馬雄德范立民賀衛(wèi)中卞惠瑛

（1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西省西安市，710054；2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西省西安市，710054；3.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西省西安市，710065）

★ 煤炭科技·地質(zhì)與勘探★

淺埋煤層高強度開采突水危險性分區(qū)評價*

馬雄德1范立民2，3賀衛(wèi)中2卞惠瑛2

（1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西省西安市，710054；2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西省西安市，710054；3.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西省西安市，710065）

通過對涼水井煤礦水文地質(zhì)條件分析，確定煤層開采后的突水水源主要包括第四系松散孔隙潛水和風(fēng)化基巖裂隙水。采用同位素方法厘定涼水井煤礦礦井水中松散層潛水和風(fēng)化基巖裂隙水所占的比例大概為4∶1，松散層潛水是涼水井煤礦突水最主要的水源。通過RFPA軟件模擬預(yù)測涼水井煤礦4-2煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶高度為84 m。根據(jù)煤層賦存特征和開采條件，篩選出涼水井煤礦突水危險性評價因子；通過GIS空間分析功能對涼水井煤礦開采突水危險性進行分區(qū)評價。結(jié)果認(rèn)為，麻家塔河和西溝河源頭是本區(qū)突水危險性大的地區(qū)，當(dāng)工作面經(jīng)過這些地段時需防范突水災(zāi)害。

煤礦開采 淺埋煤層 突水危險性 地理信息系統(tǒng) 分區(qū)評價 榆神府礦區(qū)

涼水井煤礦位于陜西榆神府礦區(qū)，礦井西部邊界基本和窟野河與禿尾河的分水嶺相吻合，北部的麻家塔河和南部的西溝河為窟野河一級支流，如圖1所示。區(qū)內(nèi)水資源相對缺乏且分布不均，地下水主要賦存于第四系松散層和燒變巖中，容易受采礦影響而滲漏，造成井下突水及地質(zhì)環(huán)境問題。

礦井主采4-2煤層，煤層埋深淺、基巖薄、上覆砂層厚，據(jù)相鄰礦井開采證實，淺埋煤層開采時礦壓顯現(xiàn)劇烈，頂板下沉量大，礦井突水危險性大。因此，研究淺埋煤層開采礦井水文地質(zhì)特征、突水規(guī)律，劃分突水危險性分區(qū)，提出針對性的防治水措施，具有重要意義。

圖1　涼水井煤礦區(qū)域水系圖

1　礦區(qū)水文地質(zhì)特征

1.1主要含水層

1.1.1孔隙潛水含水層

（1）第四系全新統(tǒng)（Q4al）沖積孔隙潛水含水層。該含水層主要分布于較大溝岸階地及溝谷漫灘，巖性為細沙、中粗沙、亞沙土及沙礫石層?？紫洞?，補給條件優(yōu)越，富水性較好，厚度為1.50～5.00 m，水位深0.20～9.00 m，泉流量一般為0.08～9.38 L/s，富水性呈弱到中等。

（2）第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組（Q3s）孔隙潛水含水層。該含水層在區(qū)內(nèi)分布不均，在中西部出露，在東部黃土溝壑梁峁區(qū)缺失，厚度變化大，巖性為中、細沙，厚度為3.00～18.60 m，平均厚度為8.56 m。溝谷區(qū)底部或溝谷斜坡地帶松散沙層潛水位較淺，呈片狀流排泄在匯流區(qū)組成濕地泉群，在北部麻家塔河流域王家石廟溝腦，泉流量較大，最大流量32.22 L/s。礦井西南地段西溝河流域、松散沙層水與基巖風(fēng)化裂隙承壓水相溝通組成復(fù)合含水層，形成礦井南、北邊緣地帶兩塊地下水富水性中等的水文地質(zhì)單元。單位涌水量0.0196～1.7217 L/（s·m），富水性變化較大。

本礦井松散沙層富水性的強弱受隔水層段起伏形態(tài)控制，富水性弱。而在地下水涇流區(qū)溝谷斜坡地段，松散沙層潛水以片流形式沿溝谷兩側(cè)向低洼處匯集，形成一定流量的泉群，富水性中等。

