晋城市坪上煤矿水文地质特征及水害预测防治技术.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：基金项目：山西省采煤沉陷区综合治理专项项目（晋资勘 号）作者简介：郭立霞（），女，河南卫辉人，高级工程师，主要从事地质矿产勘查与水工环地质工作。引用格式：郭立霞 晋城市坪上煤矿水文地质特征及水害预测防治技术 能源与环保，（）：，（）：，晋城市坪上煤矿水文地质特征及水害预测防治技术郭立霞（河南省第二地质矿产调查院有限公司，河南 郑州 ）摘要：坪上煤矿位于沁水煤田的北中部，受区域构造影响，井田内发育一系列近南北向和北西向的宽缓背向斜，其含煤地层主要为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，井田内可采煤层主要为 号、号煤层。井田分布于延河泉域，含水层主要有奥陶系中统灰岩岩溶裂隙含水层、石炭系太原组碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层、二叠系下统山西组及下石盒子组砂岩裂隙含水层、基岩风化裂隙带含水层、第四系松散岩类孔隙含水层，其中，奥灰水位标高为 。井田水害主要为煤层开采而产生的导水裂隙，使顶板含水层或构造水向矿井充水，可通过疏放钻孔和疏水巷防治；全井田均为带压开采，采用注浆堵水技术可对煤层底板奥灰水进行防治。关键词：坪上煤矿；水文地质；井下水害；水害防治中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（，）：，：；煤矿开采过程中，透水事故危害性极大，是煤矿的主要灾害之一 。为了杜绝水害事故的发生，保障从业人员生命及财产的安全，确保矿井安全生产，必须对矿区开展水文地质调查 。区域内对沁水煤田已开展过多次水文地质勘查，其中，世纪 年代，山西煤田地质局、山西省地质矿产局等勘查单位对区域奥灰含水层进行了抽水试验，并查明了煤层赋存特征、厚度、煤质、构造形态、主要含水层厚度、富水性、水位等参数及资源储量，为矿井设计与建设奠定了良好的基础 。本文在前人研究的基础上，对晋城市坪上煤矿开展了水文地质调查和评价，在收集井田内已有的 年第 期郭立霞：晋城市坪上煤矿水文地质特征及水害预测防治技术第 卷地质和水文地质资料、分析研究矿井水文地质条件和水文地质问题的基础上，针对坪上煤业的水文地质特征，分析充水水源、充水通道、充水强度及充水方式，为井田的防治水规划提供依据，使井田水害得到有效防治，确保矿山安全有效生产。区域地质 区域地层区域煤田主要为沁水煤田，主要出露地层有上元古界震旦系，古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生界三叠系，新生界第三系及第四系。其中，奥陶系中统地层北部厚、向南西变薄，出露于太行背斜南段两翼。岩性为角砾状泥灰岩、泥灰岩（含石膏）、石灰岩、白云质灰岩，泥质比例高。区域水文地质沁水煤田主要分布于延河泉域。延河泉域西南边界为震旦系和寒武系下统构成的地表分水岭，是岩溶含水层的隔水边界及泉域的汇水边界；东南边界由晋获褶断带构成，是延河泉域与三姑泉域的地下分水岭，西北部及北部边界由寺头断层及奥陶系岩溶深埋区构成，东北部由岩溶地下分水岭构成，泉域总面积 。整个延河泉域边界条件受新华夏系构造体系和晋东南山字形构造体系影响，形成了独特的构造及水文地质单元。