平溝煤礦擴(kuò)大工程水文地質(zhì)類型劃分探討

梁秋利

引言

我國作為煤炭大國，具有煤田分布范圍廣，成煤時期多、賦存狀態(tài)差異性大等特點，從而使得礦井的水文地質(zhì)條件十分的復(fù)雜。相關(guān)文獻(xiàn)表明，不同類型的礦井水文地質(zhì)條件決定著礦井防治水工作的難易程度，從而影響到礦井的總體設(shè)計，甚至是煤炭生產(chǎn)安全。因此，為了保證礦井的安全性，需要根據(jù)不同水文地質(zhì)類型的特點，分析礦井水害的威脅程度，排查隱患，并采取切實有效的措施，使得礦井能夠高效、有序的進(jìn)行生產(chǎn)，通過上述可知分析和研究礦井的水文地質(zhì)情況、準(zhǔn)確劃分礦井的水文地質(zhì)類型具有的一定的現(xiàn)實意義。目前，我國有《煤礦防治水規(guī)定》和《煤礦安全規(guī)程》兩項關(guān)于礦井防治水領(lǐng)域的部門規(guī)章及國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中在《煤礦防治水規(guī)定》里已提出水文地質(zhì)類型劃分的格式和內(nèi)容要求。

礦井水文地質(zhì)類型的劃分可以說是對礦井開采各個階段水文地質(zhì)資料進(jìn)行收集、整理、科學(xué)分析的系統(tǒng)工程，在對不同的礦井進(jìn)行水文地質(zhì)類型進(jìn)行劃分時需要考慮的因素也不同，但既要全面考慮又需突出主要因素，同時還應(yīng)反映客觀實際，其需要考慮的主要因素有補(bǔ)給水源及補(bǔ)給條件和通道及充水方式，其他影響因素還有當(dāng)?shù)氐臍夂?、地形、水文、煤層與當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面的相對位置、開采活動、水量大小等等。需要注意的是，通過相關(guān)研究所列出的礦井水文地質(zhì)類型是有一定代表性的，并不可能包含所有類型，因此在應(yīng)用過程中要根據(jù)客觀實際進(jìn)行選擇，切勿生搬硬套。本文以平溝煤礦擴(kuò)大工程的礦井水文地質(zhì)類型劃分為例，通過對該礦井水文類型的劃分進(jìn)行詳述、分析，提出相應(yīng)的結(jié)論，為今后類似項目的水文地質(zhì)類型的劃分提供參考。

1、工程概況

平溝煤礦位于烏海市海勃灣東南10km處，于1958年開始建設(shè)，經(jīng)過多次的技術(shù)改造，于1991年底建成為設(shè)計生產(chǎn)能力為1.20Mt/a的礦井。近年來，通過多次的改革改制及技術(shù)改造，平溝煤礦的生產(chǎn)能力不斷地得到提高，產(chǎn)出的煤具有質(zhì)量好，發(fā)熱量高，煉焦性能好等特點，并熱銷國內(nèi)外。由于平溝煤礦資源量已不能滿足進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)能的需要，綜合考慮各方面因素，又將平溝煤礦與它相鄰的卡布其深部井田合并為平溝煤礦的擴(kuò)大區(qū)進(jìn)行開發(fā)利用。

平溝煤礦擴(kuò)大區(qū)包括平溝煤礦與卡布其深部井田，均位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市海勃灣區(qū)境內(nèi)，行政區(qū)劃屬于海勃灣區(qū)卡布其鎮(zhèn)。煤礦地處海勃灣區(qū)政府所在地的東南方向，直線距離10km，煤礦辦公區(qū)及井口位于卡布其鎮(zhèn)內(nèi)。兩煤礦在東西方向上的邊界相連，東西寬約1.5～5.5km，南北長約12.90km，為一不規(guī)則多邊形，面積約48.82km2。

2、礦區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1氣候、水文、地形地貌

該區(qū)屬半沙漠干旱大陸性氣候，降雨量少、蒸發(fā)量大，一年四季干燥多風(fēng)。根據(jù)烏海市氣象站提供的資料可知，該區(qū)域多年的平均氣溫為9.70℃；年平均降雨量為47.1～357.6mm，其中7、8、9三個月占全年總降水量的68.55%，大氣降水及地表對地下水補(bǔ)給貧乏。春冬季節(jié)多刮西北風(fēng)，夏秋季多刮東南風(fēng)，每年11月初封凍，至次年5月初解凍。

