信湖煤矿八一采区水文地质条件分析

2016-09-18方园

西部探矿工程 2016年8期

关键词：隔水层富水采区

方　园

（安徽煤田地质局第三勘探队，安徽宿州234000）

信湖煤矿八一采区水文地质条件分析

方园*

（安徽煤田地质局第三勘探队，安徽宿州234000）

处于淮北煤田西南部的信湖煤矿，构造类型为中等型，本采区地层由老至新分别为寒武系，奥陶系，石炭系本溪组、太原组，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千锋组，新近系，第四系。在分析了矿井水文地质条件的基础上，根据本采区主采煤层情况，结合采区水文地质特正进行了综合分析，得出了本采区的充水水源及通道并进行了充水强度分析。尽管该区含水层富水性较弱不会对煤层开采造成大的威胁，但在未来的开采工作中仍应予以重视，因为导水裂缝带达到一定高度时，仍可能产生影响。

水文地质；充水因素；导水裂缝带；信湖煤矿

矿井突水问题一直是各生产、机研究单位关心的问题。信湖煤矿属花沟井田，位于安徽省涡阳县境内，行政区划属涡阳县，距涡阳县城约14km。八一采区位于信湖煤矿中西部，全区为全隐蔽区，据钻探揭露，地层层序与淮北煤田各勘查区相同。通过对采区地质环境的研究，对该水文地质特征进行总结，为今后生产提供参考意见。

1　研究区背景

1.1研究区概况

信湖煤矿位于淮北煤田的西部，区内总体上为一走向近南北，西倾的单斜构造，局部发育有小型褶曲或波状起伏，地层倾角6°～22°；14线以北、F1断层以西地层走向逐渐转为北西。煤系地层被一系列近南北向正断层切割形成阶梯状构造，仅在F9断层附近的8线和12线出现煤层露头。东南部有古近系冲积盆地，使下伏地层受到不同程度的剥蚀。见图1，本区构造总体为中等型。

1.2矿井水文地质条件

图1　信湖煤矿八一采区构造图

淮北煤田构造位置处于华北板块东南缘，豫淮坳陷带的东部，徐宿弧形推覆构造的中南部。东有固镇—长丰断层，南有光武—固镇断层隔蚌埠隆起与淮南煤田相望，西以夏邑—固始断层与太康隆起和周口坳陷为邻，北以丰沛断裂为界与丰沛隆起相接。四周大的断裂构造控制了该区地下水的补给、径流、排泄条件，使其基本上形成为一个封闭—半封闭的网格状水文地质单元。

本矿井直接充水含水层为主采煤层顶底板砂岩裂隙含水层，富水性一般弱，间接充水含水层为四含及太灰，四含富水性弱，太灰富水性一般弱—中等，矿井水文地质条件为中等。

2　采区水文地质特征

八一采区位于信湖煤矿中西部，采区的西侧为北二采区。北至SDF259、SDF262、SDF264断层上盘及F9断层上盘；南至SDF19断层下盘及19勘查线；西至SDF8断层下盘及-960m等高线；东至F1、DF19断层下盘。

采区为新生界松散层复盖下的全隐蔽矿床。地下水含、隔水层可根据其赋存介质特征进一步划分新生界松散层孔隙含、隔水层（组）、二叠系主采煤层砂岩裂隙含、隔水层（段）、太原组石灰岩岩溶裂隙含水层（段）和奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层（段）。

2.1新生界松散层含水层水文地质特征

本采区新生界松散层厚454.69～497.45m，平均厚484.68m，其厚度变化受古地形控制。总体上从东南向西北逐渐增厚。根据区域水文地质资料按其岩性组合特征，自上而下划分4个含水层和3个隔水层。

