阿刀亥煤矿水文地质条件与矿井突水研究

郗宝华

（山西煤炭职业技术学院，太原 030024）

阿刀亥煤矿水文地质条件与矿井突水研究

郗宝华

（山西煤炭职业技术学院，太原 030024）

对阿刀亥煤矿内水文地质条件进行调查和测试，分析探讨了矿区内地质构造与矿井水文条件的关联性。根据地层和水文资料将矿区含水层划分成四组：第四系冲洪积砂砾石层潜水层；侏罗系孔裂隙承压含水层组；石炭-二叠系孔裂隙承压含水层组；寒武-奥陶系裂隙、溶洞承压含水层。各含水层组由断层的导通作用发生水力联系，断层还是导致矿井突水的重要地质因素。

阿刀亥矿；含水层；断层；矿井突水

1 矿区地质概况

阿刀亥煤矿位于阴山造山带大青山中段南缘，基底由前寒武纪变质岩组成，盖层为寒武-奥陶系灰岩，石炭系上统栓马桩组含煤岩系，二叠系下统杂怀沟组、下石叶湾组，二叠系上统上石叶湾组、脑包沟组，三叠系下统老窝铺组，侏罗系下统五当沟组、中统长汉沟组、上统大青山组，第四系冲洪积物[1-3]。地质构造属古亚洲洋构造域，即构造线走向近东西。矿区内大型断裂构造与紧闭式倒转褶曲发育，主要有两组大型褶曲A2-S2、A1-S1和多条大中型断层。其中井田内由A2背斜和S2向斜褶曲构造为主要控制性构造，这组褶皱构造纵贯全区，全长达6 300m。A2背斜受F6断层切割，使得A2背斜的北翼呈单一的单斜构造；而A2背斜的南翼为一个构造极为复杂的复式向斜。受褶皱和断层的影响，区内地层顷伏程度大，煤层为急倾斜煤层，阿刀亥矿区地质剖面图，见图1。

图1 阿刀亥矿区地质剖面图

2 矿区水文地质条件

本区因受地形、气候条件影响，地表水体不发育，流量亦小。但河流坡降比大，一般在2.5%～6.5%，当雨季山洪暴发时，来势凶猛、水流湍急，但延续时间短暂，蒸发量大，地下水补给来源以大气降水为主。根据本区地层岩性特征及含水性，将本区含水层划分为4组：第四系冲洪积砂砾石层潜水层；侏罗系孔裂隙承压含水层组；石炭-二叠系孔裂隙承压含水层组；寒武-奥陶系裂隙、溶洞承压含水层。

2.1第四系冲洪积砂砾石孔隙潜水含水层

主要分布在水晶沟、脑包沟等较大沟谷，山间沟谷洼地亦有零星分布。岩性以砂、砂砾石层为主，常夹卵砾石透镜体，分选差。含水层连续性差，厚度变化大，富水性差异大。在较大沟谷，如脑包沟、水晶沟的河床宽广处可形成富水地段，单位涌水量可达1 L/s·m以上。但在山间沟谷洼地，单位涌水量普遍＜1 L/s·m。补给源以大气降水为主，局部地段有少量基岩裂隙水侧向径流补给。富水性主要受含水层分布范围、厚度、地貌形态及底部基岩形态的控制。含水层分布范围广，厚度大，底部基岩形态呈易储水的低洼盆地状，则富水性好，否则富水性差。补给源以垂直接受大气降水入渗为主，少量基岩裂隙水的侧向径流补给与大气凝结水补给，以蒸发排泄为主，局部受基底起伏的影响，以下降泉的形式排泄，部分补给下伏含水层。潜水位深度2m～5m，2号民用井单位涌水量0.136 L/s·m。渗透系数为2.213m/d，矿化度0.361 g/L，为HCO-3Ca型水。