1.1.2基巖孔隙裂隙含水層

該含水層指侏羅系中統(tǒng)直羅組基巖孔隙裂隙含水層，僅分布于礦井西部邊緣一帶，厚度9.50～12.25 m，巖性為灰黃、灰白色厚層狀中、粗粒砂巖，單位涌水量為0.0402 L/（s·m），平均滲透系數(shù)0.142 m/d，富水性弱。

1.2隔水層特征

本礦區(qū)隔水層主要為中更新統(tǒng)離石組黃土（Q2l）相對隔水層與新近系上統(tǒng)保德組（N2b）粘土隔水層。離石黃土以亞粘土、亞沙土為主，呈互層狀，局部含分散狀鈣質(zhì)結(jié)核薄層，厚度1.50～60.00 m，平均厚度26.43 m，富水性極弱，為一層相對隔水層。保德組紅土巖性以粘土及粉質(zhì)粘土為主，結(jié)構(gòu)致密、堅硬，厚度為2.90～74.00 m，平均為31.61 m，是主要隔水層。

2　突水水源

2.1煤系地層的空間關(guān)系

研究表明，涼水井煤礦礦區(qū)內(nèi)淺層地下水賦存于侏羅系煤系地層之上，水資源儲量較大。上新統(tǒng)紅粘土大面積存在于含水層和煤系地層之間，厚度為2.90～74.50 m，平均厚度31.60 m，隔水性能較好。大部分地區(qū)4-2煤層上覆基巖厚度為9.37～80.10 m，且風(fēng)化深度較大。受古地質(zhì)時期剝蝕沖刷作用的影響，基巖面起伏不平，溝系發(fā)育，后經(jīng)新生代松散層的沉積，對地形起到填平補齊作用，因而大體上基巖面低洼處，基巖厚度薄，松散含水層厚度大。

2.2突水水源

根據(jù)涼水井煤礦礦井水文地質(zhì)條件分析，煤層開采后的突水水源主要包括第四系松散孔隙潛水和風(fēng)化基巖裂隙水兩種。

（1）第四系松散巖類孔隙潛水。一般由薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層（Q3s）和沖積孔隙潛水含水層（Q4al）組成。根據(jù)4-2煤層賦存條件和淺埋煤層上覆巖層垮落特征，4-2煤層開采后在基巖較薄區(qū)導(dǎo)水裂隙帶會導(dǎo)通第四系松散含水層，使松散層成為突水水源之一。

（2）風(fēng)化基巖裂隙水。主要指直羅組頂部風(fēng)化基巖孔隙裂隙含水層，裂隙發(fā)育，具有較好滲透性和儲水條件。在土層缺失地段，往往和上部松散含水層組成復(fù)合含水層，補給量充足，儲水量大，是礦井開采的直接突水水源和主要突水水源。

2.3突水水源識別

根據(jù)前述，涼水井煤礦礦井正常涌水源主要為煤層上覆含水層（松散含水層和風(fēng)化基巖裂隙含水層），由于不同來源的水中具有不同的氫氧同位素組成特征，采用同位素方法可以對上述礦井涌水中水源的比例進行識別。

裂隙水和潛水在礦井水中的混合比例可以通過下式求出:

式中:X——潛水的混合比例；

δ礦——礦井水樣品的同位素含量；

δ潛——潛水樣品的同位素含量；

δ裂——裂隙水的同位素含量。

以同位素D為例進行計算，δD表示水樣中的同位素D含量。通過進行4組采樣檢測，結(jié)果顯示本礦井不同類型水源的δD值分別為:裂隙水δD裂為-80‰，礦井水δD礦為-70‰，薩拉烏蘇組潛水δD潛為-67.46‰。

計算可得，涼水井煤礦礦井水中基巖裂隙水占20.26%，薩拉烏蘇組潛水占79.74%，二者所占的比例約為1∶4，由此可知薩拉烏蘇組潛水是本礦發(fā)生突水的主要水源，也是防范的重點含水層。