該區(qū)地形為一狹長的低地，主要由殘丘、孤山階地、洼地組成。礦區(qū)內(nèi)中部有兩條東西走向的舊洞溝和卡布其溝，旱季通常無水，雨季時地表水可通過各枝狀溝谷流入到井田中部的低洼溝川中，從南至北最終注入黃河。

2.2含水巖組特征及其水力聯(lián)系

通過分析研究相關(guān)資料可知，巖性組合和水力聯(lián)系將該區(qū)含水巖組分為三類，即第四系松散巖類孔隙潛水含水巖組、二疊-石炭系碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組、奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組。第四系松散巖類孔隙潛水含水巖組主要分布于中西部及溝谷內(nèi)，巖性主要有風(fēng)積砂、殘坡積亞砂土和沖積砂礫石層，中部卡布其溝一帶較厚，往東、西兩側(cè)山前變薄。二疊-石炭系碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組則是根據(jù)區(qū)內(nèi)碎屑巖類含水巖組劃分成5個含水層段及3個隔水層，其中煤系地層及其上覆巖系含不均勻裂隙水，受裂隙及補(bǔ)給來源的限制，通常富水性較弱。奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水組包括包括克里摩里組、桌子山組和三道坎組，該區(qū)為埋藏區(qū)，巖溶裂隙發(fā)育程度和富水性極度不均。由于區(qū)內(nèi)斷層的導(dǎo)通、隔水層變薄或相變?yōu)橥杆畬樱沟酶骱畬娱g存在一定的水力聯(lián)系。

3、充水因素分析

3.1鄰近生產(chǎn)礦井水充水因素

（1）駱駝山煤礦礦井

該煤礦在2010年1月至2011年3月間，礦井正常涌水量127.10～268.66m3/h，平均196.96 m3/h，雨季（8-10月）涌水量大，枯季涌水量小，其充水水源主要有奧灰?guī)r溶水、碎屑巖類第Ⅳ、Ⅴ含水層段（太原組砂巖水）、碎屑巖類第Ⅲ含水層段（山西組砂巖水）、碎屑巖類第Ⅱ含水層段。

（2）平溝煤礦生產(chǎn)區(qū)礦井

近年來，隨著平溝礦井的改擴(kuò)建，其產(chǎn)量的也逐漸增大，該礦井的涌水量也明顯增大。目前，該區(qū)開采煤層有9號、10號、14號和16號煤，其中9號煤開采范圍最大。

2010年該礦井的涌水量為96.45～185.82m3/h，平均涌水量130.38m3/h，平均原煤產(chǎn)量4548.19t/d，富水系數(shù)0.509～0.8556，平均富水系數(shù)0.688。根據(jù)多年的礦井涌水量與降水量統(tǒng)計，礦井涌水量大小隨季節(jié)變化明顯，7～8月份，降水集中，礦井涌水量屬高峰，另外，礦井涌水量隨著開采深度的延展，涌水量也隨著增大。其充水水源有奧陶系石灰?guī)r溶水、采空區(qū)老塘積水、中下煤組含水層水。

3.2充水水源

通過上述內(nèi)容，同時結(jié)合平溝礦生產(chǎn)區(qū)與駱駝山礦礦井水文地質(zhì)特征，分析出礦區(qū)可采煤層主要充水水源有底部奧灰?guī)r溶水、老窯采空積水和碎屑巖類孔隙裂隙水及大氣降水。

奧灰?guī)r溶水：奧灰?guī)r溶水含水層主要為桌子山組和三道坎，克里摩里組泥質(zhì)條帶灰?guī)r可視為相對隔水層，西部發(fā)育、東部尖滅；桌子山組以厚層灰?guī)r為主，厚度大于200m，巖溶裂隙發(fā)育但極度不勻，在斷裂帶、褶皺軸部、陷落柱部位相對富水，平溝礦井下奧灰出水點最大涌水量123m3/h，駱駝山礦井下奧灰出水點最大涌水量101.80m3/h，為礦井充水的主要含水層；鉆孔單位涌水量0.00094～0.08641L/s.m，滲透系數(shù)0.0000017～0.0398m/d，富水性弱～中等，動儲量有限，靜儲量較大，礦井開采中應(yīng)高度重視。

老窯采空積水：由于區(qū)外東部分布多個正生產(chǎn)的露天采坑，面積較大，碎石、礦渣回填后將會存在大量的空隙，構(gòu)成積水充水空間，因此老窯采空積水將會通過采空裂隙或斷裂帶等進(jìn)入礦井。目前，老窯積水還未對大井產(chǎn)生過重大影響。隨開拓延深，老窯積水距生產(chǎn)區(qū)域越來越遠(yuǎn)，它的危害性也越來越小，但是，生產(chǎn)過的老塘面積也越來越大，老塘積水量也越來越大。東部的采空和露天采坑積水，如遇到雨季則積水量將會增加，遇洪水突發(fā)會對生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。

