苇子沟煤矿水文地质特征及充水因素分析

苇子沟煤矿水文地质特征及充水因素分析

肖鹏

中煤华晋集团有限公司，山西 河津 043300

摘  要：苇子沟煤矿建井期间，矿井水对正常生产影响越来越大，在分析苇子沟煤矿地层及构造条件基础上，详细阐述了井田含水层水文地质特征，明确了含水层及老窑水为本井田的主要充水水源。井巷工程在穿越含水层的过程时，多处涌水，最大涌水量达100m³/h，且多处涌水点带有一定的压力，对矿井建设、开采造成了一定的影响。综合前期水文地质资料及矿井揭露水文地质特征，水害将成为制约矿井安全生产的重要因素。本文从充水水源和充水通道两方面对矿井的充水条件进行了分析，对矿井的水害治理具有一定的实用意义。

关键词：西山窑组；水害威胁；含水层；突水；井巷工程

1  矿区概况

井田位于天山北麓的中低山区。总体地势南高北低，南北向岭谷相间，山岭挺拔，坡陡路险，沟谷狭窄，地形切割强烈。海拔在1200～2060m，相对高差350～450m，属侵蚀剥蚀中低山地貌。矿区内地表水系只有一条苇子沟河，发源于中低山带，为季节性河流，仅在雨季及冰雪消融季节有水径流，雨季流量30～60m³/h，年径流量2×106～3×106m³。

2  井田地质、水文地质条件

2.1井田地质

井田位于准噶尔盆地南缘乌鲁木齐市山前坳陷带，地层区划属北疆-兴安岭地层大区，南准噶尔-北天山地层分区，玛纳斯地层小区。区域出露地层总体上呈北西—南东向展布，为一向北倾的单斜。以石炭纪地层为基底，中新生代地层发育较全，区域地层由老至新依次为石炭系中统前峡组（C2qx）、三叠系中—上统小泉沟群（T2-3xq）、侏罗系下统八道湾组（J1b）、三工河组（J1s）、侏罗系中统西山窑组（J2x）、头屯河组（J2t）、侏罗系上统齐古组（J3q）、喀拉扎组（J3k）、白垩系下统吐谷鲁组第一亚群（K1tga），第四系全新统冲洪积层（Q4 al+pl）。侏罗系中统西山窑组（J2x）是区域上的主要含煤岩组。

2.2 地质构造

2.2.1断层

（1）石梯子—干沟断层（F1）

该断层是区域上的大断层，西起石梯子乡经干沟、库尔萨依、铁热克铁，向东延至三屯河，长约24.5km，从西向东断层呈弧形展布，断层倾向北东，倾角35～53°，断距800～1000m。该断层属压扭性逆断层。

（2）F2逆断层

位于原石梯子乡附近，F1断层北西端的南盘上，相距150m。F2断层为一压扭性逆冲断层，为F1断层的派生断层，走向北西向，倾角60°，长约3.3km。切穿了中侏罗统头屯河组、上侏罗统齐古组地层。

（3）北东向平移断层（F3）

分布于干沟与西沟间，呈北东—南西向展布平移断层，错断F1和三工河组、西山窑组和齐古组地层，断层长约900m。

2.2.2褶皱

区域大地构造位置归属准噶尔盆地南缘乌鲁木齐山前拗陷西段的中部，位于三屯河—宁家河单斜构造带上。中新生代地层由南向北，从老至新依次排列，倾向为北北东向单斜，倾角10～60°。F1断层南盘单斜，倾向为北北东向，倾角10～33°。F1断层北盘受断层控制西段倾向北东，东段转为北北东，倾角西段25～60°，东段倾角为15～38°。区域未见其它褶皱。

2.3 水文地质

2.3.1 区域水文地质

本区东、北、南三侧以地表分水岭为界，西以呼图壁河为界，构成一个局部完整的水文地质单元，西部呼图壁河为本区天然排泄边界，区内地表、地下水主要向呼图壁河进行排泄；南部雪山一侧地表最高点构成南侧区域地表水分水岭；东部以干沟以东一侧地表最高点构成东侧区域地表水分水岭，分水岭以西，地表地下水主要向呼图壁河排泄，分水岭以东地表地下水主要向东面区域性河流三屯河进行排泄；北部齐古组、头屯河组等相对隔水层出露于地表的最高点构成了北侧区域地表水分水岭。

2.3.2 矿井水文地质

1、主要含水层

第四系全新统洪冲积孔隙潜水含水层（H1）主要分布于从井田穿过的喀默斯特（苇子沟）河床及两岸，由冲洪积砾石、卵石、砂砾组成，分选性差。地下水以孔隙潜水的形式赋存于冲洪积层中，主要接受溪流、河水的渗漏补给，次为大气降水（雪融水）的补给。