2.2侏罗系孔隙、裂隙承压含水层

由五当沟组、长汉沟组、大青山组砂岩、砂砾岩含水层与泥岩隔水层组成复杂的含水系统，含水层主要由砂岩、砂砾岩组成，常被泥岩、煤阻隔形成几个含水组，又往往由于煤、泥岩的尖灭而使彼此发生水力联系。区内侏罗系含水组的富水性为西部好，东部差。西部地区单位涌水量大者可达2.42 L/s·m，而东部的野马兔一带，单位涌水量0.002 3 L/s·m～0.032 L/s·m。下部泥岩段为隔水层，与下伏的石炭、二叠系含水组相隔。隔水性受泥岩段发育厚度的影响。补给主要以大气降水为主，其次为上部潜水层补给，向深部或者由断层排泄。由9号钻孔试验资料，区内单位涌水量0.022 2 L/s·m，渗透系数为0.025 6m/d，矿化度0.256 g/L，为HCO-3K+Na型水。

2.3石炭-二叠系孔裂隙承压含水组

由栓马桩组、杂怀沟组、石叶湾组和脑包沟组的砂岩、砂砾岩与泥岩、炭质泥岩、煤组成复杂的含水系统。富水性差、极不均匀，水位埋深变化大。下部的泥岩、炭质泥岩、煤为隔水层与寒武、奥陶系含水层相隔。含水层岩性以灰色、黄绿色砾岩、砂砾岩为主，砂质胶结，砾石分选极差，砾径从5 cm～15 cm，单位涌水量为0.002 33 L/s·m～0.149 L/s·m，渗透系数为0.007 43m/d～0.233m/d，矿化度0.48 g/L，为低矿化重碳酸钙镁（HCO-3Ca·Mg）淡水。因断层的导通性是含水层与下伏灰岩裂隙水和上部侏罗系含水层组存在水力联系。

2.4寒武-奥陶系裂隙、溶洞含水层

由灰黄、灰色白云质灰岩、石灰岩组成，局部裂隙较发育，但多被方解石充填，偶见小溶洞，富水性差，极不均匀，含水微弱。在大青山煤田的开发中，尚未出现过寒武、奥陶系灰岩水影响正常生产的现象。从地表观察以及18号钻孔资料看，其喀斯特溶洞不发育。经18号钻孔抽水试验：静止水位标高1 298.19m，单位涌水量小于0.000 973 L/s·m，矿化度0.403mg/L，为低矿化重碳酸钙镁（HCO-3Ca·Mg）淡水。

本区断裂构造发育，各含水层局部因断层的破坏，使各含水层之间产生水力联系，特别是F2、F3正断层导通了整个含水系统，且为含水层之间的水力联系提供通道；而F1和F4逆断层，虽然切穿不同含水系统，但其因挤压封闭性，水力联系差。

3 矿井涌水量

根据矿井多年开采揭露的情况看，矿井涌水量主要由孔隙水、裂隙水、大气降水以及生产用水组成。阿刀亥矿区范围内，地表第四系覆盖少，由于煤层露头位置较高，加之煤系地层内裂隙发育，补给区、径流区及排泄区相距较近，形成了矿井涌水量滞后时间短的特点；加上浅部小煤窑的开采以及井下采动引起的地表塌陷，破坏了地表水的自然排泄系统，地表入渗系数逐年增大，造成降水量增大时，矿井涌水量、奥灰水量都明显增加。矿井正常涌水量通常30m3/h~40m3/h，局部区域在探放断层水或上部采空区积水时涌水量增大。虽然由于降水、断层和开采深度及矿井生产量的影响，涌水量呈现逐年增加的趋势，局部呈现稳定状态下的跳动，阿刀亥煤矿1975-2010年平均涌水量，见图2。

图2 阿刀亥煤矿1975-2010年平均涌水量变化图

4 煤层开采充水条件与突水

受采掘破坏的影响，采动区域地面连续塌陷或形成裂隙带，由于矿区煤岩层近于直立，露头良好，且露头区无植被覆盖和第四纪覆盖，大气降水入渗条件非常好。虽奥灰含水层的含水性小，但随着矿井开采向深部转移，可能会受到奥灰水的威胁。据历年矿井涌水量统计，采掘范围在+1310水平以上，矿井正常涌水量14.60m3/h；最大涌水量35.266 m3/h（1975-1990年）；采掘范围在+1260水平以上，矿井平均涌水量为33.69 m3/h（1991-2002年）；近几年采掘范围在+1155和+1000水平，矿井平均涌水量为48.90 m3/h（2003-2013年），最大涌水量101.43m3/h，涌水量受大气降水和奥灰水影响显著。