井田地质 井田地层井田位于沁水煤田的北中部，地层分布有奥陶系中统上马家沟组和峰峰组，石炭系中统本溪组和上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组及上统上石盒子组和石千峰组，三叠系刘家沟组和第四系。含煤地层主要为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组。太原组为区内主要含煤地层之一，厚度 ，平均厚 ，为海陆交互相沉积。底部以砂岩与本溪组分界，呈连续沉积，由砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、煤、石灰岩等组成。山西组为区内主要含煤地层之一，厚度 ，平均厚 ，为一套陆相碎屑岩含煤沉积。主要岩性为砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层，该地层为滨海三角洲平原环境下逐步形成，以碎屑岩类为主，由于受海水影响小，本组中煤层的硫分较低。可采煤层井田内主要可采煤层为 号、号煤层，可采煤层特征见表 。现将各煤层特征分述如下。表 可采煤层特征 煤层煤层厚度 含夹矸数煤层结构顶板岩性底板岩性稳定性和可采性号 简单较简单泥岩、中粒砂岩泥岩、粉砂岩全井田稳定可采 号 简单复杂灰岩泥岩、砂质泥岩全井田稳定可采（）号煤层。位于山西组中下部，上距下石盒子组底砂岩约 ，下距太原组灰岩 ，距 号煤层 。煤层厚度 ，平均厚度 ，一般无夹矸，局部含 层炭质泥岩夹矸，结构简单较简单，全井田可采。顶板多为黑色泥岩，局部为深灰色中粒砂岩；底板为泥岩或粉砂岩。号煤层属稳定的全区可采煤层。（）号煤层。位于太原组下部灰岩之下，上距 号煤层底板一般 ，下距砂岩顶 。煤层厚度 ，平均厚 ，含 层泥岩夹矸。直接顶板多为灰岩，底板为泥岩或含黄铁矿结核的砂质泥岩。号煤层结构简单复杂，为稳定的全区可采煤层。井田构造井田位于沁水复式向斜东南翼，寺头正断层的下盘，由于受区域北北东向与近东西向构造的控制，为一地层总体走向近南北，倾向西的单斜构造，倾角一般 ，个别地段最大达 。沿倾向发育一系列宽缓背向斜，断裂构造以小型断层为主。井田构造纲要如图 所示。（）褶曲。井田宽缓褶皱发育，总体呈北北东至北北西向为主。在煤层底板等高线图显示，平面形态主要表现为圆至椭圆状，褶皱枢纽呈波状起伏，背斜与向斜相间分布，但规模不等，倾角 ，各褶皱发育特征见表 。（）断层。断层不甚发育，根据实地勘测及井下工程揭露，井田发育断层以小型断层为主，落差多小于 ，均为高角度正断层。井田水文地质特征 井田含水层特征 奥陶系中统灰岩岩溶裂隙含水层（）峰峰组灰岩岩溶裂隙含水层。主要由石灰岩和泥灰岩组成，厚度为 ，平均厚 年第 期能源与环保第 卷图 井田构造纲要 表 井田褶皱发育特征 编号名称位置轴向（）倾角（）东翼西翼井田延展长 磨掌向斜井田西部近 高庄背斜井田中西部 前南岭向斜 井田中西部近 马山背斜井田东部 向 斜井田东部 。据 号、号、水文孔抽水试验，单位涌水量为 （），渗透系数为 ，静止水位标高为 ，水化学类型为 型水，矿化度 ，属灰岩岩溶裂隙弱富水含水层 ，见表 。表 峰峰组灰岩岩溶裂隙含水层抽水试验结果 钻孔名称厚度 涌水量（）单位涌水量（）渗透系数（）静止水位标高 号井检孔 号水文孔 号水文孔 号水文孔 号水文孔 （）马家沟组灰岩岩溶裂隙含水层。主要为石灰岩、白云质灰岩、角砾状灰岩和泥灰岩，厚 以上，局部岩溶裂隙较发育。