平沟煤矿扩大工程水文地质类型划分探讨

梁秋利

引言

我国作为煤炭大国，具有煤田分布范围广，成煤时期多、赋存状态差异性大等特点，从而使得矿井的水文地质条件十分的复杂。相关文献表明，不同类型的矿井水文地质条件决定着矿井防治水工作的难易程度，从而影响到矿井的总体设计，甚至是煤炭生产安全。因此，为了保证矿井的安全性，需要根据不同水文地质类型的特点，分析矿井水害的威胁程度，排查隐患，并采取切实有效的措施，使得矿井能够高效、有序的进行生产，通过上述可知分析和研究矿井的水文地质情况、准确划分矿井的水文地质类型具有的一定的现实意义。目前，我国有《煤矿防治水规定》和《煤矿安全规程》两项关于矿井防治水领域的部门规章及国家技术标准，其中在《煤矿防治水规定》里已提出水文地质类型划分的格式和内容要求。

矿井水文地质类型的划分可以说是对矿井开采各个阶段水文地质资料进行收集、整理、科学分析的系统工程，在对不同的矿井进行水文地质类型进行划分时需要考虑的因素也不同，但既要全面考虑又需突出主要因素，同时还应反映客观实际，其需要考虑的主要因素有补给水源及补给条件和通道及充水方式，其他影响因素还有当地的气候、地形、水文、煤层与当地侵蚀基准面的相对位置、开采活动、水量大小等等。需要注意的是，通过相关研究所列出的矿井水文地质类型是有一定代表性的，并不可能包含所有类型，因此在应用过程中要根据客观实际进行选择，切勿生搬硬套。本文以平沟煤矿扩大工程的矿井水文地质类型划分为例，通过对该矿井水文类型的划分进行详述、分析，提出相应的结论，为今后类似项目的水文地质类型的划分提供参考。

1、工程概况

平沟煤矿位于乌海市海勃湾东南10km处，于1958年开始建设，经过多次的技术改造，于1991年底建成为设计生产能力为1.20Mt/a的矿井。近年来，通过多次的改革改制及技术改造，平沟煤矿的生产能力不断地得到提高，产出的煤具有质量好，发热量高，炼焦性能好等特点，并热销国内外。由于平沟煤矿资源量已不能满足进一步扩大产能的需要，综合考虑各方面因素，又将平沟煤矿与它相邻的卡布其深部井田合并为平沟煤矿的扩大区进行开发利用。

平沟煤矿扩大区包括平沟煤矿与卡布其深部井田，均位于内蒙古自治区乌海市海勃湾区境内，行政区划属于海勃湾区卡布其镇。煤矿地处海勃湾区政府所在地的东南方向，直线距离10km，煤矿办公区及井口位于卡布其镇内。两煤矿在东西方向上的边界相连，东西宽约1.5～5.5km，南北长约12.90km，为一不规则多边形，面积约48.82km2。

2、矿区水文地质条件

2.1气候、水文、地形地貌

该区属半沙漠干旱大陆性气候，降雨量少、蒸发量大，一年四季干燥多风。根据乌海市气象站提供的资料可知，该区域多年的平均气温为9.70℃；年平均降雨量为47.1～357.6mm，其中7、8、9三个月占全年总降水量的68.55%，大气降水及地表对地下水补给贫乏。春冬季节多刮西北风，夏秋季多刮东南风，每年11月初封冻，至次年5月初解冻。

该区地形为一狭长的低地，主要由残丘、孤山阶地、洼地组成。矿区内中部有两条东西走向的旧洞沟和卡布其沟，旱季通常无水，雨季时地表水可通过各枝状沟谷流入到井田中部的低洼沟川中，从南至北最终注入黄河。

2.2含水岩组特征及其水力联系

通过分析研究相关资料可知，岩性组合和水力联系将该区含水岩组分为三类，即第四系松散岩类孔隙潜水含水岩组、二叠-石炭系碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组、奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组。第四系松散岩类孔隙潜水含水岩组主要分布于中西部及沟谷内，岩性主要有风积砂、残坡积亚砂土和冲积砂砾石层，中部卡布其沟一带较厚，往东、西两侧山前变薄。二叠-石炭系碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组则是根据区内碎屑岩类含水岩组划分成5个含水层段及3个隔水层，其中煤系地层及其上覆岩系含不均勻裂隙水，受裂隙及补给来源的限制，通常富水性较弱。奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水组包括包括克里摩里组、桌子山组和三道坎组，该区为埋藏区，岩溶裂隙发育程度和富水性极度不均。由于区内断层的导通、隔水层变薄或相变为透水层，使得各含水层间存在一定的水力联系。

