原相井田奥陶系岩溶水富水情况及奥灰水的治理措施

1 西山矿区碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组的补、径、排条件

西山为复式向斜蓄水构造盆地，北端高，南端低，隔水底板为寒武系底部页岩。区域的西北部寒武系、奥陶系碳酸盐岩分布广泛，出露西部面积总计 1600km2 左右。大气降水通过灰岩露头区入渗，汾河地表径流在灰岩河谷地段（罗家曲－镇城底；寨上－扫石）的入渗，还有是河谷潜水的补给。岩溶地下水的流动方向是自北、西北向南及东南方向。形成了岩溶泉－兰村泉和晋祠泉，以及距离兰村 10km 处峙头－柏崖头－段沿汾河河谷分布的散泉（悬泉寺泉群），其他部分则通过边山断裂带向盆地松散层排泄。综合分析西山岩溶水的补给、径流、排泄条件，可大致划分为四个水文地质大区。

1.1 补给－径流区

补给－径流区范围是屯兰河及汾河以北区域，碳酸盐岩主要分布在此区域，碳酸盐出露面积约占整个西山地区碳酸盐面积的 70%。碳酸盐岩顶面埋深一般低于200－300m，是岩溶水的补给区和径流区前部。 汾河以 不集中，以散流的形式汇入汾河。岩层倾角较为平缓，一般小于 10°，倾向南，沟谷纵向发育。由高差200-300m 过渡到汾河河谷的数十米。运动方向以垂直渗流和水平径流为主，特征是无压潜水。

1.2 径流－排泄区

径流－排泄区指峙头以东的边山断裂带。汾河以南的岩溶地下水向边山排泄带运动，主径流带位于化客头、河口、王封、等地区。属于岩溶水的集中排泄区，边山断裂带水动力条件控制着岩溶发育程度及岩溶水的运移、排泄。

大部分地下水通过晋泉排泄，另一部分以侧排的形式形成孔隙水。较好的地段北部为三给村到兰村，南部自冶峪沟经风峪沟、平泉、东、西梁泉和交城的覃村是南部的排泄带。

1.3 径流滞留区

径流滞留区属于煤系碎屑岩发育最厚的地区，属碳酸盐岩的埋藏深度都大于 300m，甚至达到 1000m。邢家社、原相、草庄头的深埋区岩溶裂隙极不发育，尽管面积很大地，但下水径流条件很微弱，流速亦很慢。

狐偃山以西地段，岩溶水以接受当地降水补给，由当地排泄。一般不与东部发生水力联系。

2 原相井田岩溶裂隙含水层富水情况分析

2.1 峰峰组含水层组

井田内钻孔揭露奥陶系峰峰组地层厚度为104.79m-122.94m，平均约113m。分为上、下两段，下段为厚层角砾状泥灰岩、灰岩及石膏，灰色，致密较坚硬，厚约60m 由于泥质含量高，不利于岩溶裂隙发育；上段主要为石灰岩、泥灰岩，厚约 55m，该段裂隙充填泥土较多，影响岩溶发育，由于所处位置不同，受影响的程度也不同，导致岩溶裂隙发育较差，因此使得其富水性存在差异。含水层主要位于峰峰组上段，上段岩性以厚层状、致密、坚硬、性脆、质纯、深灰色石灰岩为主，矿物成分以方解石为主，其次为白云石，泥质少量，平均厚度一般为 55m 左右，埋藏深度约 600-1005m。

据井田内水文孔抽水试验资料，水位标高 979.34-1018.35m，单位涌水量为 0.000083 -0.00177L/s.m，水化学类型 SO4-Na、SO4-Ca，总硬度 12.5-225.2mg/l。据简易水文观测资料，各钻孔峰峰组钻井液消耗量大小不一。钻进过程中水位无明显变化，上部 55m 左右消耗量一般为 0.10-0.15m3/h；下部60m 左右消耗量及水位基本无变化。基本反映了该段地层的含水特征，富水性弱。

2.2 上马家沟组含水层组

钻孔揭露奥陶系上马家沟组地层厚度为 140.38-168.78m。据区域资料，本组分为上、中、下三段。下段为角砾状泥灰岩、石灰岩夹薄层石膏，厚50m 左右，岩溶裂隙发育差，富水性弱；中、上段地层厚 150-233m，岩性为质地较纯的厚层状石灰岩、白云质灰岩，是该组的主要含水段，埋藏深度约 700-1200m。据井田内水文地质资料，单位涌水量 0.00034-0.00161 L/s.m，结合简易水文观测，水位变化不大，消耗量变化小于 0.15m3/h，岩溶发育差，富水性弱。水位标高 979.34-1017.88m。PH 值 8.09，水化学类型 SO4-Na、SO4-Ca。

2.3 隔水岩柱性能分析

在矿压、奥灰水压的联合作用下，奥灰水压强度大于底板岩层有效隔水层厚度力学指标时，地下水就会沿岩层溶蚀地带（如断层破碎带、裂隙发育带）涌入矿井，本区主要突水威胁即来源于此。

