程立華

(河南省地礦局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，河南新鄉(xiāng) 453002)

平禹一礦始建于1969年，主要開(kāi)采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組二1煤層，煤層厚度5.69m，現(xiàn)可采儲(chǔ)量2 585.4萬(wàn)t，自1972年至2008年底已發(fā)生大小突水48次(表1)，造成多次礦井或開(kāi)采區(qū)被淹。

1 井田地質(zhì)條件

平禹一礦位于河南省禹州市境內(nèi)的朱閣鄉(xiāng)、古城鄉(xiāng)一帶，南距禹州市區(qū)9 km。受季風(fēng)氣候影響，降水四季分配不均，多年平均降水量為650 mm，降水量在空間的分布，由西部山區(qū)向東部平原呈遞減的趨勢(shì)。禹州處于伏牛山余脈與豫東南平原的交接部位，整個(gè)地勢(shì)由西北向東南逐漸降低。北部、西部及南部為低山及丘陵區(qū)，中部和東南部為穎河沖洪積平原，井田地貌屬崗前沖洪積傾斜平原。在井田外南部有穎河和白沙東干渠，穎河常年有水，以排泄地下水為主，白沙東干渠由于受兩岸地質(zhì)條件的制約，補(bǔ)給地下水的能力差。

1.1 地層

本區(qū)地層屬華北地層區(qū)豫西分區(qū)。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育地層為古生界寒武系、奧陶系、石炭系和二疊系、新生界古近系，新近系和第四系。北部、西部及西南部為寒武系、奧陶系、石炭系碳酸鹽巖組成的低山丘陵區(qū)，裂隙密集，巖溶發(fā)育。石炭系和二疊系為主要含煤地層。井田區(qū)除大武莊一帶基巖有零星出露外，地表大面積被新近系地層掩蓋。

1.2 構(gòu)造

本區(qū)位于新華夏系第三隆起帶與秦嶺—昆侖為總構(gòu)造帶東端的小秦嶺—嵩山東西向構(gòu)造帶的復(fù)合部位，以東西向構(gòu)造為主。平禹一礦位于白沙向斜的東北部，向斜樞紐傾向東南，西北收斂翹起，向東南撒開(kāi)傾沒(méi)，軸跡走向300°。北翼巖層傾角20°～35°，南翼后期破壞嚴(yán)重，巖層傾角變化極大。礦區(qū)主要斷裂構(gòu)造為(1)魏莊正斷層:礦區(qū)北部邊界斷層，呈北西至近東西的弧形走向，傾向北東，傾角60°～70°，落差100～520 m;(2)肖莊正斷層:位于礦區(qū)西南部邊界附近，走向北西，傾向北東，傾角 55°～75°左右，落差 0～350 m。(3)黑水河正斷層:位于礦區(qū)西南部邊界附近，走向北西，傾向北東，傾角60°～65°左右，落差400～580 m。

2 井田突水因素分析

2.1 突水水源及突水強(qiáng)度

平禹一礦井田二1煤層突水水源主要包括底板含水層、頂板含水層及老空水。底板含水層主要為寒武系上統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層、石炭系上統(tǒng)太原組上、下段薄層灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層;二1煤層頂板含水層主要為二疊系山西組二1煤層頂板砂巖裂隙承壓含水層，新近系和第四系砂卵石含水層。

2.1.1 寒武系上統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層

巖性為灰白色白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖，該層距二1煤層80 m左右，巖溶裂隙發(fā)育，為含水豐富但不均一的含水層，為二1煤層底板的間接充水含水層。其間有厚5～29 m的本溪組鋁土質(zhì)泥巖阻隔了寒武系上統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r與太原組下段灰?guī)r含水層的水力聯(lián)系，但在斷層地段，使得多層含水層相互溝通，當(dāng)井巷工程接近斷層時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致礦井涌水量的大幅增加，是造成礦井災(zāi)害性水患的主要水源。

