浅埋煤层高强度开采突水危险性分区评价*

马雄德范立民贺卫中卞惠瑛

（1.长安大学环境科学与工程学院，陕西省西安市，710054；2.陕西省地质环境监测总站，陕西省西安市，710054；3.陕西省地质调查院，陕西省西安市，710065）

★ 煤炭科技·地质与勘探★

浅埋煤层高强度开采突水危险性分区评价*

马雄德1范立民2，3贺卫中2卞惠瑛2

（1.长安大学环境科学与工程学院，陕西省西安市，710054；2.陕西省地质环境监测总站，陕西省西安市，710054；3.陕西省地质调查院，陕西省西安市，710065）

通过对凉水井煤矿水文地质条件分析，确定煤层开采后的突水水源主要包括第四系松散孔隙潜水和风化基岩裂隙水。采用同位素方法厘定凉水井煤矿矿井水中松散层潜水和风化基岩裂隙水所占的比例大概为4∶1，松散层潜水是凉水井煤矿突水最主要的水源。通过RFPA软件模拟预测凉水井煤矿4-2煤层开采后导水裂隙带高度为84 m。根据煤层赋存特征和开采条件，筛选出凉水井煤矿突水危险性评价因子；通过GIS空间分析功能对凉水井煤矿开采突水危险性进行分区评价。结果认为，麻家塔河和西沟河源头是本区突水危险性大的地区，当工作面经过这些地段时需防范突水灾害。

煤矿开采 浅埋煤层 突水危险性 地理信息系统 分区评价 榆神府矿区

凉水井煤矿位于陕西榆神府矿区，矿井西部边界基本和窟野河与秃尾河的分水岭相吻合，北部的麻家塔河和南部的西沟河为窟野河一级支流，如图1所示。区内水资源相对缺乏且分布不均，地下水主要赋存于第四系松散层和烧变岩中，容易受采矿影响而渗漏，造成井下突水及地质环境问题。

矿井主采4-2煤层，煤层埋深浅、基岩薄、上覆砂层厚，据相邻矿井开采证实，浅埋煤层开采时矿压显现剧烈，顶板下沉量大，矿井突水危险性大。因此，研究浅埋煤层开采矿井水文地质特征、突水规律，划分突水危险性分区，提出针对性的防治水措施，具有重要意义。

图1　凉水井煤矿区域水系图

1　矿区水文地质特征

1.1主要含水层

1.1.1孔隙潜水含水层

（1）第四系全新统（Q4al）冲积孔隙潜水含水层。该含水层主要分布于较大沟岸阶地及沟谷漫滩，岩性为细沙、中粗沙、亚沙土及沙砾石层。孔隙大，补给条件优越，富水性较好，厚度为1.50～5.00 m，水位深0.20～9.00 m，泉流量一般为0.08～9.38 L/s，富水性呈弱到中等。

（2）第四系上更新统萨拉乌苏组（Q3s）孔隙潜水含水层。该含水层在区内分布不均，在中西部出露，在东部黄土沟壑梁峁区缺失，厚度变化大，岩性为中、细沙，厚度为3.00～18.60 m，平均厚度为8.56 m。沟谷区底部或沟谷斜坡地带松散沙层潜水位较浅，呈片状流排泄在汇流区组成湿地泉群，在北部麻家塔河流域王家石庙沟脑，泉流量较大，最大流量32.22 L/s。矿井西南地段西沟河流域、松散沙层水与基岩风化裂隙承压水相沟通组成复合含水层，形成矿井南、北边缘地带两块地下水富水性中等的水文地质单元。单位涌水量0.0196～1.7217 L/（s·m），富水性变化较大。

本矿井松散沙层富水性的强弱受隔水层段起伏形态控制，富水性弱。而在地下水泾流区沟谷斜坡地段，松散沙层潜水以片流形式沿沟谷两侧向低洼处汇集，形成一定流量的泉群，富水性中等。

1.1.2基岩孔隙裂隙含水层

该含水层指侏罗系中统直罗组基岩孔隙裂隙含水层，仅分布于矿井西部边缘一带，厚度9.50～12.25 m，岩性为灰黄、灰白色厚层状中、粗粒砂岩，单位涌水量为0.0402 L/（s·m），平均渗透系数0.142 m/d，富水性弱。

