侏罗纪浅埋煤层开采典型水害模式及分区

苗彦平，蔚 波，姬中奎，陈小绳，路 波，薛小渊

（1.陕煤集团神木红柳林矿业有限公司，陕西 神木 719316；2.煤炭科学研究总院，北京 100013；3.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；4.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077；5.陕西省“四主体一联合”黄河流域中段矿区（煤矿）生态环境保护与修复校企联合研究中心，陕西 西安 710077）

“十三五”以来，西部侏罗纪煤田已经成为我国煤炭资源开发的主战场，煤层开采普遍面临顶板水威胁[1]，尤其是侏罗纪浅部煤层开采过程中，导水断裂带发育，常沟通上覆多个充水含水层（体）[2]，顶板水害问题更加复杂。实际工作中，针对不同类型或不同威胁程度的顶板水害类型，煤矿现场采取不同的防治措施。例如，对于可疏型顶板含水层（体），一般采取顶板水预疏放的方法，对于地表水体或强富水、强补给含水层（体），一般采用留设防隔水煤（岩）柱的方法等[3-6]。但不管是采取哪种措施，水害危险性分析评价是顶板水害防治工作的基础。

目前，煤矿水害危险性评价工作主要是通过耦合富水性分区和导水断裂带发育规律计算结果，绘制突水危险性分区图，并人为给定分区标准，将研究区划分成不同等级的突水威胁程度[7-14]。以往突水危险性指标计算多是针对导水断裂带能够波及到的含水层岩性特征或构造特征参数，利用统计数学原理进行的。古气候条件沉积形成的不良地质体、现代地貌切割岩层造成的煤层风氧化、甚至是烧变作用，往往形成良好的富导水体，对煤层开采威胁程度往往更大，但相应的水害模式及分区研究相对较少[15-20]。

实际上，古气候条件沉积作用形成的弱胶结地层、古直罗河，以及水力或风蚀切割形成的沟谷附近煤层烧变岩和风氧化带在新疆、宁夏以及陕西等西部大型煤炭基地广泛发育，造成了多起顶板突水、甚至突水溃砂灾害，严重威胁煤炭资源开发。

陕北煤炭基地侏罗纪浅部煤层开采面临顶板风化基岩水、第四系潜水、古直罗河以及烧变岩水等多种水害威胁，井巷开拓以及煤矿防治水工作的正常开展受到较大影响。为此，选择区内水害类型较多的某矿3-1煤为研究对象，通过计算并绘制煤层开采导水断裂带发育高度等值线图，分析主要充水含水层威胁程度，提出基于煤矿水害类型的水害模式划分方法，并进行研究区水害模式分区，为类似条件矿区煤矿水害特征研究提供参考。

1 研究区地质水文地质条件

研究区位置如图1。红柳林煤矿位于陕西省神木市西北部约15 km处，井田东以5-2煤自燃边界为界井田南北宽约5.90～7.70 km，东西长约17.60～19.40 km，面积138.372 4 km2。研究区地处鄂尔多斯聚煤盆地腹地，地层近水平状，地层总体为NWW向缓倾斜、倾角不足1°的单斜构造，局部地段发育有缓波状起伏，构造极为简单，仅矿区北部有为数不多的高角度正断层。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area in the coal mine

井田地处黄河一级支流窟野河流域。井田内部发育有芦草沟，汇入南部的麻家塔河，流量一般为500 L/s。

研究区A-A′水文地质剖面图如图2。研究区内含水层可划分为第四系全新统冲积层孔隙潜水含水层（Q4al）、第四系松散层孔隙潜水含水层（Q4eol+Q3s），中更新统离石组黄土孔隙裂隙潜水含水层（Q2l），侏罗系中统直罗组、延安组风化基岩裂隙承压水含水层，侏罗系下统富县组砂岩裂隙含水层，三叠系上统永坪组砂岩裂隙含水层，烧变岩裂隙孔洞潜水含水层。隔水层为新近系上统保德组（N2b）黏土隔水层，以棕红色黏土为主，结构致密、坚硬，该隔水层分布在第四系与侏罗系地层之间，是本区地下水潜水主要的隔水层。

图2 研究区A-A′水文地质剖面图Fig.2 Geological cross-section A-A′in study sit

根据红柳林煤矿地质与水文地质条件，煤层第四系松散岩类潜水、顶板砂岩裂隙水和各煤层火烧区形成的烧变岩水是矿井主要充水水源。

2 充水要素

2.1 主要充水含水层（体）及分布

在矿井水文地质条件分析结果基础上，结合多年来矿井生产实践过程中所受水害情况，研究区煤矿顶板充水水源有4类。

1）风化基岩裂隙含水层。风化基岩裂隙水主要来源于直罗组风化基岩含水层，该含水层基本上全区分布，由于受到风化作用的影响该地层上部层段，甚至全部以致部分延安组顶部层段全部成为风化岩层，岩层严重风化至中等风化，风化裂隙发育，具有较好的渗透性及储水条件，富水性强，往往侧向补给也较强。