3　突水危險性因子選取

根據(jù)控制煤層頂板突水危險性的相關(guān)因素分析，可篩選出突水危險性評價的主要因子，包括煤層上覆基巖厚度、上覆潛水含水層富水性、導(dǎo)水裂隙帶高度、土層厚度等。

3.1煤層上覆基巖厚度

煤層上覆基巖厚度是決定礦區(qū)安全開采的關(guān)鍵因素。上覆非風(fēng)化基巖越堅硬、厚度越大、彈性模量越大，斷裂帶高度則越大，有時可接近采厚的10倍左右，易于發(fā)生突水危害；而相對軟弱的巖層對冒裂帶的發(fā)育起一定的抑制作用，不易發(fā)生突水。

涼水井煤礦開采的4-2煤層屬淺埋煤層，煤層上覆基巖厚度為9.37～80.10 m，發(fā)育較多的平行層理，屬中等堅硬類巖石。上部與松散地層接觸的基巖風(fēng)化深度較大。受古地質(zhì)時期剝蝕沖刷作用的影響，基巖面起伏不平，溝系發(fā)育，后經(jīng)新生代松散層的沉積，對地形起到削平作用，因而大體上基巖面低洼處基巖厚度薄，松散層和松散含水層厚。當(dāng)工作面及巷道通過溝谷地段的基巖薄弱區(qū)，勢必會造成井下涌水量增大，甚至?xí)l(fā)生突水潰砂事故。

3.2潛水含水層富水性

薩拉烏蘇組潛水含水層是本區(qū)直接突水水源，根據(jù)前述，79.74%礦井涌水來自薩拉烏蘇組含水層，其富水性強弱對礦井是否發(fā)生突水危險起決定作用。

涼水井煤礦富水性中等區(qū)主要分布于西溝河和麻家塔河的源頭地區(qū)，主要由第四系全新統(tǒng)（Q4eol）風(fēng)積沙含水層和第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組（Q3s）孔隙潛水含水層組成。其中西溝河的源頭凸掃溝出露的水泉流量為35.82 L/s，北部麻家塔河流域王家石廟溝腦泉流量為32.22 L/s。富水性弱區(qū)主要分布于西溝河和麻家塔河的次級支流溝岸階地及溝谷漫灘，主要由第四系全新統(tǒng)（Q4al）沖積孔隙潛水含水層和第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組（Q3s）孔隙潛水含水層組成，泉流量一般為0.08～9.38 L/s，單位涌水量為0.02 L/（s·m）。

井田中東部主要是離石黃土相對隔水層與保德組粘土隔水層，分布于西溝河和麻家塔河的分水嶺及次級支流之間的地帶，其中離石黃土泉流量為0.14～0.45 L/s，富水性弱。

3.3土層厚度

保德組在本區(qū)是良好的隔水層，保德組粘土層越厚，其隔水能力越強，越不易發(fā)生突水。

根據(jù)涼水井煤礦土層厚度等值線可知，在麻家塔河和西溝河流域之間的分水嶺處土層厚度最大，約80.00～96.64 m，是比較安全的地區(qū)；其次是在窟野河流域與禿尾河流域分水嶺處，土層厚度最大達到86.40 m，也是較安全的地區(qū)；其它地區(qū)土層厚度較小，發(fā)生突水的危險性較大。

3.4導(dǎo)水裂隙帶高度

理論和實踐證明，在導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)的含水層均可向工作面突水，工作面頂部突水與否主要取決于煤層開采時的覆巖破壞高度。區(qū)內(nèi)沒有大型構(gòu)造斷裂，當(dāng)煤層開采形成的冒裂帶穿透含水層底界時，便會使含水層和采空區(qū)之間產(chǎn)生水力聯(lián)系，成為突水通道。

