溶隙溶洞的钻孔共有14个，其中溶洞的最大高度3.1lm，充填物为粒土质砂岩。存在漏水现象的钻孔有11个，漏失量0.48～全漏（约13m3/h），单位涌水量0.0023～0.855 L/s·m，渗透系数0.025～9.75m/d，水质类型HCO3·SO4-CaNa及HCO3·SO4-Na·Ca，矿化度0.524～0.879g/L，水温25～30℃。

2.1.3 二1煤层顶板砂岩含水层组 该层的岩石主要以大占及香炭砂岩为主，多为细-粗粒。大占砂岩垂直裂隙发育，方解石脉充填着裂隙面。厚5.49～47.65m，平均23m，厚度的变化比较大，并且东部较厚，西部较薄。漏水钻孔有7个，漏失量为0.9～2.3 m3/h，单位涌水量为0.0041～0.0074L/s·m，渗透系数为0.0101～0.0521m/d，天然水位标高75.20～81.38m，水质类型HCO3-Na，矿化度0.51g/L，水温23℃。

2.1.4 七4（乙2下）煤顶板砂岩含水层 该含水层由2～3层的细-中粒砂岩组成，岩层厚度在4～37m，平均厚度为12m。砂岩裂隙不发育，透水性差，裂隙面比较光滑并呈现闭合状。其中存在漏水现象的钻孔有9个，漏失量为0.92～2.50m3/h。单位涌水量为0.00007～0.00267L/s·m，渗透系数0.0011～0.0644m/d，水位标高73.42～87.41m，水质类型HCO3-Na，矿化度0.55～0.97g/L，水温25～28℃。

2.1.5 四2（戊10）煤顶板砂岩含水层 该含水层由1～2层的细-中粒砂岩组成，厚度为3～29m，平均厚度为16m。其中，存在漏水现象的钻孔有6个，漏失量为0.8～4.8m3/h，单位涌水量0.0103 L/s·m，渗透系数0.017m/d，水位标高84.45m，水质类型HCO3-Na，矿化度0.89g/L，水温23℃。

2.1.6 基岩风化带含水层 在该含水层，基岩风化带厚为28～74m，平均厚度47m。岩性、粒度等影响风化程度。在该层的钻孔中，存在风化砂泥岩段漏水现象的钻孔有3个，漏失量0.8～2.5m3/h，单位涌水量0.0041～0.0027L/s·m，渗透系数0.01～0.064m/d，天然水位标高73.42～81.38m，水质类型HCO3-Na，矿化度0.46～0.55g/L，水温17～21℃。基岩风化带沟通了间接充水含水层与直接充水含水层发生水力联系的通道。

2.1.7 第四系砂砾石含水层组 该含水层组分为Q上、Q下2、Q下1三个含水层，这三个含水层分别超覆于七4（乙2下）、四2（戊10）、二1（己15和己16-17）煤层露头部位，煤层顶板间接充水含水层由此构成。太原群下段的灰1-4和寒武系灰岩水同灰6有水力联系，构成二1煤底板的间接充水含水层。

①第四系Q上含水层。该含水层为河床相砂砾石层，主要分布在汝河冲积平原，厚度8～65m，一般23～42m，平均35m。顶板埋深度为0～35m，平均10m。水质类型HCO3-Ca，矿化度0.19～0.33g/L，水温16℃。单位涌水量0.70～5.38 L/s·m，渗透系数1.3～26.2m/d，水位标高78.47～92.53m。

②第四系Q下2含水层。该含水层的岩石多为河床及河漫滩相砂砾石，厚度为4～45m，平均厚度为18m。由西南向东北方向，顶板埋深度从40直到89m呈现变深的趋势。单位涌水量1.86 L/s？m，渗透系数6.55m/d，天然水位标高81.74m。

③第四系Q下1含水层。该含水层的岩层多为砂砾石，厚度在2～33m之间，平均15m，顶板埋深度80～130m。其底板隔水层致密呈块状，具滑感，可塑性强，厚4～63m，平均16m。单位涌水量0.0023L/s·m，渗透系数0.0083m/d，天然水位标高82.76m。水质类型HCO3·Cl-Ca·Na，矿化度0.4g/L，水温21℃。

2.2 隔水层

按照自上而下的顺序，十三矿井田的隔水层有：

2.2.1 第四系隔水层 砂质粘土和粘土组成的隔水层分布在第四系含水层 Q上与 Q下 2之间、Q下 2与 Q下 1之间，厚度在0.7～49.4m之间，平均 19m，厚度变化比较大，局部缺失，为相对隔水层。

2.2.2 二1煤底板隔水层 二1煤底板至灰6顶板之间距离为10～30m，由细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩和泥灰岩组成，该岩层的作用是阻隔灰6岩溶水进入二1煤采掘作业。底板受采动的影响，导致其破坏深度达10～15m，进而使得灰6与二1煤之间的隔水层厚度在一定程度上下降，隔水作用受到影响。

2.2.3 太原组下部灰岩隔水层 该层位于太原组下段灰1-4含水层和太原组上段灰6含水层之间，距二1煤 52.4m，进入矿井的太原组下部灰岩岩溶水受到砂岩和泥岩及薄层灰岩的阻隔作用。

