河南省禹州市张得煤田煤矿充水因素分析

2017-03-08吴祖成王邦贤朱亚林

地下水 2017年1期

关键词：隔水层矿坑导水

吴祖成，王邦贤，朱亚林

(河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南郑州 450001)

河南省禹州市张得煤田煤矿充水因素分析

吴祖成，王邦贤，朱亚林

(河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南郑州 450001)

“河南省禹州市张得区煤详查”属2008年河南省地质详查基金(周转金)项目。为查明详查区水文地质条件，可采煤层顶底板工程地质特征，主要可采煤层瓦斯及地温等开采技术条件，其中对影响该矿区开发建设的矿床充水因素分析评价尤其重要。通过分析认为该煤田充水水源主要来自大气降水、地表水、地下水和老窑及废弃井巷积水。对人为通水道底板破坏和底板突破进行经验计算，为同类煤矿充水因素分析提供依据。

充水因素；含水层；隔水层；突水

1 矿区水文地质条件

1.1 矿区水文地质构造

张得煤田位于禹州市和襄城县之间，行政区划上属于禹州市张得、小吕、范坡乡和襄城县王洛、汾陈、颖桥乡管辖, 总面积约230 km2。张得煤田属于禹州煤田南部景家洼向斜北翼东段，地表有零星基岩出露。深部地层与禹州煤田一致，总体呈单斜构造，产状145°～250°∠ 3°～25°。区内构造发育，断裂构造主要为近东西向、北西向及北东向展布，倾向总体向北，倾角30°～82°，落差变化大。断层破坏了各层状含水层的连续性，导致边界水文地质条件复杂化，其复杂程度取决于断层的导水性及两盘对接岩层的富水性。矿区基本被新生界松散层所覆盖。由于区内可溶岩埋藏深、地下水补给条件差、运移缓慢，所以本区岩溶水不发育，而以岩溶裂隙水为主。

1.2 详查区第四系含、隔水层

松散岩类孔隙含水层主要由第四系的砂层、砂卵石层、砾石层组成，其次是砂质粘土夹砾石或姜结石。该层不整合于诸老地层之上，厚度0～629.70 m，展布于详查区内广大地区。区内分布大量的粘土、粉质粘土，沉积层数多、厚度大、范围广，与第四系含水层互层呈层状分布，不仅隔断了第四系各含水层之间的水力联系，而且有效阻隔了第四系水垂直下渗对基岩含水层补给。

1.3 详查区基岩含、隔水层

1.3.1 含水层

1)七4煤层顶板砂岩裂隙承压含水层

本含水层指七4煤层顶板之上60 m之内砂岩组成的复合含水岩组。该段含水层岩性主要为粉砂岩、细粒砂岩、泥质粉砂岩，为七4煤顶板直接和间接充水含水层。

2)五4煤层顶板砂岩裂隙承压含水层

本含水层指五4煤层顶板之上60 m之内砂岩组成的复合含水岩组。该段含水层岩性主要为中粗粒砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩，为五4煤顶板直接和间接充水含水层。

3)四9煤层顶板砂岩裂隙承压含水层

本含水层指四9煤层顶板之上70 m之内砂岩组成的复合含水岩组。该含水层岩性主要为中细粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩，为四9煤直接和间接充水含水层。

4)二1煤层顶板砂岩裂隙承压含水层

本含水层指二1煤层之上约70 m范围内砂岩组成的复合含水岩组。该含水层岩性主要由二1煤顶板至砂锅窑砂岩之顶的细粒砂岩、中粗粒砂岩组成，为二1煤顶板直接充水含水层。

5)太原组上段灰岩岩溶裂隙含水层

该含水段在区内由太原组上段三层灰岩构成，在区内比较稳定。顶板灰岩距二1煤层底板1.40～23.37 m，平均8.39 m。该段含水层厚度不均匀，灰岩岩溶不发育。

6)太原组下段灰岩岩溶裂隙承压含水层

该含水段在区内由四层灰岩构成，在区内发育较稳定，该段厚度14.20～28.60 m，平均厚度20.03 m。该段含水层厚度不均匀，灰岩岩溶不发育。

7)寒武系白云岩岩溶裂隙承压含水层

该含水层主要有寒武系灰岩、白云岩构成，在区内埋藏深度大于1 000 m，本次详查钻孔最大揭露深度83.50 m。该含水层厚度较大，岩溶较发育，裂隙很发育，且岩溶和裂隙发育不均一。