本次研究基于19個鉆孔資料利用RFPA軟件建立了涼水井煤礦42103工作面煤層及上覆巖層三維地質(zhì)模型，并對煤層開采后巖體破壞進行預(yù)測，導(dǎo)水裂隙帶高度模擬如圖2所示。結(jié)果顯示，初次來壓步距為35 m左右，周期來壓步距為20 m左右；工作面初次垮落后，形成的冒落帶高度為24 m，這對初次放頂后的涌水量有決定性的作用；4-2煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶高度為84 m（其中冒落帶高度為24 m，裂隙帶的高度60 m），在礦區(qū)大部分地區(qū)，冒落帶高度大于基巖厚度，在無黏土層存在時，這將導(dǎo)通薩拉烏蘇組含水層并發(fā)生突水。

圖2　42103工作面導(dǎo)水裂隙帶高度模擬圖

4　突水危險性評價

4.1評價標(biāo)準(zhǔn)

本研究從礦井突水危險性影響因素分析入手，根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔資料，利用GIS軟件的空間分析功能，對4-2煤層上覆基巖厚度和土層厚度的總和與導(dǎo)水裂隙帶高度進行比較，然后采用克里金插值方法，繪制礦區(qū)富余高度（富余高度=4-2煤層上覆基巖厚度+土層厚度-導(dǎo)水裂隙帶高度）等值線，再結(jié)合富水性分析評價其突水危險性。

4.2分區(qū)原則

根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶高度和4-2煤層與基巖、土層、沙層的空間關(guān)系，結(jié)合潛水含水層富水性的空間分布，可以確定出如下的分區(qū)原則。

（1）富余高度＞0，導(dǎo)水裂隙帶未穿透土層，則認(rèn)為是安全區(qū)。

（2）富余高度＜0，按照如下規(guī)則進行判斷:若潛水含水層為中等至強富水，則為突水危險性大區(qū)；若潛水含水層為弱富水，則為突水危險性中等區(qū)；若地表為土層出露，導(dǎo)水裂隙帶高度達到土層，在強降雨的特殊氣候條件下可能發(fā)生突水危險，定為突水危險性小區(qū)。

根據(jù)上述分區(qū)原則，得到礦區(qū)突水危險性分區(qū)圖，見圖3。

圖3　涼水井煤礦突水危險性評價分區(qū)圖

4.3評價結(jié)果

從評價結(jié)果可以看出，礦區(qū)內(nèi)大部分處于安全區(qū)，面積約為38.45 km2，約占礦權(quán)總面積的55.80%。主要分布于井田中部麻家塔河與西溝河之間的分水嶺地帶及西南部窟野河與禿尾河流域的分水嶺處，基巖厚度與土層厚度為82.59～153.45 m，其富余高度在0～60 m。

突水危險性小區(qū)主要分布于麻家塔河與西溝河及其支流之間的地帶，面積約為7.42 km2，約占礦區(qū)總面積的10.76%。地表巖性主要為離石黃土和保德組紅粘土，一般基巖厚度很薄，土層厚度約為40 m，其北側(cè)富余高度在-37～0 m，南側(cè)富余高度在-55～0 m。

突水危險中等區(qū)主要分布于麻家塔河與西溝河及其支流附近，其面積約為15.55 km2，約占礦區(qū)總面積的22.57%。該地區(qū)富水性弱，基巖厚度與土層厚度為28.19～78.11 m，小于導(dǎo)水裂隙帶高度，富余高度在-50～0 m。

突水危險大區(qū)主要分布于麻家塔河與西溝河的源頭區(qū)，面積約為7.49 km2，約占礦區(qū)總面積的10.87%。該區(qū)富水性中等，4-2煤層上覆基巖厚度與土層厚度約為31.13～75.55 m，小于導(dǎo)水裂隙帶高度84 m，富余高度在-50～0 m。

由此可見，麻家塔河和西溝河源頭是本區(qū)突水危險性大的地區(qū)，當(dāng)煤層開采工作面經(jīng)過這些地區(qū)時，要特別注意防范突水潰砂災(zāi)害；其次，麻家塔河和西溝河的二級支流分布區(qū)，是突水危險性中等區(qū)，當(dāng)工作面經(jīng)過這些地段時，需防范突水潰砂災(zāi)害，并選取合適的開采工藝和技術(shù)參數(shù)。