2）松散层含水层。此类水害主要来源于本区第四系萨拉乌苏组含水层，以细砂、中砂为主，由于沉积受古地形制约，各地厚度差异较大，主要分布在井田西部。在古沟槽及低洼中心沉积最厚，向两侧逐渐变薄，有些至分水岭处尖灭。在局部地段如河谷、古冲沟一带易形成富水区，这些地段内由于煤层埋藏浅，基岩较薄，砂层含水层厚度大，回采过程中冒裂带导通砂层含水层，会出现较大涌水。

3）烧变岩孔隙裂隙含水层（体）。从矿区尺度分析，烧变岩属于主要的特殊含水层，井田内分布于芦草沟、麻家塔沟等沟谷两岸厚煤层露头区，煤层自燃后，含煤地层顶板岩性原生结构发生变化，形成烧熔、烧变、烘烤特殊岩类，富水性差异极大，主要受补给条件、隔水底板发育程度及地貌形态的控制，并与烧变岩裂隙的发育程度密切相关。总体来看，矿区内该层总体概述为富水性较强。3-1煤层主要在北二盘区以及南二盘区局部存在火烧区，井田内烧变岩含水层极有可能影响本层煤和下伏煤层的开采。

4）古直罗河含水体。红柳林井田与古直罗河位置关系及烧变岩露头分布图如图3。另外，根据区域勘探资料，红柳林井田西翼与古河流阶地重叠，2011年，柠条塔煤矿南翼首采工作面S1210出现较大规模涌水，最大涌水量达到1 300 m3/h，目前涌水量仍保持在400 m3/h左右，2019年，红柳林煤矿西一盘区矿井掘进过程中最大涌水量超过700 m3/h，部分学者认为柠条塔煤矿、红柳林煤矿矿井涌水量较大的原因与北西-南东向分布的古河道冲刷带密切相关[21-22]。因此，红柳林煤矿西翼采掘过程中受直罗河水害威胁较为严重。

图3 红柳林井田与古直罗河位置关系及烧变岩露头分布图Fig.3 The position relationship between Hongliulin mine field and ancient Zhiluo river and the distribution map of burnt rock outcrops

2.2 导水断裂带发育特征

红柳林煤矿充水通道主要是采矿扰动形成的顶板裂隙。由于3-1煤层埋藏深度较浅，根据各可采煤层导水断裂带最大高度计算，各可采煤层导水断裂带高度大于相邻两煤层间的距离，且导水断裂带互相叠加。大部分地区导水断裂带可直达地表，沟通第四系松散层潜水和地表水，组成间接的充水水源。对3-1煤导水断裂带发育高度进行计算，计算依据与结果如下：

《矿区水文地质工程地质勘探规范》公式法：

式中：Hf2为导水断裂带高度，m；M为2煤采厚，m；n为煤层开采层数。

《煤矿防治水手册》公式法：

红柳林井田3-1煤顶板导水断裂带计算成果见表1。2种经验公式计算结果裂采比基本一致。为了安全考虑，3-1煤开采裂采比取17。

表1 红柳林井田3-1煤顶板导水断裂带计算成果Table 1 Calculation results of water flowing fractured zone in roof of 3-1 coal seam in Hongliulin mine field

3-1煤层导水断裂带波及顶板层位分区。在2-2煤分布区，3-1煤到2-2煤厚度为28.16～47.19 m，平均32.69 m，导水断裂带高度31.16～52.99 m，平均47.57 m。3-1煤开采导水断裂带将能够突破2-2煤，进入正常基岩。在2-2煤剥蚀区，3-1煤采动导水断裂带将直接进入正常基岩内，在薄基岩或地表沟谷区域，导水断裂带将直达地表，红柳林井田3-1煤层导水断裂带等值线图如图4。

图4 红柳林井田3-1煤层导水断裂带等值线图Fig.4 Isogram of water flowing fractured zone in 3-1 coal seam of Hongliulin mine field

3 煤层开采水害模式及分区

3.1 煤层开采水害模式

根据3-1煤开采充水水源以及导水裂隙带发育规律分析结果，可将研究区3-1煤开采主要的水害模式划分成顶板单一含水层水害、顶板复合含水层水害以及顶板古直罗河水害等模式。