1.3.2 隔水层

1)二1煤层上覆地层隔水层

煤系地层中有大量的泥岩、砂质泥岩和粉砂岩与细～粗粒砂岩交互沉积，这些泥岩隔水层不仅层数多而且部分岩层厚度较大，但厚度分布不均匀，常形成多含水层间的隔水层。

2)二1煤层底板隔水层

石炭系上统太原组上段含水层距二1煤层底板距离1.40～23.37 m，平均距离8.39 m。主要由炭质泥岩、泥岩、砂质泥岩组成。

3)石炭系上统太原组中段碎屑岩石隔水层

石炭系太原组中段主要由泥岩、砂质泥岩、砂岩及灰岩构成。该层中隔水层为泥岩、灰岩和砂岩构成的复合隔水层。其中泥岩层位稳定，分布较连续，厚度16.41～51.82 m，平均厚度30.41 m。

4)石炭系上统本溪组泥岩隔水层

该隔水层位于寒武系含水层和太原组下段含水层之间，主要由铝土质粘土岩、粘土.质泥岩组成。该隔水层在区内层位稳定，分布连续，厚度3.40～16.37 m，平均厚度7.92 m。

2 充水水源

(1)大气降水。由于本区主要可采煤层埋藏深度较大，且其上有多个隔水层存在，隔水层不仅层数多而且厚度大，可有效阻隔大气降水进入矿坑，因此大气降水对矿床开采几乎无影响。

(2)地表水。区域内地表水均位于煤层之上，地表水体和可采煤层之间存在多个隔水层，可有效阻隔地表水体进入矿坑，因此地表水体对矿床开采几乎无影响。

(3)地下水。区内地下水根据含水介质类型及与煤层的相对关系，主要有第四系砂层孔隙水、煤系砂岩裂隙水和灰岩、白云岩岩溶裂隙水，各含水层概况在前面水文地质条件中已经叙述。

(4)老窑及废弃井巷积水。区内煤层暂无开采记录，煤层开采不存在老窑及废弃井巷积水问题。

3 天然充水通道

区内断裂构造发育，为高角度正断层，落差变化大。断层破碎带能否成为导水通道主要决定断裂的透水性，而断裂带的透水性能主要决定于两盘的岩性及断层的性质。区内断层多具压性，两盘岩石在其走向和倾向上均可出现不同的组合情况，因此不仅不同的断裂透水性不同，即使发育在同一断层中，由于岩层本身透水性不均匀，断裂带后期的充填、胶结和破坏作用，其不同部位透水性也有强弱之分。根据断裂的水文地质特征将区内断层分为富水断层、导水断层、阻水断层及无水断层等，断裂的充水作用可归纳为：构成矿坑的直接充水水源；破坏煤层顶底板隔水层的连续性；使充水含水层与煤层直接接触；降低煤层顶底板的力学强度，形成突水薄弱带；构成隔水边界，限制充水含水层的分布和补给范围。区内缺失奥陶系马家沟组，石炭系太原组和寒武系灰岩、白云岩岩溶不发育，未发现岩溶陷落柱。

4 人为充水通道

4.1 顶板破坏

煤矿开采在地下形成采空区，采空区上方顶板岩层失去支撑和平衡后会产生变形，以致破坏，这就为上覆含水层中地下水进入矿坑提供充水途径。根据煤层底板破坏的程度和形式，可将整个破坏区划分为三个带：冒落带、导水裂隙带和整体移动带。因整体移动带透水性和变形前相比，变化不大，不会构成严重的充水通道，本次不在对其进行论述，仅对冒落带和导水裂隙带进行分析。

区内主要有二1煤、四8煤、四9煤、五4煤、七4煤四个可采煤层，其中二1煤层平均厚度5.52 m，四8煤层平均厚度1.31 m，四9煤层平均厚度1.74 m，五4煤层平均厚度1.14 m，七4煤煤层平均厚度1.31 m。现根据冒落带、导水裂隙带最大经验公式和前苏联的半经验公式分别对区内可采煤层的冒落带及导水裂隙带高度进行估算。

1)根据经验公式对冒落带及导水裂隙带高度进行估算。

计算公式：

H1=(4～5)M

式中：H1为冒落带最大高度(m)；H2为导水裂隙带(包括冒落带)最大高度(m)；M为煤层采厚(煤层厚度)(m)；n为煤层分层层数。

采用上述计算公式对区内可采煤层冒落带和导水裂隙带最大高度进行估算，根据计算结果：二1煤层冒落带最大高度为27.60 m，导水裂隙带(不包括冒落带，下同)最大高度为111.79 m，采矿顶板影响总高度为133.87 m；四8煤层冒落带最大高度为6.55 m，导水裂隙带最大高度为35.07 m，采矿顶板影响总高度为40.31 m；四9煤层冒落带最大高度为8.70 m，导水裂隙带最大高度为42.91 m，采矿顶板影响总高度为49.87 m；五4煤层冒落带最大高度为5.70 m，导水裂隙带最大高度为31.97 m，采矿顶板影响总高度为36.53 m；七4煤层冒落带最大高度为6.55 m，导水裂隙带最大高度为35.07 m，采矿顶板影响总高度为40.31 m。

