福建省仙亭煤矿岩溶含水层突水机理分析

陈文林

（福建省197地质大队，福建泉州 362000）

福建省仙亭煤矿岩溶含水层突水机理分析

陈文林

（福建省197地质大队，福建泉州 362000）

1990年8月至1991年4月，仙亭煤矿在掘进+500 m后洋运输大巷时发生突水事件，最大突水量达423.7 m3/ h，以后稳定在230 m3/h。矿井于1991年10月构筑永久性挡水墙进行堵水，把灰岩水突水危险区列为禁采区，关闭煤炭资源量（332+333）1384.1万t。为探究突水的水害问题，根据煤矿开采历史状况，综合采用硐探、探水钻探、放水试验、重新封孔、帷幕注浆等手段，对突水通道、充水水源进行探测。研究结果发现，滑脱断层F突为突水通道，它切割煤系后连通F灰断层，与下部的岩溶水发生水力联系，突水水源为栖霞灰岩岩溶水。研究成果为盘活煤炭资源，进行矿井水害预防和治理提供了依据。

岩溶突水；探测；通道；水源；机理；仙亭煤矿

矿井突水是制约煤矿生产的主要因素之一，随着煤矿生产水平的延深，煤矿开采面临的水文地质问题越来越多，诸如带压开采、揭露岩溶含水层、断层突水导水等[1-4]。因此研究断层突水与煤层底板岩溶含水层水文地质条件和突水条件，采取有效的方法进行煤层底板突水的防治措施[5-7]，为受岩溶水威胁煤层的开采提供可靠的水文地质依据，具有极重要的意义[8-12]。

福建省仙亭煤矿位于福建大田县上京镇，矿井采用斜井开拓，设计生产能力30万t/a。矿井设计三个生产水平：+500 m水平、+300 m水平和+100 m水平。1990年8月-1991年4月，仙亭煤矿在掘进+ 500 m后洋运输大巷时发生突水事件，最大突水量达423.7 m3/h，以后稳定在230 m3/h。矿井于1991年10月构筑永久性挡水墙进行堵水。为了生产安全，把灰岩水突水危险区列为禁采区。在“灰岩水突水危险区”内关闭了煤炭资源量（332+333）1384.1万t。为了解放“灰岩水突水危险区”的煤炭资源，2015年，开展了仙亭煤矿栖霞组岩溶水专项调查工作。根据矿井开采历史状况，综合采用硐探、探水钻探、放水试验、重新封孔、帷幕注浆等手段，对突水通道、充水水源进行探测。在综合探测的基础上，重新厘定了矿井构造格局，尤其是导水通道F突的空间展布情况，分析了岩溶突水的形成机理，最后通过定量分析，给出F突、F灰断层边界防隔水煤（岩）留设和探水线设置方案，为矿井水害的预防和治理提供了借鉴。

1 矿井地质及水文地质条件

1.1 矿井地质

矿井内所见地层自老而新有：石炭系下统林地组、上统船山组；二叠系下统栖霞组、文笔山组、童子岩组，上统翠屏山组、长兴组；三叠系下统溪口组；第四系残坡积层。矿井内的含煤地层是二叠系下统童子岩组，为海陆交互相含煤沉积，在井田内广泛出露。

矿井以褶皱为主，断层较发育，主要断层有12条。按其成因及断裂性质可划分为两类：一类是滑脱断层，表现为地层缺失，为F0、F1-F2、F3、F灰、F突等；另一类是推覆断层，表现为地层重复，为F11。主要几条断层空间位置情况为：F0发育于石炭系下统林地组、石炭系上统船山组与二叠系下统栖霞组；F灰发育于二叠系下统栖霞组与文笔山组；F3发育于二叠系下统文笔山组与童子岩组煤系；F突、F11发育于二叠系下统童子岩组煤系；F1-F2发育于二叠系下统童子岩组与三叠系下统溪口组；F10、F6、F4构成井田的边界（图1、图2）。