5　結(jié)論

（1）涼水井煤礦煤層開采后的突水水源主要包括第四系松散孔隙潛水和風(fēng)化基巖裂隙水，松散層潛水和風(fēng)化基巖裂隙水的比例大概為4∶1，松散層潛水是煤礦突水的主要水源。

（2）根據(jù)煤層賦存特征和開采條件，涼水井煤礦突水危險性評價因子主要為煤層上覆基巖厚度、上覆潛水含水層富水性、導(dǎo)水裂隙帶高度、土層厚度等。4-2煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶高度為84 m，在礦區(qū)大部分地區(qū)，導(dǎo)水裂隙帶高度大于基巖厚度。

（3）麻家塔河和西溝河源頭是本區(qū)突水危險性大的地區(qū)，麻家塔河和西溝河的二級支流分布區(qū)，是突水危險性中等區(qū)，當(dāng)工作面經(jīng)過這些地段時，需防范突水潰砂災(zāi)害。

［1］ 范立民.論保水采煤問題［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2005（5）

［2］ 范立民.榆神府礦區(qū)煤炭開采強度與地質(zhì)災(zāi)害［J］.中國煤炭，2014（5）

［3］ 范立民，冀瑞君.論榆神府礦區(qū)煤炭資源的適度開發(fā)問題［J］.中國煤炭，2015（2）

［4］ 馬雄德，范立民，張曉團等.榆神府礦區(qū)水體濕地演化驅(qū)動力分析［J］.煤炭學(xué)報，2015（5）

［5］ 范立民，馬雄德，冀瑞君.西部生態(tài)脆弱礦區(qū)保水采煤研究與實踐進展［J］.煤炭學(xué)報，2015（8）

［6］ 苗彥平，黃克軍，曹新奇等.淺埋煤層開采水庫周邊保護煤柱合理留設(shè)研究［J］.中國煤炭，2015（2）

［7］ 申濤，馬雄德.淺埋煤層開采的礦井水來源判別［J］.中國煤炭地質(zhì)，2011（10）

［8］ 劉俊杰，趙峰.氫氧同位素組成對阜新煤礦區(qū)礦井水來源的解釋［J］.煤炭學(xué)報，2009（1）

［9］ 范軍，吳曉剛.淺埋厚煤層大采高綜采工作面工藝方式選擇及參數(shù)優(yōu)化［J］.中國煤炭，2013（9）

Zoning and evaluation on water inrush risk in shallow coal seam with high intensity mining

Ma Xiongde1，F(xiàn)an Limin2，3，He Weizhong2，Bian Huiying2
（1.School of Environmental Sciences and Engineering，Chang＇an University，Xi＇an，Shaanxi 710054，China；2.Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring，Xi＇an，Shaanxi 710054，China；3.Shaanxi Geological Survey，Xi＇an，Shaanxi 710065，China）

By the analysis of hydrogeological conditions in Liangshuijing Coal Mine，the water inrush sources after coal mining in Liangshuijing mine were confirmed as Quaternary loose soils pore water and weathering fissure water in bedrock，and the proportion of them determined by isotope was 4∶1，loose soils pore water was the main water inrush source.After No.4-2coal seam mining in Liangshuijing Coal Mine，the height of diversion fissure zone was simulated and predicted as 84 m by using RFPA software.According to occurrence features and mining conditions of coal seam，the evaluation factors of water inrush risk were selected.The GIS spatial analysis function was applied for zoning and evaluation of water inrush risk，the results showed that the sources of Majiata river and Xigou river were the high risk zones of water inrush，when mining through the zones，the controlling measures of water inrush should be adopted.

coal mining，shallow coal，water inrush risk，GIS，zoning and evaluation，Yushenfu mining area

P641 TP745

A

馬雄德（1978-），青海互助人，工程師，從事礦山水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)工作。

（責(zé)任編輯 郭東芝）

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展（973）計劃（2013CB227901），陜西省科學(xué)技術(shù)推廣計劃（2011TG-01）