煤层底板水对煤层开采的内在影响

赵建忠，刘兴学，哈斯特尔·胡完

（新疆哈密三塘湖能源开发建设有限公司，新疆 哈密 839000）

我国是一个煤炭资源丰富的国家，在煤炭开采过程中，突水频率与水害事故居高不下，水害是煤矿安全生产重大灾害之一。伴随着露天煤矿采深的增加，地下含水层逐步揭露。在开采过程中若遇到矿区涌水量大、煤层底板突水系数逐渐增大的问题，将对煤矿的安全生产造成极为不利的影响[1-3]。

以石头梅一号露天煤矿为例，从含水层、隔水层和以往抽水试验数据等方面，研究9－1 煤层底板水文地质条件[4-5]，并结合采矿现状地质、工程地质、水文地质情况，辨识9－1 煤层底板水突水的危险源，根据9－1 煤层底板岩石物理力学特征、构造发育状况以及涌水量等，评价9－1 煤层底板水的危险性。为露天采场水害防治提供一定依据，从而降低煤层开采的水害事故。

1 矿区地质

三塘湖石头梅一号露天煤矿矿区位于石头梅凸起西南部，夹于汉水泉凹陷和条湖凹陷之间，已查明发育断层5 条，构造属简单型。正断层属于张性断裂透水性强，逆断层属于压性断裂透水性弱。

三塘湖石头梅一号露天煤矿矿区沉积特点为古生代－中新生代陆相沉积，地层主要有三叠系（T）、侏罗系（J）、新近系（N）、第四系（Q）。

1）三叠系。以湖泊相沉积为主，夹河流相、泥炭沼泽相沉积，为非含煤沉积。岩性为红棕色泥岩与灰绿色粉砂岩互层。厚层砂砾岩与上覆侏罗系地层整合接触。

2）侏罗系。侏罗系在本区发育下侏罗统八道湾组（J1b）、三工河组（J1s）及中侏罗统西山窑组（J2x）、头屯河组（J2t）。从侏罗世中晚期开始沉积，八道湾后期沉积较少，以辫河状沉积为主；三工河期，随着水位的上升，转变为湖滨相；西山窑期，伴随着基底上升，盆地准平原化。以曲流河相沉积为主，河岸沼泽沉积了巨厚煤层，古气候向干旱－半干旱沉积环境转变，形成红绿相间为特征的沉积组合。其中西山窑组（J2x）为矿区的含煤地层。具体为：①下侏罗统八道湾组（J1b）：下侏罗统八道湾组为辫河状相沉积，广泛分布于矿区内，岩性以深灰色粉砂岩、灰黑色泥岩为主，夹薄层中砂岩、砂砾岩、炭质泥岩，地层平均厚度139.35 m，地层厚度总体呈西薄东厚的趋势，根据以往钻探资料显示，该组地层不含煤，与下伏三叠系上统郝家沟组整合接触；②下侏罗统三工河组（J1s）：下侏罗统三工河组为辫状河、湖滨相沉积，广泛分布于勘查区内部，主要岩性以灰色粉砂岩、泥岩、砂岩与砂砾岩不等厚互层，局部夹炭质泥岩和薄煤层，地层平均厚度93.81 m，地层厚度总体趋势变化不大，与下伏八道湾组呈整合接触；③中侏罗统西山窑组（J2x）：主要为湖沼相沉积，广泛分布于勘查区内部，岩性上粗下细，为本区的含煤地层，岩性以灰色、浅灰、灰绿色的粉细砂岩为主，灰白中粗砂岩、砂砾岩次之，可见植物化石碎片及少量暗色矿物，地层平均厚度272.99 m，该地层为矿区含煤地层，含煤9 层，与下伏三工河组呈整合接触。

3）新近系。为内陆湖相沉积，主要有砾岩、泥岩、钙质结核等。岩性上部为红色泥岩、紫红色粉砂质泥岩组成；下部为灰白色钙质砾岩，夹具明显棱角状的灰白色钙质团块。地层厚度总体变化趋势为南薄北厚、西薄东厚。与下覆侏罗系地层不整合接触。

4）第四系。在矿区大面积第四系覆盖，岩性为灰色洪积砾石层，未胶结，一般层理不清。地层总体呈西薄东厚、南薄北厚的趋势。

2 水文地质

石头梅煤矿位于三塘湖盆地水文地质单元的排泄区，地下水类型包括基岩裂隙水、碎屑岩类孔隙裂隙承压水及多层结构的松散岩类孔隙潜水－碎屑岩类孔隙裂隙承压水，富水性变化较大。矿区南侧为西南逆冲推覆，南侧山前断裂接受山区地表、地下水的侧向补给。山区地下水通过侧向径流的形式向平原区排泄，平原区地下水除接受山区地下水侧向径流补给外，还接受河流入渗和暴雨洪流的入渗补给；山区及山前洪积平原的洪流对盆地地下水亦有一定的补给。