2)根据前苏联半经验公式对冒落带及导水裂隙带高度进行估算。

H2=(2～3)H1

式中：H1为冒落带最大高度(m)；H2为导水裂隙带(包括冒落带)最大高度(m)；M为矿层厚度或采厚(m)；α为矿层倾角；K为岩石碎胀系数，是指顶底岩层冒落碎胀后的体积和未冒落前原岩体积之比(粘土岩岩为1.15～1.35；页岩为1.2～1.4；砂岩为1.3～1.6)。

采用上述公式分别对区内可采煤层进行冒落带和导水裂隙带高度估算，根据计算结果：二1煤层冒落带最大高度为18.85 m，导水裂隙带(不包括冒落带，下同)最大高度为37.70 m，采矿顶板影响总高度为56.55 m；四8煤层冒落带最大高度为6.70 m，导水裂隙带最大高度为13.40 m，采矿顶板影响总高度为20.10 m；四9煤层冒落带最大高度为8.90 m，导水裂隙带最大高度为17.80 m，采矿顶板影响总高度为26.70 m；五4煤层冒落带最大高度为5.83 m，导水裂隙带最大高度为7.56 m，采矿顶板影响总高度为17.49 m；七4煤层冒落带最大高度为6.55 m，导水裂隙带最大高度为8.92 m，采矿顶板影响总高度为13.38 m。

本次采用上述两种计算方法对区内可采煤层的冒落带和导水裂隙带的高度进行了估算，同时结合区内煤层情况、采矿安全及两种方法的实际运用情况，认为采用经验公式计算结果比较合适。

因此，通过区内煤层开采时顶板破坏高度将煤层顶板含水层划分为直接充水含水层和间接充水含水层：距离二1煤顶部0.00～27.60 m内的砂岩含水层地下水可通过冒落带进入矿坑，成为矿坑的直接充水水源，27.70～133.87 m高度内的砂岩含水层地下水可通过导水裂隙带进入矿坑，成为矿坑的间接充水水源；距离四8煤顶部0.00～6.55 m内的砂岩含水层地下水可通过冒落带进入矿坑，成为矿坑的直接充水水源，6.55～40.31 m高度内的砂岩含水层地下水可通过导水裂隙带进入矿坑，成为矿坑的间接充水水源；距离四9煤顶部0.00～8.70 m内的砂岩含水层地下水可通过冒落带进入矿坑，成为矿坑的直接充水水源，8.70～49.87 m高度内的砂岩含水层地下水可通过导水裂隙带进入矿坑，成为矿坑的间接充水水源；距离五4煤顶部0.00～5.70 m内的砂岩含水层地下水可通过冒落带进入矿坑，成为矿坑的直接充水水源，5.70～36.53 m高度内的砂岩含水层地下水可通过导水裂隙带进入矿坑，成为矿坑的间接充水水源；距离七4煤顶部0.00～6.55 m内的砂岩含水层地下水可通过冒落带进入矿坑，成为矿坑的直接充水水源，6.55～40.31 m高度内的砂岩含水层地下水可通过导水裂隙带进入矿坑，成为矿坑的间接充水水源。

4.2 底板突破

1)底板破坏深度

由于煤层开采引起的矿山压力作用，底板岩层连续性遭到破坏，导水性发生明显改变的层带，该带的厚度称为“底板破坏深度”。在底板破坏深度范围之内，底板岩层产生大量的裂隙，其连续性和隔水性受到破坏，在受底板破坏深度影响范围内，下伏含水层地下水直接涌入矿坑，成为矿坑直接充水水源。本次根据经验公式对底板破坏深度进行概略计算。

经验公式：

h=0.29L0.81

式中：h为底板破坏深度(m)；L为工作面采宽(m)。

由公式可以看出：工作面采宽对煤层破坏深度起着决定性作用，由此控制采矿工作面宽度采取合理开采方案，是控制煤层底板破坏深度的重要因素之一。

因此在采宽L=100 m条件下，底板采动破坏深度为12.09 m。在距离煤层底板0.00～12.09 m范围内的含水层地下水可通过底板破坏带进入矿坑成为矿坑直接充水水源。以二1煤为例：该煤层底板距离太原组上段灰岩含水层1.40～23.37 m，平均距离8.39 m，在开采二1煤时太原组上段灰岩含水层中地下水可通过底板破坏带直接进入矿坑，因此太原组上段灰岩含水层地下水为二1煤开采时矿坑的直接充水水源。