图1 仙亭煤矿水文地质略图Figure 1 Xianting coalmine hydrogeological sketch map

1.2 矿井水文地质条件

1.2.1 地形地貌

矿井属构造侵蚀类型中低山区，海拔高程在+ 1062.50～+630.00 m，相对高差400.00 m。区内地形呈现北部、西北部高，东南、西南部缓，沟谷发育，有正川溪、仙亭溪、柯坑溪，沟切割较深，断面多呈“V”字形，降水排泄较通畅。

1.2.2 主要含、隔水岩组

矿井含水层从上至下依次为：第四系孔隙裂隙水、三叠系下统溪口组裂隙水、二叠系上统长兴组裂隙水、二叠系上统翠屏山组裂隙水、二叠系下统童子岩组第三段和第一段裂隙水、二叠系下统栖霞组和石炭系林地组裂隙含水岩组。

矿井隔水岩组依次为：二叠系上统大隆组、二叠系下统童子岩组第二段、二叠系下统文笔山组。对矿井主要煤层开采有充水影响的主要含水层是二叠系下统童子岩组第三段、第一段裂隙含水岩组和二叠系下统栖霞组岩溶裂隙含水岩组，主要隔水岩组是童子岩组第二段和文笔山组。现分述如下：

①二叠系下统童子岩组第三段、第一段裂隙含水岩组。由细砂岩、粗粉砂岩、细粉砂岩、砂质泥岩、煤层组成。三段厚度178 m，主要分布在矿井中部；一段厚度239 m，主要分布在矿井西部及中部。地下水主要赋存于细砂岩和裂隙发育处，含水性受构造裂隙控制和埋深制约。巷道调查结果，大多巷道干燥、无水，少数巷道揭露该岩组见顶板滴水。其中25号煤层顶板、26号煤层底板细砂岩局部节理裂隙发育，呈透镜状分布，且不均匀，巷道偶见淋水现象，但经过一段时间后，淋水消失。总的来说该岩组富水性较弱，为层间弱裂隙含水岩组。

图2 108线水文地质剖面示意Figure 2 Line 108 hydrogeological schematic section

②二叠系下统栖霞组岩溶裂隙含水岩组。岩性为灰岩夹泥灰岩。地表出露于矿区北部，大部分布在煤系——文笔山组之下，具有北高南低的趋势，向南倾伏，富水性随着埋藏深度变弱。根据勘探资料，共有44个钻孔揭露到栖霞组灰岩，其中有8个钻孔揭露灰岩后出现漏水情况，岩溶较发育，但不均匀。在区内有108线ZK10水源井和仕坑村水井，出水位置均为栖霞岩溶裂隙层段，水头高度分别为+656.1 m、+655.7 m，最大涌水量均大于200 m3/h。栖霞组灰岩的岩溶裂隙发育与脱底断层F灰密切相关，沿着F灰断裂带岩溶发育，浅强深弱，富水性极不均匀。

③二叠系下统童子岩组第二段隔水岩组。厚度50.0～80.0 m，位于25号煤层顶板之上细砂岩或粉砂岩至19号煤层底板细砂岩。岩性以泥岩为主，上部夹3～5层砂岩和粉砂岩，总的岩性上粗下细，裂隙不发育，导水性极弱，在大多数情况下隔断地下水的水力联系，可视为相对隔水岩组。

④二叠系下统文笔山组隔水岩组。该组上部与童子岩组一段断层（F3）接触，下部与下覆栖霞组断层（F灰）接触。由于断层的应力作用，局部地层缺失造成童子岩组一段与灰岩直接对口。该岩组厚度为0～90.0 m，岩性以厚层状粉砂岩、泥岩为主，裂隙不发育，富水性差，为相对稳定的隔水岩组。

