煤層底板水對煤層開采的內在影響

趙建忠，劉興學，哈斯特爾·胡完

（新疆哈密三塘湖能源開發建設有限公司，新疆 哈密 839000）

我國是一個煤炭資源豐富的國家，在煤炭開采過程中，突水頻率與水害事故居高不下，水害是煤礦安全生產重大災害之一。伴隨著露天煤礦采深的增加，地下含水層逐步揭露。在開采過程中若遇到礦區涌水量大、煤層底板突水系數逐漸增大的問題，將對煤礦的安全生產造成極為不利的影響[1-3]。

以石頭梅一號露天煤礦為例，從含水層、隔水層和以往抽水試驗數據等方面，研究9－1 煤層底板水文地質條件[4-5]，并結合采礦現狀地質、工程地質、水文地質情況，辨識9－1 煤層底板水突水的危險源，根據9－1 煤層底板巖石物理力學特征、構造發育狀況以及涌水量等，評價9－1 煤層底板水的危險性。為露天采場水害防治提供一定依據，從而降低煤層開采的水害事故。

1 礦區地質

三塘湖石頭梅一號露天煤礦礦區位于石頭梅凸起西南部，夾于漢水泉凹陷和條湖凹陷之間，已查明發育斷層5 條，構造屬簡單型。正斷層屬于張性斷裂透水性強，逆斷層屬于壓性斷裂透水性弱。

三塘湖石頭梅一號露天煤礦礦區沉積特點為古生代－中新生代陸相沉積，地層主要有三疊系（T）、侏羅系（J）、新近系（N）、第四系（Q）。

1）三疊系。以湖泊相沉積為主，夾河流相、泥炭沼澤相沉積，為非含煤沉積。巖性為紅棕色泥巖與灰綠色粉砂巖互層。厚層砂礫巖與上覆侏羅系地層整合接觸。

2）侏羅系。侏羅系在本區發育下侏羅統八道灣組（J1b）、三工河組（J1s）及中侏羅統西山窯組（J2x）、頭屯河組（J2t）。從侏羅世中晚期開始沉積，八道灣后期沉積較少，以辮河狀沉積為主；三工河期，隨著水位的上升，轉變為湖濱相；西山窯期，伴隨著基底上升，盆地準平原化。以曲流河相沉積為主，河岸沼澤沉積了巨厚煤層，古氣候向干旱－半干旱沉積環境轉變，形成紅綠相間為特征的沉積組合。其中西山窯組（J2x）為礦區的含煤地層。具體為：①下侏羅統八道灣組（J1b）：下侏羅統八道灣組為辮河狀相沉積，廣泛分布于礦區內，巖性以深灰色粉砂巖、灰黑色泥巖為主，夾薄層中砂巖、砂礫巖、炭質泥巖，地層平均厚度139.35 m，地層厚度總體呈西薄東厚的趨勢，根據以往鉆探資料顯示，該組地層不含煤，與下伏三疊系上統郝家溝組整合接觸；②下侏羅統三工河組（J1s）：下侏羅統三工河組為辮狀河、湖濱相沉積，廣泛分布于勘查區內部，主要巖性以灰色粉砂巖、泥巖、砂巖與砂礫巖不等厚互層，局部夾炭質泥巖和薄煤層，地層平均厚度93.81 m，地層厚度總體趨勢變化不大，與下伏八道灣組呈整合接觸；③中侏羅統西山窯組（J2x）：主要為湖沼相沉積，廣泛分布于勘查區內部，巖性上粗下細，為本區的含煤地層，巖性以灰色、淺灰、灰綠色的粉細砂巖為主，灰白中粗砂巖、砂礫巖次之，可見植物化石碎片及少量暗色礦物，地層平均厚度272.99 m，該地層為礦區含煤地層，含煤9 層，與下伏三工河組呈整合接觸。

3）新近系。為內陸湖相沉積，主要有礫巖、泥巖、鈣質結核等。巖性上部為紅色泥巖、紫紅色粉砂質泥巖組成；下部為灰白色鈣質礫巖，夾具明顯棱角狀的灰白色鈣質團塊。地層厚度總體變化趨勢為南薄北厚、西薄東厚。與下覆侏羅系地層不整合接觸。

4）第四系。在礦區大面積第四系覆蓋，巖性為灰色洪積礫石層，未膠結，一般層理不清。地層總體呈西薄東厚、南薄北厚的趨勢。

2 水文地質

石頭梅煤礦位于三塘湖盆地水文地質單元的排泄區，地下水類型包括基巖裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙承壓水及多層結構的松散巖類孔隙潛水－碎屑巖類孔隙裂隙承壓水，富水性變化較大。礦區南側為西南逆沖推覆，南側山前斷裂接受山區地表、地下水的側向補給。山區地下水通過側向徑流的形式向平原區排泄，平原區地下水除接受山區地下水側向徑流補給外，還接受河流入滲和暴雨洪流的入滲補給；山區及山前洪積平原的洪流對盆地地下水亦有一定的補給。