1.2隔水层特征

本矿区隔水层主要为中更新统离石组黄土（Q2l）相对隔水层与新近系上统保德组（N2b）粘土隔水层。离石黄土以亚粘土、亚沙土为主，呈互层状，局部含分散状钙质结核薄层，厚度1.50～60.00 m，平均厚度26.43 m，富水性极弱，为一层相对隔水层。保德组红土岩性以粘土及粉质粘土为主，结构致密、坚硬，厚度为2.90～74.00 m，平均为31.61 m，是主要隔水层。

2　突水水源

2.1煤系地层的空间关系

研究表明，凉水井煤矿矿区内浅层地下水赋存于侏罗系煤系地层之上，水资源储量较大。上新统红粘土大面积存在于含水层和煤系地层之间，厚度为2.90～74.50 m，平均厚度31.60 m，隔水性能较好。大部分地区4-2煤层上覆基岩厚度为9.37～80.10 m，且风化深度较大。受古地质时期剥蚀冲刷作用的影响，基岩面起伏不平，沟系发育，后经新生代松散层的沉积，对地形起到填平补齐作用，因而大体上基岩面低洼处，基岩厚度薄，松散含水层厚度大。

2.2突水水源

根据凉水井煤矿矿井水文地质条件分析，煤层开采后的突水水源主要包括第四系松散孔隙潜水和风化基岩裂隙水两种。

（1）第四系松散岩类孔隙潜水。一般由萨拉乌苏组孔隙潜水含水层（Q3s）和冲积孔隙潜水含水层（Q4al）组成。根据4-2煤层赋存条件和浅埋煤层上覆岩层垮落特征，4-2煤层开采后在基岩较薄区导水裂隙带会导通第四系松散含水层，使松散层成为突水水源之一。

（2）风化基岩裂隙水。主要指直罗组顶部风化基岩孔隙裂隙含水层，裂隙发育，具有较好渗透性和储水条件。在土层缺失地段，往往和上部松散含水层组成复合含水层，补给量充足，储水量大，是矿井开采的直接突水水源和主要突水水源。

2.3突水水源识别

根据前述，凉水井煤矿矿井正常涌水源主要为煤层上覆含水层（松散含水层和风化基岩裂隙含水层），由于不同来源的水中具有不同的氢氧同位素组成特征，采用同位素方法可以对上述矿井涌水中水源的比例进行识别。

裂隙水和潜水在矿井水中的混合比例可以通过下式求出:

式中:X——潜水的混合比例；

δ矿——矿井水样品的同位素含量；

δ潜——潜水样品的同位素含量；

δ裂——裂隙水的同位素含量。

以同位素D为例进行计算，δD表示水样中的同位素D含量。通过进行4组采样检测，结果显示本矿井不同类型水源的δD值分别为:裂隙水δD裂为-80‰，矿井水δD矿为-70‰，萨拉乌苏组潜水δD潜为-67.46‰。

计算可得，凉水井煤矿矿井水中基岩裂隙水占20.26%，萨拉乌苏组潜水占79.74%，二者所占的比例约为1∶4，由此可知萨拉乌苏组潜水是本矿发生突水的主要水源，也是防范的重点含水层。

3　突水危险性因子选取

根据控制煤层顶板突水危险性的相关因素分析，可筛选出突水危险性评价的主要因子，包括煤层上覆基岩厚度、上覆潜水含水层富水性、导水裂隙带高度、土层厚度等。

3.1煤层上覆基岩厚度

煤层上覆基岩厚度是决定矿区安全开采的关键因素。上覆非风化基岩越坚硬、厚度越大、弹性模量越大，断裂带高度则越大，有时可接近采厚的10倍左右，易于发生突水危害；而相对软弱的岩层对冒裂带的发育起一定的抑制作用，不易发生突水。

