唐家会矿区水文地质条件及矿井充水条件分析

谭海亮

摘要：唐家会矿区位于鄂尔多斯高原东北部，准格尔煤田中部，区内煤炭资源丰富。由于水文地质条件复杂，构造比较发育，给矿区安全生产带来风险。依据对矿区的水文地质条件分析，认为矿井主要充水水源为大气降水、第四系孔隙水、白垩系保安群孔隙裂隙水、石炭一二叠系砂岩裂隙水、奥陶系岩溶裂隙水。地下水补给来源以大气降雨渗入为主，地表水渗漏补给为辅。充水通道主要为断层、陷落柱以及导水裂缝带、煤层底板矿压破坏带和封闭不良钻孔。

关键词：水文地质条件；矿井充水条件；充水水源；充水通道

1.矿区概况

唐家会矿区位于鄂尔多斯高原东北部，准格尔煤田中部，井田为一不规则多边形，南北最长约8.5km，东西最宽约5.10km，面积约28.52km²。其中石炭系上统太原组、二叠系下统山西组为主要含煤地层，主采煤层为6号煤层。地形总体为北高南低，一般海拔标高为1220m～1300m，属于典型的黄土高原地貌。

2.地质概况

井田内大部被第四系覆盖，但在沟谷两侧及沟掌，亦有基岩出露，根据地形地质填图成果及钻孔揭露和岩煤层对比结果，井田地层由老至新有：奥陶系中统马家沟组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰组、白垩系下统保安群、新近系上新统、第四系。

井田位于窑沟背斜的西翼，地层走向NNE，倾向NWW，为倾角<10°，一般为5°左右的单斜构造。在井田北部首采区发育有次一级的波状起伏，波幅最大30m，走向基本呈东西向稍偏南。利用地震模型正验、多重地震性属性综合分析得出井田内褶皱及断层较为发育，构造复杂。

3.水文地质条件

3.1主要含水层

根据含水层的岩性特征和储水空间的性质，单元内自上而下可划分为以下四大含水层：即第四系松散层潜水含水层；白垩系下统保安群孔隙、裂隙含水层；石炭系～二叠系砂岩裂隙含水层；奥陶系中统马家沟组岩溶裂隙含水层。

3.2地下水补给、径流、排泄条件

唐家会井田位于寒武系一奥陶系碳酸盐岩岩溶含水层系统天桥泉域的西北部，是一个完整独立封闭全排型的水文地质单元。井田位于东部黄河西岸3km～6km的泥沙充填带以西，构造裂隙、溶蚀裂隙发育，径流通道较为畅通，龙口水库和万家寨水库建成后水位抬升近8m，说明区内岩溶地下水有利于接受黄河地表水的渗漏补给。因此，本区地下水补给来源以大气降雨渗入为主，地表水渗漏补给为辅。

唐家会井田位于窑沟-龙王沟-黑岱沟南至榆树湾强径流带中，该径流带地下水流向自北东向南西，自北向南，水力坡度0.04‰～10‰左右，在龙口、河畔、天桥等处以泉群的形式排泄。

4.矿井充水条件分析

矿井充水因素是指煤矿开采过程中，各种来源的水通过不同的方式和途径进入矿井的过程，其特征由充水水源、充水通道和充水强度等因素所决定。

4.1充水水源

4.1.1顶板充水水源

据调查统计结果表明，唐家会煤矿6煤导水裂缝带发育高度为114.19m～624.00m，6煤距4煤28.05m～71.93m，距K8砂岩55.84m～133.96m，距白垩系底板202.60m～487.03m，距第四系底板378.85m～523.05m，在一盘区、二盘区西部、中部和南部部分地段导水裂缝带高度发育到白垩系、第四系甚至地表，其他地段导水裂缝带高度发育到白垩系与4煤之间。因此，一盘区、二盘区西部、中部和南部6煤顶板直接充水水源为大气降水、第四系孔隙水、白垩系保安群孔隙裂隙水和二叠系砂岩裂隙水；其他地段直接充水水源为二叠系砂岩裂隙水，间接充水水源为白垩系保安群孔隙裂隙水、第四系孔隙水和大气降水。