2.1 煤層底板水文地質條件

9－1 煤層地板水位于侏羅系西山窯組下段碎屑巖類孔隙、裂隙弱富水性含水層。該含水層巖性以灰色、深灰色中、粗砂巖及砂礫巖為主，該含水層厚度3.84～103.07 m，平均厚度37.51 m。該含水層為煤系地層主要含水層，據以往抽水試驗數據反映：單位涌水量為0.002 3～0.005 1 L/（s·m），滲透系數為0.001～0.008 5 m/d，水位埋深為28.1～59.97 m，自然水位標高為717.146～782.824 m，具有一定承壓性。水質為微咸水－半咸水，中性水－弱堿性水，為SO4·Cl－Na 型水，為含煤地層直接充水含水層。

在采掘場不斷降深過程中，煤層底板與此承壓含水層頂界面之間巖層厚度逐漸變薄，突水系數逐漸增大。根據以往9－1 煤層底板施工鉆孔數據顯示，所揭露的承壓含水層水頭高度約120 m，計算突水系數為0.017 MPa/m，后期在降深開采11、12 號煤層時，個別地方巖層（隔水層）厚度僅為6 m，計算突水系數為0.132 MPa/m，大于《煤礦防治水細則》規定的0.1 MPa/m，一旦遇見導水斷層等異常地質構造，此承壓含水層地下水將大量涌入礦坑中，可能造成淹坑的后果，嚴重威脅煤層開采及生產安全[6-7]。

2.2 充水因素

1）地層巖性。9－1 煤層賦存地層為侏羅系西山窯組，其巖性主要以泥巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖等細顆粒狀的巖性為主，局部夾有中、粗砂巖及煤層。通過以往抽水試驗的結果顯示，單位涌水量一般小于0.1 L/（s·m），表明9－1 煤層賦存地層的滲透性差，富水性弱，從而進一步說明9－1 煤層不利于礦床充水。9－1 煤層底板巖性以粉砂巖為主，次為泥巖、細砂巖，局部含炭質泥巖，一般呈薄層狀，層厚最薄約20 m，最厚可超40 m。但粉砂巖、泥質粉砂巖為軟巖，遇水易軟化、易崩解，孔隙較發育，具有一定透水性，只能劃分為相對隔水層。根據目前揭露狀況來看，局部底板透水。

2）構造。礦區內部斷裂構造發育，在斷層兩盤有可能形成裂隙集中發育的地段，從而成為礦坑水的主要通道。構造斷裂成為充水通道主要取決于斷裂本身的水力性質和礦床開采時人為采礦的方式和強度，所以礦區內斷層受采動的影響，可能形成即時導水通道，也可能形成滯后導水通道，給采場帶來嚴重的水害威脅[8-9]。礦區內斷層大多為逆斷層，逆斷層屬于壓性斷裂透水性弱。目前采坑9－1 煤層底板揭露正斷層，斷層走向北東—南西向，斷距12 m，走向延伸距離未知。正斷層屬于張性斷裂透水性強，通過目前現狀，該處斷層是導水通道，9－1 煤層底板水沿斷層上涌。隨著采礦活動的進行，9－1 煤層底板未查明隱伏斷裂構造將陸續揭露。

2.3 水力聯系及底板涌水量

1）9－1 煤層底板水與地表水間的水力聯系。礦區無地表逕流，但存在罕見的較大的降水過程，在局部低洼處形成暫時地表水體，通過地表巖石的風化裂隙補給地下水的可能。因此，地下水與地表水之間，在特定的環境條件下，存在一定的水力聯系。而礦區氣候極度干燥，蒸發量遠大于降水量，所以，這種補給關系甚微?？傮w而言，9－1 煤層底板水與地表水之間的水力聯系是很微弱的。

2）含水層間的水力聯系。9－1 煤層底板含水層位于整個礦區H4 含水層，上部還有3 層含水層。各含水層在礦內廣泛分布，揭露厚度較大，含、隔水層呈互層狀，各含水層間均有厚層狀致密砂巖阻隔，起到了隔水作用，構成總體含水層巖性組合相似的含水層組，自然狀態下一般不具水力聯系。隨著生產活動的進行將會溝通各含水層[10]。

