西曲井田煤层浅埋区含隔水层特征及水害分区

郭启琛，王顺喜，郭太刚

(西山煤电集团有限公司 西曲矿， 山西 太原 030200)

太原西山煤田古交矿区是山西省内六大煤田之一，也是我国最重要的焦煤生产基地之一，区内沟壑纵横深切，地形相对高差大，煤层整体埋深浅，使得开采时地表水的影响较大[1-3]. 近年来，国内地质界对浅埋煤层的开采研究逐渐深入，浅埋煤层防治水是其中一个重大课题，并且取得了非常丰富的成果[4-9].

近年来科技设备的进步，已大大减少了煤矿事故的发生，然而矿井水害一直是困扰西山各矿的难点[3]，尤其西曲矿2016年5月5日发生的水害更是让矿井防治水成为了亟需解决的重要课题。本文以西曲矿为例，对矿区煤层浅埋区最可能受地表水体等影响的区域进行分析，了解其主采8#煤上覆含隔水层性质，以期划定西曲矿浅层水防治的重点并为相似矿区提供参考。

1 研究区概况

西曲井田位于山西省太原市古交市区北约0.5 km处，井田位于吕梁山东麓，属中低山区，区内切割强烈，沟谷纵横，沟谷两侧基岩裸露，较大的有矾石沟、水深沟、李家沟等，这些沟谷平时水量不大，其余除雨季外，常年无水。山顶多为黄土覆盖，汾河处于井田边界外南部，留有完整的河床保护煤柱，且对河坝进行了整修加固。

研究区内基岩顶部普遍风化，其中个别区域松散层薄，且经沟谷冲刷，地形起伏变化大，基岩风化严重且深，形成8#煤层风氧化带。

2 研究区含(隔)水层空间组合特征

2.1 研究区水文地质现状

西曲井田为复杂型水文地质条件，构造发育，以陷落柱和断层为主，矿区内广泛分布的早期私采小煤窑采空区更是增加了防治水的难度。矿区目前主采8#煤，属太原组，厚度1.30～5.05 m，平均3.79 m，属赋煤区可采的稳定煤层。研究区内煤层整体倾向西南，平均埋深在200 m左右，上覆基岩厚度不均一。地表沟谷尤其矾石沟的发育，使黏性土层缺失，基岩变薄，煤层埋深不足70 m，最浅处仅37 m.

2.2 含(隔)水层概况

8#煤顶板的主要含水层包括第四系松散岩类孔隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层及石炭系砂岩夹薄层灰岩裂隙含水岩组。根据矿区10个水文孔的抽水试验数据，基岩含水层中钻孔单位涌水量小于0.1 L/s·m，富水性普遍较弱。

研究区内王马市附近存在8#煤风氧化带和井田范围内最大的沟谷矾石沟，沟谷处基岩出露，且雨季地表水流量较大。其中，松散层底部的二叠系砂岩裂隙含水层，风化裂隙发育，使得松散层与风化带产生直接水力联系，上述区域的325、328、338号钻孔在揭露含水层时均有自流水现象，且单位涌水量为0.039 8～2.17 L/s·m，说明松散岩类孔隙含水层和基岩风化带含水层在研究区内富水性不均一。因此研究区内的浅埋煤层主要的充水水源是地表水、第四系松散岩类孔隙含水层水和基岩风化带潜水。

研究区内隔水层分两部分：2#煤层底至8#煤层间隔水层，间距74 m左右，主要由泥岩、粉砂岩、煤层组成，厚度稳定，隔水性能良好；其次为在基岩顶部，松散层底部不均匀存在的由中更新统Q2黄土及上新统N2红土组成的隔水黏性土层。西曲矿未对该黏性隔水层做过具体物化、水文参数分析，结合周边区域资料及相似煤矿实验数据，N2红土的黏土矿物成分主要以绿泥石为主，一般结构致密。Q2黄土属于弱隔水-较强隔水层，红土的黏粒含量高达35%，为较强-强隔水层[10].

2.3 研究区含(隔)水层空间组合特征

8#煤标高均位于奥灰水位之上，因此不受下伏含水层水影响。研究区内煤与水赋存空间组合总的特点是煤水共生，水在上、煤在下，富水性不均一，隔水岩组变化大[10].

