長治三元晉永泰煤礦水文地質(zhì)條件分析

張巖旗

（山西長治三元晉永泰煤業(yè)有限公司 山西 長治 047100）

關(guān)健詞：水害問題；水文地質(zhì)條件；導(dǎo)水裂隙帶；水文地質(zhì)類型

晉永泰煤業(yè)位于山西省長治縣縣城南約15 km處的內(nèi)王村，位于沁水煤田東南部邊緣。區(qū)內(nèi)大部為第四系黃土覆蓋，西部與北東部局部出露有二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、二疊系上統(tǒng)上石盒子組地層，含煤地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組[1-2]。本區(qū)太行山段在這個一級隆起帶上發(fā)育有二級隆起和凹陷，煤礦位于太行山隆起之西翼，晉霍褶斷帶南部東側(cè)。受區(qū)域構(gòu)造的影響，區(qū)內(nèi)發(fā)育有軸向北東或北西向?qū)捑彽牟铖薨櫂?gòu)造，地層傾角約3°～6°。區(qū)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，研究區(qū)屬于海河流域漳河水系濁漳河南源淘清河支流的內(nèi)王河，內(nèi)王河溝平時干涸無水[1-2]。

1 礦井水文地質(zhì)

1.1 含水層發(fā)育特征

1.1.1 第四系松散巖類孔隙含水層

巖性主要為亞砂土，底部偶夾砂礫層，厚度變化較大，由于其所處位置不同，富水性變化較大，區(qū)內(nèi)王河河床地帶及其兩側(cè)的河漫灘的砂礫層富水性較好，山梁等位于高處側(cè)僅透水而不含水，動態(tài)觀測資料水位年變化幅度0.79 m～1.46 m。

1.1.2 基巖風(fēng)化帶含水層

厚度因風(fēng)化帶發(fā)育深度而異，風(fēng)化帶深度一般為30多米，風(fēng)化裂隙發(fā)育，受地形條件限制，富水性變化較大，主要接受大氣降水和第四系含水層的補(bǔ)給，在煤礦中部和東南部地勢平坦，富水性較好。在東北部和西北部的山梁上，富水性差。

1.1.3 二疊系碎屑巖類砂巖裂隙含水層

本含水層由山西組、上、下石盒子組地層中的多層細(xì)、中、粗粒砂巖組成，為碎屑巖類砂巖裂隙含水層，一般富水性弱，由于各煤礦采煤排水，該含水層已基本被疏干。單位涌水量q=0.002 8 L/s.m，滲透系數(shù)k=0.014 6 m/d，水位標(biāo)高+1 094.11 m，為弱富水性含水層，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Na型。

1.1.4 石炭系上統(tǒng)太原組碎屑巖裂隙夾碳酸巖巖溶裂隙含水層

本含水層出露于煤礦東部，含水層主要為石灰?guī)r及砂巖，含水層是以巖溶裂隙為主，由K2、K3、K4、K5、K6共5 層灰?guī)r，累計厚度13.50 m～25.60 m，含砂巖1～5層，累計厚度9.70 m～34.80 m；其中K2石灰?guī)r是15 號煤層的老頂。據(jù)W2號水文孔該含水層資料，單位涌水量q=0.003 5L/s·m，滲透系數(shù)k=0.014 5 m/d，水位標(biāo)高+1 064.23 m。為弱富水性含水層，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Na·Ca型。

1.1.5 奧陶系中統(tǒng)峰峰組碳酸鹽巖溶裂隙含水層

上部主要為石灰?guī)r，偶有泥質(zhì)灰?guī)r，裂隙被方解石充填；中部為石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等，具少量溶隙；下部為白云質(zhì)灰?guī)r夾薄層石膏，泥質(zhì)灰?guī)r等，結(jié)構(gòu)致密，性脆、局部節(jié)理發(fā)育，孔隙發(fā)育，富水性好。據(jù)W2號水文孔（距本煤礦南部邊界4 476 m）對該含水層抽水試驗資料，單位涌水量q=0.105 2 L/s · m，滲透系數(shù) k=0.425 3 m/d，水位標(biāo)高+661.08 m，為中等富水性含水層，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca 型。結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)資料推測，本煤礦奧灰水位標(biāo)高為+655 m～+653 m，奧灰水由西南向東北方向徑流。

1.2 隔水層發(fā)育特征

（1）太原組15煤以上泥巖隔水層

分布于灰?guī)r及砂巖含水層之間，單層厚度一般2～4 m 不等，阻隔或減弱了含水層之間的水力聯(lián)系。煤層開采后，隨采空區(qū)頂板冒落導(dǎo)水裂隙帶高度的逐漸增加，將會降低甚至失去其隔水作用。