凉水井煤矿开采的4-2煤层属浅埋煤层，煤层上覆基岩厚度为9.37～80.10 m，发育较多的平行层理，属中等坚硬类岩石。上部与松散地层接触的基岩风化深度较大。受古地质时期剥蚀冲刷作用的影响，基岩面起伏不平，沟系发育，后经新生代松散层的沉积，对地形起到削平作用，因而大体上基岩面低洼处基岩厚度薄，松散层和松散含水层厚。当工作面及巷道通过沟谷地段的基岩薄弱区，势必会造成井下涌水量增大，甚至会发生突水溃砂事故。

3.2潜水含水层富水性

萨拉乌苏组潜水含水层是本区直接突水水源，根据前述，79.74%矿井涌水来自萨拉乌苏组含水层，其富水性强弱对矿井是否发生突水危险起决定作用。

凉水井煤矿富水性中等区主要分布于西沟河和麻家塔河的源头地区，主要由第四系全新统（Q4eol）风积沙含水层和第四系上更新统萨拉乌苏组（Q3s）孔隙潜水含水层组成。其中西沟河的源头凸扫沟出露的水泉流量为35.82 L/s，北部麻家塔河流域王家石庙沟脑泉流量为32.22 L/s。富水性弱区主要分布于西沟河和麻家塔河的次级支流沟岸阶地及沟谷漫滩，主要由第四系全新统（Q4al）冲积孔隙潜水含水层和第四系上更新统萨拉乌苏组（Q3s）孔隙潜水含水层组成，泉流量一般为0.08～9.38 L/s，单位涌水量为0.02 L/（s·m）。

井田中东部主要是离石黄土相对隔水层与保德组粘土隔水层，分布于西沟河和麻家塔河的分水岭及次级支流之间的地带，其中离石黄土泉流量为0.14～0.45 L/s，富水性弱。

3.3土层厚度

保德组在本区是良好的隔水层，保德组粘土层越厚，其隔水能力越强，越不易发生突水。

根据凉水井煤矿土层厚度等值线可知，在麻家塔河和西沟河流域之间的分水岭处土层厚度最大，约80.00～96.64 m，是比较安全的地区；其次是在窟野河流域与秃尾河流域分水岭处，土层厚度最大达到86.40 m，也是较安全的地区；其它地区土层厚度较小，发生突水的危险性较大。

3.4导水裂隙带高度

理论和实践证明，在导水裂隙带范围内的含水层均可向工作面突水，工作面顶部突水与否主要取决于煤层开采时的覆岩破坏高度。区内没有大型构造断裂，当煤层开采形成的冒裂带穿透含水层底界时，便会使含水层和采空区之间产生水力联系，成为突水通道。

本次研究基于19个钻孔资料利用RFPA软件建立了凉水井煤矿42103工作面煤层及上覆岩层三维地质模型，并对煤层开采后岩体破坏进行预测，导水裂隙带高度模拟如图2所示。结果显示，初次来压步距为35 m左右，周期来压步距为20 m左右；工作面初次垮落后，形成的冒落带高度为24 m，这对初次放顶后的涌水量有决定性的作用；4-2煤层开采后导水裂隙带高度为84 m（其中冒落带高度为24 m，裂隙带的高度60 m），在矿区大部分地区，冒落带高度大于基岩厚度，在无黏土层存在时，这将导通萨拉乌苏组含水层并发生突水。

图2　42103工作面导水裂隙带高度模拟图

4　突水危险性评价

4.1评价标准

本研究从矿井突水危险性影响因素分析入手，根据区内钻孔资料，利用GIS软件的空间分析功能，对4-2煤层上覆基岩厚度和土层厚度的总和与导水裂隙带高度进行比较，然后采用克里金插值方法，绘制矿区富余高度（富余高度=4-2煤层上覆基岩厚度+土层厚度-导水裂隙带高度）等值线，再结合富水性分析评价其突水危险性。

4.2分区原则

根据导水裂隙带高度和4-2煤层与基岩、土层、沙层的空间关系，结合潜水含水层富水性的空间分布，可以确定出如下的分区原则。

（1）富余高度＞0，导水裂隙带未穿透土层，则认为是安全区。

（2）富余高度＜0，按照如下规则进行判断:若潜水含水层为中等至强富水，则为突水危险性大区；若潜水含水层为弱富水，则为突水危险性中等区；若地表为土层出露，导水裂隙带高度达到土层，在强降雨的特殊气候条件下可能发生突水危险，定为突水危险性小区。