以寒武系灰?guī)r巖溶水為水源的突水，突水強(qiáng)度大，四次淹采取和淹井事故，水源均為寒武系灰?guī)r和太原組下段灰?guī)r巖溶水。例如，平禹一礦2005年10月19日東大巷擴(kuò)砌時(shí)，發(fā)生寒武系巖巖溶水為水源的突水，初期水量5 000 m3/h，最大突水量38 056 m3/h，導(dǎo)致礦井被淹。說(shuō)明平禹礦區(qū)寒武系灰?guī)r富水性強(qiáng)，補(bǔ)給條件充沛，承壓水頭高，破壞性強(qiáng)。

2.1.2 石炭系上統(tǒng)太原組下段灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層

由四層深灰色灰?guī)r(L1～L4)組成，距二1煤層42 m左右，其間有厚5～29 m太原組中段砂泥巖隔水層，阻隔其與太原組上段灰?guī)r含水層的水力聯(lián)系，為二1煤層底板的間接充水含水層。

表1 平禹一礦歷年突水點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

井下揭露太原組下段灰?guī)r巖溶水最大涌水量90 m3/h，但流量隨之逐漸減少，直至干枯，表現(xiàn)為補(bǔ)給水源不足。但太原組下段灰?guī)r巖溶水與寒武系灰?guī)r巖溶水水力聯(lián)系密切，凡以寒武系灰?guī)r巖溶水為水源的突水，多表現(xiàn)為太原下段灰?guī)r巖溶水與寒武系灰?guī)r巖溶水聯(lián)合突水。

2.1.3 石炭系上統(tǒng)太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層

主要由五層深灰色灰?guī)r(L5～L11)組成，夾砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖，含薄煤層，裂隙多被方解石充填。該段厚20～37 m，單位涌水量 0.000 847 ～0.0 263 L/s·m，滲透系數(shù)為 0.062～0.18 m/d，該層上距二1煤層12～16 m，富水性弱，導(dǎo)水性弱～中等，是二1煤層底板的直接充水含水層，該含水層補(bǔ)給水源不足，以靜態(tài)儲(chǔ)量為主，充水形式以裂隙涌水為主，出水點(diǎn)的初始水量較大，對(duì)礦井生產(chǎn)開(kāi)采有一定影響。

單純以石炭系上統(tǒng)太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙承壓水為水源的突水，突水強(qiáng)度較小，在27次底板巖溶水突水水害中，21次突水沒(méi)有寒武系灰?guī)r巖溶水的參與，最大突水量為350 m3/h，其次為164 m3/h其余為10～70 m3/h之間。由于石炭系灰?guī)r巖溶水動(dòng)儲(chǔ)量小，突水后水量衰減較快。雖影響采掘正常生產(chǎn)，但一般不會(huì)形成水害事故。

2.1.4 二疊系山西組二1煤層頂板砂巖裂隙承壓含水層

巖性為灰、灰白色中粒、中粗粒石英砂巖，一般厚度30～35 m。裂隙不發(fā)育，該層段富水性不均一，是二1煤層頂板的直接充水含水層。井下開(kāi)拓回采過(guò)程中主要以滴、淋水的形式向礦坑充水，水量小，易于疏排，對(duì)礦井生產(chǎn)影響不大。

2.1.5 新近系和第四系砂卵石含水層

新近系和第四系由北向南、自西向東厚度逐漸增大，下部為厚約35 m富水性弱的隙承壓水，中間為約55 m的隔水層，上部為厚約40 m富水性中等的孔隙水，單井出水量100～500 m3/d其間有厚300 m左右的二疊系石盒子組砂泥質(zhì)巖隔水層，是二1煤層頂板含水層與新近系、第四系砂卵石含水層間的相對(duì)隔水層。此含水層對(duì)礦井生產(chǎn)影響小。

2.1.6 老空水

老空水主要來(lái)自老采空區(qū)或老巷道積水，在采空區(qū)附近布置采掘工程時(shí)，可能誘發(fā)老空水突水。到目前，已經(jīng)發(fā)生7次老空水突水，最大水量達(dá)到105 m3/h。由于自身采煤形成的采空區(qū)及積水區(qū)位置確定，在其附近布置采掘工程時(shí)，對(duì)老空水和老塘水會(huì)有所防范，老空水對(duì)生產(chǎn)影響很小