（1）第一含水层（组）底板深度在28.20～37.80m之间，含水砂层厚度为5～26.70m。全区发育且分布稳定。区域水文资料表明，一含分布稳定，水质较好，富水性较强，开采条件简单。q=0.534～1.536L/s·m，K= 3.58～8.35m/d，富水性中等—强。矿化度0.299～0.747g/L，全硬度为13.35～23.38德国度，pH值7.5～8.35，氟含量0.4～1.4mg/L，水温14℃～16℃，水质类型为HCO3-K+Na·Mg·Ca型。

（2）第一隔水层（组）底板深度42.45～52.60m，隔水层厚5.85～17.17m。富含钙质及铁锰结核。分布稳定，隔水性能较好。

（3）第二含水层（组）底板深度77.75～91m，含水层厚度5.5～25.8m。该含水层（组）砂层单层厚度小，变化大，一般砂层不发育。水位标高24.46～28.01m，q= 0.099～0.564L/s·m，K=0.98～4.28m/d，富水性弱—中等。矿化度0.830～1.51g/L，全硬度为16.17～27.15德国度，pH值7.7～8.30，氟含量0.8～1mg/L，水温15℃～17℃，水质类型为HCO3-K+Na·Mg型和SO4·HCO3· Cl-K+Na型。

（4）第二隔水层（组）底板深度98.90～128m，隔水层厚度6.65～25.20m。分布稳定，隔水性能较好。

（5）第三含水层（段）底板深度为258～291.10m，含水层厚度74.75～128.75m。顶部一般夹有1～3层细砂岩（盘），下段砂层较上段薄，含水性比上部差。水位标高 22.61m，q=0.232L/s·m，K=1.25m/d，矿化度1.245g/L，全硬度为5.41德国度，pH值8.45，氟含量2.62mg/L，水温17℃，水质属为HCO3-K+Na型水。

（6）第三隔水层（组）底板深度为436.7～493.25m，隔水层厚115.86～188.35m。该组厚度大，分布稳定，隔水性能好，为区内重要隔水层（组）。

（7）第四含水层（组）底板埋深454.69～497.45m，含水层厚度0～21.05m。该含水层（组）直接覆盖在煤系地层和其它非煤系地层之上，沉积厚度总体较薄。由于受古地形的制约，该含水层厚度变化较大，从东向西逐渐变厚，且成片状分布，局部缺失，据本矿钻孔1孔抽水试验资料：水位标高为19.03～26.74m，q91= 0.02031～0.06097L/s·m，K=0.194～1.82308m/d，富水性弱，矿化度3.528g/L，全硬度19.25德国度，水温26℃，水质为Cl·SO4-Na或SO4·Cl-Na型。

2.2二叠系主采煤层间含、隔水层（段）

依据地层岩性的组合特征和可采煤层的赋存位置，结合区域水文地质资料，划分为3个含水层（段）和4个隔水层（段）。各含、隔水层水文地质特征如下：

（1）1～2煤组隔水层（段）底板埋深539.29～712.05m，其隔水层厚度为31.67～185.40m，裂隙不发育，隔水性较好。

（2）3煤上下砂岩裂隙含水层（段）底板埋深525.7～787.65m，该段含水层厚度为1.69～30.4m，裂隙发育程度不均一。据钻孔抽水试验资料：水位标高为30.73m，q91=0.008225L/s·m，K=0.0188m/d，富水性弱，矿化度3.325g/L，全硬度7.01德国度，水温20℃，水质为Cl·SO4-Na型。

（3）4～5煤组隔水层（段）底板埋深528.60～948.65m，隔水层厚36.2～196.90m，岩性致密、完整，裂隙不发育。隔水性较好，为本采区主采煤层上主要隔水层（段）。

（4）6～8煤层砂岩裂隙含水层（段）底板埋深531.90～1005.60m，该含水层段厚1.64～44.46m，裂隙发育不均。该含水层为本采区主采煤层直接充水含水层。据钻孔抽水试验资料：水位标高为28.09～29.32m，q91=0.003989～0.007443L/s·m，K=0.031～0.0324m/d，富水性弱，矿化度2.447～3.788g/L，全硬度5.48～17.93德国度，水温17℃～20℃，水质为Cl·SO4-Na和Cl-Na型。