图1 煤层底板破坏带示意图

根据本区隔水层的岩性、厚度、力学性质及其地层组合结构等，对其各组段隔水层的主要特征以及隔水性能初步分析如下：（1）上组煤底板至下组煤9 号底板隔水层主要特征

02 号煤层至 9 号煤层底板间距为 98.59m，2 号煤层至 9 号煤层底板间距为 89.27m，4 号煤层底部与9 号煤相距约 79.07m，隔水层岩主要为组下部、组上段和中段所夹的泥岩、砂质泥岩、粉砂岩等隔水层。

通过钻探取芯岩性鉴定分析，隔水层结构较致密，岩芯完整，很少见破碎段较。其中，泥质岩的矿物成分以泥质为主，微含粉砂质粒，属于不透水的隔水层；粉砂岩致密坚硬，含有少量泥质，属于基本不透水的较好隔水层。

从地层组合看，属于含、隔水层相互组合，而且隔水层厚度相对大，分布稳定。矿井内断裂构造较发育，容易导致含水层、隔水层的局部对接，甚至造成含水层与煤层相对接，F168为正断层，落差 10-80m，派生断层 F3 与其组成地堑，在断层上盘，地层相对下降，8、9 号煤层与O2f 对接。

从岩石力学性质分析，8 号煤层顶板多为石灰岩、泥灰岩，局部具炭质泥岩伪顶，结合顶板岩石物理力学性质，顶板稳定性为稳定。

（2）下组煤 9 号底板至奥灰顶界隔水层主要特征

从隔水层岩性分析，9 号煤层至奥灰为海陆交互相的石炭系本溪组及石炭系组，含泥岩、砂岩，夹有薄煤线。岩石硬度软硬相间。泥质岩层的矿物成分是以砂质泥岩、泥质为主，具可塑性，结构较致密，渗透性弱，隔水性能良好，底部发育铝土岩，隔水性能较强；粉砂岩的矿物成分以粉砂为主，泥质少量，结构坚硬致密，基本不透水。

从地层组合看，组合结构与其上覆含、隔水层的结构相似，且隔水层所占的比例稍大，隔水作用应更强。而该区本溪组厚度变化较大。该组地层为底部为呈鸡窝状分布的式铁矿。其上由砂质泥岩、砂岩、石灰岩夹煤线组成，属海陆交互相沉积。6 号、8 号、9 号煤距奥灰顶界近，加之矿井断裂构造较发育，个别大型落差超过地层间距，出现下组煤与中奥陶统峰峰组二段石灰岩含水层对接，导致隔水性能下降。

从岩石力学性质分析，8 号煤层底板多为泥岩、砂质泥岩，局部为细粒砂岩、粗粒砂岩，结合底板岩石物理力学性质，底板稳定性为较稳定-稳定。9 号煤层底板多为泥岩、砂质泥岩，局部为炭质泥岩、粉砂岩，结合底板岩石物理力学性质，底板稳定性为较稳定。

（1）掘进巷道底板隔水层

式中：Ps—底板隔水层安全水头值，MPa；

L—巷道底板宽度，m；

γ—底板隔水层的平均重度，MN/m3；

Kp—底板隔水层的平均抗拉强度，MPa。

根据设计，本矿大巷宽 4.8m，顺槽宽 4.8m，本次巷道底板宽度考虑两侧松动圈各 0.5m，取 L 取最大值 5.8m，底板隔水层的平均重度（γ）和平均抗拉强度（Kp）根据勘探资料及生产地质报告资料并参考周边煤矿的数值γ取 0.022MN/m3；Kp 取1.2MPa。02、2、4、6、8、9 号煤层底板隔水层能够承受的水头值为27.30-83.75MPa；实际奥灰水压最大为 6.301MPa，煤层底板隔水层能够承受的水头压力远大于奥灰含水层实际压力。

（2）采煤

Ps=Ts×M

式中：Ts—临界突水系数，MPa/m；

M—底板隔水层厚度，m；

Ps—底板隔水层安全水头值，MPa。

Ts 值应当根据本区资料确定，按一般情况取值，即在具有底板受构造破坏的地段Ts 取值为0.06MPa/m，在隔水层完整无断裂构造破坏的地段 Ts 取值为 0.1MPa/m。本次取值为 0.06MPa/m。

通过计算02、2、4 号煤层在具有构造破坏的地段底板奥灰隔水层能够承受的安全水头值均大于实际承受的最大水压值。6 号煤层除水-4 号孔以北外受构造破坏地段安全水头值大于实际水压。8 号煤层P10、水-3、6、10、11 号钻孔一线以南和以西区域受构造破坏地段安全水头值大于实际水压，东北区域水头值小于实际水压，有突水危险性。9 号煤层P10、水-1、10、12、钻孔以南和以西区域受构造破坏地段安全水头值大于实际水压，东北区域水头值小于实际水压，有突水危险性。

