平煤十三礦水文地質(zhì)特征及充水因素分析

摘要：本文通過對(duì)平煤十三礦含、隔水層及斷層帶水文地質(zhì)特征的分析，對(duì)現(xiàn)開采二1煤層有影響的主要為地表汝河水、第四系含水層水、二1煤層頂板砂巖水、石炭系灰?guī)r溶巖水和寒武系灰?guī)r水。地表汝河水、第四系含水層水和二1煤頂板砂巖水對(duì)煤層的開采影響較小。受采掘活動(dòng)的影響，煤層底板下的石炭系灰?guī)r溶巖水對(duì)礦井安全生產(chǎn)威脅最大，在遇斷層時(shí)，寒武系灰?guī)r水可能會(huì)通過斷層帶參與補(bǔ)給，要特別注意預(yù)防底板灰?guī)r水突入礦井。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì) 充水因素 十三礦

平煤十三礦位于平頂山煤田的東北部，距平頂山市17km，轄區(qū)屬許昌市襄城縣紫云鎮(zhèn)，歸襄、郟兩縣管轄。礦區(qū)東西走向長(zhǎng)15km，傾向?qū)?.3～5km，面積53.6km2。2008年核定年生產(chǎn)能力為210萬噸/a，主采二1（己15、17）煤層，開采深度由-100m至-800m標(biāo)高。礦井開拓方式采用一對(duì)立井、兩個(gè)水平（-525m、-800m）分區(qū)開拓，采區(qū)上下山開采，采煤方法為走向長(zhǎng)壁式采煤法，現(xiàn)有己一、己二、己三3個(gè)生產(chǎn)采區(qū)和己四準(zhǔn)備采區(qū)。

1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

平頂山煤田構(gòu)造形態(tài)呈現(xiàn)出地壘型的復(fù)向斜構(gòu)造，其座落在汝河和沙河之間的分水嶺地帶，平頂山煤田的四周受到接近南北和接近東西向兩組張性斷裂的控制，構(gòu)成的地壘型斷塊呈現(xiàn)多邊形。其褶曲以李口向斜為主體，向斜西部?jī)A向狀張寨；東部翹起收斂，軸向?yàn)楸蔽?東南方向。十三礦井田處在李口向斜的東北翼，襄郟一號(hào)正斷層以南。詳細(xì)構(gòu)造如圖1-1所示：

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圖1-1 平頂山煤田九里山-十三礦地質(zhì)剖面示意圖

受平頂山煤田的構(gòu)造控制相對(duì)抬起的影響，導(dǎo)致含水層的水力聯(lián)系被切斷，使平頂山煤田成為相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。李口向斜的北東翼淺部高，深部低，西北高，東南低，具有自流水向斜盆地的徑流特征?？偟呐判狗较?yàn)槟蠔|，但是由于斷裂構(gòu)造的干擾，可能會(huì)出現(xiàn)局部復(fù)雜情況。天然水位動(dòng)態(tài)變化，越近補(bǔ)給區(qū)變化幅度越明顯。地下水的水質(zhì)由西向東，礦化度由0.3～0.4g/l增大至0.5～0.8g/l。從總的情況看，由于地下水補(bǔ)給來源有限，地下水動(dòng)儲(chǔ)量并不很大。

2 礦井水文地質(zhì)條件

按照自下而上的順序，根據(jù)礦井的沉積條件、巖性、水力特征、含水層，以及隔水層的組合關(guān)系，和對(duì)可采煤層造成的影響，可將礦區(qū)內(nèi)分為7個(gè)含水層組、4個(gè)隔水層。

2.1 含水層

2.1.1 寒武系灰?guī)r含水層 寒武系灰?guī)r為灰、淺灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，堅(jiān)硬。裂隙多被方解石或泥質(zhì)充填或半充填。在全區(qū)有范圍內(nèi)，其中處于寒武系灰?guī)r的鉆孔有32個(gè)，厚度在0.55～92.86m之間。其中，位于溶洞及有溶蝕現(xiàn)象的鉆孔有10個(gè)，高度最大的溶洞高1.37m，并且存在漏水的鉆孔有5個(gè)，最大漏失量為0.14m3/h。單位涌水量0.0226L/s.m，滲透系數(shù)0.084m/d，水位標(biāo)高-400m。水質(zhì)類型HCO3·SO4-Na·Ca，礦化度0.77g/L。