据 号、号、号、号、等水文孔抽水试验，单位涌水量为 （），渗透系数为 ，静止水位标高 ，水化学类型为 型水，矿化度 （峰峰、马家沟组混合抽水），属弱至强富水性含水层 ，见表 。表 马家沟组灰岩岩溶裂隙含水层抽水试验结果 钻孔名称水位标高厚度涌水量（）单位涌水量（）渗透系数（）号水文孔 平均 号水文孔 号水文孔 平均 号水文孔 平均 井田内各观测孔水位标高分别为 、。目前，井田内奥灰水位标高为 。石炭系太原组碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层含水层主要由数层砂岩和石灰岩组成，依据水文孔抽水试验结果，涌水量 ，单位涌水量为 （），渗透系数为 ，静止水位标高 ，水化学类型为 型，矿化度为 ，属弱富水含水层。二叠系下统山西组及下石盒子组砂岩裂隙含水层含水层主要由中细粒砂岩组成，依据抽水试验结果，单位涌水量为 （），渗透系数为 ，静止水位标高为 ，水化学类型 型，矿化度为 ，富水性弱。基岩风化裂隙带含水层含水层主要由粗细粒砂岩组成。含水空间以砂岩风化裂隙为主，主要接收大气降水入渗补给，依据抽水试验结果，单位涌水量为 （）。年第 期郭立霞：晋城市坪上煤矿水文地质特征及水害预测防治技术第 卷含水层富水性弱。第四系松散岩类孔隙含水层含水空间以孔隙为主，补给来源主要为大气降水及河流侧向补给，富水性强。地下水补、径、排及构造对地下水的影响由于井田各含水层之间均分布有一定厚度的隔水层，含水层间水力联系微弱。在无构造沟通情况下，各含水层之间补给微弱，其补给来源主要为井田外围露头区接收大气降水和地表河流补给，地下水运动一般以层间径流为主，仅在构造部位可能与其他含水层直接发生水力联系 。峰峰组及上马家沟组上部含水层埋藏较深，井田内无补给源，岩溶较发育；裂隙多被方解石充填，含水层本身连通性差，属于弱径流滞流区。寺头断层以南，补给源远，径流缓慢。但受构造的影响，不排除在构造地段富水的可能。矿井充水水源 大气降水及地表水矿区煤层埋藏较深，受隔水层影响，大气降水及地表水对矿井涌水量影响较小。井田地表河流主要为沁河，矿区井口位于井田东部沁河北岸，其井口标高为：主斜井 、副斜井 、进风斜井 ，稍高于沁河历年最高洪水位线（），矿井工业场地标高 左右，低于历史最高洪水位。一般情况下，雨季洪水对矿井安全影响不大。顶板含水层水号煤层顶板砂岩裂隙含水层水为矿井充水的主要来源之一。现阶段，井下涌水主要为顶板渗水，采区渗水主要为顶板以上砂岩裂隙水沿岩层倾向汇集而成，在井田向斜轴部附近采掘时，渗水量可能会增大；当采空区顶板垮落时，将沟通上部含水层水向下渗漏，使矿井涌水量增加。经过井下物探超前探查及对富水异常区钻探放水后，涌水强度降低，顶板水对开采影响较小。号煤层顶板含水层主要为太原组石灰岩岩溶裂隙水，含水层组富水性弱。号煤层回采后，导水裂隙带将沟通顶板含水层，引起矿井涌水量的显著增大，生产中需引起注意。底板含水层水目前井田内奥灰水位标高为 ，号及 号煤层底板标高分别为 及 ，全井田带压开采。（）号煤层。井田内 号煤层突水系数由东南向西北逐渐增大，突水系数在 ，小于 ，处在带压开采安全区（图 ）。在井田北部边界附近，寺头正断层将其外围 区域划分为带压开采较安全区，区域开采有发生直通式突水的可能性，未来不计划在该断层 以内进行采掘活动。图 号煤层带压开采分区示意 （）号煤层。井田内 号煤层突水系数为 ，在井田东南角有一小块处在带压开采安全区，该区内采掘发生底板突水的可能性极小；其余块段处在带压开采较安全区，该区发生底板突水的可能性较小。