4.1充水水源

大气降水通过地表出露的岩石裂隙补给地下水，是地下水的主要补给来源，为煤矿充水的主要因素。据生产矿井资料，在季节性降水影响下，矿井涌水量随着降水量的变化而变化。区内无大的地表水体，矿区从东到西分布有石匠窑沟、阿刀亥沟、脑包沟、越来窑沟等河流，流向略呈由北向南，汇入黄河。常年有水，且流量变化大，雨后山洪暴发，但延续时间短。加之地形坡度较大，不利于地表水的下渗。地下含水层水源主要为第四系孔隙潜水，石炭二叠系的基岩裂隙水、寒武奥陶系石灰岩裂隙水，各含水层含水系数小，岩层近于直立，因此各含水层之间的水力联系较弱。大气降水和这些含水层一定程度上成为为矿井充水的主要来源。

4.2充水通道

依据通道性质、充水量及充水速度归纳为渗入性和溃入性两种通道，渗入性通道和溃入性通道[4]。渗入性通道指充水水源沿地层裂隙、孔隙下渗，以淋水方式进入矿井的通道。本矿受构造控制，煤岩层近于直立，露头良好，属暴露式煤田，局部岩石受风化裂隙比较发育，而且因井下开采地表塌陷并形成裂隙带。大气降水可直接渗入井下。该通道渗入的地下水水量有限，流速较缓，一般不会酿成淹井事故。

溃入性通道指水体以较大流量迅速进入矿井的通道。主要包括延至煤层的冒落裂隙、断层破碎带及封闭质量不合格的钻孔等，如区内发育有大小断层33条，大多数断层分布在矿区南部，对目前开采区域影响不大，但F6、F7、F8距离现开采煤层较近，本区南部这些断层对地下水的贮存、运移起着控制作用，由于断层性质及断层两盘岩性的不同，对煤层的开采有不同的影响。特别是F6正断层纵贯全区，断距约300 m，断层破坏了岩石的连续性，造成了水力联系的复杂化。另外断层带及其附近岩石破碎，强度低，形成了导水通道。

4.3矿井突水

1）断层突水事故。阿刀亥矿2005年4月21日在开拓1155大巷时由于接近F6断层而发生突水。最大涌水量达89.33m3/h，稳定涌水量45.67m3/h，持续出水约6个多月。突水点位于阿刀亥矿1155水平大巷井口以西360m接近F6断层处。其层位为煤层底板的奥灰岩，地层产状层序基本正常。F6断层走向近于东西，走向280°～290°，倾角65°～85°，断层面倾向南，落差大于300 m，断层上盘为二叠系，下盘为寒武奥陶系，为区域性的大断层，东西两端延至区外，横贯全区。F6断层在井田中部与F7断层相交，断层破坏了岩石的连续性，降低了岩石的强度，又为两盘不同含水层的沟通提供了条件，造成了水力联系的复杂化。另外断层带及其附近岩石破碎，强度低，而且通过阿刀亥沟、水涧沟、脑包沟等沟谷，地表水及地下水也能通过断层破碎带进入矿井。

2）老窑突水事故。阿刀亥矿在2003年掘进东部采区1268工作面时超前钻探采空区时钻孔突水。最大涌水量达42.10m3/h，稳定涌水量28.36m3/h，后又根据积水位置和矿井排水能力增加了探放水工程，有控制地进行了井下探放水。阿刀亥矿煤层受构造控制为急倾斜煤层，开采方式为水平分层逐层向下开采，突水点位于东部采区1268工作面，工作面上部是1992年回采的采空区和2001年停产的矿办2号小窑采空区。随着开采深度的延深，地面形成狭长的条带式塌陷区，增加了顶底板岩层裂隙密集度，对大气降水及地表水下渗十分有利，从而形成了井下采空区积水。