2.1 煤层底板水文地质条件

9－1 煤层地板水位于侏罗系西山窑组下段碎屑岩类孔隙、裂隙弱富水性含水层。该含水层岩性以灰色、深灰色中、粗砂岩及砂砾岩为主，该含水层厚度3.84～103.07 m，平均厚度37.51 m。该含水层为煤系地层主要含水层，据以往抽水试验数据反映：单位涌水量为0.002 3～0.005 1 L/（s·m），渗透系数为0.001～0.008 5 m/d，水位埋深为28.1～59.97 m，自然水位标高为717.146～782.824 m，具有一定承压性。水质为微咸水－半咸水，中性水－弱碱性水，为SO4·Cl－Na 型水，为含煤地层直接充水含水层。

在采掘场不断降深过程中，煤层底板与此承压含水层顶界面之间岩层厚度逐渐变薄，突水系数逐渐增大。根据以往9－1 煤层底板施工钻孔数据显示，所揭露的承压含水层水头高度约120 m，计算突水系数为0.017 MPa/m，后期在降深开采11、12 号煤层时，个别地方岩层（隔水层）厚度仅为6 m，计算突水系数为0.132 MPa/m，大于《煤矿防治水细则》规定的0.1 MPa/m，一旦遇见导水断层等异常地质构造，此承压含水层地下水将大量涌入矿坑中，可能造成淹坑的后果，严重威胁煤层开采及生产安全[6-7]。

2.2 充水因素

1）地层岩性。9－1 煤层赋存地层为侏罗系西山窑组，其岩性主要以泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等细颗粒状的岩性为主，局部夹有中、粗砂岩及煤层。通过以往抽水试验的结果显示，单位涌水量一般小于0.1 L/（s·m），表明9－1 煤层赋存地层的渗透性差，富水性弱，从而进一步说明9－1 煤层不利于矿床充水。9－1 煤层底板岩性以粉砂岩为主，次为泥岩、细砂岩，局部含炭质泥岩，一般呈薄层状，层厚最薄约20 m，最厚可超40 m。但粉砂岩、泥质粉砂岩为软岩，遇水易软化、易崩解，孔隙较发育，具有一定透水性，只能划分为相对隔水层。根据目前揭露状况来看，局部底板透水。

2）构造。矿区内部断裂构造发育，在断层两盘有可能形成裂隙集中发育的地段，从而成为矿坑水的主要通道。构造断裂成为充水通道主要取决于断裂本身的水力性质和矿床开采时人为采矿的方式和强度，所以矿区内断层受采动的影响，可能形成即时导水通道，也可能形成滞后导水通道，给采场带来严重的水害威胁[8-9]。矿区内断层大多为逆断层，逆断层属于压性断裂透水性弱。目前采坑9－1 煤层底板揭露正断层，断层走向北东—南西向，断距12 m，走向延伸距离未知。正断层属于张性断裂透水性强，通过目前现状，该处断层是导水通道，9－1 煤层底板水沿断层上涌。随着采矿活动的进行，9－1 煤层底板未查明隐伏断裂构造将陆续揭露。

2.3 水力联系及底板涌水量

1）9－1 煤层底板水与地表水间的水力联系。矿区无地表迳流，但存在罕见的较大的降水过程，在局部低洼处形成暂时地表水体，通过地表岩石的风化裂隙补给地下水的可能。因此，地下水与地表水之间，在特定的环境条件下，存在一定的水力联系。而矿区气候极度干燥，蒸发量远大于降水量，所以，这种补给关系甚微。总体而言，9－1 煤层底板水与地表水之间的水力联系是很微弱的。

2）含水层间的水力联系。9－1 煤层底板含水层位于整个矿区H4 含水层，上部还有3 层含水层。各含水层在矿内广泛分布，揭露厚度较大，含、隔水层呈互层状，各含水层间均有厚层状致密砂岩阻隔，起到了隔水作用，构成总体含水层岩性组合相似的含水层组，自然状态下一般不具水力联系。随着生产活动的进行将会沟通各含水层[10]。