3.1.1 煤层开采顶板单一含水层水害模式

井田范围内，由于地形及水力冲蚀等因素影响，沟谷较发育，浅部煤层及岩层在沟谷处出露、剥蚀，受气候因素长期作用影响，分别发生烧变和风化，形成良好的含导水地层。根据井田地层组合特征，单一含水层水害类型主要分布在沟谷相对发育地段，这些区域第四系松散层较薄，甚至缺失，导水裂隙带可沟通至地表。根据充水水源的不同，单一含水层水害类型主要分为顶板烧变岩水害型（Ⅰ-1型）、顶板风化基岩水害型（Ⅰ-2型），顶板单一含水层水害模式如图5。

图5 顶板单一含水层水害模式Fig.5 Water damage mode of single roof aquifer

1）顶板烧变岩水害型（Ⅰ-1型）。主要是下伏煤层开采导水断裂带波及上覆煤层烧变岩含水层，根据各煤层导水断裂带发育高度计算结果，该类型水害一般发生在相邻煤层下伏煤层采动过程，主要分布在各煤层烧变岩露头向内一定距离。

2）顶板风化基岩水害型（Ⅰ-2型）。主要是煤层开采导水断裂带波及直罗组风化基岩含水层，根据各煤层导水断裂带发育高度计算结果，该类型水害一般发生在开采煤层埋深较浅的区域。

3.1.2 煤层开采顶板复合含水层水害模式

井田内部分区域存在埋深相对较深的隐伏烧变岩和风化基岩含水层。根据煤层开采导水断裂带发育高度与上覆主要含水层间的位置关系，将煤层开采受到复合含水层水害主要分为顶板烧变岩直接-松散层间接水害型（Ⅱ-1型）、顶板风化基岩直接-松散层直接水害型（Ⅱ-2型）、顶板烧变岩直接-松散层直接水害型（Ⅱ-3型）以及顶板风化基岩直接-松散层间接水害型（Ⅱ-4型）等模式。顶板复合含水层水害模式如图6。

图6 顶板复合含水层水害模式Fig.6 Water damage mode of roof composite aquifer

1）顶板烧变岩直接-松散层间接水害型（Ⅱ-1型）。主要是下伏煤层开采导水断裂带能够直接波及上覆煤层烧变岩含水层，但未波及松散层含水层，松散层含水层通过垂向或绕流方式间接充水，根据各煤层导水断裂带发育高度计算结果，该类型水害一般发生在煤层埋深相对较深的相邻煤层下伏煤层采动过程，主要分布在烧变岩内侧区域（即Ⅱ-1型内边界至烧变岩熄火边界）。

2）顶板风化基岩直接-松散层直接水害型（Ⅱ-2型）。主要是上部煤层开采导水段磊带波及直罗组风化基岩含水层，同时沟通松散层含水层，但未发育至地表，直罗组风化基岩和松散层含水层均直接充水，根据煤层导水断裂带发育高度计算结果，该类型水害一般发生在开采煤层埋深较浅的Ⅰ-1型与Ⅰ-2型过度地带。

3）顶板烧变岩直接-松散层直接水害型（Ⅱ-3型）。主要是下伏煤层开采导水断裂带波及上覆煤层烧变岩含水层，同时，波及松散层含水层或风化基岩含水层等，复合含水层水均直接充水，根据煤层导水断裂带发育高度计算结果，该类型水害一般发生在Ⅱ-2型向Ⅱ-1型过度地带。

4）顶板风化基岩直接-松散层间接水害型（Ⅱ-4型）。主要是上部煤层开采导水断裂带波及直罗组风化基岩含水层，但未波及松散层含水层，松散层含水层通过垂向或绕流方式间接充水，根据煤层导水断裂带发育高度计算结果，该类型水害一般发生在Ⅱ-2型向Ⅱ-3型过度地带。

3.1.3 煤层开采顶板古直罗河水害模式

根据以往勘探资料，部分学者提出了神南矿区西南发育有古直罗河，赋存于延安组煤层以上，成为煤层开采具有较大威胁的充水水源。且部分区段由于保德组隔水层的缺失，古直罗河直接与松散层接触，地表水、大气降水成为其直接的补给水源，煤层开采、特别是浅部煤层开采导水裂隙带波及古直罗河、或波及直罗河与松散层，极易产生集中涌水、甚至溃水溃砂（沙）灾害，根据煤层与古直罗河、松散层等地层之间的关系，提出的顶板古直罗河水害模式（Ⅲ-1型）如图7。