5 地质构造对矿井充水的影响

引起矿井突水的主要地质构造有褶曲、断裂、岩溶陷落柱等[5-6]。褶曲的类型和规模决定地下水的储存条件和储存量大小。向斜构造与单斜、背斜相比，易于汇集和储存地下水，常形成蓄水构造。褶曲伴生裂隙的导水作用，平行主应力的横张裂隙导水性强；但向斜构造裂隙涌水未对现阶段采掘造成影响；将来向向斜核部采掘时应预防底板突水。断裂构造不但破坏了隔水层的完整性，降低了其隔水性能，而且为地下水提供了迳流通道，增强了含水层的富水性，有时断层上下两盘错动的结果，缩短了煤层与含水层的距离，甚至使煤层与含水层直接对接，造成含水层与工作面距离缩小，是影响矿井突水的主要地质因素。岩溶陷落柱不同程度地贯穿了奥灰水以上的地层，当其贯穿煤系地层时，陷落柱可能成为奥灰水进入矿井的通道。

6 结束语

1）阿刀亥井田内具有多个含层组和含水系统，本区含水层划分可为4组，分别为：第四系冲洪积砂砾石层潜水层；侏罗系孔裂隙承压含水层组；石炭-二叠系孔裂隙承压含水层组；寒武-奥陶系裂隙、溶洞承压含水层。

2）阿刀亥井田构造复杂，多个含层组和含水系统之间因断裂构造使其产生水力联系，各个含水层对都是矿井充水的来源；而断层和其他裂隙为矿井涌水和突水提供充水通道，其中断层为主要的充水通道。

3）矿井突水主要由断层突水和老窑突水两种，老窑突水需调查老窑采空区预防发生突水事故；而断裂突水是因断层连通承压水含水层，且在断层断裂带富集水，因此断层突水是需要重点防治的构造突水因素。

[1]王文才,贺媛,刘月河,等.阿刀亥煤矿CU2煤层瓦斯赋存规律的研究[J].煤炭技术,2010,29(9):103-104.

[2]王付强.阿刀亥煤矿瓦斯赋存规律研究[D].包头：内蒙古科技大学,2012.

[3]庞禹东.阿刀亥矿急倾斜煤层瓦斯赋存影响因素分析[J].中国煤炭,2013（3）:26-28.

[4]唐书恒,马彩霞,袁焕章.华北地区石炭二叠系煤储层水文地质条件[J].天然气工业,2003,23(1):32-35.

[5]王力.三交河煤矿水文地质条件及矿井充水因素分析[J].煤炭技术,2012（11）:65-67.

[6]周如禄,戴振学,李颖.矿井涌水量预测的理论与实践[J].煤炭科学技术,1998（6）:49-51.

（编辑：武晓平）

Hydrogeological Condition and W ater Inrush Research in AdaohaiM ine

XIBaohua
(Shanxi Vocational and Technical College of Coal,Taiyuan 030024,China)

Hydrogeology condition on Adaohai Mine was investigated to obtain the relevance of geological structure and hydrogeological condition in themine.According to the data of coal seams and hydrogeology,aquifers were divided into 4 groups:phreatic aquifer of alluvial-pluvial gravel layer in Quaternary system,bearing pressure aquifer of pores and fissures in Jurassic system,bearing pressure aquiferofporesand fissures in Permo-Carboniferous system,and bearing pressureaquiferof fissures and karst cave in Cambrian-ordovician system.Hydraulic connection happens under conduction effect of faultsamong theaquifers.Besides,fault isoneof important factorscausingwater inrush inmines.

AdaohaiMine;aquifer;fault;water inrush inmines

TD74

A

1672-5050（2016）06-058-04 DO I:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.12.017

2016-06-07

郗宝华(1977-)，男，山西太原人，硕士，讲师，从事煤田地质研究及教学工作。