长平矿奥灰水文地质特征研究

张雷杰

（山西正诚矿山安全技术研究所（有限公司），山西 晋城 048006）

1 概 况

华北型煤田为我国重要的煤炭输出基地，但严峻的矿山水害一直影响着我国煤矿安全生产，在所有水害事故的突水形式中，以底板承压区突水最为严重。然而由于地下水资源的极其宝贵以及出于生产成本控制，大量深埋带水压煤炭资源无法通过疏干降压来实施安全开采，须进行带压开采。长平矿主采3 号煤层，其大部分区域及下部15 号煤层全部区域，均受到底板奥灰水的威胁，其底板距奥陶系灰岩顶界面部分区域仅10 m 左右，采动破坏后底板有效隔水层阻水能力可能不足以阻抗底板深部的奥灰水水压，在井田中部至深部，带压开采问题尤为突出。许多矿区的资料证明，在奥灰峰峰组存在一定厚度的隔水层段，所以，为了实现该矿3号、15 号煤层带压安全开采，有必要对长平煤矿峰峰组的含（隔） 水性进行评价，以期在可行的条件下利用峰峰组富水性较弱的特点，作为保护煤层开采、降低突水危险性的隔水屏障。

2 主采煤层充水条件分析

2.1 地表水及基岩风化带裂隙水

井田中西部主要发育釜山村沟和海则沟，属季节性河流，平时有微小流水，雨季汇集洪水后水量猛增，基岩风化层接受地表水的补给。3 号煤层导水裂缝带发育高度为87.80～140.00 m，煤层顶板上距基岩风化带含水层底板169.73～737.14 m，导水裂缝带未发育到基岩风化带含水层底板，在无构造或其它因素造成导水通道的前提下，地表水及基岩风化带裂隙水对3 号煤层的开采影响不大。

井田东部丹河、釜山水库均留设隔水煤柱，一般情况地表水对3 号煤层不存在充水威胁。

2.2 二叠系砂岩裂隙水

二叠系砂岩裂隙含水层为3 号煤层直接充水水源。砂岩裂隙含水层的补给区位于井田外围基岩裸露地带，以及区内沟谷基岩露头地段。但因砂岩裂隙水汇水面积有限，补给条件差，含水层总体富水性弱。

在煤层掘进或回采后，上覆砂岩裂隙含水层通过导水裂缝带，淋入或渗入到掘进或回采工作面，增加矿井涌水量。由于该含水层富水性较弱，对煤层掘进、开采一般不构成威胁。多年来的矿坑排水对煤系围岩含水层起到一种人为的疏降作用。因此，煤系围岩地下水不会对煤矿开采造成大的威胁。目前开采3 号煤层，井下大多地段顶板淋水不大，一般5～10 m3/h 左右，井下未出现过大的透水现象。但是在断层带、陷落柱附近裂隙发育，以及砂岩裂隙含水层厚度较大地段，含水层富水性相对较好，煤层掘进时应加强探测。

2.3 石炭系太原组灰岩岩溶裂隙水

井田中西部3 号煤层位于太灰水位之下，属于太灰水带压区。煤层底板与K5 灰岩之间有12～41 m 隔水层，因此，太灰水为3 号煤层底板间接充水水源。15 号煤层顶板导水裂缝带发育高度为60.15～132.29 m，主要导通的K2～K6 灰岩及3 号煤采空区水为15 号煤层顶板直接充水水源。

自上而下主要有石炭系太原组K6、K5、K4、K3 和K2 灰岩。含水层岩性为致密坚硬石灰岩，可见岩溶裂隙，但多被方解石或钙泥质充填。含水层主要接受井田外围裸露地带补给。含水层富水性弱，局部存在相对富水区，表明上石炭统太原组岩溶裂隙含水层对开采3 号、15 号煤层存在一定的影响。在开采3 号、15 号煤层时，应对太原组岩溶裂隙含水层富水性进行探查，对于富水性异常区采用超前疏排、治理等措施，减少或消除其在矿山建设和生产过程中对矿井安全的威胁。

