浅议百良煤矿复杂地质条件下的充水因素

贾 圆

(陕西澄合百良旭升煤炭有限责任公司，陕西 渭南 715600)

0 引言

百良旭升煤矿位于澄合矿区的东北部，为资源整合型矿井，井田位于F1与F10两断层所形成的地垒构造部位，井田内发育有落差较大的断层，地质条件为复杂型。矿井主采5号煤层，开采水平均在奥灰水静水位(+371 m)以下，属承压区，煤层底板奥灰水可能会对采掘活动产生一定威胁。在建设初期通过大量的补充勘探工作，发现多处物探低阻异常区，推测部分断层发育区域富水性较强，但在实际的矿井水文地质勘查工作中，水文地质条件与实际揭露有一定出入，且地质基础工作较为薄弱，例如煤层顶底板含水层的水文地质条件探查稍显欠缺，对水害预报工作的准确性有一定影响。伴随煤炭开采，采掘范围增大，可能存在地表裂陷、地表水污染、地下水流场改变、矿井涌水量增大、建筑物破坏等水害隐患，造成无法估量的经济损失。因此，分析本矿井采掘活动中水文地质条件，有利于指导矿井后期安全生产工作，对于防治水工作具有重要的指导作用。

1 地质构造因素分析

井田位于渭北石炭二叠纪煤田的东部。矿井主采5号煤层，位于下二叠统山西组(P1s)。地层由老至新依次为：中奥陶统马家沟组(O2m)，峰峰组(O2f)；中石炭统本溪组(C2b)；上石炭统太原组(C3t)；下二叠统山西组(P1s)、下二叠统下石盒子组(P1sh)；上二叠统上石盒子组(P2sh)；上二叠统孙家沟组(P2s)；下三叠统刘家沟组(T1l)、下三叠统和尚沟组(T1h)；中三叠统纸坊组(T2z)；新生界(KZ)。地层走向NEE或近似东西向，倾向NNW，地层倾角一般6°～8°，最大11°。

矿区基本构造形态为一向北倾斜的单斜构造，地层倾角5°～25°，一般为10°左右。沿倾向和走向发育有次一级的褶皱，伴有断裂构造。井田于F1(韩城大断裂)与F10这2条正断层所形成的地垒构造区域，受2条正断层拉张应力释放等作用的影响，井田南部发育有规模较大的A1背斜、西北部的A2背斜和X1向斜。区域内常见以挤压形成的逆断层，整体走向近NEE向，局部出现扭动。

补充勘探资料结合三维地震剖面资料分析，预测的14条断层均以正断层为主，井田内以拉伸作用的正断层为主，井田内均以大于45°的高角度的正断层为主。

通过收集2016—2019年以来的地质资料发现，地质构造均以挤压形成的煤岩层褶曲、逆断层、煤(岩)层顶板侵入等构造为主，断层倾角在35°～60°左右，与井田北部F10构造产状较为接近。井田西北部为构造集中区，断层附近裂隙常伴有较多褶曲构造，开拓巷道巷(4号、5号煤层)施工至3DF3位置时发现多条逆断层，断层走向为NNW，正好位于北部向斜轴部，断层倾角小于30°，且揭露一条NNW向的褶曲构造，岩层发生层滑挤压、煤层出现厚度异常，且裂隙发育较多，区域内顶板出现了淋水现象，水量小于5 m3/h。

依据前期补充勘探资料，井田内存在多处低阻异常，大多集中带在断层、裂隙较发育区域。例如南翼A1背斜东翼的3DF3、3DF4断层测区存在低阻异常区A-1，如图1所示，断层的影响造成地层破碎裂隙带较发育，有导通K2、奥灰岩溶水的可能，导致构造区富水，给采掘生产带来一定的水害威胁。

图1 3DF3测区内视电阻率断面Fig.1 Apparent resistivity section in 3DF3 survey area

但后期通过钻探、物探工程以及巷道揭露后的地质观测，对A-1号异常进行了验证，均未发现涌水，仅发现3DF3断层的存在，断层倾角大于65°，预测低阻富水区域K2、奥灰层间存在岩石裂隙较为发育，5号煤层底板至奥灰顶界面均以硅脂胶结的砂岩为主，导致了低阻异常，实际的断层富水性较弱。

井田深部(北部)X1向斜轴附近预测的D-2物探富水异常区内，存在以3DF10断层形成的断层裂隙带，在实际采掘施工中均得到了验证，断层以倾角小于40°的逆断层为主，走向为NNE，为主煤层顶板K4、K中含水层均富水，且出现5号煤层顶板淋水、底板渗水现象，初始涌水量均为12 m3/h，且在出现涌水25 d后水量减小稳定至3 m3/h，直至消失。由此可推断在此区域内5号煤层导水裂隙虽然发育，但含水层富水性不强。

综合目前已得到验证、揭露的地质构造，以褶曲、逆断层等挤压式构造为主，断层角度范围在15°～70°，以倾角70°～80°范围内的逆断层居多，断层、向斜、背斜走向以NEE居多，NNW走向的构造在北部向斜轴部揭露较多，如图2所示。