图7 顶板古直罗河水害模式（Ⅲ-1型）Fig.7 Water damage model of ancient Zhiluo river

3.2 研究区水害模式分区

1）煤层开采顶板单一含水层水害分区。煤层开采顶板单一含水层水害按照其充水水源不同分为顶板风化基岩水害型和顶板烧变岩水害型。其中，顶板风化基岩水害型主要集中分布于西一盘区，煤层埋藏较浅，3-1煤层开采的导水断裂带波及到直罗组风化基岩含水层，使其成为充水水源，同时该井田内部分盘区存在隐伏烧变岩含水层，烧变岩水也将成为3-1煤层及其下伏煤层开采的充水水源，形成顶板烧变岩水害型。

2）煤层开采顶板复合含水层水害分区。井田范围内煤层开采顶板复合含水层水害模式主要存在顶板风化基岩直接-松散层直接水害型和顶板风化基岩直接-松散层间接水害型2种类型。在井田内2-2煤层剥蚀区，导水断裂带发育高度较高，突破直罗组风化基岩含水层后可直接沟通松散层含水层，基岩含水层与松散层含水层同时成为充水水源，形成顶板风化基岩直接-松散层直接水害型；在开采煤层上方2-2煤未剥蚀区域，导水断裂带发育同样直接突破基岩，但未直接波及松散层含水层，使其通过侧向等方式进行补给，松散含水层成为其间接充水水源，该区域水害类型为顶板风化基岩直接-松散层间接水害型。

3）煤层开采顶板古直罗河水害分区。古河道与古河流阶地主要发育在矿区西南部，该区域内由于存在保德组隔水层缺失的情况，地表水体直接补给古直罗河，成为充水水源，对煤层开采造成威胁。

3.3 水害模式突水风险性

煤层开采顶板单一含水层水害模式中，烧变岩水害型在区域内呈零星分布，单位涌水量为0.003 984～0.013 90 L/（s·m），富水性较弱，具有较好可控性，一般对煤层开采不会构成较大威胁，突水风险较小；顶板风化基岩水害型主要分布于西一盘区，其充水水源直罗组风化基岩含水层具有较好的渗透性和储水条件，单位涌水量为0.015 404～3.775 585 L/（s·m），富水性不均匀，部分区域具有强富水性，且由于局部存在基岩薄、砂层厚的情况，所以成为突水溃沙危险区域，有较大突水风险。

煤层开采顶板复合含水层水害模式中，2种水害类型充水水源均为直罗组风化基岩含水层和第四系松散层潜水含水层，松散层潜水含水层透水性好，富水性为弱～中等，涌水量受季节影响明显，在开采过程中若导水断裂带发育导通两含水层则使其成为强富水性，在部分地段存在隔水层厚度较薄区域、基岩裸露易汇水区域和由于地面沟谷切割造成局部隔水层缺失的区域，两含水层中的水源可能通过裂隙进入井下，对工作面构成威胁，具有较大突水风险。红柳林煤矿3-1煤开采水害模式分区如图8。

图8 红柳林煤矿3-1煤开采水害模式分区Fig.8 Division of water disaster model

煤层开采顶板古直罗河水害模式主要发育在井田西部，处于直罗期古河流的边缘至尖灭地带，前期勘探表明，井田部分区域顶板遭到古河流侵蚀，富水性较好，水量较大。同时由于部分区域保德组隔水层缺失，古直罗河与松散层直接接触，地表水体及大气降水成为其补给水源，浅部煤层开采极易产生集中涌水，因此也具有较大突水风险。

4 结 语

1）按照区域内水害产生原因的不同，划分出3种主要水害模式，分别为：单一含水层水害类型、复合含水层水害模式和古直罗河水害模式。单一含水层水害模式，可分为顶板烧变岩水害型、顶板风化基岩水害型；复合含水层水害模式可分为顶板烧变岩直接-松散层间接水害型、顶板风化基岩直接-松散层直接水害型、顶板烧变岩直接-松散层直接水害型以及顶板风化基岩直接-松散层间接水害型等；古直罗河接受大气降水等补给成为充水水源而造成的水害威胁为古直罗河水害模式。

2）综合分析地质条件、2-2煤层剥蚀情况及导水断裂带发育高度，对3种水害模式进行分区：单一含水层水害型主要分布于导水断裂带波及基岩风化含水层区域，以及煤层上覆存在隐伏烧变岩含水层区域；复合含水层水害型分布于导水断裂带突破基岩区域，结合2-2煤剥蚀情况，进一步划分为顶板风化基岩直接-松散层直接水害型和顶板风化基岩直接-松散层间接水害型；古直罗河水害型主要分布于古直罗河和古河流阶地发育区域。

3）根据各含水层分布范围、充水条件等因素分析，结合可能存在的导水通道，对不同水害模式突水风险性进行评价：顶板单一含水层水害模式中烧变岩水害型突水风险较小，顶板风化基岩水害型突水风险较大；煤层开采顶板复合含水层水害模式、煤层开采顶板古直罗河水害模式均有较大突水风险。