碎屑巖類孔隙裂隙水：9煤和10煤以頂板砂巖含水層（第Ⅲ含水層段）充水為主，其次為上覆間接充水含水層第Ⅱ含水層段充水；16煤以頂板砂巖含水層（第Ⅳ含水層段）和底板砂巖含水層（第Ⅴ含水層段）為主，其次為上覆的第Ⅲ含水層段充水。井下大多以頂板砂巖滴水、淋水，底板砂巖滲水為主，平溝礦該含水巖組涌水量為27.10m3/h，駱駝山礦涌水量20.75m3/h，涌水穩(wěn)定且不隨雨季與枯季而發(fā)生變化，消耗靜儲量。而東部由于開采時間較長，礦井多，使得含水層遭到破壞，導(dǎo)致該區(qū)域砂巖水基本疏干，涌水量較小；西部砂巖含水層則埋深大，分布穩(wěn)定，且儲水空間大，靜儲量較之東部豐富，在構(gòu)造破碎帶相對富水，因此在向西部開采過程中涌水量將會增大，但對礦床充水影響不大。

大氣降水：由于本區(qū)降水量較少，大多集中在7、8、9三個月，大部分以短暫洪水排泄出井田，少量滲入地下，一般對礦井充水影響不大。但是在采空裂隙區(qū)、露天采坑、溝谷斷層帶，大氣降水或洪水將會順著裂隙、破碎帶進(jìn)入礦井，成為礦井充水的主要因素，嚴(yán)重時可能會危及礦井安全。

3.3充水途徑

通過研究可知，本區(qū)的充水途徑主要有三種，分別為采空冒裂帶、封閉不良鉆孔及構(gòu)造。當(dāng)煤層被采空后，煤層頂板的煤巖層形成了明顯的冒裂帶，而冒裂帶可導(dǎo)通頂板的含水層，或在地表形成裂隙帶，成為煤層上覆含水層、老塘水，或降雨等進(jìn)入礦井的通道。隨著開采面積的增大，當(dāng)巷道揭露出封閉不良鉆孔時，這些鉆孔可能會成為奧灰含水層和老空積水進(jìn)入礦井的通道，因此需要則采取措施，防止地下水通過鉆孔進(jìn)入巷道。此外，構(gòu)造破碎帶也是礦井充水的主要通道。

4、礦井涌水量預(yù)算

（1）涌水量預(yù)算依據(jù)

根據(jù)礦井涌水水源分析可知，平溝煤礦礦井總涌水量包括井下奧灰出水點涌水量、老空積水涌水量、可采煤開采涌水量。解析法僅能預(yù)算出9-10號煤開采涌水量、16號煤開采涌水量，奧灰出水點涌水量和老空積水涌水量則采用觀測數(shù)據(jù)。同時，預(yù)算時將不考慮非正常開采及施工導(dǎo)致的意外性突水事故，僅以正常導(dǎo)水裂隙所能導(dǎo)通的含水層形成的地下水滲流場模式進(jìn)行計算，也不考慮隔水邊界。

（2）預(yù)算方法及結(jié)果評價

先期開采地段礦井正常涌水量將采用大井法、狹長水平巷道法和富水系數(shù)比擬法三種方法進(jìn)行，結(jié)果見下表1。

表1 涌水量預(yù)算對比表

計算方法 大井法 狹長水平巷道法 富水系數(shù)比擬法

預(yù)算涌水量（m3/h） 293 245 236

從上表可與看出，富水系數(shù)比擬法與狹長水平巷道水動力學(xué)法的結(jié)果較為接近，而大井法結(jié)果偏大。這是由于大井法采用的水文地質(zhì)模型為四周進(jìn)水，即把礦區(qū)先期開采地段視為“大井”，但是采區(qū)卻為長條形，因而導(dǎo)致?lián)Q算結(jié)果與理論誤差較大，其結(jié)果可做參考。此外，三種方法對弱含水層涌水量隨開采面積增大及深度增加的因素均考慮不足。