綜上所述，煤層底板石炭系薄層灰?guī)r和寒武系厚層灰?guī)r巖溶水是礦井主要突水水源，寒武系灰?guī)r水是威脅礦井安全生產(chǎn)的最不利因素。

2.2 井田巖溶水補(bǔ)給、徑流和排泄條件

礦區(qū)北、西、南三面環(huán)山，為一向東南開(kāi)闊的“箕形”向斜匯水盆地。在平禹一礦西北部和西南部的低山丘陵區(qū)，寒武系灰?guī)r和白云巖大面積出露于地表，出露總面積400 km2;在山地和平原區(qū)的煤礦區(qū)，則埋藏于石炭—二疊系地層之下，面積近900 km2。寒武系—奧陶系灰?guī)r白云巖裸露區(qū)，地表巖溶裂隙發(fā)育，接受大氣降水和地表水的補(bǔ)給，是區(qū)內(nèi)巖溶水的直接補(bǔ)給區(qū)。白沙向斜東北翼巖溶水自西北向東南徑流，在平禹一礦以礦井排水和自流井的形式排泄于地表。

水文地質(zhì)上，礦區(qū)屬于白沙向斜匯水盆地的傾伏端，屬區(qū)域地下水的強(qiáng)徑流排泄區(qū)。對(duì)于巖溶水來(lái)說(shuō)，井田西部、西北部及東北部均為開(kāi)放性的邊界，來(lái)自西部和西北部的巖溶水可以暢通無(wú)阻的進(jìn)入平禹一礦井田，井田東部寒武系灰?guī)r埋藏深，埋深大于1 000 m，巖溶發(fā)育微弱，徑流滯緩，起到隔水邊界的作用。井田東南部以肖莊正斷層和黑水河正斷層為界，黑水河正斷層南盤(pán)為下降盤(pán)，落差超過(guò)400 m，黑水河正斷層以南為白沙向斜軸部，寒武系灰?guī)r埋藏深度超過(guò)800～1 500 m，起到隔水邊界的作用。因此，當(dāng)巖溶水回流到平禹井田后，既不能向南徑流，也不能向東徑流，使平禹井田形成匯水區(qū)，以礦井排水的形式向外排泄。正是由于井田的這種水文地質(zhì)條件使得以寒武系灰?guī)r巖溶水為水源的突水破壞性大。

2.3 礦井突水通道

2.3.1 巖溶裂隙

礦區(qū)石炭系太原組薄層灰?guī)rL8-9灰?guī)r巖溶裂隙非常發(fā)育。礦區(qū)內(nèi)18個(gè)鉆孔揭穿該層，有5孔漏水，漏水量6 m3/h～全漏，揭露最大裂隙寬度為0.5 m。礦井運(yùn)輸大巷沿該層掘進(jìn)，在掘進(jìn)過(guò)程中多次發(fā)生突水和涌水。

2.3.2 采動(dòng)裂隙

(1)底板采動(dòng)裂隙:L8-9灰?guī)r上距二1煤層12～16 m，由于隔水層厚度薄，在采動(dòng)影響下底板隔水層出現(xiàn)破壞，在隔水層中產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙，當(dāng)裂隙L8-9灰?guī)r富水段溝通時(shí)，便發(fā)生底板巖溶水突水。(2)頂板采動(dòng)裂隙:二1煤層頂板為泥巖和砂質(zhì)泥巖，頂板砂巖裂隙發(fā)育微弱，含有少量裂隙水。在采動(dòng)影響下煤層頂板冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度范圍的砂巖裂隙水，通過(guò)采動(dòng)裂隙進(jìn)入礦井。由于砂巖富水性差，突水量通常較小。