4.1.2底板充水水源

据调查统计结果表明，6煤底板标高+748.02m～+802.58m，奥灰水水位标高+869.5m～+871.5m，井田内6煤均位于奥灰水位以下，属带压开采。煤层底板隔水层厚度一般为33.69m～88.79m，承受的水压值为1.166MPa～1.930MPa，突水系数为O.020MPa/m～0.043MPa/m。因此，奥灰水为6煤底板间接充水水源，一般以断层破碎带导通奥灰水为主，如2014年5月28日井筒掘进揭露断层时发生突水，初期突水量达500m³/h，突水水源为奥灰水。

4.1.3采空区积水

根据调查资料，唐家会煤矿内没有老窑分布。但是随着生产的不断进行，工作面接近矿区边界时，煤矿要随时调查周边矿井的生产情况，防止其破坏保护煤柱或越界开采，防止周边老窑水对本矿井产生突水影响。

4.2充水通道

4.2.1断层

根据现有勘探资料，一盘区、二盘区内主要有井下揭露的40余条断层、三维地震精细解释的90条断层。一盘区、二盘区中西部DF2斷层组和中东部DF11断层组含导水性强。

井下探放水钻孔资料显示，正常地段探放水钻孔的涌水量较小，而接近DF11断层时，探放水钻孔的涌水量明显增大，最大可达100m³/h。水质分析表明，距DF11断层越近，Cl^-、Na⁺含量及矿化度含量越高，接近奥灰水水质特征，这充分说明断层导通了6煤底板奥灰水。

因此，断层破碎带可成为上部白垩系志丹群孔隙裂隙水及底板奥灰水的充水通道，对矿井开采影响较大。

4.2.2陷落柱

根据以往资料，唐家会煤矿发育疑似陷落柱X1，物探显示陷落柱在煤层附近及奥灰地层低阻异常区明显，具有一定的含水性，可成为矿井的充水通道。因此，建议在煤层回采过程中应对陷落柱进行防治水工作。

4.2.3顶板导水裂缝带

6煤顶板导水裂缝带最大高度在114.19m～624.00m。一盘区、二盘区西部、中部和南部的部分地段沟通了第四系孔隙水、白垩系保安群孔隙裂隙水、二叠系砂岩裂隙水，其他地段沟通了二叠系砂岩裂隙水。

因此，一盘区、二盘区西部、中部和南部的部分地段第四系孔隙水、白垩系志丹群孔隙裂隙水、二叠系砂岩裂隙水通过导水裂缝带进入矿井，其他地段二叠系砂岩裂隙水通过导水裂缝带进入矿井。

4.2.4底板矿压破坏带

笔者采用以下底板采动导水破坏带深度的计算公式，计算了6煤底板采动导水破坏带。

计算公式：

h1=0.0085H+0.1665eα+0.1079L-4.3579

式中：H-开采深度。选用各钻孔的统计资料；α-煤层倾角。煤层倾角一般地段为5°左右；L-工面斜长。工作面斜长为240m。

根据上述经验公式计算，得出6煤底板矿压扰动破坏深度为25.88m～27.27m。由于6煤底板隔水层厚度为33.69m～88.79m，有效隔水层厚度则为7.15m～62.24m。

正常地段开采6煤时，突水系数小于0.06MPa，奥灰水将不会通过采动裂隙进入矿井；但由于构造部位有效隔水层厚度变薄，突水系数增大，且奥灰水与上部砂岩含水层存在一定的水力联系，构造地段可能通过采动裂隙增大断层带的破坏程度，对煤层开采产生奥灰水突水威胁。

4.2.5封闭不良钻孔

矿区内不同时期施工钻孔较多，钻孔封闭质量参差不齐，部分钻孔由钻孔底部至最上可采煤层顶板以上50m和孔口以下20m共2段用水泥砂浆封闭，其余地段用稠泥浆灌注。这些钻孔由于后期采动影响，尤其是冒落式采煤的影响，下段封堵区段有可能处于冒落带和导水裂隙带之中，失去阻水性能，钻孔即将会与上部含水层、破碎带相沟通，形成导水通道，积水在动压和静压的作用下造成采区上面旧采迹、含水层中存在的积水溃入井下，酿成水灾事故。