（2）石炭系上統(tǒng)太原組底部及石炭系中統(tǒng)本溪組隔水層。

主要由具塑性的泥巖、鋁質(zhì)泥巖或粉砂巖組成，底部為鐵質(zhì)粉砂巖，厚度12.86 m～16.90 m，平均厚度14.60 m 左右。據(jù)W2號孔巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗結(jié)果，鋁質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度平均14.1 MPa，抗拉強(qiáng)度平均0.69 MPa，真密度2 729 kg/m3，屬軟弱巖石。老底為中、細(xì)粒砂巖，平均厚度1.20 m，致密堅硬。細(xì)粒砂巖抗壓強(qiáng)度平均45.3 MPa，抗拉強(qiáng)度平均2.14 MPa，真密度2 635 kg/m3，屬中硬巖石～堅硬巖石。該隔水層裂隙不發(fā)育，透水性差，平行不整合于峰峰組灰?guī)r巖溶含水層之上，阻隔其上、下含水層的水力聯(lián)系。

1.3 地下水的補(bǔ)、徑和排特征

本煤礦位于長治縣蔭城鎮(zhèn)一帶，屬辛安泉域南部補(bǔ)給徑流區(qū)。井田內(nèi)無奧陶系地層出露，屬巖溶埋藏區(qū)，巖溶地下水賦存運(yùn)動規(guī)律受整個系統(tǒng)的補(bǔ)、徑、排條件制約。井田邊界與周邊礦井之間無天然隔水邊界，各含水層水均沿隔水層面由高向低徑流運(yùn)動，各含水層在水平方向與相鄰煤礦均存在自然水力聯(lián)系。在井田東南部有3#煤層的隱伏露頭，構(gòu)成了井田3#煤層及其上覆含水層的自然邊界，在露頭處主要接受第四系含水層及大氣降水的補(bǔ)給。井田內(nèi)地下水總體上由西南向東北徑流。垂向上各主要含水層之間存在隔水層，且隔水性能良好，各含水層之間的水力聯(lián)系較弱。

2 礦井充水因素分析

2.1 充水水源

2.1.1 大氣降水

3#煤、15#煤層在煤礦東部埋深較淺，兩煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度分別為90.45 m、108.98 m，在淺埋區(qū)能夠達(dá)到地表，大氣降水可直接通過采空區(qū)地表塌陷、裂縫直接進(jìn)入井下。受季節(jié)性影響，礦井涌水量具有明顯的動態(tài)變化特征，在雨季礦井涌水量顯著增加。煤礦西部兩煤層埋藏較深，再加上上部較厚的泥巖、砂質(zhì)泥巖等隔水層的阻隔，大氣降水對礦井充水的影響較為微弱[3-5]。

2.1.2 地表水

區(qū)內(nèi)無常年性河流和地表水體，區(qū)內(nèi)溝谷縱橫，沖溝發(fā)育，較大的河溝為內(nèi)王河河溝，為季節(jié)性河溝。雨季時洪水匯集沿內(nèi)王河溝向南排泄，之后向東匯入淘清河，最大流水量為0.1 m3/s～0.2 m3/s，平時干涸無水。

2.1.3 3#煤層頂板砂巖裂隙水

3#煤層頂板砂巖裂隙含水層將通過煤層頂板冒落導(dǎo)水裂隙帶向礦井充水，成為礦井充水的充水水源。據(jù)W2號水文孔對山西組砂巖裂隙含水層和下石盒子組砂巖裂隙含水層混合抽水試驗資料來看，該含水層為弱富水性含水層，但是富水性不均一，局部富水性較好，補(bǔ)給條件較差，以靜儲量為主，采掘過程中主要以滴水、淋水的形式進(jìn)入礦井，易于疏干[3-5]。

2.1.4 15#煤層頂板含水層水

K2灰?guī)r為 15#煤層直接充水含水層，K3、K4灰?guī)r為15#煤層間接充水含水層。根據(jù)鉆孔對太原組灰?guī)r含水層抽水資料來看，該含水層富水性弱。但根據(jù)礦井實際開采情況來看，在局部灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，K2灰?guī)r對礦井充水的影響大，要引起足夠的注意。

2.1.5 奧灰水

奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r是煤系地層下伏主要含水層。區(qū)內(nèi)奧灰水位標(biāo)高為+655 m～+653 m，徑流方向西南向東北方向。區(qū)內(nèi)3 號煤層底板最低標(biāo)高為+900 m，9#煤層底板最低標(biāo)高為+855 m，15#煤層底板最低標(biāo)高為+815 m，3#、9#、15#煤層底板標(biāo)高均高于奧灰水位，故不存在奧灰水帶壓開采問題，奧灰水對煤層開采無影響。

2.1.6 采空區(qū)積水

據(jù)本次調(diào)查，目前井田內(nèi)3#煤層有5 處采空積水區(qū)，估算采空積水區(qū)面積約32 748 m2，積水量約52 611 m3，見圖1。15#煤層有8處采空積水區(qū)，估算采空積水區(qū)面積約234 043 m2，積水量約307 799 m3，見圖2。周邊采空區(qū)積水：周邊礦井除井田北部的山西長治羊頭嶺紅旗煤業(yè)有限公司與晉永泰煤業(yè)相鄰處存在3 號煤層采空積水區(qū)，積水面積約491 600 m2，該積水區(qū)距晉永泰煤業(yè)邊界約150 m，正常情況下對晉永泰煤業(yè)未來15#煤層的開采影響較小，其他礦井與晉永泰煤業(yè)相鄰200 m范圍內(nèi)無采空區(qū)積水。