1.2.3 断层导水性

矿井内断裂构造发育，构造裂隙构成不均匀的充水、导水带。矿井“突水危险区”附近断层主要有F3、F灰、F7、F突、F11、F2、F6断层，导水性见表1。F灰、F突为开展岩溶水专项调查工作后新增加的两条断层，与矿井突水紧密关联。

表1 主要断层导水性Table 1 Water transmissibility of main faults

2 突水机理分析

2.1 +500m后洋运输大巷突水情况

1990年8月4日仙亭煤矿在掘进后洋+500 m运输大巷过程中，当掘进至108线ZK3钻孔附近时，巷道周边裂隙渗出四股水，涌水量约20 m3/h。巷道继续掘进，至8月10日涌水量增至60 m3/h，8月16日停止掘进。10月3日再次掘进时，水量增至150 m3/h，后稳定在100 m3/h。1990年12月3日至1991年3月14日共掘进7.8 m，涌水量变化不明显。1991年4月3日掘进迎头见一断裂破碎带，涌水量猛增至385 m3/h，4月25日达400 m3/h，6月20日涌水量高达423.7 m3/h，之后涌水量基本稳定在230 m3/h。突水后矿井采用挡水墙堵水，关闸试压，2 d后水压达到1.37 MPa，之后水压逐渐增大，稳定在1.57 MPa，换算成水头高度约为+657.0 m。矿井于1991年10月构筑永久性挡水墙进行堵水。

图3 F突空间展布及岩溶水补给径流排泄示意Figure 3 Schematic diagram of water bursting channel fault spatial extension and karst water recharge,runoff and drainage

2.2 +500m后洋运输大巷突水机理探测

2015年，在重新厘定矿井构造形态、岩溶的发育情况后，提出突水原因的三种假设：导水断层F突相交到栖霞组灰岩岩溶发育带F灰；揭露栖霞组灰岩而未封孔或封孔质量不良的钻孔，导通岩溶水；井田东部边界F6断层沟通岩溶水通过25～26号煤层间的砂岩裂隙含水层补给导致+500m后洋运输大巷。

2.2.1 F突的探测

采用边探边掘的方式在五采区+500 m南石门施工探水石门和探水钻孔，探测导水断层工程分布如图4所示，探水工程情况见表2。在本次探测中，7#钻孔在钻进56 m揭露一条导水断层，记为F突断层。该断层的断层带宽度约0.96 m，上下盘落差约6 m，终孔涌水量达26.5 m3/h。7#钻孔突水后，5#钻孔的突水量降到2.8 m3/h左右。探测初步表明，F突断裂是突水的主要通道。

图4 探放水工程平面布置示意Figure 4 Exploring and dewatering engineering layout plane

2.2.2 108线ZK3钻孔探测

经调查，矿区范围内揭露栖霞组灰岩而未封孔的只有108线ZK3钻孔，作为长期观测孔，其它钻孔封孔质量合格，因此对108线ZK3钻孔进行井下扫孔、封孔，之后在+500 m后洋运输大巷挡水墙位置打开闸阀做放水试验。封孔前，放水量控制在180 m3/h左右，静水压力稳定在1.42～1.48 MPa。在做放水试验时，观测108线ZK10水源井、ZK3钻孔和仕坑村水井的水位变化情况。据放水试验数据[13]分析，7#钻孔、6#钻孔、5#钻孔、后洋+500 m运输大巷几者之间存在明显的水力联系，但6#钻孔、5#钻孔稳定流量有限，+500 m后洋运输大巷静水压力变化不明显。

表2 探水孔探测情况统计Table 2 Statistics of water exploring borehole detected results

放水试验及水质分析结果表明：

（1）突水水源为栖霞组岩溶水。当+500 m后洋运输大巷放水后，108线ZK10水源井、108线ZK3钻孔和仕坑村水井水位分别下降为10.6、10.9和10.5 m，这与+500 m后洋运输大巷静水压力稳定在1.42～1.48 MPa基本吻合。停止放水后，其水位逐渐上升，稳定水位分别为：ZK10水源孔+656.1 m，ZK3钻孔+656.8 m，仕坑村水井+655.7 m，三者稳定水位基本与一致，而且与突水点水头高度测算值+ 657.0 m也一致。经取样化验（表3），突水点、ZK10水源孔、ZK3钻孔和仕坑村水井，pH值相同，水化学类型同属HCO3—Ca2+型，为灰岩水的典型特征。证明了四者之间存在水力联系，水源均来自矿区深部同一水源—栖霞组灰岩岩溶裂隙水。