（5）8煤层下隔水层（段）底板埋深559.81～1018.90m，完全揭露隔水层厚度为9.61～66.57m，全区发育，分布稳定，岩芯致密完整，隔水性较好，钻探揭露时未发生漏水现象。

（6）11煤层顶底板砂岩裂隙含水层（段）底板埋深744.35～1026.99m，含水层厚度为8.69～52.29m，裂隙不甚发育，钻探揭露时未发生漏水现象，据区域资料，该含水层富水性弱。

（7）11煤层下至太原组第一层灰岩顶隔水层（段）底板埋深752～1043.85m，岩性致密、完整，裂隙不发育，隔水性较好。

2.3太原组灰岩岩溶裂隙含水层

采区揭露灰岩厚度0.46～32.77m，采区太灰没有直接影响，但必须指出，太原组灰岩岩溶裂隙含水层的岩溶裂隙发育和富水性具有不均一性。根据钻孔抽水试验资料：水位标高为23.03～27.17m，q=0.005429～0.287L/s·m，K=0.0185～1.857m/d，富水性弱—中等，矿化度1.941～4.401g/L，全硬度30.38～33.28德国度，水温22℃～30℃，水质为Cl·HCO3-Na·Mg·Ca、SO4· HCO3-Na·Mg和Cl·SO4-Na型。

采区太灰没有直接影响，但必须指出，太原组灰岩岩溶裂隙含水层的岩溶裂隙发育和富水性具有不均一性。由于本采区断层较多，有不少断层落差较大，造成了部分地带6～8煤与太灰间距缩短甚至直接“对口”。因本采区断层落差大于100m的断层有4条，其中3条DF19、F1、DF27为采区边界正断层，DF37断层为采区内落差为0～125m查明断层。DF37断层部分地段可能引起太灰与主采煤层间距缩短。本采区位于DF19、F1正断层下盘，故在采取范围内无对口情况；采区位于DF27正断层上盘，在部分地段可能造成主采煤层与灰岩对口，在煤层开采时，须对上述地带高度重视。

2.4各含水层补给径流排泄条件及水力联系

（1）新生界松散层第一含水层：上部属潜水，下部属弱承压水，主要靠大气降水和地表水体垂直渗透补给，其次为侧向径流补给，水位随季节变化大。主要排泄途径为蒸发和人工开采，在一隔薄弱地带，一含水也可越流补给二含。

（2）新生界松散层第二、三含水层：二者均属多层结构的承压孔隙含水层（组），以区域层间径流为主，其次在二隔薄弱地带，二含可越流补给三含。二者的排泄方式主要为层间侧向径流，其次二含和三含上部水也有相当部分为人工开采。

（3）新生界松散层第四含水层：四含地下水以区域层间径流补给为主，四含直接覆盖在基岩各含水层之上。煤矿开采以后，四含水已通过浅部裂隙带和采空冒裂带渗入矿坑，引起四含水位大幅度下降。本矿四含发育不均，总体上看，四含水平径流及区域补给微弱，处于滞缓状态。

（4）二叠系主采煤层间砂岩裂隙含水层：主要受区域层间径流补给，同时浅部露头带接受新生界四含水缓慢渗入补给。总的来说补给水源不足，处于封闭或半封闭的水文地质环境，地下水径流缓慢。开采条件下，会受矿井排水影响，其地下水以突水、淋水和涌水的形式向矿井排泄。

（5）太灰岩溶裂隙含水层：太灰水以层间径流、补给为主，在浅部露头带与奥灰、四含水贯通互补。在正常情况下，太原组和奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层（段）地下水与二叠系主采煤层砂岩裂隙含水层（段）之间无水力联系。因构造影响，它们之间将发生水力联系。