中侏罗统西山窑组上段含水层（H2）位于西山窑组上段（J2x2）底部，主要由底部粗砂岩、砂砾岩组成，层厚沿地层走向、倾向方向变化大，为孔隙式胶结，透水性较好。

西山窑组下段含水层（该段包括三个含水层），中侏罗统西山窑组下段（J2x1）B6顶板砂岩含水层（H3）从西山窑下段顶部泥岩底板到B6煤层顶板泥岩，岩性主要为粗砂岩、砂砾岩、细砂岩，孔隙式胶结，少量泥质充填，透水性较好。该含水层沿其倾向、走向变化较大。中侏罗统西山窑组下段B6～B8间含水层（H4）从B6煤层底板泥岩底界至B8煤层顶板泥岩底界，岩性主要为粗砂岩、中砂岩，孔隙式胶结，少量泥质填隙，透水性较好，该含水层沿其倾向、走向变化较大，部分钻孔相变为粉砂岩、泥岩隔水层。中侏罗统西山窑组下段B8底板含水层（H5）从B8煤层底板泥岩底界至三工河组隔水层顶界，岩性以粗砂岩、砾岩为主，孔隙式胶结，透水性好。

烧变岩裂隙潜水含水层（H6）本区各煤层在地表及地下浅埋段不同程度的发生了火烧。火烧区在井田南部沿煤层露头的延展方向以红色弯曲带状展布。岩石因煤层火烧受到烘烤而变形，裂隙发育，受苇子沟河、大气降水（雪融水）的补给形成烧变岩裂隙潜水含水带。

2、主要隔水层

白垩系下统吐谷鲁第一亚群(k1tga)隔水层（G1）小面积分布于井田东北部及西部，为一套湖相的碎屑沉积，主要岩性为绿灰、酱紫色泥岩、粉砂岩、细砂岩，局部夹有砂质泥岩。

侏罗系上统齐古组(J3q)相对隔水层（G2）大面积分布于井田北侧，为一套湖泊相为主的半干旱条件下的碎屑沉积，主要岩性为灰—紫红—紫褐色泥岩、粉砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩组成。

侏罗系中统头屯河组（J2t）相对隔水层（G3）主要分布在井田中偏南部，下伏齐古组隔水层（G3）之下，平行不整合于西山窑组地层之上，由厚层的粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩夹相对较薄的砾岩、粗砂岩及中砂岩组成。

侏罗系中统西山窑组上段（J2x2）相对隔水层（G4）据井田内各钻孔钻探资料，中侏罗统西山窑组上段地层岩性主要由细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥岩组成，下伏头屯河组隔水层（G3）之下，该段上部主要以泥岩、粉砂岩为主。

侏罗系中统西山窑组下段隔水层（G5）上至西山窑上段底界，下至西山窑组下段中上部砂岩顶界。岩性为泥岩、粉砂岩。

下侏罗统三工河隔水层（G6）小面积分布在井田的南部，整合于西山窑组地层之下。该岩组中含水层以细砂岩、砾岩为主，多以透镜体为主。隔水层岩性以粉砂质泥岩为主。

3  矿井充水水源分析

3.1大气降水

本区地势南高北低，南北向岭谷相间，地形切割强烈，沟谷狭窄，侏罗系中统西山窑组（J2x）含水层虽大面积出露于地表，但其为一套以湖沼相为主夹有河流相、河湖三角洲相的含煤碎屑沉积岩。泥岩、粉砂岩等细颗粒的岩石柔软且不透水，含水层直接接受大气降水补给的条件不利。但大气降水，特别是在雨季，可直接补给矿区南部出露的烧变岩分布地带，从而对煤系含水层间接补给，为矿井开采间接充水水源。

3.2地表水

苇子沟河是井田内的主要河流，受南部雪山融雪水和大气降水的补给，河沟每年5～11月有溪水流动。矿区内苇子沟河由井田外南部发育形成，由南向北呈近“S”型径流，沟道宽度约1~3m，矿区内总长度近9km。途经烧变岩含水层、西山窑组砂岩裂隙含水层露头区，其将通过对火烧区烧变岩含水层和西山窑组含水层地下水的间接补给对矿井产生充水影响，为矿井开采间接充水水源。