表3 水样检测情况Table 3 Water sample tested results

（2）钻孔不是突水通道。108线ZK3封孔后，再进行放水试验，+500 m后洋运输大巷仍然突水，稳定突水量没有减少，涌水量基本稳定在230 m3/h。关闸试压，稳定在1.42～1.48 MPa，证明108线ZK3钻孔不是突水通道。

2.2.3 25～26号煤层间细砂岩裂隙含水层的探测

据资料分析，+500 m后洋运输大巷、108线ZK3钻孔揭露，25号煤层顶板～26号煤层底板细砂岩在F突断层附近裂隙发育，导水性达到中等。根据矿井钻孔统计及相邻柯坑煤矿揭露25号煤层底板～26号煤层底板细砂岩完整性较好，裂隙不发育，不导水，说明25号煤层顶板～26号煤层底板细砂岩仅仅局部节理、裂隙发育。根据资料重新分析，F6是局部充水、导水断裂，也没有连通岩溶水，这两点证明了“F6断层沟通岩溶水通过25～26号煤层间的砂岩裂隙补给导致+500 m后洋运输大巷突水”的结论不成立。

2.3 帷幕注浆验证

在做了充分的水文地质工作后，对+500 m探水石门前方F突进行超前预注浆治理[14]。注浆后仙亭煤矿成功掘进了206采区+500 m运输大巷，注浆段巷道仅局部出现滴水，治理效果良好，+500 m大巷安全通过F突导水断层。

3 结论

通过对福建省仙亭煤矿岩溶突水探测表明，+ 500 m后洋运输大巷突水水源为栖霞灰岩岩溶水，突水通道为F突，即导水断层F突切割煤系，使得煤系与栖霞组灰岩之间产生水力联系，将栖霞组岩溶裂隙承压水导入+500 m后洋运输大巷。建议在开拓过程中遇到F突断层时，可实施帷幕注浆密闭F突断层通道；探水时，应从南往北对F灰断层进行探水。

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Karst Aquifer Water Bursting Mechanism Analyses in Xianting Coalmine,Fujian Province

Chen Wenlin
(Fujian Provincial No.197 Geological Exploration Team,Quanzhou,Fujian 362000)

The water bursting happened in the Xianting coalmine during the heading of+500m Houyang main haulage roadway from August 1990 to April 1991 had maximum water inflow 423.7 m3/h,and stabilized at 230 m3/h.A permanent bulkhead had been built to block up water during October 1991;the limestone water bursting hazardous area has designated as the mining forbidden region,thus sealed off 13.84 million tons of coal resources(332+333).To probe into the water bursting hazard issue,on the basis of coalmine historic conditions,integratedly used measures of exploratory adit,water detecting drilling,dewatering test,borehole resealing and curtain grouting to carry out water bursting channel,water filling source detections.The results have found that the detachment fault F is the water bursting channel,after intersected the coal measures then connected underlying limestone,thus hydraulically connected karst water;water bursting source is from the Qixia limestone karst water.The study has provided reference for coal resources revitalization and mine water hazard prevention and control.

karstic water bursting;detection;channel;water source;mechanism;Xianting coalmine

P641.034；TD745

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.01.09

1674-1803(2017)01-0042-06

国土资源部首批野外科学观测基地建设资助项目。

陈文林（1965—），男，福建莆田人，高级工程师，从事水文地质、工程地质、环境地质工作。

2016-07-07

责任编辑：樊小舟