根據以往勘探資料，9－1 煤層底板水為承壓含水層，水頭高度位120～150 m，影響半徑約922 m，含水層涌水量為564 m3/d。

3 底板水的危險性分類及評價

3.1 底板水危險性分類

根據含水層性質條件、斷裂構造條件和隔水介質條件復合后確定9－1 煤層底板水危險性的等級。

1）將隔水介質條件和斷裂構造條件復合，也就是根據隔水層的巖性和結構特征，將隔水層的隔水性能分為4 類。隔水層的隔水性能分類：①Ⅰ類：隔水性能好，包括泥巖為主型完整結構、砂泥巖復合型完整結構和泥巖為主型塊裂結構；②Ⅱ類：隔水性能中等，包括泥巖為主型完整結構、砂泥巖復合型塊裂結構和砂巖為主型碎裂結構；③Ⅲ類：隔水性能差，包括泥巖為主型塊裂結構、砂泥巖復合型碎裂結構和泥巖為主型碎裂結構；④Ⅳ類：隔水性能極差，包括砂巖為主型松散結構、砂泥巖復合型松散結構和泥巖為主型松散結構。9－1 煤層底板巖性為砂泥巖復合型，塊裂結構，隔水性能中等，類別為II 類。不同斷裂構造條件的隔水類別見表1。

表1 不同斷裂構造條件的隔水類別

2）再與含水層條件復合，復合后構成突水地質條件危險性的等級，并劃分為安全（Ⅰ）、中等安全（II）、安全差（III）和安全極差（Ⅳ）4 類。危險性等級劃分：①Ⅰ類：采掘工程一般不受水害影響，防治水工作簡單；②Ⅱ類：采掘工程受水害影響，但不威脅礦井安全生產，防治水工作簡單或易于進行；③Ⅲ類：采掘工程、礦井安全受水害威脅，防治水工程量較大，難度較高，防治水的經濟技術效果較差；④Ⅳ類：礦井突水頻繁，來勢兇猛，含泥沙率高，采掘工程、礦井安全受水害嚴重威脅，防治水工程量大，難度高，往往難以治本，或防治水的經濟技術效果極差。9－1 煤層底板水含水層條件中等，斷裂構造條件中等，危險性綜合評價為中等，屬于Ⅱ類。煤層底板水危險性評價分類見表2。

表2 煤層底板水危險性評價分類

3）綜合含水層性質及補給條件、斷裂構造復雜程度、隔水介質條件對9－1 煤層底板水危險性等級進行劃分，最終得出9－1 煤層底板水危險性等級為中等安全，類別為Ⅱ類。

3.2 底板水的危險性評價

1）9－1 煤層底板水具有一定承壓性，底板承壓水可在承壓含水層上方形成一定范圍的承壓水導升帶，完整底板條件下底板突水事故發生的主要控制因素為底板抗破壞能力以及隔水層厚度，只有在底板破壞區域觸及承壓水導升帶時會導致突水事故的發生[11]。

2）礦區發育多條斷裂，目前已查明發育5 條斷裂（4 條逆斷層、1 條正斷層），隱伏斷裂隨著采礦活動進行逐步揭露。隱伏斷裂構造對底板破壞區域及承壓水導升帶的發育有較大的促進作用，且容易在含水層上方出現巖體破壞情況，煤層開采過程中底板巖層及斷層內部發生變形破壞，斷層頂部上方水壓突變證明了突水事故的發生。

3）鑒于煤礦隨著采礦活動的推進，按照設計規劃將進行內排作業，由于排棄物巖性多為濕陷性黃土、粉砂巖、泥質粉砂巖、砂礫巖等，膠結性差、遇水易崩解、易軟化，若9－1 煤層底板水發生突涌情況勢必影響內排土場的整體穩定性。

4）隱伏陷落柱發育條件下，突水事故的發生時間要早于隱伏斷裂構造條件，且突水特征更為明顯[12]。隱伏構造尤其是隱伏陷落柱的發育明顯增大了底板塑性區發育，底板破壞深度增加。

4 結語

1）石頭梅一號露天煤礦9－1 煤層底板水具有突水發生的風險，危險性等級為中等安全，類別為Ⅱ類。采取突水危險性評價分類的方法，通過辨識引發突水的潛在影響因素，是底板突水危險源辨識與危險性綜合評價的重要環節。

2）石頭梅一號露天煤礦9－1 煤層底板巖性遇水易軟化、易崩解、孔隙發育，巖層局部較薄弱、厚度較薄，斷裂構造發育，地下水類型為承壓水的特征是突水風險的潛在危險源。其次，爆破振動、采動影響以及人為因素，也可能誘發突水情況。

3）對煤層底板邊形情況監測是防止突水發生的先決條件，簡單說煤層底板變形監測更直觀，突水現象發生的征兆底板會出現隆起、裂縫、滲水等跡象，出現類似現象說明底板的力學強度不足以支撐下部承壓水的水頭壓力。

4）鑒于礦區斷裂構造發育（目前在底板已經揭露到斷層），屬于力學性質薄弱地帶，當地下水水頭壓力足夠大時，地下水將沿著斷層面突涌上來，此時的斷層構造帶將成為導水通道。