根据以往勘探资料，9－1 煤层底板水为承压含水层，水头高度位120～150 m，影响半径约922 m，含水层涌水量为564 m3/d。

3 底板水的危险性分类及评价

3.1 底板水危险性分类

根据含水层性质条件、断裂构造条件和隔水介质条件复合后确定9－1 煤层底板水危险性的等级。

1）将隔水介质条件和断裂构造条件复合，也就是根据隔水层的岩性和结构特征，将隔水层的隔水性能分为4 类。隔水层的隔水性能分类：①Ⅰ类：隔水性能好，包括泥岩为主型完整结构、砂泥岩复合型完整结构和泥岩为主型块裂结构；②Ⅱ类：隔水性能中等，包括泥岩为主型完整结构、砂泥岩复合型块裂结构和砂岩为主型碎裂结构；③Ⅲ类：隔水性能差，包括泥岩为主型块裂结构、砂泥岩复合型碎裂结构和泥岩为主型碎裂结构；④Ⅳ类：隔水性能极差，包括砂岩为主型松散结构、砂泥岩复合型松散结构和泥岩为主型松散结构。9－1 煤层底板岩性为砂泥岩复合型，块裂结构，隔水性能中等，类别为II 类。不同断裂构造条件的隔水类别见表1。

表1 不同断裂构造条件的隔水类别

2）再与含水层条件复合，复合后构成突水地质条件危险性的等级，并划分为安全（Ⅰ）、中等安全（II）、安全差（III）和安全极差（Ⅳ）4 类。危险性等级划分：①Ⅰ类：采掘工程一般不受水害影响，防治水工作简单；②Ⅱ类：采掘工程受水害影响，但不威胁矿井安全生产，防治水工作简单或易于进行；③Ⅲ类：采掘工程、矿井安全受水害威胁，防治水工程量较大，难度较高，防治水的经济技术效果较差；④Ⅳ类：矿井突水频繁，来势凶猛，含泥沙率高，采掘工程、矿井安全受水害严重威胁，防治水工程量大，难度高，往往难以治本，或防治水的经济技术效果极差。9－1 煤层底板水含水层条件中等，断裂构造条件中等，危险性综合评价为中等，属于Ⅱ类。煤层底板水危险性评价分类见表2。

表2 煤层底板水危险性评价分类

3）综合含水层性质及补给条件、断裂构造复杂程度、隔水介质条件对9－1 煤层底板水危险性等级进行划分，最终得出9－1 煤层底板水危险性等级为中等安全，类别为Ⅱ类。

3.2 底板水的危险性评价

1）9－1 煤层底板水具有一定承压性，底板承压水可在承压含水层上方形成一定范围的承压水导升带，完整底板条件下底板突水事故发生的主要控制因素为底板抗破坏能力以及隔水层厚度，只有在底板破坏区域触及承压水导升带时会导致突水事故的发生[11]。

2）矿区发育多条断裂，目前已查明发育5 条断裂（4 条逆断层、1 条正断层），隐伏断裂随着采矿活动进行逐步揭露。隐伏断裂构造对底板破坏区域及承压水导升带的发育有较大的促进作用，且容易在含水层上方出现岩体破坏情况，煤层开采过程中底板岩层及断层内部发生变形破坏，断层顶部上方水压突变证明了突水事故的发生。

3）鉴于煤矿随着采矿活动的推进，按照设计规划将进行内排作业，由于排弃物岩性多为湿陷性黄土、粉砂岩、泥质粉砂岩、砂砾岩等，胶结性差、遇水易崩解、易软化，若9－1 煤层底板水发生突涌情况势必影响内排土场的整体稳定性。

4）隐伏陷落柱发育条件下，突水事故的发生时间要早于隐伏断裂构造条件，且突水特征更为明显[12]。隐伏构造尤其是隐伏陷落柱的发育明显增大了底板塑性区发育，底板破坏深度增加。

4 结语

1）石头梅一号露天煤矿9－1 煤层底板水具有突水发生的风险，危险性等级为中等安全，类别为Ⅱ类。采取突水危险性评价分类的方法，通过辨识引发突水的潜在影响因素，是底板突水危险源辨识与危险性综合评价的重要环节。

2）石头梅一号露天煤矿9－1 煤层底板岩性遇水易软化、易崩解、孔隙发育，岩层局部较薄弱、厚度较薄，断裂构造发育，地下水类型为承压水的特征是突水风险的潜在危险源。其次，爆破振动、采动影响以及人为因素，也可能诱发突水情况。

3）对煤层底板边形情况监测是防止突水发生的先决条件，简单说煤层底板变形监测更直观，突水现象发生的征兆底板会出现隆起、裂缝、渗水等迹象，出现类似现象说明底板的力学强度不足以支撑下部承压水的水头压力。

4）鉴于矿区断裂构造发育（目前在底板已经揭露到断层），属于力学性质薄弱地带，当地下水水头压力足够大时，地下水将沿着断层面突涌上来，此时的断层构造带将成为导水通道。