綜合上述建議先期開采地段礦井正常涌水量采用狹長水平巷道法計算結(jié)果，即先期開采地段礦井涌水量245m3/h，最大涌水量取588m3/h（系數(shù)取2.40）。含水層組厚度是以細(xì)砂巖、中粗砂巖累加厚度為含水層厚度，含水層的參數(shù)值一般為同一含水層不同地段的平均值，由于地層的各向異性，采用平均值所計算出的礦井涌水量，與礦井實際涌水量還是會存在一定的差異。

5、礦井水文地質(zhì)類型初步劃分

按照《煤礦防治水規(guī)定》第十一條，以及整理、收集的該區(qū)水文地質(zhì)等資料，得出水文地質(zhì)類型初步劃分情況如下：

在礦井開采過程中，受到采掘破壞或影響主要有巖溶含水層、老空水和碎屑巖類含水層。煤層直接充水含水層為頂?shù)装宓冖?、Ⅳ、Ⅲ含水層段、第Ⅱ含水層段下部砂巖孔隙裂隙含水層，鉆孔單位涌水量0.000019～0.0198L/s.m，富水性弱，補(bǔ)給源為貧乏的大氣降水；老空水主要接受大氣降水和碎屑巖類含水層的補(bǔ)給，2010年平均涌水量45.59m3/h，對礦井生產(chǎn)未發(fā)生過重大影響；奧灰?guī)r溶水為底板間接充水含水層，主要含水層桌子山組厚度大于200m，富水性極不均，補(bǔ)給水源有限，靜儲量大。9號、10號煤距奧灰頂平均間距分別為89.42m、92.81m，大部分地塊突水系數(shù)0～0.05MPa/m、相對安全，斷層部位突水系數(shù)0～0.06MPa/m，具有突水危險性；16號煤至奧灰頂平均間距31.48m，沒有穩(wěn)定的泥質(zhì)隔水巖層，正常地塊突水系數(shù)0～0.19MPa/m，斷層部位突水系數(shù)0～0.38MPa/m，大部分地塊具有突水危險性。

本礦正常涌水量130.38m3/h，最大涌水量271.00m3/h；預(yù)算先期開采地段礦井涌水量245m3/h，最大涌水量588m3/h。平溝井下發(fā)生三次奧灰突水，最大突水量為123m3/h，鄰近駱駝山礦發(fā)生過三次奧灰突水，最大突水量6500m3/h。

本區(qū)以底板進(jìn)水巖溶含水層充水礦床，礦井水文地質(zhì)類型初步劃分為復(fù)雜型。

6、結(jié)語

由于平溝煤礦已不能滿足產(chǎn)能需求，因而將其與相鄰的卡布其深部井田進(jìn)行合并，那么便使得該項目水文地質(zhì)類型劃分工作與以往的項目略有不同。正因為該項目的特殊性，導(dǎo)致劃分過程中需要考慮的因素增多，難度也有所增大。本文通過對平溝煤礦擴(kuò)大區(qū)水文地質(zhì)條件、充水因素等進(jìn)行分析可知，該礦區(qū)可采煤層主要的充水水源有底部奧灰?guī)r溶水、老窯采空積水、碎屑巖類孔隙裂隙水及大氣降水四類，充水途徑主要分為采空冒裂帶、封閉不良鉆孔及構(gòu)造三種，同時還預(yù)算出該區(qū)先期開采地段礦井的涌水量，為水文地質(zhì)類型的劃分提供依據(jù)。但是，因為本次研究僅對先期開采地段進(jìn)行了礦井涌水量的預(yù)算，選擇參數(shù)也是主要依據(jù)現(xiàn)階段勘探成果和礦井資料，預(yù)算量與生產(chǎn)實際還是存在一定的誤差，況且隨著礦井的開采，礦井水文地質(zhì)條件也將發(fā)生變化，因而應(yīng)在今后提高礦井勘查程度的基礎(chǔ)上對礦井涌水量重新進(jìn)行預(yù)算，并補(bǔ)充礦井涌水量數(shù)據(jù)，以便正確指導(dǎo)設(shè)計及生產(chǎn)，確保礦井安全生產(chǎn)。

礦井水文地質(zhì)類型的劃分對防治水措施制定的意義不言而喻。因此，專業(yè)技術(shù)人員在編制礦井水文地質(zhì)類型劃分報告的過程中應(yīng)保證內(nèi)容全面、數(shù)據(jù)資料可靠，對于像平溝煤礦擴(kuò)大區(qū)工程除利用原有資料，還應(yīng)將改擴(kuò)建時期的水文地質(zhì)資料進(jìn)一步補(bǔ)充整理及分析研究，以保證報告的真實型，為防治水工作提供切實有效的依據(jù)。

（作者單位：神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司）