3.3西山窑组砂岩裂隙水

苇子沟煤矿开采西山窑组煤层，煤层顶底板及导水裂缝带范围内的西山窑组砂岩裂隙水为矿井开采的主要充水水源。

3.4烧变岩裂隙水

矿区内烧变岩主要分布于井田南部，地表出露面积约2.5km2。由于受煤层自燃烘烤，烧变岩多变形，孔隙、裂隙发育，其本身为储水的良好空间，易接受大气降水及苇子沟河的补给，使其形成潜水裂隙水，同时其直接位于煤系地层含水层侧向上方，易沿着裂隙向下渗透，补给与其接触的含水层。

3.5老空水

苇子沟煤矿浅部采空区范围基本明确，目前约有10万m3的老空积水，老空水将是未来矿井开采浅部煤层的充水水源之一。

4  充水通道分析

4.1顶板导水裂缝带

苇子沟煤矿开采后，采空区采用顶板自由垮落法管理。矿井开采过程中，由于采煤造成岩层或地面塌陷，形成采动裂隙通道，从而破坏了煤层顶、底板隔水层的稳定性，沟通了上覆及下伏含水层地下水进入矿井的天然屏障，使地下水、塌陷区的大气降水进入矿井。

4.2封闭不良钻孔

井田内以往施工的ZK204-1钻孔在施工至481.62m时出现涌水事故，最大涌水量30.12m3/h，一般涌水量8.90m3/h。涌水事故导致孔壁坍塌无法进行测井工作，该孔质量验收定级为报废孔。事后采用多种手段对该孔进行了历时一月之久的堵涌封孔工作，但始终未能成功，最终只对该孔0～198.13m段进行水泥注浆封孔。该孔封闭不良致使其连通了西山窑组上段底部含水层、西山窑组下段全部含水层及三工河组顶部含水层，采动过程中一但被揭露，可能发生突水事故。

4.3断层

首采区内三维地震勘探共解释断层30条，其中正断层15条，逆断层15条，这些断层虽已基本控制，但断层导水性不详，成为矿井充水的又一途径。

4.4井田内老窑老空水分布

原兴隆煤矿范围在首采区外。其井巷及工作面布置情况清楚，但不能保证所有井巷工程都有测量资料。不明井巷工程和老空区是威胁煤矿安全生产的严重水灾隐患。采空区主要分布在原进风斜井井底附近和平硐附近部分块段，开采+1552m以上煤层。主平硐井底附近采空区由于采用自流排水，仅在巷道低洼处可能存在积水；原进风斜井在关闭前，B7号煤采空区自燃发火，采取向斜井注水灭火的方式灭火，从2012年3月17日开始至7月12日停止注水，总计注入约10万m³的水，水位累计上升约33m多，此处采空区都有不同程度的积水。

5  矿井涌水量构成，主要突（透、溃）水点情况

2013-2018年矿井涌水量约123～82m³/h。在矿井建设过程中，矿井涌水量随着井巷的延深（逐渐揭露基岩含水层）和开采面积的增加而增加，自2014年10月份以来，矿井涌水量呈逐渐减少趋势。矿井涌水量构成：矿井涌水量主要有主井区域、副井区域和风井区域三部分组成。在主、副斜井回风斜井和首采区集中上山施工过程中，多次出现突、涌水点，对矿井建设造成一定影响。

6  结论

1、对煤层顶底板砂岩含水层采用物探、钻探等综合手段开展专项补充勘查，查清富水范围、形态及富水性强弱，并对物探探测后对富水异常区进行钻探验证，以指导防治水工作的开展。

2、首采区内三维地震勘探共解释断层30条，其中正断层15条，逆断层15条，这些断层虽已基本控制，但断层导水性不详，断层破碎带有可能成为各含水层的导水通道，引发突水事故。建议在建设、生产过程中采取补充勘探或超前探查的方式，进一步查明断层的产状和导水性。

3、建立水质资料库，在今后发生煤层顶底板砂岩突水时，通过水质资料对比分析突水水源。

4、煤层顶底板砂岩裂隙水静储量大，在矿井具备条件时（防排水系统建立、相对充足的疏放空间即工作面形成），进行煤层顶板砂岩水的放水试验，通过实验效果，确定疏放方式的可能性和可行性。

5、地下水是一个动态变化的过程，加强对井下各出水点及大气降水的动态观测，建设过程中积累更多的原始资料，为今后防治水工作提供指导依据。

6、矿井在首采面生产过程中进行“两带”发育高度观测，为矿井今后的防治水工作提供可靠依据。

7、对掘进工作面及回采工作面进行物探工作，物探探测后对富水异常区进行钻探验证。

参考文献

《工程技术(引文版)》作者：靳志宇阮庆胜肖鹏.苇子沟煤矿水文地质特征及充水因素分析.2016年 第05月. 305-306页.

《煤矿现代化》作者：李相海.浅谈苇子沟煤矿水文地质特征及防治措施.2022年第一期.113-115页.