研究区煤层顶板内岩性为坚硬、软弱、极软弱互层，岩性多为泥岩、粉砂岩、砂质泥岩，属软弱至中硬岩性，但夹有坚硬的薄层细、中、粗粒砂岩和灰岩(粒状砂岩和灰岩常作为标志层)。需要注意的是西曲矿2013年针对8#煤浅埋区补勘施工煤田孔10个，均揭露上部风氧化层，且部分钻孔内风氧化带一直向下延伸至8#煤底板。一般岩层在风化后其泥质含量多有增加，黏塑性也增加，使得岩性偏软弱[2]，同时成为地下水的良好贮存空间，给井下安全生产带来严重威胁。

因此，依据矿区8#煤覆岩岩性、含隔水层分布和厚度、地形等因素，将西曲矿浅埋区煤层含隔水层空间赋存组合划分为以下3种类型[9](图1).

图1 研究区浅埋煤层含隔水层空间赋存组合类型

1) 薄基岩型组合。

该型组合主要分布在研究区范围内的矾石沟沟谷区内，地表沟谷等的发育导致松散层变薄，甚至基岩直接出露，基岩厚度普遍小于70 m，煤层的开采可能使井下工作面直接接受大气降水的补给，见图1a).

2) 砂基型组合。

该型组合在研究区内分布较广，由于第四系底部Q2和N2黏性土隔水层缺失，因此第四系松散岩类孔隙含水层与基岩顶部的风化带直接接触，不仅使得风化带内富水性增大，煤层之上隔水层厚度变薄，更增加了含水层的厚度，风化带底部隔水层厚度不足时突水危险性更大，见图1b).

3) 砂土基型组合。

该型组合在研究区内分布不均，松散层厚度大，同时松散层底部黏性土层隔水层厚度大，切断了松散岩类孔隙含水层与基岩含水层的水力联系，弱化了基岩含水层的富水性，同时土层的存在抑制了导水裂缝带高度的发育，见图1c).

研究区内3种不同的含(隔)水层组合对应不同的防治水区域。薄基岩型组合和砂基型组合中由于黏性土层隔水层的缺失，当煤层上覆隔水层厚度不足时，可能使得松散岩类孔隙含水层水甚至地表水直接汇入工作面内，造成井下涌水[11].正确对西曲矿浅埋煤层进行含(隔)水层组合分区并留设相应高度的防隔水煤柱是井下安全生产的前提保障。

3 浅埋煤层水害分区

3.1 研究区导高预测

浅埋煤层开采导水裂缝带发育高度的影响因素众多，包括煤层采厚、工作面宽度、采煤方法、顶板覆岩岩性、工程地质特征、地质构造、煤层盖山厚度及基岩厚度等[13-16]. 本文选取研究区内的33个钻孔进行分析，分别统计8#煤厚度、顶底板标高、煤层埋深、松散层厚度、底部黏性土层厚度、风化带厚度、覆岩岩性及工程地质特征等数据，作为此次分析的重要基础数据。

西曲矿整体为缓倾斜煤层(0～5°)，煤层顶板抗压强度在32.7～164 MPa，保守定义8#煤覆岩岩性为中硬岩性，其中北三、北四盘区交界处风氧化带附近基岩风化严重，岩层泥质含量增加，黏塑性也增加，特别是原岩泥质含量较高的岩层，在煤层采动影响后，导水裂缝带的发育会受到限制，许多新生裂隙很快闭合。结合该区补勘施工的10个钻孔发现，风氧化的煤层、岩层均极为破碎，各种裂隙扩展和增多，破坏了岩体的完整性，使岩体的力学强度降低，黏性增强，因此将风氧化区岩性定为软弱。

西曲矿暂无采后导水裂缝带高度实测资料，利用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(以下简称“三下规程”)中经验计算公式(见表1)，结合覆岩岩性、累计采厚对导高进行预测计算。

表1 厚煤层分层开采的导水裂缝带高度计算公式表

结合8#煤风氧化带钻孔岩性描述，XQK13-1至XQK13-10和345、363、368共13个钻孔为风化严重区域钻孔，含(隔)水层空间组合特征主要为砂土基型，在计算导高时应当适用岩性软弱的计算公式，其他区域则主要为薄基岩型和砂基型组合，适用中硬岩性预测公式进行计算。据此求得研究区内导水裂缝带发育高度，覆岩软弱区域导高平均约27m，覆岩中硬区域导高平均约50m(见表2).

表2 研究区预测导水裂缝带高度表

3.2 研究区浅埋煤层水害分区

针对风氧化带附近岩性软弱区域和其他覆岩岩性中硬区域，根据松散层底部黏性土层厚度的数值分别确定不同情况下防隔水保护层厚度(3A～6A)，确保各自区域保护层厚度满足要求。按照导水裂缝带高度同顶板含水层及地表水的关系(图2)将西曲矿浅埋煤层受地表及潜水的影响划分为3类区域。

1) 地表补给危险区。

该区煤层上覆含(隔)水层组合以薄基岩型为主，开采后导水裂缝带高度大于煤层埋深，或者基岩中导高发育虽未超出地表，但导高之上防隔水保护层厚度不足，判断依据为：

Hg≤HL+Hb

式中：

Hg—煤层埋深，m；

HL—中硬岩性区域导水裂缝带的最大高度，m；

Hb—保护层厚度，m.