2.4 奥陶系中统岩溶裂隙水

作为矿井主采煤开采的主要潜在威胁之一，奥灰水具有水压高、水量大、富水性极不均一的特性。潜在的储水水源主要为上马家沟组岩溶裂隙含水层。3 号煤层至奥灰顶板之间距离90.15～147.26 m，15 号煤层至奥灰顶板之间的距离11.81～45.22 m，平均仅有27.33 m 左右，甚至在部分区域不到12 m。主煤煤层底板承压水压力最大可达4.36 MPa（图1）。受底板水威胁最严重的15 号煤，采动破坏后底板有效隔水层阻水能力不足以阻抗底板深部的奥灰水水压，在井田中部至深部，带压开采问题尤为突出。因此，有必要对峰峰组的含（隔） 水性进行系统评价，解决煤层带压开采问题，防止奥灰水突入矿井造成灾难性后果。

图1 隔水层底水压等值线图Fig.1 Contour diagram of water pressure of aquifuge bottom

2.5 采空区积水

井田内3 号煤层已开采多年，形成大范围采空区，采空区主要集中在井田东部。据统计井田内采空区面积总计3 901 781 m2，其中积水区6 处，积水总面积为349 337 m2，积水总量为70.03 万m3，目前未发现井田内有古空小窑分布。周边煤矿均与该矿留设矿界煤柱，尚未发现越层越界开采现象。

长平井田总体呈一向西北倾斜的单斜构造，3号煤层采空区分布在井田东部，中西部未开采3 号煤层标高均低于采空区标高。积水对3 号煤层开采存在一定的威胁。采空区积水处在动态变化过程中，随时间的推移，无积水区会逐渐成为积水区。当煤层开采接近采空区时，应对周边积水进行安全评估，做好防治水工作。做到“预测预报、有掘必探、有采必探，先探后掘、先探后采”，确保3 号煤层的安全开采。

15 号煤层上距3 号煤约75.05～110.47 m，煤层顶板导水裂缝带发育高度为60.15～132.29 m，大部分地段裂缝带顶界面距离大于3 号煤与15 号煤煤层间距，或者已进入其底板采动裂隙发育范围以内。因此15 号煤开采过程前，应充分了解顶板起伏变化，对老空水威胁进行提前评估、疏放。

3 主采煤层带压开采条件分析

3.1 带压开采与地质构造的关系

井田范围内发育有大小褶曲32 条，多为宽缓的背、向斜构造，对煤层及其顶底板的挤压或拉张效应十分微弱，对底板隔水层的隔水性能影响较小。井田内断层和陷落柱较多，对煤层带压开采影响较大，特别是落差较大、深切煤系地层并与奥陶系灰岩有水力联系的断层及陷落柱，不仅成为带压开采时奥灰水进入煤系地层的通道，而且降低了煤层底板隔水层的隔水性能，对煤层带压开采危险性较大。因此，须探明褶曲、断层及陷落柱等构造发育状态的情况下，制定煤层带压开采防治水方案。

3.2 带压开采与隔水层厚度的关系

隔水层厚度指的是煤层底板至奥灰顶界面之间的厚度，诸多资料表明，峰峰组顶部的古风化壳也具有较明显的阻水性能，如果峰峰组顶部古风化壳存在并具备阻水性能，可以将峰峰组顶部隔水层进行利用，那么受到破坏的本溪组岩层将不再是唯一的阻隔奥灰水进入15 号煤的阻水层，对解放下组煤有重要意义。

3.3 带压开采与隔水层岩性组合的关系

隔水层的隔水性能不仅与其厚度有关，岩性组合特征对于抵抗底板水压也具有重要影响。泥岩、砂质泥岩的阻水能力较好，但抗压强度强度一般较小；砂岩、石灰岩虽然阻水性能较差，但抗压强度一般较泥质岩类较大。因此，只有泥质岩类与砂岩反复旋回沉积的组合形式，才能起到较好的阻水作用。3 号煤层距离奥陶系距离较远，隔水层厚度较大，泥岩类与砂岩、石灰岩等反复旋回沉积，对阻止奥灰水具有较好的效果。15 号煤距离奥陶系距离较近，隔水层厚度较小，承受的水压较大，但本溪组铝质泥岩厚度较大，阻水效果较好，大部分地段15 号煤底板为铝土质泥岩、泥岩、砂质泥岩和砂岩旋回沉积，对奥灰水进入15 号煤具有很好的阻水能力，但是不排除在部分区域底板隔水层泥质岩类所占比例较大，而抗压强度较大的砂岩、石灰岩所占比例较小，甚至没有。因此，对于15 号煤层带压开采可行性的问题上，不仅要探明隔水的厚度、水压、构造等因素，隔水层的岩性组合形式对于明确防治水方案也具有重要意义。

