长治三元晋永泰煤矿水文地质条件分析

张岩旗

（山西长治三元晋永泰煤业有限公司 山西 长治 047100）

关健词：水害问题；水文地质条件；导水裂隙带；水文地质类型

晋永泰煤业位于山西省长治县县城南约15 km处的内王村，位于沁水煤田东南部边缘。区内大部为第四系黄土覆盖，西部与北东部局部出露有二叠系下统山西组、下石盒子组、二叠系上统上石盒子组地层，含煤地层主要为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组[1-2]。本区太行山段在这个一级隆起带上发育有二级隆起和凹陷，煤矿位于太行山隆起之西翼，晋霍褶断带南部东侧。受区域构造的影响，区内发育有轴向北东或北西向宽缓的波状褶皱构造，地层倾角约3°～6°。区域年降水量在433.2 mm～814.3 mm，平均532.8 mm，大多集中在7、8、9月份，研究区属于海河流域漳河水系浊漳河南源淘清河支流的内王河，内王河沟平时干涸无水[1-2]。

1 矿井水文地质

1.1 含水层发育特征

1.1.1 第四系松散岩类孔隙含水层

岩性主要为亚砂土，底部偶夹砂砾层，厚度变化较大，由于其所处位置不同，富水性变化较大，区内王河河床地带及其两侧的河漫滩的砂砾层富水性较好，山梁等位于高处侧仅透水而不含水，动态观测资料水位年变化幅度0.79 m～1.46 m。

1.1.2 基岩风化带含水层

厚度因风化带发育深度而异，风化带深度一般为30多米，风化裂隙发育，受地形条件限制，富水性变化较大，主要接受大气降水和第四系含水层的补给，在煤矿中部和东南部地势平坦，富水性较好。在东北部和西北部的山梁上，富水性差。

1.1.3 二叠系碎屑岩类砂岩裂隙含水层

本含水层由山西组、上、下石盒子组地层中的多层细、中、粗粒砂岩组成，为碎屑岩类砂岩裂隙含水层，一般富水性弱，由于各煤矿采煤排水，该含水层已基本被疏干。单位涌水量q=0.002 8 L/s.m，渗透系数k=0.014 6 m/d，水位标高+1 094.11 m，为弱富水性含水层，水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Na型。

1.1.4 石炭系上统太原组碎屑岩裂隙夹碳酸岩岩溶裂隙含水层

本含水层出露于煤矿东部，含水层主要为石灰岩及砂岩，含水层是以岩溶裂隙为主，由K2、K3、K4、K5、K6共5 层灰岩，累计厚度13.50 m～25.60 m，含砂岩1～5层，累计厚度9.70 m～34.80 m；其中K2石灰岩是15 号煤层的老顶。据W2号水文孔该含水层资料，单位涌水量q=0.003 5L/s·m，渗透系数k=0.014 5 m/d，水位标高+1 064.23 m。为弱富水性含水层，水化学类型为HCO3·SO4-Na·Ca型。

1.1.5 奥陶系中统峰峰组碳酸盐岩溶裂隙含水层

上部主要为石灰岩，偶有泥质灰岩，裂隙被方解石充填；中部为石灰岩、泥质灰岩、角砾状灰岩、白云质灰岩等，具少量溶隙；下部为白云质灰岩夹薄层石膏，泥质灰岩等，结构致密，性脆、局部节理发育，孔隙发育，富水性好。据W2号水文孔（距本煤矿南部边界4 476 m）对该含水层抽水试验资料，单位涌水量q=0.105 2 L/s · m，渗透系数 k=0.425 3 m/d，水位标高+661.08 m，为中等富水性含水层，水化学类型为HCO3·SO4-Ca 型。结合区域水文地质资料推测，本煤矿奥灰水位标高为+655 m～+653 m，奥灰水由西南向东北方向径流。

1.2 隔水层发育特征

（1）太原组15煤以上泥岩隔水层

分布于灰岩及砂岩含水层之间，单层厚度一般2～4 m 不等，阻隔或减弱了含水层之间的水力联系。煤层开采后，随采空区顶板冒落导水裂隙带高度的逐渐增加，将会降低甚至失去其隔水作用。