3 奥灰水防治主要应对措施

3.1 水文地质补充勘探（1）水文地质钻探

目前井田内水文观测孔水-2、水-4 主要分布在井田西南角和东南角，利用长观孔掌握地下水位动态变化规律，动态收集，绘制奥陶系马家沟组灰岩含水层水位等值线图，为矿井防治水研究，特别是带压开采煤柱留设提供依据。

（2）水文地质物探

利用坑透等手段探查断层、陷落柱等地质构造，利用直流电法、瞬变电磁法、音频电法、槽波等探查技术，地质构造的富水情况，结合本井田的水地质条件和实施经验，选取最合适的方法。

（3）水文地质试验

水文地质试验是探查矿井水文地质条件最直接和最有效的手段，井田内施工的水-1、水-2、水-3、水-4 号水文孔，除水-4 未进行过峰峰组抽水试验，其余钻孔均进行了峰峰组和上马家沟组抽水试验。通过水文地质试验揭露水文地质边界条件和含水层间的水力联系，划分水文地质块段，计算含水层水文地质参数和矿井涌水量，通过对地下水流场的分析，确定矿井涌水的主要来源；为实现带压开采提供最为客观、准确的依据。

（4）底板扰动破坏深度探测

该方法是在相邻工作面的顺槽巷道中做钻场，向工作面下方打斜孔。通过“钻孔双端封堵测漏装置”进行钻孔分段注水，通过注水量、注水压力观测，确定导水裂隙带深度。

3.2 优化工作面开采设计控制底板采动破坏

工作面布置是带压开采的先决条件，具体设计时应考虑以下主要方面。

（1）工作面方向布置与断层走向尽量大角度斜交，工作面推进时应尽避开主要断层，工作面回采时，尽量减小对断层的扰动，减小断层活化的风险，进而实现安全开采。

（2）矿井顶板管理方法为全部垮落法，在回采期间，有必要及时控制悬顶面积，必要时应进行强制放顶；改进采煤工艺和管理，提高工作面推进速度，避免或减少底板岩体因扰变而减低其力学强度的危险。

（3）合理优化工作面斜长，控制底板采动破坏深度。

其中，以优化工作面斜长对控制底板采动破坏深度效果最为显著。通过计算，工作面宽度控制在 240m 范围内会大大降低对底板隔水岩层的破坏。

3.3 生产过程中超前探测（1）巷道掘进前超前探测

巷道掘进前采用瞬变电磁法等探查掘进头前方是否存在断层、陷落柱，重点对断层、陷落柱等含水性进行探测；对于探测出来的富水异常区，应该布置专门的钻孔进行验证。钻探验证证明的奥灰垂向导水构造，必须进行超前预注浆，经验收达到掘进要求后方可保持超前距离继续掘进。

（2）已掘巷道侧向、垂向探测

为了防止巷道滞后突水，工作面回采前需采用瞬变电磁法等对已掘巷道进行侧向、垂向探测。对于异常区仍然需要采用钻探方法进行验证，对于验证的巷道侧帮及底板含导水构造需要采用注浆加固的方式进行治理，防止巷道滞后突水。

（3）回采前工作面内部及底板含导水构造及岩溶陷落柱探测

工作面回采前，采用无线电坑透、瞬变电等探测方法对工作面内部及底板含导水构造及岩溶陷落柱探测，底板瞬变电磁探查分垂直向下和向工作面内45°两个方向探测，目的是查明工作面底板断层、陷落柱、裂隙破碎带及探查奥灰含水层导升高度。采用两种物探方法，相互印证以排除假异常。如有含水或有异常区重合，需编制专项钻探设计，进行探测。

3.4 导水通道注浆堵水

封堵导水通道是利用注浆工程切断这种过水途径而达到预防或治理矿井水害的目的。

矿井地质构造复杂程度为中等，主要的断层为F168 大断层，落差 76m，一采区内落差 2m 以内的断层较多。做好断层导水预防工作尤为重要，断层突水以堵为主：一是通过超前打钻至断层带及周边，对导水断层进行注浆封堵，注浆要满足注浆压力，改造后的底板应完全起到隔水层的作用；二、是当断层产状不明时，钻孔布置有一定难度时，可采用封堵揭露断层巷道的办法，即在沟通突水点的过水巷道中大量充填砂石并注浆加固，起到隔离工作区的效果，本方法在实施过程中工程量较大，也会给生产计划带来一定困难。

3.5 建立水质分析数据库及水害模型

含水层水的化学组成主要与含水层的岩性有关，原相煤矿的充水水源主要有奥灰水、组灰岩砂岩裂隙水、二叠系砂岩裂隙水、老空水，由于其赋存状态不同，故有不同的化学组成成分， 当矿井充水时，可根据其化学成分判定充水水源。

矿方在水文地质勘探与日常水文地质工作中，要充分采集各含水层水样本，委托有资质的单位帮助建立常规水化学识别模型，以便当探水孔出水或揭露地质构造出水时，能及时采样对比，迅速确定充水水源，采取合理的防治水措施。

参考文献

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作者简介：张辉（1989 年 01-），男，汉，河北张家口，本科，中级工程师，研究方向：矿山地质与水文地