本矿井在11煤开采条件下，太灰水会部分间接地补给矿坑，以钻孔放水和11煤底板突水的形式向矿坑排泄，成为矿井排水的一部分被排放到地面。

3　采区充水因素分析

3.1采区充水水源

采区地层中有多个含水层，但也有多个相对应的隔水层所阻隔，不同的地下水对采区充水影响有明显不同。根据采区水文地质条件分析，采区充水水源有新生界松散层第四含水层孔隙水、主采煤层顶底板砂岩裂隙水和岩溶裂隙水等。

（1）新生界松散层第四含水层：在开采过程中煤层露头区在一定范围内与上覆的四含接触，地下水可沿浅部基岩风化带裂隙、导水裂隙带裂隙和顺煤层下渗进入矿井。在留有防水煤柱的情况下，四含水是本采区浅部煤层开采时矿井充水的主要补给水源。在本采区四含发育不均，富水性弱。

（2）7～8煤顶、底板砂岩裂隙含水层：在掘进和工作面回采时，受采掘破坏或影响的为煤层顶底板砂岩含水层（段），属疏干开采的层位，因此，煤层顶、底板砂岩裂隙含水层（段）是矿井充水的直接充水含水层。地下水处于封闭—半封闭环境，补给条件差，以储存量为主。

（3）太灰、奥灰石灰岩岩溶裂隙含水层：太灰富水性弱—中等。太灰岩溶裂隙含水层富水性受岩溶裂隙程度控制，差异比较大。当井巷工程遇到导水断层或陷落柱时，使煤层与太灰含水层对口或间距缩短，灰岩水将对矿井产生直接充水。由于灰岩水水压大，水量丰富，易于造成突水灾害。因此，太灰水是本采区煤层开采时的潜在突水水源。

3.2矿井充水通道

矿井充水的通道主要有：断层及构造裂隙、垮落带、采动导水裂缝带以及封闭不良钻孔等。

（1）采动垮落带、导水裂缝带。煤层在开采的过程中，会在工作面底板形成底板破坏带，在工作面顶板形成垮落带、导水裂缝带，这些采动裂隙可能成为导水的通道。依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，采区7～8煤层覆岩内为中硬岩层，选择计算公式如下：

式中：HK——垮落带最大高度，m；

HL——导水裂缝带最大高度，m；

∑m——累计采厚，以煤层厚度计，m。

按照上述公式，通过本采区浅部露头钻孔计算了7、81、82煤层开采时垮落带、导水裂缝带高度，见表1、表2、表3。

表1　7煤层浅部开采导水裂缝带及垮落带高度计算表

表2　81煤层浅部开采导水裂缝带及垮落带高度计算表

表3　82煤层浅部开采导水裂缝带及垮落带高度计算表

由上表可以看出，当浅部煤层开采时，如过导水裂缝带高度达到四含时，可能会引发四含突水，在浅部煤层开采时，应采取相应的防治措施。

（2）断层及构造裂隙。断层是构造裂隙中最易造成灾害性事故的进水通道，井巷工程穿过较大断层两盘裂隙带时，断层裂隙带水会进入矿井，其水量不大，但在井巷开拓和煤层开采时破坏了地下水的天然平衡状态，使断层的导水性会有所改变。根据钻探、三维地震资料，采区内查明组合断层169条，落差大于100m的断层为4条，50～100m的2条，20～50m的1条，10～20m的2条，0～10m的断层为158条。当断层落差较大时，形成太原组石灰岩岩溶裂隙水与主采煤层对口或间距缩小，开采煤层时有发生突水的可能性。

（3）封闭不良钻孔。通过对本采区钻孔封闭资料启封记录检查，井下生产过程中遇到或接近钻孔时应引起注意，对井下施工的探放水孔以及锚索眼孔的封闭止水情况也要引起注意。