图2 断层走向玫瑰花Fig.2 Rose diagram of fault strike

实际揭露断层、褶曲均与受F1、F10这2条断层拉张应力释放作用，形成井田内以NNE走向为主的挤压构造形态，断层倾角以70°～80°为主，与原有的地质资料有一定出入。断层均在井田南部A1向斜南翼区域以小倾角的正断层为主，北翼A2背斜区域附近以挤压形成的褶曲及逆断层为主，部分存在导水裂缝带，出现涌水现象，因此在小倾角(小于50°)的断层区域富水可能性较大。

2 水文地质条件简介

2.1 水文地质单元及边界条件

井田地处渭北高塬，由于地表经受长期的剥蚀及流水下切冲刷，形成了较多的侵蚀深沟地貌，“V”型冲沟发育，地形较复杂，海拔标高458～743 m。区域位于合耀区澄合矿区内合耀水文地质单元东段，处于鄂尔多斯盆地南缘断陷式岩溶含水层亚系统东南部分，地质单元东南部边界为黄河河谷，黄河为合耀水文地质单元最低排泄基准面，河谷内东王瀵泉为区域最终排泄点，因此黄河边界为排泄边界。

地表发育有小沟谷，均为季节性水系，矿区东北部外侧的徐水河水流由北而南汇入黄河，但受季节影响较大，平时水量较小，通过长期观测，一般流量0.23～0.4 m3/s，属常流河，位于井田东部边界区域，距离当前采掘区域较远，通过长期观测流量呈季节性规律变化，无异常。

徐水沟向斜两侧逆断层发育，逆断层的形成使得碳酸盐岩与石炭二叠系地层对接，岩溶水径流不良；逆断层带内形成的挤压裂隙带一般情况下也将成为弱透水段，因此合耀水文地质单元在东北部边界处为隔水边界。

井田中部偏西为人工渠，呈南北向贯穿井田，为灌溉水渠，流量观测结果显示，流量均小于2 m3/h，水渠经过前期4号煤层回采工作面，2017—2019年的观测结果显示，水渠并未发生明显位移和变形，流量稳定，采动暂时未对红旗渠造成影响。

2.2 含水层及类型

日常采掘活动中通过观测分析，主要受到裂隙水含水层影响最大、岩溶水次之。裂隙水由上至下依次为：上二叠统上石盒子组底部K5砂岩含水层(P2sh)、下二叠统下石盒子组K中砂岩含水层(P1sh)、下二叠统山西组下部K4砂岩含水层(P1s)；岩溶水由上至下依次为：上石炭统太原组石英砂岩和K2灰岩含水岩组(C3t)、中下奥陶统峰峰组(O2f)。

区域内含水地层，按其岩性及充水空间性质不同，可划分为孔隙裂隙潜水、裂隙水及岩溶水3种类型。

孔隙裂隙水：主要储存于古近系、第四系(Q～N)底c部半胶结的粉砂岩，细-粗砂及砂砾岩层中。含水层厚度变化较大，数米至数十米不等，一般厚3～63 m。据钻孔抽水资料，单位涌水量一般为0.01～0.10 L/s·m，渗透系数0.007 3～1.55 m/d。该种裂隙水水力大多具承压性质，一般属富水性弱的含水层组，在地表以泉眼形式出露。

裂隙水：裂隙水主要赋存于下三叠统至下二叠统细-粗粒砂岩中。裂隙的发育程度与地层、构造及岩性组合有密切联系。由于各含水层之间均有厚度较大的砂质泥岩、粉砂岩和泥岩组成隔水性能良好的相对隔水层，故一般均无直接水力联系。井田内上二叠统上石盒子组底部K5砂岩含水层(P2sh)、下二叠统下石盒子组K中砂岩含水层(P1sh)、下二叠统山西组下部K4砂岩含水层(P1s)均属于富水性弱的承压裂隙含水层，在日常观测中发现，裂隙水主要存在于揭露4号煤层及上覆层位的巷道或工作面中，出水形式为滴水或淋水形式，一般出水点不超过15 d便会减小或者消失。

岩溶水：井田区域内岩溶水，主要赋存于上石炭统太原组及中下奥陶统峰峰组，岩溶类型以古岩溶、空溶洞以及溶蚀裂隙为主，目前在井田内暂未发现奥灰岩溶水揭露。古岩溶充填程度较完全，空溶洞主要分布于奥灰区域水位高程以上，溶蚀裂隙在空间的分布规律受地质构造所控制，本矿涉及的岩溶水含水层为上石炭统太原组石英砂岩和K2灰岩含水岩组(C3t)、峰峰组二段(O2f2)、峰峰组一段(O2f1)。

2.3 地表补给条件

矿区地下水主要接受大气降水和区外侧向径流的补给，其补给形式主要是通过地表露头和具孔隙性的疏松黄土层，分别以直接或间接的方式渗入补给基岩地下水。补给区受到断裂和褶皱的影响发育NEE、NW、NNE、NWW方向四组节理，节理的发育使得大气降水入渗补给系数增大。