3、充水因素分析

3.1邻近生产矿井水充水因素

（1）骆驼山煤矿矿井

该煤矿在2010年1月至2011年3月间，矿井正常涌水量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，其充水水源主要有奥灰岩溶水、碎屑岩类第Ⅳ、Ⅴ含水层段（太原组砂岩水）、碎屑岩类第Ⅲ含水层段（山西组砂岩水）、碎屑岩类第Ⅱ含水层段。

（2）平沟煤矿生产区矿井

近年来，随着平沟矿井的改扩建，其产量的也逐渐增大，该矿井的涌水量也明显增大。目前，该区开采煤层有9号、10号、14号和16号煤，其中9号煤开采范围最大。

2010年该矿井的涌水量为96.45～185.82m3/h，平均涌水量130.38m3/h，平均原煤产量4548.19t/d，富水系数0.509～0.8556，平均富水系数0.688。根据多年的矿井涌水量与降水量统计，矿井涌水量大小随季节变化明显，7～8月份，降水集中，矿井涌水量属高峰，另外，矿井涌水量随着开采深度的延展，涌水量也随着增大。其充水水源有奥陶系石灰岩溶水、采空区老塘积水、中下煤组含水层水。

3.2充水水源

通过上述内容，同时结合平沟矿生产区与骆驼山矿矿井水文地质特征，分析出矿区可采煤层主要充水水源有底部奥灰岩溶水、老窑采空积水和碎屑岩类孔隙裂隙水及大气降水。

奥灰岩溶水：奥灰岩溶水含水层主要为桌子山组和三道坎，克里摩里组泥质条带灰岩可视为相对隔水层，西部发育、东部尖灭；桌子山组以厚层灰岩为主，厚度大于200m，岩溶裂隙发育但极度不匀，在断裂带、褶皱轴部、陷落柱部位相对富水，平沟矿井下奥灰出水点最大涌水量123m3/h，骆驼山矿井下奥灰出水点最大涌水量101.80m3/h，为矿井充水的主要含水层；钻孔单位涌水量0.00094～0.08641L/s.m，渗透系数0.0000017～0.0398m/d，富水性弱～中等，动储量有限，静储量较大，矿井开采中应高度重视。

老窑采空积水：由于区外东部分布多个正生产的露天采坑，面积较大，碎石、矿渣回填后将会存在大量的空隙，构成积水充水空间，因此老窑采空积水将会通过采空裂隙或断裂带等进入矿井。目前，老窑积水还未对大井产生过重大影响。随开拓延深，老窑积水距生产区域越来越远，它的危害性也越来越小，但是，生产过的老塘面积也越来越大，老塘积水量也越来越大。东部的采空和露天采坑积水，如遇到雨季则积水量将会增加，遇洪水突发会对生产造成严重威胁。

碎屑岩类孔隙裂隙水：9煤和10煤以顶板砂岩含水层（第Ⅲ含水层段）充水为主，其次为上覆间接充水含水层第Ⅱ含水层段充水；16煤以顶板砂岩含水层（第Ⅳ含水层段）和底板砂岩含水层（第Ⅴ含水层段）为主，其次为上覆的第Ⅲ含水层段充水。井下大多以顶板砂岩滴水、淋水，底板砂岩渗水为主，平沟矿该含水岩组涌水量为27.10m3/h，骆驼山矿涌水量20.75m3/h，涌水稳定且不随雨季与枯季而发生变化，消耗静储量。而东部由于开采时间较长，矿井多，使得含水层遭到破坏，导致该区域砂岩水基本疏干，涌水量较小；西部砂岩含水层则埋深大，分布稳定，且储水空间大，静储量较之东部丰富，在构造破碎带相对富水，因此在向西部开采过程中涌水量将会增大，但对矿床充水影响不大。

大气降水：由于本区降水量较少，大多集中在7、8、9三个月，大部分以短暂洪水排泄出井田，少量渗入地下，一般对矿井充水影响不大。但是在采空裂隙区、露天采坑、沟谷断层带，大气降水或洪水将会顺着裂隙、破碎带进入矿井，成为矿井充水的主要因素，严重时可能会危及矿井安全。

3.3充水途径

通过研究可知，本区的充水途径主要有三种，分别为采空冒裂带、封闭不良钻孔及构造。当煤层被采空后，煤层顶板的煤巖层形成了明显的冒裂带，而冒裂带可导通顶板的含水层，或在地表形成裂隙带，成为煤层上覆含水层、老塘水，或降雨等进入矿井的通道。随着开采面积的增大，当巷道揭露出封闭不良钻孔时，这些钻孔可能会成为奥灰含水层和老空积水进入矿井的通道，因此需要则采取措施，防止地下水通过钻孔进入巷道。此外，构造破碎带也是矿井充水的主要通道。