由于封闭不良钻孔在垂向上串通了多个含水层，所以一旦发生该类导水通道的突水事故，不仅突水初期水量大，而且有比较稳定的补给量。井田内及周边有50个揭露灰岩钻孔，白垩系孔隙裂隙水及奥灰水富水性强地段的钻孔应引起高度重视。

4.3矿井充水强度

4.3.1地表水充水强度

由于井田内沟谷发育，地表水季节性很强，旱季一般无水，在雨季大雨过后会形成短暂的洪水，很快就会变成溪流，对矿床充水可造成一定的影响。井田内部分地段6煤导水裂缝带发育至第四系及地表，在地面易产生塌陷。煤层的开采增加了矿井接受地表水补给的通道，大气降水经地面塌陷、地表裂缝直接泄入矿井。

4.3.2顶板含水层充水强度

①第四系孔隙水

6煤顶板与第四系底板距离在378.85m～523.05m，导水裂缝带发育高度114.19m～624.00m，第四系孔隙水部分地段为6煤直接充水含水层。第四系孔隙含水层富水性一般较弱，局部富水性中等。根据唐家会水井调查资料，涌水量为0.18L/s～29.63L/s。由于导水裂缝带部分地段发育到第四系孔隙含水层，在构造地段或导水裂缝带造成导水通道的前提下，第四系孔隙水对6煤的开采有一定的影响。

②白垩系保安群孔隙裂隙水

白垩系保安群孔隙裂隙水为6煤间接充水水源。虽然白垩系含水层富水性弱～中等，但由于6煤距白垩系保安群沙砾岩202.60m～487.03m，部分地段含水层在导水裂缝带范围内，对矿井充水影响较大。在断层带及富水性相对较好地段，煤层开采时矿井涌水量会增大。

③二叠系砂岩裂隙水

二叠系砂岩裂隙水为6煤直接充水含水层，由二叠系石千峰组、上石盒子组、下石盒子组和山西组砂岩组成。二叠系砂岩裂隙地下水的补给区位于井田外围基岩裸露地带，以及井田内沟谷基岩露头地段。因砂岩裂隙水汇水面积有限，补给条件差，含水层总体富水性弱，对矿井充水影响不大。在断层带、含水层厚度较大、富水性相对较好地段，煤层开采时矿井涌水量会增大。

4.3.3底板含水层充水强度

根据以往水文孔奥灰抽水试验统计结果表明，尽管奥灰水富水性弱～强，但奥灰水突水系数为0.020MPa/m～0.043MPa/m，正常地段回采6煤时底板突水危险性较小，但由于断层、陷落柱造成隔水层厚度變薄，增大了突水系数，且奥灰水与上部砂岩含水层在构造部位有一定的水力联系。因此，采动裂隙可增大断层的破坏程度，在构造地段奥灰水对煤层开采可造成突水威胁。

另据矿方提供的资料，2014年5月28日井筒掘进揭露断层时发生突水，初期突水量达500m³/h，水质分析表明为断层破碎带导通的奥灰水。

5.结论

经分析研究矿区6煤主要的充水水源有大气降水、第四系孔隙水、白垩系保安群孔隙裂隙水、石炭～二叠系砂岩裂隙水、奥陶系岩溶裂隙水；地下水补给来源以大气降雨渗入为主，地表水渗漏补给为辅；充水通道主要为断层、陷落柱以及导水裂缝带、煤层底板矿压破坏带和封闭不良钻孔。

白垩系孔隙、裂隙含水层富水性弱～中等，且部分地段已被6煤导水裂缝带沟通，对煤层开采有一定影响；区内6煤底板均位于奥灰水位以下，属带压开采区；6煤开采发生顶板突水和底板突水的可能性较大。