（2）石炭系上统太原组底部及石炭系中统本溪组隔水层。

主要由具塑性的泥岩、铝质泥岩或粉砂岩组成，底部为铁质粉砂岩，厚度12.86 m～16.90 m，平均厚度14.60 m 左右。据W2号孔岩石物理力学性质试验结果，铝质泥岩抗压强度平均14.1 MPa，抗拉强度平均0.69 MPa，真密度2 729 kg/m3，属软弱岩石。老底为中、细粒砂岩，平均厚度1.20 m，致密坚硬。细粒砂岩抗压强度平均45.3 MPa，抗拉强度平均2.14 MPa，真密度2 635 kg/m3，属中硬岩石～坚硬岩石。该隔水层裂隙不发育，透水性差，平行不整合于峰峰组灰岩岩溶含水层之上，阻隔其上、下含水层的水力联系。

1.3 地下水的补、径和排特征

本煤矿位于长治县荫城镇一带，属辛安泉域南部补给径流区。井田内无奥陶系地层出露，属岩溶埋藏区，岩溶地下水赋存运动规律受整个系统的补、径、排条件制约。井田边界与周边矿井之间无天然隔水边界，各含水层水均沿隔水层面由高向低径流运动，各含水层在水平方向与相邻煤矿均存在自然水力联系。在井田东南部有3#煤层的隐伏露头，构成了井田3#煤层及其上覆含水层的自然边界，在露头处主要接受第四系含水层及大气降水的补给。井田内地下水总体上由西南向东北径流。垂向上各主要含水层之间存在隔水层，且隔水性能良好，各含水层之间的水力联系较弱。

2 矿井充水因素分析

2.1 充水水源

2.1.1 大气降水

3#煤、15#煤层在煤矿东部埋深较浅，两煤层导水裂隙带最大高度分别为90.45 m、108.98 m，在浅埋区能够达到地表，大气降水可直接通过采空区地表塌陷、裂缝直接进入井下。受季节性影响，矿井涌水量具有明显的动态变化特征，在雨季矿井涌水量显著增加。煤矿西部两煤层埋藏较深，再加上上部较厚的泥岩、砂质泥岩等隔水层的阻隔，大气降水对矿井充水的影响较为微弱[3-5]。

2.1.2 地表水

区内无常年性河流和地表水体，区内沟谷纵横，冲沟发育，较大的河沟为内王河河沟，为季节性河沟。雨季时洪水汇集沿内王河沟向南排泄，之后向东汇入淘清河，最大流水量为0.1 m3/s～0.2 m3/s，平时干涸无水。

2.1.3 3#煤层顶板砂岩裂隙水

3#煤层顶板砂岩裂隙含水层将通过煤层顶板冒落导水裂隙带向矿井充水，成为矿井充水的充水水源。据W2号水文孔对山西组砂岩裂隙含水层和下石盒子组砂岩裂隙含水层混合抽水试验资料来看，该含水层为弱富水性含水层，但是富水性不均一，局部富水性较好，补给条件较差，以静储量为主，采掘过程中主要以滴水、淋水的形式进入矿井，易于疏干[3-5]。

2.1.4 15#煤层顶板含水层水

K2灰岩为 15#煤层直接充水含水层，K3、K4灰岩为15#煤层间接充水含水层。根据钻孔对太原组灰岩含水层抽水资料来看，该含水层富水性弱。但根据矿井实际开采情况来看，在局部灰岩岩溶裂隙发育区，K2灰岩对矿井充水的影响大，要引起足够的注意。

2.1.5 奥灰水

奥陶系中统石灰岩是煤系地层下伏主要含水层。区内奥灰水位标高为+655 m～+653 m，径流方向西南向东北方向。区内3 号煤层底板最低标高为+900 m，9#煤层底板最低标高为+855 m，15#煤层底板最低标高为+815 m，3#、9#、15#煤层底板标高均高于奥灰水位，故不存在奥灰水带压开采问题，奥灰水对煤层开采无影响。