4 奥陶系峰峰组隔水性分析

已有勘探资料表明，长平矿范围内，奥灰水存在一个普遍规律，在正常区段峰峰组整体富水性极弱，进入马家沟组上段时出现明显的富水层位，到中段时水量急剧增大，出现强富水层。富水层位的位置与岩性组合、地下水动力条件及古气候存在较密切的关系，上述结论是各种因素综合作用的结果。如果将峰峰组作为相对隔水层，甚至将峰峰组顶部的二段古风化壳发育区作为隔水层，将对能否安全开采下组煤有重要意义。

4.1 奥陶系峰峰组隔水性认识

根据野外地质与水文地质调查及水文地质钻探资料，峰峰组顶部未见强含水层。说明古风化壳对峰峰组的隔水性起到了作用，但古风化壳的分布是不稳定均一的。

峰峰组地层岩性上部为灰色-灰白色巨厚层状隐晶质石灰岩、局部裂隙发育，具方解石脉，间夹有白云岩及角砾状灰岩，局部为泥质石灰岩。中部为灰色角砾状石灰岩，泥灰岩和石灰岩，灰色白云岩和泥质白云岩，局部溶洞发育，裂隙内充填有方解石脉。下部灰色石灰岩，浅灰色中厚层状白云岩，含泥石灰岩，局部溶洞发育。

其具备阻水作用的原因主要有两点，一是上部本溪组地层是良好的隔水岩层且对其峰峰组古风壳有充填作用；二是峰峰组本身灰岩夹泥灰岩的二元结构。

4.2 奥灰峰峰组岩溶规律及富水性分析

峰峰组厚度约为130 m 左右，主要由厚层状泥灰岩、石灰岩、角砾状石灰岩及白云质灰岩组成。总体上岩溶裂隙发育程度较差，在溶蚀裂隙发育的区域，常见泥质胶结。灰岩岩溶地貌发育的各种岩溶空洞、裂隙在后期物理、化学风化过程中形成了大量碎裂状角砾，与上覆的风化残积层混杂在一起形成二次胶结，由于泥质胶结程度高，使得峰峰组顶部的风化壳在成岩后具有较高的强度和隔水性能。根据已有资料，峰峰组含水层总体富水性弱，这与峰峰组顶部存在的风化地貌有较直接关系。但在构造发育区域，如断层、陷落柱，岩溶发育条件好，有可能小范围内形成峰峰组岩溶裂隙富水区，并与马家沟组、煤系地层贯通的情况，此时奥灰水压将威胁煤层正常开采。

根据水文孔抽水试验资料，峰峰组含水层大部分地段富水性弱，单位涌水量为0.000 7～0.087 7 L/s·m，局部地段富水性强，单位涌水量为4.017 9 L/s·m。上马家沟组单位涌水量1.159～2.027 4 L/s·m，属于强富水性含水层。另外，流量测井结果也显示，在峰峰组中上段没有出水层段，并且奥灰峰峰组和上马家沟组2 个含水层水质类型不同，矿化度也有差异，说明二者之间的水力联系比较弱，没有明显的互相补给关系。

4.3 奥灰峰峰组相对隔水层段隔水性能评价

长平井田奥陶系中统峰峰组地层在无构造发育的情况下，岩溶裂隙发育程度差，其富水性小于上马家沟组含水层，并且峰峰组含水层地下水径流条件弱，很难与上马家沟组含水层发生水力系联，即峰峰组地层具备构成阻水性岩层的基本条件。

将峰峰组阻水段因素考虑进去，15 号煤层底板隔水层厚度为31.81～65.22 m，平均47.37 m，煤层底板隔水层承受的奥灰水压为0.367～4.43 MPa。根据煤层底板隔水层厚度和隔水层承受的水压值，对15 号煤层奥灰水突水系数进行计算。煤层底板奥灰水突水系数为0.01～0.094 MPa/m，在西部边界附近呈现0.094 MPa/m 最大值，在井田的中东部、南部突水系数均小于0.06 MPa/m。由此可见，峰峰组作为相对隔水层的对改善距离奥灰最近的15 号煤带压开采条件效果明显。

5 结 语

分析了长平矿已往地质水文资料，总结出长平矿最主要的水害为奥灰水，并对主采煤层带压开采条件进行分析，通过分析研究了奥灰含水层水文地质条件，论证了峰峰组顶部阻水性岩层作为底板相对隔水层的可行性，为实现长平矿3 号及15 号煤带压区资源释放，延长服务年限，优化资源配置起到了重要作用。