2.2.4 太原组巩县段铝土泥岩隔水层 该隔水层位于寒武系灰岩和石炭系太原组灰岩之间，层位比较稳定，隔水层的厚度为5～10m，平均厚度为8.1m。石炭系灰岩和寒武系灰岩含水层间的水力联系，在正常情况下被阻隔。

2.3 断层带

十三矿井田位于郏县断层的西侧，襄郏断层的南侧，灵武山向斜和李口集向斜的北翼。本矿区经钻探和直接揭露发现大、中、小断层26余条，断裂带的赋水条件较差，井田内施工的钻孔中遇断层漏水的只有4个孔，漏失量0.60～1.54m3/h。（图2-1）

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图2-1 十三矿构造纲要示意图

3 井田充水因素分析

3.1 充水特征

当前，十三矿开采的二1煤层，二1煤层顶板砂岩水和底板石炭系薄层灰岩（灰6）水、部分老空水是矿井直接充水的水源。其中底板用水量占矿井涌水量的80%以上，寒灰水为矿井间接充水水源，在矿井浅部接近煤层露头区，地表水直接对矿井进行充水。通常情况下，二1煤层顶板砂岩的充水主要以淋水、滴水的方式为主，其水量比较小。全矿建井至今未发生过顶板突水事故。

3.2 充水水源

3.2.1 大气降水 受当地气候条件的影响和制约，每年的大气降水主要集中在6-8月份，进行补水的时间比较短。虽然区内有二1煤层露头，但其上覆有较厚的第四系砂质粘土和粘土组成的隔水层，且本区位于丘陵和平原过渡带，地形结构高低起伏，波动范围较大，参与补给的地表径流和排泄条件进行补给的作用比较微弱，导致补给量十分有限。

3.2.2 地表水和第四系砂砾石孔隙水 第四系砂砾石含水层主要由三层河床、河漫滩相砂砾石层组成。由于汝河在矿区中部迂回流过，河水成为了该含水层的主要补给源，补给条件较好。每层含水层下都有砂质粘土、粘土组成的隔水层，该含水层距二1煤层较远，所含孔隙水一般对矿井生产无影响。但是，在开采煤层浅部时，该层水可通过煤层露头和冒落裂隙带进入矿坑，对矿井的生产造成一定的影响，为了确保安全，所以在生产过程中对煤层隐伏露头带进行处理，留有一定的防水煤柱。

3.2.3 二1煤顶板砂岩水 二1煤顶板砂岩含水层厚度较大，富水性差，地下水渗透能力较差，水循环条件不畅，对煤层的开采影响较小，但是该层在地表有出露，直接接受大气降水或其他地表水体的补给，在一些隐伏露头区还可接受第四系潜水含水层的补给，地下水具有较大的静储量。根据生产过程中实际观测，矿井充水多以淋水或小股水的方式充入矿坑，对矿井的安全生产影响不大。

3.2.4 二1煤底板灰岩溶岩水 二1煤层底板充水水源主要为石炭系灰岩水和寒武系灰岩水，两个水源具煤层较近，中间相对隔水层较薄，矿井大部分的突水水源以底板突水为主。十三矿发生过几次大的突水，均为底板石炭系灰6溶岩水直接和寒灰水的间接参与，其中突水量大于200m3/h的2次。突水地点主要为回采工作面，掘进工作面很少；突水时间多在回采工作面顶板大面积垮落及掘进工作面遇见断裂构造或过岩溶发育含水层时。

3.3 充水通道

十三矿所开采的二1煤层属中、厚煤层，煤厚变化较大，煤层、顶底板隔水层的完整性在采矿过程中遭到破坏，在采动裂隙的作用下，顶板砂岩水、第四系水、底板灰岩水可直接充入工作面。对于煤层浅部的露头区，沿采动裂隙大气降水和地表水可进入井下。

在断层赋水性方面，本矿区发育的较差。但是，二1煤顶、底板隔水层的完整性在断层的作用下遭到破坏，地下应力场受到采掘活动的影响发生明显的变化，本来赋水性较差的断层裂隙构造，使得各含水层相互沟通，成为矿井充水的主要途径。

4 结语

根据前面的论述，对平煤十三矿现开采二1煤层有影响的主要为地表水、第四系含水层水、二1煤层顶板砂岩水、石炭系灰岩溶岩水和寒武系灰岩水。地表汝河水和第四系含水层水可通过煤系露头渗入矿坑，但补给量小，一般不会造成突水；二1煤顶板砂岩含水层富水性差，地下水渗透能力较差，水循环条件不畅，对煤层的开采影响较小。对矿井安全生产威胁最大的是煤层底板下的石炭系灰岩溶岩水，寒武系灰岩水是补给水源，导水通道是断层，在开采二1煤层的过程中，出现断层要注意预防矿井突水。

参考文献：

[1]于辉光.平顶山十三矿突水特征与原因分析[J].矿业安全与环保，2005，32（1）.

[2]樊晋豫.平顶山十三矿中小构造分布规律与开采关系研究[J].煤炭科学技术，2002，30（12）.

[3]中国煤炭地质总局一二九勘探队.平顶山天安煤业股份有限公司十三矿矿井地质报告[R].河北邯郸：中国煤炭地质总局一二九勘探队，2008.

作者简介：高贵生（1961-），男，河南鲁山人，助理工程师，从事煤矿地质测量工作多年。