2)底板突水分析

区内含水层大都具有承压性高水头，因此当含水层为矿床的间接底板时，作用在巷道隔水底板上的水压随埋深的增大而升高，特别是二1煤底板太原组下段和寒武系富水性较强的岩溶裂隙含水层，当水压值超过巷道隔水底板岩石的抗压强度时，太原组下段及寒武系含水层强大的水柱压力作用下，造成二1煤层底板破坏，地下水涌入矿坑，给采矿带来安全威胁。

由于本区砂岩裂隙含水层虽具较高水头，但岩层透水性差、富水性较弱，对矿坑充水影响较小，本次仅对二1煤底板岩溶裂隙含水层进行分析，现根据钻孔抽水试验、地质编录及岩石力学样对太原组下段(C2t下)在区内不同地段进行突水分析，本次计算采用斯列萨列夫公式法对巷道掘进过程进行突水预测。

斯列萨列夫公式：

式中：Ht为隔水底板所能承受的极限水压力值(N/m2)；Hp为作用于隔水底板的实际水压值(N/m2)；Kp为隔水底板抗张强度(MPa)；tp为隔水底板实际厚度(m)； L为巷道底宽(m)；r为隔水底板岩石的容重(N/m3)。

若Ht>Hp，说明巷道底板安全，一般不会发生底板突水；

若Ht

太原组上段(C2t上)进行突水分析：太原组上段含水层厚7.99～35.12 m，平均厚度22.30 m。三层灰岩在区内比较稳定，但厚度不均匀。根据区内钻孔资料，灰岩顶部距离二1煤层底板1.40～23.37 m，平均8.39 m。本次通过区内钻孔资料对太原组上段(C2t上)进行突水分析，由于灰岩顶板和煤层底板之间的隔水层为泥岩、粉砂质泥岩及砂岩组成的复合隔水层组，因此本次分析对隔水层抗张强度及岩石容重的取值将依据岩石力学试验结果、岩石裂隙发育及岩芯采取率进行综合考虑，最终对隔水层容重、抗张强度的取值为复合岩组中各类岩石的容重及抗张强度的加权平均值，即：

式中：r为隔水底板岩石容重平均值(×104N∕m3)；ri为隔水底板中第i类岩石容重(×104N∕m3)；Kp为隔水底板岩石抗张强度平均值(Mpa)；Ki为隔水底板中第i类岩石抗张强度(Mpa)；Mi为隔水底板中第i类岩石的厚度(m)；M为隔水底板实际厚度(m)；

采用斯列萨列夫公式求取2207、1706和0506隔水底板所能承受的极限水压值。

根据2207孔抽水试验资料：太原组上段(C2t上)地下水静止水位标高47.02 m，含水层顶板标高-970.69 m，因此巷道底板的实际水压高度为1 017.71 m，即Hp=9.97×106pa。

根据1706孔抽水试验资料：太原组上段(C2t上)地下水静止水位标高17.74 m，含水层顶板标高-964.78 m，因此巷道底板的实际水压高度为984.52 m，即Hp=9.65×106pa(见表1)。

表1 隔水层所能承受的极限水压值计算成果表

根据0506孔抽水试验资料：太原组上段(C2t上)地下水静止水位标高106.88 m，含水层顶板标高-1 081.07 m，因此巷道底板的实际水压高度为1 187.95 m，即Hp=11.64×106pa。

根据上述计算结果Hp>Ht，即不安全，即正常情况下煤层巷道掘进时，煤层底板太原组上段含水层地下水可通过底板突破进入矿坑，成为矿坑直接充水水源。

太原组下段(C2t下)突水分析：本次分析以2208、1705和1005为例，对太原组下段(C2t下)进行分析，由于太原组下段和太原组上段之间的隔水层为泥岩、粉砂岩及砂岩组成的复合隔水层组，本次分析同样对隔水层抗张强度及岩石容重的取值将对岩石力学实验结果、岩石裂隙发育及岩心采取率进行综合考虑，最终对隔水层容重、抗张强度的取值为复合岩组中各类岩石的容重及抗张强度的加权平均值，计算公式同上。

采用斯列萨列夫公式求取2208、1705、1005隔水底板所能承受的极限水压值(见表2)。