王瑛

摘要：小回沟煤矿9号煤层为大部分地段奥陶系灰岩带压开采煤层。本文通过分析矿井地质条件、构造规模、奥陶系灰岩含隔水层特征、奥陶系岩溶水化学特征、含水层间水力联系和充水条件等，初步查明了9号煤层奥灰水文地质条件，采用突水系数法对井田内9号煤层在带压范围内的突水危险性进行评价，为9号煤层的安全开采提供有效理论依据。

关键词：带压开采；水力联系；突水系数；突水危险性

Hydrogeological characteristics and water inrush risk of coal seam floor in Xiaohuigou coal mine

Wang Ying

No.1 Hydrogeology Team of China Coal Geology Bureau， Handan， 056004

Abstract： No.9 coal seam in Xiaohuigou Coal Mine is the coal seam mined by Ordovician limestone under pressure in most sections. In this paper， by analyzing the geological conditions， structural scale， water-resisting layer characteristics of Ordovician limestone， chemical characteristics of Ordovician karst water， hydraulic connection between aquifers and water filling conditions， etc.， the hydrogeological conditions of Ordovician limestone in No.9 coal seam are preliminarily identified， and the water inrush risk of No.9 coal seam in the mining field is evaluated by using the water inrush coefficient method， which provides an effective theoretical basis for the safe mining of No.9 coal seam.

Key words： water inrush risk of hydraulic connection water inrush coefficient in mining under pressure

1.概况

小回沟井田属太原西山煤田的一部分，位于西山煤田清交矿区清徐勘探区的北中部和部分邢家社普查区范围。井田面积为33.5877km2，设计可采储量265.37Mt，矿井建设规模3.0Mt/a，矿井服务年限63.30a。开拓方式为斜井开拓，采用综采的采煤方法，顶板管理采用全部垮落法。根据煤层赋存条件，全井田划分为三个水平，上煤组的03、2号煤层为第一水平，水平标高+930m；中煤组的5、6号煤层为第二水平，水平标高+885m；下煤组的8、9号煤层为第三水平，水平标高+835m。9号煤层为全区可采稳定煤层。

井田地质及水文地质条件较为复杂，据以往勘查资料及周边生产矿井充水特征分析，威胁煤层开采的主要含水层为中奥陶统灰岩含水层、含煤地层中薄层灰岩含水层及二叠系砂岩裂隙含水层。其中，可采煤层层间薄层灰岩岩溶裂隙水和顶板砂岩裂隙水富水性弱，对煤层开采影响较小，而煤层底板奥陶系灰岩岩溶裂隙水，因富水性不均一，带压高度大（9号煤底板最低点带压高达2.38MPa），底板隔水层变薄处、较大断层和陷落柱等构造地段存在潜在突水威胁，对煤矿安全开采影响较大。因此查明井田奥陶系灰岩含水层的水文地质条件，对矿井面临的奥灰水突水危险性做出客观的评价，提出有效的防治水措施，对今后9号煤层的安全开采意义重大。

2.地质概况

井田地层由老至新为奥陶系中统上马家沟组（O2s）、奥陶系中统峰峰组（O2f）、石炭系中統本溪组（C2b）、石炭系上统太原组（C3t）、二叠系下统山西组（P1s）、二叠系下统下石盒子组（P1x）、二叠系上统上石盒子组（P2s）、二叠系上统石千峰组（P2sh）、三叠系下统刘家沟组（T1l）和第四系（Q）。井田内含煤地层主要为石炭系上统太原组（C3t）和二叠系下统山西组（P1s），可采和局部可采煤层为03、2、5、6、8、9号煤，其中9号煤层位于太原组下部一段，为全区稳定可采煤层。

受区域构造控制，全区总体为一走向近北东，倾向北西的单斜构造，在此基础上发育了一系列走向近南北向和北东向的宽缓波状褶曲。起伏幅度不大，区内地层倾角多在5°～15°之间，并伴有断层和陷落柱。受其影响，形成了区内地层产状的波状起伏。

井田内发育褶皱15条，物探以钻探揭露大小断层共101条，陷落柱102个，构造较发育。大多数断层、陷落柱不富水，也不导水。

3.含隔水层特征

3.1含水层

井田主要含水层包括：第四系松散岩类孔隙含水层、二叠系下石盒子组以上砂岩裂隙含水层、二叠系山西组砂岩裂隙含水层、石炭系太原组碎屑岩夹薄层碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层、奥陶系峰峰组及上马家沟组碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层。本次以9号煤层底板奥陶系灰岩含水层为研究对象。奥陶系灰岩含水层为9号煤层的底板充水含水层，由石灰岩及泥灰岩构成。根据钻孔揭露，该地层裂隙发育较差，局部见溶孔。由于井田距边山断裂距离较远，富水层整体较弱。根据钻孔抽水资料显示，统一口径单位涌水量0.00003L/s·m～0.00239L/s·m，渗透系数0.0007m/d～ 0.00372m/d，富水性弱。

根据水质化验资料分析，水中K++Na+、Ca2+、HCO3-、SO42-离子含量均较高。其中，K++Na+含量40.2mg/l～508.98mg/l，Ca2+含量6.87mg/l～132.13mg/l；SO42-含量85.61mg/l～828.96mg/l，HCO3-含量32.09mg/l～417.17mg/l。矿化度222.43mg/l～ 1711.98mg/l，总硬度24.78mg/l～406.32mg/l，pH值7.1～9.79，地下水水化学类型为SO4·HCO3—Na、SO4—Na、SO4·HCO3—Ca·Na、SO4·HCO3—Ca、SO4—Na·Ca型。奥陶系阳离子Ca、Na离子含量较大，Mg离子含量较低；阴离子Cl离子含量较低，SO4离子含量较高。平面上SO4离子含量和矿化度由西北向东南未显示增高的趋势，相反是逐渐减少，表明奥灰水在本井田水交替不积极、富水性差的特点。