2.3.3 斷層突水通道

斷層不僅控制著區(qū)域或井田范圍巖溶水滲流的總體方向和滲流場(chǎng)空間分布，而且常是巖溶水進(jìn)入礦井的通道。斷層是構(gòu)造薄弱帶和富水帶，由此，斷層引起的突水具有突水強(qiáng)度大和危險(xiǎn)性高的特點(diǎn)。如1985年總回風(fēng)巷滯后突水淹井事故，最大突水量達(dá)2 375 m3/h，造成淹井，這次突水與斷層導(dǎo)水、斷層防水煤柱留設(shè)不合理、斷層位置判斷不準(zhǔn)等因素有關(guān)。

2.3.3 鉆孔突水通道

在巷道施工鉆孔的過(guò)程中，當(dāng)揭漏灰?guī)r富水部位或?qū)畮r溶裂隙時(shí)，承壓巖溶水常會(huì)從鉆眼中噴涌而出。

2.4 突水原因和突水機(jī)理

2.4.1 底板沿巷道灰?guī)r裂隙突水

礦區(qū)太原組灰?guī)r與寒武系灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，它們往往受到斷層控制，切割深度可達(dá)數(shù)米甚至數(shù)十米。深切割的垂向裂隙往往會(huì)形成良好的導(dǎo)水通道，煤礦巷道揭露富水的巖溶裂隙時(shí)，便發(fā)生涌水和突水。

2.4.2 斷層導(dǎo)水造成的煤層地板巖溶水突水

斷層切割巖層破壞了巖層的完整性，在隔水層中形成薄弱帶。采煤時(shí)，在礦山壓力和水頭壓力的共同作用下，地下水常常突破這些薄弱帶而發(fā)生突水。(2)斷層帶巖石破碎，裂隙巖溶發(fā)育，構(gòu)成垂向?qū)ǖ?，深部地下水沿?cái)鄬拥竭M(jìn)入礦井。(3)斷層改變了兩側(cè)含、隔水層組合方式，進(jìn)而改變礦井直接充水含水層補(bǔ)給條件，如斷層使得直接含水層和其他強(qiáng)含水層對(duì)接。(4)是煤層與含水層對(duì)接或接近，使含水層向礦井充水可能性增大。

2.4.3 采動(dòng)造成的底板隔水層破壞

煤層采動(dòng)過(guò)程中，對(duì)底板造成擾動(dòng)破壞，破壞底板隔水層的完整性，在破壞帶內(nèi)形成導(dǎo)水通道使得煤層底板承壓水含水層水涌入井巷。

3 井巷突水的防范措施

3.1 預(yù)留防水安全煤柱

在井田邊界和采區(qū)之間及斷層和褶皺破碎帶均要留設(shè)足夠的防水(安全)煤柱，確保煤柱的有效寬度和完整性。在任何情況下，都不得開(kāi)采隔離煤柱。在采煤工程中，做好監(jiān)測(cè)工作，根據(jù)水文地質(zhì)條件及時(shí)進(jìn)行修改和完善開(kāi)采方案。在構(gòu)造破碎帶附近，禁止采煤。

3.2 灌漿輔助采掘

遵循“有疑必探，先探后掘”的原則，在掘進(jìn)到灰?guī)r裂隙發(fā)育段及斷層附近時(shí)，可以實(shí)施帷幕灌漿，形成擋土墻，切斷地下水和煤層的聯(lián)系。

［1］張國(guó)建等，河南平禹煤電有限責(zé)任公司一礦煤炭資源保護(hù)報(bào)告，河南省地礦局水文一隊(duì)，2010

［2］陳新國(guó)等，南水北調(diào)中線(xiàn)(河南段)禹州市地下水庫(kù)調(diào)蓄工程勘察報(bào)告，河南省地礦局水文三隊(duì)，1997

［3］谷清洲等，河南省禹縣農(nóng)業(yè)自然資源調(diào)查和農(nóng)業(yè)區(qū)劃水文地質(zhì)勘察報(bào)告，河南省地礦局水文地質(zhì)三隊(duì)，1981

［4］王軍強(qiáng)，新密市白石溝井田二1煤層充水因素分析，中國(guó)煤炭地質(zhì)，2008，(7)