此类区域存在使得地表水或者大气降水能够通过裂缝带直接涌入开采工作面内的隐患，受地表水和潜水补给可能大，因此必须留设相应高度的防隔水煤岩柱。

2) 潜水冒裂危险区。

该区域地表松散层较薄，煤层上覆含(隔)水层组合以砂基型为主，基岩虽未出露，但厚度较薄，其中松散层底部黏性土隔水层缺失或较薄(小于4m). 该区导高进入了基岩风化带含水层甚至松散层内潜水，亦或基岩风化带下部完整基岩保护层厚度不足，存在潜水渗入工作面的情况，判断依据为：

Hj-Hfe≤HL+Hb

式中：

Hj—煤层上覆基岩厚度，m；

Hfe—基岩顶部风化带厚度，m.

对于该区域而言，虽不存在直接接受大气降水补给的风险，但是必须考虑松散含水层内富水性较强时导高可能波及该含水层，加之基岩与松散层间隔水层的缺失，使得基岩风化带内可能成为地下潜水的良好贮存空间，因此也应当留设相应防隔水煤柱或采取充填开采等特殊工艺限制导高的发育。

3) 潜水冒裂安全区。

该区域煤层上覆含(隔)水层组合以砂土基型为主，基岩厚度变大，在72～253m，由于松散层底部黏性土层发育情况不同，导水机理存在差异，按照松散层底部黏性土隔水层厚度对导高的抑制和对上下含水层水力联系的阻隔效果，以黏性土层厚度10m作为分区，将该区分为两小区：

a) 导高抑制安全区：松散层底部厚黏性土层N2的存在使得导高的发育在该层段会进一步被抑制，采动裂隙在土层中很快就被压实封闭[15]，且土层弱化了基岩风化带与松散层含水层的水力联系，判断依据为：

Hj-Hfe≥HL+HbHt≥10 m，Hb=2A～3A

式中：

Ht—松散层底部黏性土层的厚度，m；

∑M—累计采厚，m；

n—分层层数。

b) 导高完整安全区：该区域黏性土层缺失，但是基岩厚度超出导高与保护层厚度之和，导高不会进入松散层潜水含水层，判断依据为：

Hj-Hfe≤HL+HbHt≤10 m，Hb=5A～6A

根据研究区内33个钻孔数据，在煤层底板标高的基础上，叠加研究区内不同的含(隔)水层空间组合下的导高、保护层厚度，运用ArcGIS软件多源信息复合叠加功能，求得对应区域同满足地表水或潜水冒裂安全时的理论地表高程与DEM原始空间高程对比，根据两高程差值为0的点进行矿区实际水害分区(见图3).

由图3可以看出，在西曲矿的浅埋煤层区域中，大部分区域为冒裂安全区，煤层的开采不会引起潜水含水层水涌入工作面；地表补给危险区分布较少，主要集中在矿界内矾石沟延伸范围的最南端，该区早期28201、28202、28203工作面在回采期间顶板较为破碎，且工作面涌水情况与地表水大小联系较密切，说明该区域存在潜水和地表水灌入的可能，必须留设相应高度的防隔水煤岩柱；潜水冒裂危险区内松散层厚度的变薄以及基岩风化带的加厚使得该区在王马市风氧化带、矾石沟、圪垛沟处分布广泛，应当采取相应的开采工艺或留设防水煤柱等措施，并加强地表水情监测。

4 结 论

1) 西曲矿内煤层浅埋区域容易受到地表水和第四系松散岩类孔隙含水层水的威胁，不同的含隔水层空间组合使浅埋煤层受水害威胁的程度不同，基岩的风化抑制了导高的发展。

2) 利用浅埋区满足地表水或潜水冒裂安全时的理论地表高程与实际空间高程对比，根据两高程差值为0的点进行矿区实际水害分区，划分为地表补给危险区、潜水冒裂危险区、潜水冒裂安全区。

3) 地表补给危险区工作面在实际生产中涌水情况受地表水及潜水影响大，应当抓住矿井浅埋区的防治水工作重点，对地表补给危险区、潜水冒裂危险区采取留设防隔水煤柱等措施，并加强日常监测。