2.1.6 采空区积水

据本次调查，目前井田内3#煤层有5 处采空积水区，估算采空积水区面积约32 748 m2，积水量约52 611 m3，见图1。15#煤层有8处采空积水区，估算采空积水区面积约234 043 m2，积水量约307 799 m3，见图2。周边采空区积水：周边矿井除井田北部的山西长治羊头岭红旗煤业有限公司与晋永泰煤业相邻处存在3 号煤层采空积水区，积水面积约491 600 m2，该积水区距晋永泰煤业边界约150 m，正常情况下对晋永泰煤业未来15#煤层的开采影响较小，其他矿井与晋永泰煤业相邻200 m范围内无采空区积水。

图1 3#煤层采空区及积水区分布示意图

图2 15#煤层采空区及积水区分布示意图

2.2 充水通道

2.2.1 天然通道

根据现有资料，目前煤矿南部发育2条正断层，根据井下实际揭露资料，采掘活动揭露断层时涌水量无明显变化，仅有少量淋水，且持续时间短，断层富水性弱。

2.2.2 人为通道

煤矿批准开采3#～15#煤层，煤层为缓倾角煤层，3#煤层顶板为砂质泥岩、泥岩，9#煤层顶板为砂质泥岩，15#煤层顶板为泥岩、石灰岩。根据《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》及《煤矿防治水细则》中的冒落带、导水裂隙带经验公式进行计算并选取计算的最大值。3#煤层导水裂隙带最大高度为90.45 m，9#煤层导水裂隙带最大高度为36.08 m，15#煤层导水裂隙带最大高度为108.98 m。

3#煤层底距9#煤层顶平均间距为47.00 m，9#煤层底距15#煤层顶平均间距为41.00 m，根据导水裂隙带计算结果，15#煤层开采形成的导水裂隙带在局部地段可沟通3#煤层老空区积水及物探解释的采空积水异常区。未来采掘活动范围内，15#煤层埋深约120 m～275 m，15#煤层导水裂隙带高度无法直接导通地表，但在上覆3#煤层导水裂隙带影响下，局部可间接沟通地表。故未来15#煤层的采掘活动将受大气降水及地表水影响。

2.3 矿井涌水量

根据矿方提供的2017年1月～2020年5月矿井涌水量台账统计，矿井正常涌水量74 m3/h，最大涌水量94 m3/h。结合降雨量、产量、掘进进尺资料，绘制了矿井涌水量与各种相关因素动态曲线图。根据图3 分析：矿井涌水量与降雨量呈正相关关系，而与产量、掘进进尺的关系不明显。由于地层内含水层蓄积一定的水量，会对矿井形成补给，虽然降雨量为零，矿井涌水仍然有一定的数值。

图3 矿井涌水量与各种相关因素动态曲线图

3 矿区水文地质类型

计划开采的15#煤层导水裂隙带高度无法直接导通地表，但在上覆3#煤层导水裂隙带影响下，局部可间接沟通地表。15#煤层顶板水主要为K2、K3、K4等灰岩含水层水，其间夹数层泥岩、砂质泥岩等隔水层，相对削弱了各含水层之间的水力联系，是15#煤层直接或间接充水含水层，该含水层厚度薄，富水性变化大。井田内15#煤层底板标高高于奥灰水水位标高，不存在奥灰水带压开采问题，未来采掘活动不受奥灰水的影响。分析认为受采掘破坏或影响的含水层及水体有一定的补给水源，但补给条件一般，按照《煤矿防治水细则》分类依据，矿区水文地质类型为中等型。

4 结论

（1）煤矿区内存在3#、15#煤层采空区积水，未来开采15#煤层时受同层及上覆3#煤层采空区积水的影响。采空区积水是矿井今后生产所面临的主要水害，故在生产中要按照“预测预报、探掘分离、有掘必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则。

（2）针对未开计划开采的15#煤层埋藏较浅，煤层开采形成导水裂隙带在部分地段能沟通地表，要做好“雨季”三防各项工作，在地面同其它部门配合及时清挖水沟，保证流水畅通。检查地面是否有裂缝和塌陷坑，发现以后要及时充填，对未填实井筒及封闭不良钻孔等进行回填密实，防止大气降水及地表水通过这些导水通道灌入井下，酿成水灾事故。