山西省杨家湾勘查区充水因素分析

摘  要：根据勘查区内的水文地质特征，经过分析认为，勘查区内的主要充水水源为新生界松散层孔隙水、主采煤层顶底板砂岩裂隙水和奥灰岩溶裂隙水。通过计算主采煤层导水裂隙带发现，8号煤层采空后续采13号煤层时，易沟通8号煤层的采空区，进而引起顶板突水。通过计算突水系数发现，开采13号煤层比开采8号煤层时更易引发底板突水事故。

关键词：水文地质特征;充水因素;导水裂隙带;突水系数

中图分类号：TD745              文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.074

杨家湾勘查区位于河东煤田北部，面积为73.34 km2。勘查区的总体构造为走向北西、倾向南西的单斜，地层倾角为2°～9°，地貌类型属中低山区，主要含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组。其中，山西组主采煤层为8号煤层，太原组主采煤层为13号煤层。

1  勘查区的水文地质特征

勘查区隶属于鄂尔多斯盆地东缘的天桥泉域径流区，区内地表水属黄河流域，主要河流有勘查区西南部的腰庄河和中北部的芦子沟河，勘查区的水文地质特征分述如下。

1.1  含水层

1.1.1  新生界松散岩类孔隙含水层

该含水层的含水岩性为冲洪积的砂砾石层，呈带状分布于区内较大的沟谷中，易接受大气降水和地表水的补给，富水性较好;中、上更新统黄土层在全区广泛分布，受地形和岩性特征的影响，富水性极弱。

上第三系保德组底部有一层钙质胶结的砂砾层，由于下部泥岩的顶托，泉水从该层涌出，是当地居民主要的饮用水源。泉水流量一般在5～30 m3/d，地下水属于渗入溶滤水。

1.1.2  三叠系、二叠系碎屑岩裂隙含水层

三叠系、二叠系地下水主要赋存于砂岩裂隙中，为风化壳潜水或微承压裂隙水，地下水属于沉积成因水。由于砂岩各段之间有较厚的泥质间隔，且裂隙不甚发育，地下水补给条件极差，属于富水性较弱的含水层。据区内钻孔上、下石盒子组和山西组抽水试验结果，单位涌水量为0.000 25～0.000 9 L/s·m，渗透系数为0.000 197～0.005 47 m/d，水质为Cl-K+Na·Ca型，矿化度为655 mg/L，总硬度为57.60 mg/L，pH值在7.61～8.30之间。

1.1.3  石炭系碎屑岩夹碳酸盐岩裂隙含水层

该含水层主要为太原组砂岩，为灰岩裂隙承压水，由于岩石胶结致密，导致裂隙不发育，埋藏较深，且补给条件差，属于富水性较弱的承压含水层。据区内Y502号钻孔太原组抽水试验结果，单位涌水量为0.000 4 L/s·m，渗透系数为0.001 465 m/d，静止水位标高为813.12 m，水质为Cl-K+Na型，矿化度为617 mg/L，总硬度为54.91 mg/L，pH值为8.74.

1.1.4  奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层

该含水层以白云质灰岩和灰岩为主，区内地表未见出露，属于隐伏或覆盖岩溶区。据抽水试验结果，单位涌水量为0.000 5～0.005 85 L/s·m，渗透系数为0.000 269～0.003 046 m/d，水位标高为825～860 m，水质为Cl-K+Na型，矿化度为16 910 mg/L，总硬度为2 224.37 mg/L，pH值为6.74，地下水属于沉积成因水，属于富水性中等的承压含水层。

1.2  隔水层

为了分析区内充水的影响因素，按勘查区主采煤层8号、13号煤层将勘查区内主要隔水层划分为以下4层。

1.2.1  新近系保德组隔水层

该隔水层全区分布稳定，岩性为棕红色粉质黏土，偶含钙质结核，侵水具有湿胀性，属于上部松散岩类含水层与下部含水层之间良好的隔水层。

1.2.2  8号煤层之上的隔水层

该隔水层中的各含水层之间的泥岩、砂质泥岩结构致密，厚度稳定，单层厚度最厚可超过20 m，属于砂岩含水层的相对隔水层。

1.2.3  8～13号煤层之间的隔水层

8～13号煤层的间隔为40.81～67.77 m，其间的泥岩、砂质泥岩隔水层与砂岩、灰岩含水层呈稳定的互层产出，属于良好隔水层。

1.2.4  13号煤层底界至奥灰含水层顶界

13号煤底板至奥灰顶界的厚度为25.74～80.74 m，包括石炭系上统太原组下段和中统本溪组。其中，本溪组全区分布稳

定，岩性为灰黑色泥岩、铝质泥岩，间夹有薄层砂岩、灰岩，厚度为6.04～22.40 m，属于奥灰岩溶水与煤系地层之间重要的隔水层。

1.3  地下水的补给、径流和排泄条件

本区地下水的补给来源主要为大气降水，其次为地表水。

松散岩类含水层的岩性主要为砂砾，分布于各大沟谷中，易接受大气降水和地表水的补给。地下水在向沟谷两侧运动的过程中，一部分以泉水的形式排泄，另一部分以蒸发的形式排泄至大气中。