将寺头正断层外围 区域划分为带压开采较安全区（图 ），未来开采前可采取相应措施，进一步提高开采的安全性。矿井主要水害预测及防治 矿井充水通道矿井充水通道是充水水源进入矿井的途径，可分为天然通道和人为通道。（）天然通道。断层。井田内现有断层 条，揭露断层时未发现导水情况，但不排出存在导水断层的可能。因此，断层是未来防治水工作中防治导水通道的重点之一，生产过程中应引起足够的重视。陷落柱。目前，井田内三维地震解释陷落柱 个，陷落柱尤其是导水的陷落柱往往成为导水通道。未来矿井生产过程中，需要验证这些陷落柱是否存在，年第 期能源与环保第 卷若存在，还需查明其导水性，以确保安全生产。图 号煤层带压开采分区示意 （）人为通道。导水裂缝带：煤层开采后形成采空区，造成上方顶板岩层失去支撑和平衡，导致地层变形以致破坏。矿井水文地质将冒落带、裂隙带合并称为导水裂缝带，此带内的水参与矿井充水。号煤层导水裂缝带高度在 ，导水裂缝带高度可达二叠系下石盒子组地层，可沟通 号煤层之上的山西组及下石盒子组碎屑岩裂隙含水层，开采时形成的导水裂缝带将其沟通，使其成为煤层开采的直接充水含水层。号煤层导水裂缝带高度在 ，局部可达太原组石灰岩层，故 号煤层顶板导水裂隙可以沟通上部石灰岩及砂岩含水层，从而对 号煤层充水产生影响。矿井充水强度（）矿井涌（突）水状况。矿区目前井下无明显涌水点，井下出水以生产用水为主，加少量顶板渗水，充水水源均为 号煤层顶板砂岩裂隙水。（）矿井涌水量的动态变化。通过对矿区 年 月 年 月矿井涌水量实测，号煤层矿井正常涌水量为 ，最大涌水量为 。据统计，矿井涌水量与产量有明显的正相关性，与降水量也有正相关性，但在时间上有所滞后。矿井涌水量预测（）号煤层涌水量预测。预测井田内 号煤层矿井涌水量已趋于稳定，将无明显增加，号煤层矿井正常涌水量 ，最大涌水量 。（）号煤层涌水量预测。本矿及周边矿井均未开采过 号煤层，不存在该煤层涌水量观测数据，此处采用大井法预测开采 号煤层矿井涌水量。矿井涌水量计算采用承压转无压公式：（）（）槡（）式中，为预算矿井涌水量；为渗透系数；为水柱高度，自然水位至含水层底板的距离；为疏干标高至含水层底板的距离；为含水层的厚度；为水位降深，为自然水位至疏干标高的距离；为引用影响半径；为引用半径。渗透系数 ，采用井田内 个水文孔对太原组抽水试验数据平均值 ，最大取 ；水柱高度 ，采用 号水文孔钻孔抽水后恢复水位 ，疏干标高采用计算范围内 石灰岩底板最低标高 ；疏干标高至含水层底板的距离 为 ；含水层的厚度，取 号煤顶板计算范围内含水层厚度的平均值 ；水位降深，为自然水位至疏干标高的距离 ；引用影响半径 槡 ；引用半径，号煤层全井田面积 ，槡 。将参数代入公式计算得，坪上煤业 号煤层开采时矿井正常涌水量为 ，最大涌水量为 。值得注意的是，预计的矿井正常涌水量未考虑断层或陷落柱的影响，也不包括矿井的突水量。特别是当导水裂隙带沟通了其他含水层时，矿井涌水量可能会增大，甚至出现淹井事故。因此，建议当大巷或工作面推进至此时应采取相应的防范措施，查明开采范围内地质情况；同时，做好井下各种记录，适时调整方案。矿井主要水害防治（）煤层顶、底板水防治。该矿顶板含水层为弱富水性含水层，但不排除局部存在相对较强的富水异常区。在矿山生产过程中，应加强监测、做好疏放准备，预防顶板突水，疏放一般采取顶板疏放钻孔和疏水巷 。全井田均为带压开采，需做好煤层底板奥灰水的水害防治工作。目前，国内对底板奥灰水带压开采的防治主要是采用注浆堵水技术 。