2.1.2 石炭系太原組灰?guī)r含水層組 石炭系太原組灰?guī)r是本區(qū)主要含水層之一，本層石灰?guī)r層呈灰、淺灰色，隱晶質(zhì)石灰?guī)r、含大量燧石結(jié)核、致密、堅(jiān)硬，局部含泥質(zhì)呈褐色。地層平均厚度56m，灰?guī)r4～8層，總厚20m左右，其含水層不均勻，富水性較強(qiáng)，水位標(biāo)高變化比較大，礦區(qū)東部的己三采區(qū)水位約在-663.2m左右，而在礦區(qū)西部的淺部觀測(cè)孔水2和2001鉆孔的水位標(biāo)高則分別為-221.3m和-106.9m。該含水層在礦區(qū)內(nèi)又可分為灰6含水層和灰1-4含水層上下兩段。

①太原組下段灰1-4含水層。該含水層組厚度為5-15m，在全區(qū)有范圍內(nèi)鉆孔見溶洞的個(gè)數(shù)就有5個(gè)，其中溶洞的最大高度0.58m，有7個(gè)鉆孔存在漏水現(xiàn)象，漏失量在1.8～12m3/h，單位涌水量0.075～0.019 L/s·m，滲透系數(shù)0.335～0.528m/d，水質(zhì)類型HCO3·SO4-Na·Ca·Mg，礦化度0.66-0.80g/L。水溫32℃。

②太原組上段灰6含水層?；?含大量燧石結(jié)核，該巖層的特征是致密而且堅(jiān)硬，厚度為1.2～25.1m，屬于隱晶質(zhì)石灰?guī)r?？扇軒r內(nèi)溶蝕裂隙、溶洞等是巖溶的地下的主要形態(tài)。在該層見溶隙溶洞的鉆孔共有14個(gè)，其中溶洞的最大高度3.1lm，充填物為粒土質(zhì)砂巖。存在漏水現(xiàn)象的鉆孔有11個(gè)，漏失量0.48～全漏（約13m3/h），單位涌水量0.0023～0.855 L/s·m，滲透系數(shù)0.025～9.75m/d，水質(zhì)類型HCO3·SO4-CaNa及HCO3·SO4-Na·Ca，礦化度0.524～0.879g/L，水溫25～30℃。

2.1.3 二1煤層頂板砂巖含水層組 該層的巖石主要以大占及香炭砂巖為主，多為細(xì)-粗粒。大占砂巖垂直裂隙發(fā)育，方解石脈充填著裂隙面。厚5.49～47.65m，平均23m，厚度的變化比較大，并且東部較厚，西部較薄。漏水鉆孔有7個(gè)，漏失量為0.9～2.3 m3/h，單位涌水量為0.0041～0.0074L/s·m，滲透系數(shù)為0.0101～0.0521m/d，天然水位標(biāo)高75.20～81.38m，水質(zhì)類型HCO3-Na，礦化度0.51g/L，水溫23℃。

2.1.4 七4（乙2下）煤頂板砂巖含水層 該含水層由2～3層的細(xì)-中粒砂巖組成，巖層厚度在4～37m，平均厚度為12m。砂巖裂隙不發(fā)育，透水性差，裂隙面比較光滑并呈現(xiàn)閉合狀。其中存在漏水現(xiàn)象的鉆孔有9個(gè)，漏失量為0.92～2.50m3/h。單位涌水量為0.00007～0.00267L/s·m，滲透系數(shù)0.0011～0.0644m/d，水位標(biāo)高73.42～87.41m，水質(zhì)類型HCO3-Na，礦化度0.55～0.97g/L，水溫25～28℃。

2.1.5 四2（戊10）煤頂板砂巖含水層 該含水層由1～2層的細(xì)-中粒砂巖組成，厚度為3～29m，平均厚度為16m。其中，存在漏水現(xiàn)象的鉆孔有6個(gè)，漏失量為0.8～4.8m3/h，單位涌水量0.0103 L/s·m，滲透系數(shù)0.017m/d，水位標(biāo)高84.45m，水質(zhì)類型HCO3-Na，礦化度0.89g/L，水溫23℃。

2.1.6 基巖風(fēng)化帶含水層 在該含水層，基巖風(fēng)化帶厚為28～74m，平均厚度47m。巖性、粒度等影響風(fēng)化程度。在該層的鉆孔中，存在風(fēng)化砂泥巖段漏水現(xiàn)象的鉆孔有3個(gè)，漏失量0.8～2.5m3/h，單位涌水量0.0041～0.0027L/s·m，滲透系數(shù)0.01～0.064m/d，天然水位標(biāo)高73.42～81.38m，水質(zhì)類型HCO3-Na，礦化度0.46～0.55g/L，水溫17～21℃?；鶐r風(fēng)化帶溝通了間接充水含水層與直接充水含水層發(fā)生水力聯(lián)系的通道。