圖1 3#煤層采空區(qū)及積水區(qū)分布示意圖

圖2 15#煤層采空區(qū)及積水區(qū)分布示意圖

2.2 充水通道

2.2.1 天然通道

根據(jù)現(xiàn)有資料，目前煤礦南部發(fā)育2條正斷層，根據(jù)井下實際揭露資料，采掘活動揭露斷層時涌水量無明顯變化，僅有少量淋水，且持續(xù)時間短，斷層富水性弱。

2.2.2 人為通道

煤礦批準(zhǔn)開采3#～15#煤層，煤層為緩傾角煤層，3#煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，9#煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，15#煤層頂板為泥巖、石灰?guī)r。根據(jù)《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標(biāo)準(zhǔn)》及《煤礦防治水細(xì)則》中的冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗公式進(jìn)行計算并選取計算的最大值。3#煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度為90.45 m，9#煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度為36.08 m，15#煤層導(dǎo)水裂隙帶最大高度為108.98 m。

3#煤層底距9#煤層頂平均間距為47.00 m，9#煤層底距15#煤層頂平均間距為41.00 m，根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶計算結(jié)果，15#煤層開采形成的導(dǎo)水裂隙帶在局部地段可溝通3#煤層老空區(qū)積水及物探解釋的采空積水異常區(qū)。未來采掘活動范圍內(nèi)，15#煤層埋深約120 m～275 m，15#煤層導(dǎo)水裂隙帶高度無法直接導(dǎo)通地表，但在上覆3#煤層導(dǎo)水裂隙帶影響下，局部可間接溝通地表。故未來15#煤層的采掘活動將受大氣降水及地表水影響。

2.3 礦井涌水量

根據(jù)礦方提供的2017年1月～2020年5月礦井涌水量臺賬統(tǒng)計，礦井正常涌水量74 m3/h，最大涌水量94 m3/h。結(jié)合降雨量、產(chǎn)量、掘進(jìn)進(jìn)尺資料，繪制了礦井涌水量與各種相關(guān)因素動態(tài)曲線圖。根據(jù)圖3 分析：礦井涌水量與降雨量呈正相關(guān)關(guān)系，而與產(chǎn)量、掘進(jìn)進(jìn)尺的關(guān)系不明顯。由于地層內(nèi)含水層蓄積一定的水量，會對礦井形成補(bǔ)給，雖然降雨量為零，礦井涌水仍然有一定的數(shù)值。

圖3 礦井涌水量與各種相關(guān)因素動態(tài)曲線圖

3 礦區(qū)水文地質(zhì)類型

計劃開采的15#煤層導(dǎo)水裂隙帶高度無法直接導(dǎo)通地表，但在上覆3#煤層導(dǎo)水裂隙帶影響下，局部可間接溝通地表。15#煤層頂板水主要為K2、K3、K4等灰?guī)r含水層水，其間夾數(shù)層泥巖、砂質(zhì)泥巖等隔水層，相對削弱了各含水層之間的水力聯(lián)系，是15#煤層直接或間接充水含水層，該含水層厚度薄，富水性變化大。井田內(nèi)15#煤層底板標(biāo)高高于奧灰水水位標(biāo)高，不存在奧灰水帶壓開采問題，未來采掘活動不受奧灰水的影響。分析認(rèn)為受采掘破壞或影響的含水層及水體有一定的補(bǔ)給水源，但補(bǔ)給條件一般，按照《煤礦防治水細(xì)則》分類依據(jù)，礦區(qū)水文地質(zhì)類型為中等型。

4 結(jié)論

（1）煤礦區(qū)內(nèi)存在3#、15#煤層采空區(qū)積水，未來開采15#煤層時受同層及上覆3#煤層采空區(qū)積水的影響。采空區(qū)積水是礦井今后生產(chǎn)所面臨的主要水害，故在生產(chǎn)中要按照“預(yù)測預(yù)報、探掘分離、有掘必探、先探后掘、先治后采”的防治水原則。

（2）針對未開計劃開采的15#煤層埋藏較淺，煤層開采形成導(dǎo)水裂隙帶在部分地段能溝通地表，要做好“雨季”三防各項工作，在地面同其它部門配合及時清挖水溝，保證流水暢通。檢查地面是否有裂縫和塌陷坑，發(fā)現(xiàn)以后要及時充填，對未填實井筒及封閉不良鉆孔等進(jìn)行回填密實，防止大氣降水及地表水通過這些導(dǎo)水通道灌入井下，釀成水災(zāi)事故。