（）构造水防治。断层是构造裂隙中最易造成 年第 期郭立霞：晋城市坪上煤矿水文地质特征及水害预测防治技术第 卷灾害性事故的进水通道，尤其是张扭性正断层。在巷道掘进过程中揭露构造，若井下超前探明构造富水，需进行钻探验证，对隔水性能较差、有可能存在突水危险的构造，应进行注浆改造加固或留设安全煤柱后再进行回采 。结论通过分析坪上煤矿区域和井田地质、水文地质资料，对井田内各含水岩组水文地质条件进行阐述；对矿井充水条件及因素进行了分析评价；对煤矿生产面临的水害进行分析，提出了矿井防治水措施，得出结论如下。（）井田位于沁水煤田的北中部，发育一系列近南北向和北西向的宽缓背向斜，含煤地层主要为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组。井田内可采煤层主要为 号、号煤层。（）井田含水层主要有奥陶系中统灰岩岩溶裂隙含水层、石炭系太原组碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层、二叠系下统山西组及下石盒子组砂岩裂隙含水层、基岩风化裂隙带含水层、第四系松散岩类孔隙含水层。其中，奥灰水位标高 。（）根据井田充水通道和充水强度分析，预测 号煤层矿井涌水量已趋于稳定，正常涌水量 ，最大涌水量 。预测 号煤层开采时矿井正常涌水量为 ，最大涌水量为 。（）井田水害主要为煤层开采而产生的导水裂隙，使顶板含水层或构造水向矿井充水，可通过疏放钻孔和疏水巷防治；全井田均为带压开采，采用注浆堵水技术可对煤层底板奥灰水进行防治。参考文献（）：国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局 煤矿安全规程 北京：煤炭工业出版社，程振雨 鹤岗矿区鸟山煤矿水文地质特征研究 中国煤炭地质，（）：，（）：张跃恒，李斌，王一霖，等 大柳塔煤矿活鸡兔井束鸡沟小窑延安组烧变岩地质特征及地质灾害防治 中国煤炭地质，（）：，（）：牛志刚，徐连利 河南登封新登煤矿水文地质条件探采对比 中国煤炭地质，（）：，（）：，郭红波，方刚，贺晓浪 大海则煤矿顶板富水含水层下开采水害防治研究 能源与环保，（）：，（）：，方刚 富水煤层巷道掘进探放水技术应用研究 能源与环保，（）：，（）：高洪烈 煤田水文地质工程地质工作进展：记煤田水文地质工程地质会议 煤田地质与勘探，（）：，（）：王生全，牛建立，刘洋，等 锦界煤矿水文地质特征与矿井充水危险性预测 煤田地质与勘探，（）：，（）：张乐中，曹海东 利用水化学特征识别桑树坪煤矿突水水源 煤田地质与勘探，（）：，（）：杨建，刘洋，方刚 煤矿水文地质勘探中水文地球化学判别标准的构建 煤田地质与勘探，（）：，（）：杨斌，雷亚萍 大同煤田北区寒武奥陶系岩溶水水文地质条件现状分析 煤炭与化工，（）：，（）：李贤志，张维，傅耀军，等 山西王家岭煤矿矿井水文地质类型划分与特征分析 煤炭工程，（）：，（）：张亮 上庄煤矿水文地质特征及主要充水因素分析 煤炭与化工，（）：，（）：（下转第 页）年第 期能源与环保第 卷 ，：，（）：，（）：，：，（）：严加永，吕庆田，陈向斌，等 基于重磁反演的三维岩性填图试验 以安徽庐枞矿集区为例 岩石学报，（）：，：，（）：，：，：韩江伟，云辉，胡红雷，等 河南栾川矿集区深部钨钼矿体特征及资源预测 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