碎屑岩类裂隙含水层由三叠系、二叠系和石炭系地层构成。其中，山西组以上地层在区内沟谷两侧有出露。由于本区沟深壁陡，且降水多以暴雨的形式出现，因此，大气降水对裸露基岩的入渗量很小。随着岩层深度的增加，岩石的节理裂隙越来越少，且有砂岩之间较厚的泥岩间隔，导致地下水的补给条件也随之变差。山西组、太原组地层在研究区内的埋深较大，地面未见出露，其含水层仅接受少量的侧向补给或其他含水层通过断裂破碎带、陷落破坏带提供的渗入补给。由于碎屑岩类呈层状产出，含水层与隔水层互层叠置，导致地下水主要沿地层产状层面径流，地下水整体自东向西沿地层倾，并向平缓运移。在基岩侵蚀基准面以上的地层，因受沟谷切割的影响，多以泉水点状排泄于沟谷下游;在侵蚀基准面以下的地层，多以潜流形式向深部运移，在未遇导水构造的情况下，地下水的渗流速率渐趋降低，从而在本区西部边缘形成地下水滞流带。碎屑岩类裂隙水主要以径流的方式向区外排泄。在煤层开采或煤层气开发后，人工的抽排水方式成为了主要的排泄形式。

碳酸盐岩岩溶裂隙含水层主要由石灰岩、白云质灰岩组成，属于隐伏岩溶径流区，主要接受东部岩溶水的侧向补给。本区位于天桥泉域的西部边缘，天桥泉群出露点的南面，属于天桥泉域强径流带，岩溶水整体自南向北偏东方向径流，最后在天桥泉集中排泄。

2  矿井主要充水因素分析

2.1  顶板砂岩裂隙水

顶板砂岩裂隙水为煤层直接充水含水层，根据本次抽水试验结果，其富水性较弱。煤层开采引起的顶板导水裂隙可能会沟通上部的多个含水层，成为充水的主要来源。采用导水裂隙带计算公式，计算8号煤层和13号煤层采空后产生的导水裂隙带的高度：

.            （1）

式（1）中：H为导水裂隙带高度，m;M为煤层厚度，m;n为煤层分层开采层数。

经计算，13号煤层的导水裂隙带高度为69.55～72.19 m，8～13号煤层的间距在24.69～50.62 m之间。由此可见，8号煤层采空后，续采下煤组13号煤层时，易沟通8号煤层的采空区，存在发生顶板突水事故的危险。

2.2  奥灰水

勘查区内主采煤层底板标高均位于奥灰水水位以下，各煤层均存在不同程度的带压开采。根据本次勘查成果，推测勘查区奥灰水水位标高为825～860 m。下面分别计算主要可采的8号煤层和13号煤层的突水系数：

.                （2）

式（2）中：Ts为突水系数，MPa/m;P为隔水层承受的水压，MPa;M为底板隔水层的厚度，m;Cp为采矿对隔水层底板扰动破坏的厚度，16 m。

依据式（2）可获得本勘查区8号煤层和13号煤层的突水系数，并绘制了8号煤层带压开采图和13号煤层带压开采图，如图1和图2所示。

从图1和图2中可以看出，8号煤层东北部的突水系数小于受构造破坏地段奥灰突水系数的临界值0.06 MPa/m，西南部大于正常地段奥灰突水系数的临界值0.10 MPa/m;13号煤层仅东北部一小块区域的突水系数小于正常地段奥灰突水系数的临界值0.10 MPa/m。因此，8号煤层受奥灰水突水的可能性较小，而13号煤层受奥灰水突水可能性较大。

图1  8号煤层带压开采图          图2  13号煤层带压开采图

3  结束语

杨家湾勘查区的煤层直接充水含水层以砂岩裂隙含水层为主，含水层的富水性较弱;间接充水含水层的充水来源为大气降水和地表水，相对比较贫乏。奥灰岩溶含水层为煤层底板的间接充水含水层，主采煤层均位于奥灰水水位之下。综合分析认为，煤层开采由于受奥灰水的威胁而变的复杂，矿井水文地质类型为二类二型，水文地质条件中等。

参考文献

[1]国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定[M].徐州：中国矿业大学出版社，2009.

[2]徐淑媛.山西芦子沟煤矿充水因素分析及矿井涌水量预测[J].中国煤炭地质，2012，24（06）：30-40.

————————

作者简介：覃轩（1986—），男，山西交城人，2009年毕业于中国矿业大学水文与水资源工程专业，现从事水文地质方面的技术工作。

〔编辑：张思楠〕

Analysis of District Water Filling Factors in Shanxi Province Yangjiawan Exploration

Tan Xuan

Abstract： According to the exploration and hydrogeological characteristics in the region， through analysis， exploration the main water filling source region for Cenozoic loose bed pore water， the main coal seam roof and floor sandstone fissure water and Ordovician limestone karst fissure water. Found through the calculation of the main coal seam water flowing fractured zone， No. 8 coal seam mined subsequent mining of No. 13 coal seam， easy communication in No. 8 coal seam goaf， and then cause the roof water inrush. Through the calculation of water inrush coefficient found in No. 13 coal mining， mining more than No. 8 coal seam floor water inrush accidents easily caused.

Key words： hydrological and geological characteristics; water filling factors; water flowing fractured zone; coefficient of water inrush