3.2隔水层

9号煤底板隔水层脆性岩与塑性岩软硬交互发育，其中太原组底部的K1砂岩和本溪组中上部砂岩、下部泥灰岩和底部铁质粉砂岩（山西式铁矿）等脆性岩石，力学强度高，抗水压能力强，隔水消压能力弱；而层间泥岩类隔水消压能力较强，抗水压能力强。软硬互层组合隔水性能较好。

3.3奥陶系灰岩含水层与各含水层间的水力联系

奥陶系与太原组底界距离为10.8m～59.3m，隔水层厚度4.75m～51.3m，主要为本溪组铝质泥岩、砂质泥岩，且软硬岩石交互发育，隔水性能良好；奥陶系与二叠系山西组K3砂岩距离为91.55m～135.4m，隔水层厚度较大。

根据抽水资料，二叠系含水层混合抽水水位标高+1230.158～+1478.965m，石炭系太原组含水层水位标高+928.15～+1308.367m，奥陶系含水层水位标高+845～+905m，奥陶系与其他含水层水位标高差值较大。

据井田内本次及以往的水质资料分析，奥陶系与上部各含水层水化学特征有显著差异。井田内各系组水质离子含量由上向下依次增大，矿化度依次增大，pH值依次增大，二叠系水属中性偏弱碱水，石炭系水属弱碱水，奥陶系水比石炭系水碱性更强。

由于奥陶系与各含水层之间隔水层厚度较大，水位标高差值较大，水化学特征差别较大，因此奥陶系灰岩与上部各含水层在正常地段基本不存在水力联系，构造带可通过裂隙发生水力联系。

4.充水条件分析

经计算，井田内9号煤层顶板导水裂隙带发育高度为33.05m～73.48m，大部分地段导水裂缝带沟通6号煤及太原组上部的主要含水层。因此9号煤顶板直接充水水源为9号煤导水裂隙带发育范围内太原组含水层；间接充水水源为山西组含水层。山西组及太原组富水性弱，但不排除在构造地段存在富水性较好的地段，因此顶板水对9号煤正常地段开采影响不大，构造地段产生一定的影响。

9号煤的底板充水水源为奥陶系灰岩水，为间接充水水源。奥陶系灰岩含水层水位标高+845m～+905m，统一口径单位涌水量0.00003L/s·m～0.00239L/s·m，9号煤底板标高为+670m～+890m，9号煤为全井田大部分地段奥陶系灰岩带压开采。本文着重对9号煤层底板奥灰岩溶水突水危险性进行评价分析。

井田内构造较发育，共发褶曲15条、断层101条、陷落柱102个，根据现有资料，尚未发现导水构造。

5.煤层底板涌突水危险性评价

本次采用突水系数法对井田内9号煤层在带压范围内的突水危险性进行评价。突水系数法主要考虑煤层底板隔水层厚度和水压两个因素。根据《煤矿防治水细则》，突水系数计算公式为：

5.1煤层带压范围

根据井田内及周边矿井钻孔奥灰水位数据，推测小回沟井田内奥灰水位标高+845～+905m；根据各煤层底板标高等值线图推测，井田内9号煤底板标高为+670～+890m，9号煤除了井田东北角局部属于非带压区外，其他大部分为带压区。

5.2参数确定

本次突水系数计算，采用了终孔层位揭露奥灰地层的钻孔，各钻孔的水位标高为本次推测的井田奥灰水位标高。隔水层厚度采用9煤层底板至奥灰界面的距離。水头压力为9煤层底板至奥陶系灰岩顶板之间的隔水层承受的水压值。

根据钻孔资料统计，煤层底板隔水层承受的水压值为0.4492MPa～2.8249MPa。井田内煤层底板隔水层承受的水压分布情况由东向西逐渐增大。9号煤层底板隔水层厚度一般为48.36m～75.35m，平均厚度62.31m，隔水层厚度由西南向中北部逐渐变厚。

5.3煤层底板奥陶系灰岩岩溶水突水危险性评价

根据煤层底板隔水层承受的水压与隔水层厚度，计算奥灰突水系数。井田9号煤带压范围内突水系数最大值为0.0562MPa/m。各煤层突水系数整体由东向西逐渐增大（见图1）。

按《煤矿防治水细则》，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa/m，正常块段不大于0.1MPa/m划分标准，9煤层带压开采范围内奥陶系灰岩含水层突水危险性属于相对安全区（浅黄色区域）。

6.结论

本次通过突水系数法对小回沟煤矿9号煤层底板奥灰水突水危险性进行了分析和评价，评价结果为9号煤层底板奥陶系灰岩水带压范围内底板突水危险性均为相对安全区。但是由于9号煤与奥灰之间隔水层相对较小，且井田内构造发育，需要防范构造地段突水的潜在危险性。

参考文献：

[1]国家煤矿安全监察局矿井防治水细则[M].北京煤炭工业出版社，2018.

[2]马玉玲，孟宇平，王红燕等.平朔集团公司小回沟煤矿奥灰水文地质补充勘探报告，2019.