4、矿井涌水量预算

（1）涌水量预算依据

根据矿井涌水水源分析可知，平沟煤矿矿井总涌水量包括井下奥灰出水点涌水量、老空积水涌水量、可采煤开采涌水量。解析法仅能预算出9-10号煤开采涌水量、16号煤开采涌水量，奥灰出水点涌水量和老空积水涌水量则采用观测数据。同时，预算时将不考虑非正常开采及施工导致的意外性突水事故，仅以正常导水裂隙所能导通的含水层形成的地下水渗流场模式进行计算，也不考虑隔水边界。

（2）预算方法及结果评价

先期开采地段矿井正常涌水量将采用大井法、狭长水平巷道法和富水系数比拟法三种方法进行，结果见下表1。

表1 涌水量预算对比表

计算方法 大井法 狭长水平巷道法 富水系数比拟法

预算涌水量（m3/h） 293 245 236

从上表可与看出，富水系数比拟法与狭长水平巷道水动力学法的结果较为接近，而大井法结果偏大。这是由于大井法采用的水文地质模型为四周进水，即把矿区先期开采地段视为“大井”，但是采区却为长条形，因而导致换算结果与理论误差较大，其结果可做参考。此外，三种方法对弱含水层涌水量随开采面积增大及深度增加的因素均考虑不足。

综合上述建议先期开采地段矿井正常涌水量采用狭长水平巷道法计算结果，即先期开采地段矿井涌水量245m3/h，最大涌水量取588m3/h（系数取2.40）。含水层组厚度是以细砂岩、中粗砂岩累加厚度为含水层厚度，含水层的参数值一般为同一含水层不同地段的平均值，由于地层的各向异性，采用平均值所计算出的矿井涌水量，与矿井实际涌水量还是会存在一定的差异。

5、矿井水文地质类型初步划分

按照《煤矿防治水规定》第十一条，以及整理、收集的该区水文地质等资料，得出水文地质类型初步划分情况如下：

在矿井开采过程中，受到采掘破坏或影响主要有岩溶含水层、老空水和碎屑岩类含水层。煤层直接充水含水层为顶底板第Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ含水层段、第Ⅱ含水层段下部砂岩孔隙裂隙含水层，钻孔单位涌水量0.000019～0.0198L/s.m，富水性弱，补给源为贫乏的大气降水；老空水主要接受大气降水和碎屑岩类含水层的补给，2010年平均涌水量45.59m3/h，对矿井生产未发生过重大影响；奥灰岩溶水为底板间接充水含水层，主要含水层桌子山组厚度大于200m，富水性极不均，补给水源有限，静储量大。9号、10号煤距奥灰顶平均间距分别为89.42m、92.81m，大部分地块突水系数0～0.05MPa/m、相对安全，断层部位突水系数0～0.06MPa/m，具有突水危险性；16号煤至奥灰顶平均间距31.48m，没有稳定的泥质隔水岩层，正常地块突水系数0～0.19MPa/m，断层部位突水系数0～0.38MPa/m，大部分地块具有突水危险性。

本矿正常涌水量130.38m3/h，最大涌水量271.00m3/h；预算先期开采地段矿井涌水量245m3/h，最大涌水量588m3/h。平沟井下发生三次奥灰突水，最大突水量为123m3/h，邻近骆驼山矿发生过三次奥灰突水，最大突水量6500m3/h。

本区以底板进水岩溶含水层充水矿床，矿井水文地质类型初步划分为复杂型。

6、结语

由于平沟煤矿已不能满足产能需求，因而将其与相邻的卡布其深部井田进行合并，那么便使得该项目水文地质类型划分工作与以往的项目略有不同。正因为该项目的特殊性，导致划分过程中需要考虑的因素增多，难度也有所增大。本文通过对平沟煤矿扩大区水文地质条件、充水因素等进行分析可知，该矿区可采煤层主要的充水水源有底部奥灰岩溶水、老窑采空积水、碎屑岩类孔隙裂隙水及大气降水四类，充水途径主要分为采空冒裂带、封闭不良钻孔及构造三种，同时还预算出该区先期开采地段矿井的涌水量，为水文地质类型的划分提供依据。但是，因为本次研究仅对先期开采地段进行了矿井涌水量的预算，选择参数也是主要依据现阶段勘探成果和矿井资料，预算量与生产实际还是存在一定的误差，况且随着矿井的开采，矿井水文地质条件也将发生变化，因而应在今后提高矿井勘查程度的基础上对矿井涌水量重新进行预算，并补充矿井涌水量数据，以便正确指导设计及生产，确保矿井安全生产。

矿井水文地质类型的划分对防治水措施制定的意义不言而喻。因此，专业技术人员在编制矿井水文地质类型划分报告的过程中应保证内容全面、数据资料可靠，对于像平沟煤矿扩大区工程除利用原有资料，还应将改扩建时期的水文地质资料进一步补充整理及分析研究，以保证报告的真实型，为防治水工作提供切实有效的依据。

（作者单位：神华地质勘查有限责任公司）