2.1.7 第四系砂礫石含水層組 該含水層組分為Q上、Q下2、Q下1三個(gè)含水層，這三個(gè)含水層分別超覆于七4（乙2下）、四2（戊10）、二1（己15和己16-17）煤層露頭部位，煤層頂板間接充水含水層由此構(gòu)成。太原群下段的灰1-4和寒武系灰?guī)r水同灰6有水力聯(lián)系，構(gòu)成二1煤底板的間接充水含水層。

①第四系Q上含水層。該含水層為河床相砂礫石層，主要分布在汝河沖積平原，厚度8～65m，一般23～42m，平均35m。頂板埋深度為0～35m，平均10m。水質(zhì)類型HCO3-Ca，礦化度0.19～0.33g/L，水溫16℃。單位涌水量0.70～5.38 L/s·m，滲透系數(shù)1.3～26.2m/d，水位標(biāo)高78.47～92.53m。

②第四系Q下2含水層。該含水層的巖石多為河床及河漫灘相砂礫石，厚度為4～45m，平均厚度為18m。由西南向東北方向，頂板埋深度從40直到89m呈現(xiàn)變深的趨勢(shì)。單位涌水量1.86 L/s？m，滲透系數(shù)6.55m/d，天然水位標(biāo)高81.74m。

③第四系Q下1含水層。該含水層的巖層多為砂礫石，厚度在2～33m之間，平均15m，頂板埋深度80～130m。其底板隔水層致密呈塊狀，具滑感，可塑性強(qiáng)，厚4～63m，平均16m。單位涌水量0.0023L/s·m，滲透系數(shù)0.0083m/d，天然水位標(biāo)高82.76m。水質(zhì)類型HCO3·Cl-Ca·Na，礦化度0.4g/L，水溫21℃。

2.2 隔水層

按照自上而下的順序，十三礦井田的隔水層有：

2.2.1 第四系隔水層 砂質(zhì)粘土和粘土組成的隔水層分布在第四系含水層 Q上與 Q下 2之間、Q下 2與 Q下 1之間，厚度在0.7～49.4m之間，平均 19m，厚度變化比較大，局部缺失，為相對(duì)隔水層。

2.2.2 二1煤底板隔水層 二1煤底板至灰6頂板之間距離為10～30m，由細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥灰?guī)r組成，該巖層的作用是阻隔灰6巖溶水進(jìn)入二1煤采掘作業(yè)。底板受采動(dòng)的影響，導(dǎo)致其破壞深度達(dá)10～15m，進(jìn)而使得灰6與二1煤之間的隔水層厚度在一定程度上下降，隔水作用受到影響。

2.2.3 太原組下部灰?guī)r隔水層 該層位于太原組下段灰1-4含水層和太原組上段灰6含水層之間，距二1煤 52.4m，進(jìn)入礦井的太原組下部灰?guī)r巖溶水受到砂巖和泥巖及薄層灰?guī)r的阻隔作用。

2.2.4 太原組鞏縣段鋁土泥巖隔水層 該隔水層位于寒武系灰?guī)r和石炭系太原組灰?guī)r之間，層位比較穩(wěn)定，隔水層的厚度為5～10m，平均厚度為8.1m。石炭系灰?guī)r和寒武系灰?guī)r含水層間的水力聯(lián)系，在正常情況下被阻隔。

2.3 斷層帶

十三礦井田位于郟縣斷層的西側(cè)，襄郟斷層的南側(cè)，靈武山向斜和李口集向斜的北翼。本礦區(qū)經(jīng)鉆探和直接揭露發(fā)現(xiàn)大、中、小斷層26余條，斷裂帶的賦水條件較差，井田內(nèi)施工的鉆孔中遇斷層漏水的只有4個(gè)孔，漏失量0.60～1.54m3/h。（圖2-1）

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圖2-1 十三礦構(gòu)造綱要示意圖

3 井田充水因素分析

3.1 充水特征

當(dāng)前，十三礦開采的二1煤層，二1煤層頂板砂巖水和底板石炭系薄層灰?guī)r（灰6）水、部分老空水是礦井直接充水的水源。其中底板用水量占礦井涌水量的80%以上，寒灰水為礦井間接充水水源，在礦井淺部接近煤層露頭區(qū)，地表水直接對(duì)礦井進(jìn)行充水。通常情況下，二1煤層頂板砂巖的充水主要以淋水、滴水的方式為主，其水量比較小。全礦建井至今未發(fā)生過頂板突水事故。