3 煤层顶底板充水因素分析

矿井自2015年9月起至2018年3月开采4号煤层，2018年4月开始回采5号煤层工作面，以上2个工作面均位于井田南翼。

工作面采煤方法为综采，垮落法管理顶板，主采5号煤层，配采4号煤层，煤层间距一般2～4 m左右，5号煤层采厚4.0 m，4号煤层采厚1.6 m。由于煤层间距较小，计算导水裂缝带高度时按同一煤层计算，采厚按5.6 m。

5号煤层导水裂缝带发育高度为63～130 m，5号煤顶面埋深296～548 m， 5号煤层回采之后导水裂缝带高度不会发育至地表，故大气降水及地表水为矿井充水的间接充水水源，但导水裂缝带波及K5、K中、K*、K4含水层，此4层含水层水是矿井主要顶板直接充水水源，因主采煤层位于4层含水层之下，在现场以顶板水形式出现井田范围内5号煤底面标高+185～+304 m，太原组K2灰岩水水位标高+379.95～+402.15 m，区域奥灰水位为+370 m，5号煤处于带压状态。

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷留设与压煤开采规范》中煤炭开采底板破坏深度计算公式，以本矿某工作面为例，采深为410～460 m，平均约440 m，工作面斜长180 m，煤层倾角4°～7°，平均6°。

h=0.008 5H+0.166 5α+0.109 7L-4.357 9

(1)

式中，h为底板采动导水破坏深度，m；H为采深，m；α为煤层倾角，(°)；L为工作面斜长，m。

计算得底板破坏深度：h=20.128 9 m。

依据地质资料，井田所有区域均属于承压区域，煤层底板与奥灰岩顶界面间距在50～70 m，5号煤底板与K2灰岩顶界面间距均在11～25 m之间，综合以上数据，大部分区域K2含水层位于煤层底板破坏带以内，使其成为煤层开采的直接底板充水含水层。在无奥灰水补给的条件下，太原组含水层富水性较弱，易于疏干，本身不会形成大的突水。

根据统计钻孔资料计算突水系数，均小于临界安全突水系数0.06 MPa/m，因此，正常情况下，奥灰含水层水直接突入矿井的可能性小。但奥灰岩溶水水头压力高，富水不均，且太原组下部隔水岩层不稳定，在隐伏断层、陷落柱及裂隙发育区，可能存在奥灰水导水通道。综上分析，奥灰为矿井的底板间接充水含水层。

4 矿井涌水量变化分析

根据矿井日常的涌水量观测资料，目前矿井涌水量的组成主要包括主井斜巷进水、巷道系统和工作面涌水等，日常采用流速仪法、漂移法、容积法等每月分3次测定。矿井目前涌水量在65～82 m3/h，迄今为止未发生明显的突水事故。

表1 百良煤矿2012—2019年度平均矿井涌水量一览Table 1 List of average mine water inflow in Bailiang coal mine from 2012 to 2019

依据以上数据不难看出，2012—2015年矿建期间，因开拓巷道不断延伸，涌水量有不断增加的趋势，2015年涌水量达到最大，综合分析，可能与新出现的出水点有关，但此类出水点涌水量后期逐渐减小甚至为0，2015—2018年完成402工作面回采并封闭后，2018年以来接续5号煤层工作面截止目前暂未出现大于20 m3/h的涌水，因此2019年趋于减小趋势。

矿井在2019年全年正常回采，因此综合气象观测资料，以2019年数据为例，7～9月份为雨季，对比涌水量变化，期间涌水量并没有特别明显的增大趋势，证明了大气降水对井田内补给有限，对矿井涌水量的影响较小，见表2。

表2 百良煤矿2012—2019年月度平均矿井涌水量一览Table 2 List of average mine water inflow in Bailiang coal mine from 2012 to 2019

5 结论及防治水工作建议

(1)受采掘影响的K5、K中、K*和K4砂岩含水层和K2灰岩含水层为矿井主要的充水水源，补给条件一般，K2含水层与奥灰含水层之间的水力联系不明，有待进一步研究。

(2)矿井水文地质条件较为复杂，因前地质报告收集资料有限，导致与实际稍有出入，在今后工作中应做好资料收集工作。

(3)根据矿井年平均涌水量与降水量的数据分析可知，二者变化相关性较小，但可以推断大气降水的补给很可能另有排泄区域，在今后水文地质工作中应进行进一步调查分析。

(4)加强水害防治工作，在防治水工作中应采用多种方法探测水文地质条件,对5号煤层采动影响范围内的顶底板含水层尤其是奥灰富水性及导水通道进行勘探研究,提高准确度，做到针对性防治。

(5)工作面在接近小倾角的断层区易形成的导水裂缝带较长，易导通含水层，应加强观测预警。

(6)优化巷道布置，尽可能地少穿断层, 减少巷道交叉。加强对断层富水性的探查工作，在导水断层影响区域留煤柱开采,减少底板突水的影响范围和因素。