根据上述分区原则，得到矿区突水危险性分区图，见图3。

图3　凉水井煤矿突水危险性评价分区图

4.3评价结果

从评价结果可以看出，矿区内大部分处于安全区，面积约为38.45 km2，约占矿权总面积的55.80%。主要分布于井田中部麻家塔河与西沟河之间的分水岭地带及西南部窟野河与秃尾河流域的分水岭处，基岩厚度与土层厚度为82.59～153.45 m，其富余高度在0～60 m。

突水危险性小区主要分布于麻家塔河与西沟河及其支流之间的地带，面积约为7.42 km2，约占矿区总面积的10.76%。地表岩性主要为离石黄土和保德组红粘土，一般基岩厚度很薄，土层厚度约为40 m，其北侧富余高度在-37～0 m，南侧富余高度在-55～0 m。

突水危险中等区主要分布于麻家塔河与西沟河及其支流附近，其面积约为15.55 km2，约占矿区总面积的22.57%。该地区富水性弱，基岩厚度与土层厚度为28.19～78.11 m，小于导水裂隙带高度，富余高度在-50～0 m。

突水危险大区主要分布于麻家塔河与西沟河的源头区，面积约为7.49 km2，约占矿区总面积的10.87%。该区富水性中等，4-2煤层上覆基岩厚度与土层厚度约为31.13～75.55 m，小于导水裂隙带高度84 m，富余高度在-50～0 m。

由此可见，麻家塔河和西沟河源头是本区突水危险性大的地区，当煤层开采工作面经过这些地区时，要特别注意防范突水溃砂灾害；其次，麻家塔河和西沟河的二级支流分布区，是突水危险性中等区，当工作面经过这些地段时，需防范突水溃砂灾害，并选取合适的开采工艺和技术参数。

5　结论

（1）凉水井煤矿煤层开采后的突水水源主要包括第四系松散孔隙潜水和风化基岩裂隙水，松散层潜水和风化基岩裂隙水的比例大概为4∶1，松散层潜水是煤矿突水的主要水源。

（2）根据煤层赋存特征和开采条件，凉水井煤矿突水危险性评价因子主要为煤层上覆基岩厚度、上覆潜水含水层富水性、导水裂隙带高度、土层厚度等。4-2煤层开采后导水裂隙带高度为84 m，在矿区大部分地区，导水裂隙带高度大于基岩厚度。

（3）麻家塔河和西沟河源头是本区突水危险性大的地区，麻家塔河和西沟河的二级支流分布区，是突水危险性中等区，当工作面经过这些地段时，需防范突水溃砂灾害。

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Zoning and evaluation on water inrush risk in shallow coal seam with high intensity mining

Ma Xiongde1，Fan Limin2，3，He Weizhong2，Bian Huiying2
（1.School of Environmental Sciences and Engineering，Chang＇an University，Xi＇an，Shaanxi 710054，China；2.Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring，Xi＇an，Shaanxi 710054，China；3.Shaanxi Geological Survey，Xi＇an，Shaanxi 710065，China）

By the analysis of hydrogeological conditions in Liangshuijing Coal Mine，the water inrush sources after coal mining in Liangshuijing mine were confirmed as Quaternary loose soils pore water and weathering fissure water in bedrock，and the proportion of them determined by isotope was 4∶1，loose soils pore water was the main water inrush source.After No.4-2coal seam mining in Liangshuijing Coal Mine，the height of diversion fissure zone was simulated and predicted as 84 m by using RFPA software.According to occurrence features and mining conditions of coal seam，the evaluation factors of water inrush risk were selected.The GIS spatial analysis function was applied for zoning and evaluation of water inrush risk，the results showed that the sources of Majiata river and Xigou river were the high risk zones of water inrush，when mining through the zones，the controlling measures of water inrush should be adopted.

coal mining，shallow coal，water inrush risk，GIS，zoning and evaluation，Yushenfu mining area

P641 TP745

A

马雄德（1978-），青海互助人，工程师，从事矿山水文地质环境地质工作。

（责任编辑 郭东芝）

国家重点基础研究发展（973）计划（2013CB227901），陕西省科学技术推广计划（2011TG-01）