3.2 充水水源

3.2.1 大氣降水 受當(dāng)?shù)貧夂驐l件的影響和制約，每年的大氣降水主要集中在6-8月份，進(jìn)行補(bǔ)水的時(shí)間比較短。雖然區(qū)內(nèi)有二1煤層露頭，但其上覆有較厚的第四系砂質(zhì)粘土和粘土組成的隔水層，且本區(qū)位于丘陵和平原過渡帶，地形結(jié)構(gòu)高低起伏，波動(dòng)范圍較大，參與補(bǔ)給的地表徑流和排泄條件進(jìn)行補(bǔ)給的作用比較微弱，導(dǎo)致補(bǔ)給量十分有限。

3.2.2 地表水和第四系砂礫石孔隙水 第四系砂礫石含水層主要由三層河床、河漫灘相砂礫石層組成。由于汝河在礦區(qū)中部迂回流過，河水成為了該含水層的主要補(bǔ)給源，補(bǔ)給條件較好。每層含水層下都有砂質(zhì)粘土、粘土組成的隔水層，該含水層距二1煤層較遠(yuǎn)，所含孔隙水一般對(duì)礦井生產(chǎn)無影響。但是，在開采煤層淺部時(shí)，該層水可通過煤層露頭和冒落裂隙帶進(jìn)入礦坑，對(duì)礦井的生產(chǎn)造成一定的影響，為了確保安全，所以在生產(chǎn)過程中對(duì)煤層隱伏露頭帶進(jìn)行處理，留有一定的防水煤柱。

3.2.3 二1煤頂板砂巖水 二1煤頂板砂巖含水層厚度較大，富水性差，地下水滲透能力較差，水循環(huán)條件不暢，對(duì)煤層的開采影響較小，但是該層在地表有出露，直接接受大氣降水或其他地表水體的補(bǔ)給，在一些隱伏露頭區(qū)還可接受第四系潛水含水層的補(bǔ)給，地下水具有較大的靜儲(chǔ)量。根據(jù)生產(chǎn)過程中實(shí)際觀測(cè)，礦井充水多以淋水或小股水的方式充入礦坑，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)影響不大。

3.2.4 二1煤底板灰?guī)r溶巖水 二1煤層底板充水水源主要為石炭系灰?guī)r水和寒武系灰?guī)r水，兩個(gè)水源具煤層較近，中間相對(duì)隔水層較薄，礦井大部分的突水水源以底板突水為主。十三礦發(fā)生過幾次大的突水，均為底板石炭系灰6溶巖水直接和寒灰水的間接參與，其中突水量大于200m3/h的2次。突水地點(diǎn)主要為回采工作面，掘進(jìn)工作面很少；突水時(shí)間多在回采工作面頂板大面積垮落及掘進(jìn)工作面遇見斷裂構(gòu)造或過巖溶發(fā)育含水層時(shí)。

3.3 充水通道

十三礦所開采的二1煤層屬中、厚煤層，煤厚變化較大，煤層、頂?shù)装甯羲畬拥耐暾栽诓傻V過程中遭到破壞，在采動(dòng)裂隙的作用下，頂板砂巖水、第四系水、底板灰?guī)r水可直接充入工作面。對(duì)于煤層淺部的露頭區(qū)，沿采動(dòng)裂隙大氣降水和地表水可進(jìn)入井下。

在斷層賦水性方面，本礦區(qū)發(fā)育的較差。但是，二1煤頂、底板隔水層的完整性在斷層的作用下遭到破壞，地下應(yīng)力場(chǎng)受到采掘活動(dòng)的影響發(fā)生明顯的變化，本來賦水性較差的斷層裂隙構(gòu)造，使得各含水層相互溝通，成為礦井充水的主要途徑。

4 結(jié)語

根據(jù)前面的論述，對(duì)平煤十三礦現(xiàn)開采二1煤層有影響的主要為地表水、第四系含水層水、二1煤層頂板砂巖水、石炭系灰?guī)r溶巖水和寒武系灰?guī)r水。地表汝河水和第四系含水層水可通過煤系露頭滲入礦坑，但補(bǔ)給量小，一般不會(huì)造成突水；二1煤頂板砂巖含水層富水性差，地下水滲透能力較差，水循環(huán)條件不暢，對(duì)煤層的開采影響較小。對(duì)礦井安全生產(chǎn)威脅最大的是煤層底板下的石炭系灰?guī)r溶巖水，寒武系灰?guī)r水是補(bǔ)給水源，導(dǎo)水通道是斷層，在開采二1煤層的過程中，出現(xiàn)斷層要注意預(yù)防礦井突水。

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作者簡(jiǎn)介：高貴生（1961-），男，河南魯山人，助理工程師，從事煤礦地質(zhì)測(cè)量工作多年。