李明

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司 萬年礦，河北 邯鄲 056302）

1 概 況

我國(guó)是能源大國(guó)，煤炭資源在能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位。我國(guó)部分礦區(qū)水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，隨著開采強(qiáng)度的不斷加大，所產(chǎn)生的突水成因機(jī)制和防治方法也漸趨于復(fù)雜化。一大批煤礦快速進(jìn)入深部開采階段，采深超過千米的煤礦全國(guó)已有47處。國(guó)有重點(diǎn)煤礦中，東北、華北、華東地區(qū)的43 家煤炭企業(yè)近300 處礦井開采深度超過600 m。其中，河北開灤、山東新汶、遼寧沈陽(yáng)、黑龍江雞西、江蘇徐州等礦區(qū)近200 處礦井開采深度超過800 m。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授張農(nóng)表示，我國(guó)探明煤炭資源中，60%埋藏深于800 m，且淺部資源已有較大消耗。我國(guó)煤礦開采深度正以每年8～12 m 的速度增加，中東部礦區(qū)以每年10～25 m 的速度進(jìn)入深部開采，從資源賦存特點(diǎn)和開采延伸速度看，深部開采勢(shì)在必行。礦井開采所呈現(xiàn)的高巖溶水壓、高地應(yīng)力、高地溫以及強(qiáng)采礦擾動(dòng)已嚴(yán)重影響煤礦的正常生產(chǎn)。特別是受承壓水威脅日益嚴(yán)重，華北型煤田由于煤系地層底部奧灰含水層厚度大，巖溶裂隙發(fā)育，富水性強(qiáng)，隨著開采煤層深度和廣度的不斷增加，礦井的奧灰水害問題更加明顯。

萬年煤礦和南洺河鐵礦同屬一個(gè)水文地質(zhì)單元，鐵礦井田范圍呈鑲嵌式緊鄰，煤礦賦存于石炭、二疊系，鐵礦為奧陶系與火成巖接觸交代成礦，位于煤礦底部。礦區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦井涌水量大，下部煤層承受壓力大，對(duì)礦區(qū)的安全開采構(gòu)成直接威脅。南洺河鐵礦2010 年4 月投產(chǎn)以來，礦井排水量維持在30 000 m3/d 左右，萬年礦區(qū)奧灰含水層總排水量達(dá)43 000 m3/d 左右。根據(jù)礦區(qū)奧灰水觀測(cè)記錄，地下水位在每年雨期再無回升現(xiàn)象，常年呈持續(xù)下降狀態(tài)。受南洺河鐵礦排水影響，萬年礦奧灰水位現(xiàn)已降至-160.372 m，奧灰水位的下降解放了下組9 號(hào)煤層，-50 m 以淺水平的9 號(hào)煤層正在開采中，未來3 a 萬年礦計(jì)劃對(duì)礦井-150 m 以淺下組煤進(jìn)行開采。

2 關(guān)鍵技術(shù)

（1） 通過對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)邊界條件的確定，分析研究該區(qū)的奧灰含水層排泄、補(bǔ)給及徑流條件，找出該區(qū)的水文地質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)井田水文地質(zhì)條件進(jìn)行宏觀研究和定性評(píng)價(jià)。

（2） 對(duì)南洺河鐵礦排水量及萬年礦奧灰觀測(cè)孔水位變化量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算該區(qū)的水力梯度，總結(jié)出萬年礦區(qū)奧灰含水層動(dòng)態(tài)變化特征，加深對(duì)奧灰含水層的認(rèn)識(shí)。

（3） 對(duì)下組煤開采過程中礦井充水條件進(jìn)行分析，包括對(duì)充水水源和可能的導(dǎo)水通道進(jìn)行分析，分析下組煤開采區(qū)范圍內(nèi)地下水可能的補(bǔ)給來源及通道，利用已有鉆孔資料和水位觀測(cè)資料，對(duì)萬年礦各水平突水臨界水位計(jì)算，根據(jù)南洺河鐵礦今后的排水預(yù)計(jì)標(biāo)高，計(jì)算出下一步萬年礦開采下組煤最低標(biāo)高及相應(yīng)可采煤量。

3 萬年礦區(qū)區(qū)域地下水補(bǔ)給、徑流及排泄條件

3.1 萬年礦區(qū)地下水補(bǔ)給條件

萬年井田百泉泉域內(nèi)奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，補(bǔ)給方式主要有裸露石灰?guī)r直接接受大氣降水補(bǔ)給和河流滲漏補(bǔ)給，其中河流多年平均滲漏量為6 m3/s，是該含水層的主要補(bǔ)給來源。天然條件下，奧灰含水層水以承壓水形式賦存，靜儲(chǔ)量豐富。多年來，經(jīng)人為開采，礦區(qū)奧灰水水位大幅下降，形成強(qiáng)烈的擾動(dòng)流場(chǎng)，在此過程中其地下水主要接受的補(bǔ)給來源為礦區(qū)西北部裸露灰?guī)r區(qū)降雨入滲和閃長(zhǎng)巖表層的風(fēng)化裂隙水、河流垂向滲漏補(bǔ)給和煤系地層垂向補(bǔ)給。

3.1.1 西部邊界流量補(bǔ)給

西部邊界流量補(bǔ)給主要來源于礦區(qū)西北部的裸露灰?guī)r降雨入滲和閃長(zhǎng)巖表層的風(fēng)化裂隙水，其補(bǔ)給水量的大小主要受降水量的影響。礦區(qū)西北部店頭村- 南馬莊一帶奧灰?guī)r裸露面積約5.5 km2，奧灰?guī)r地下水接受降水入滲和其周邊閃長(zhǎng)巖表層風(fēng)化裂隙水的補(bǔ)給。2011 年4 月觀測(cè)到2672 棄用水源地水井的水位標(biāo)高為63.28 m，此次調(diào)查時(shí)觀測(cè)水位標(biāo)高為66.87 m（2016 年8 月），因此次觀測(cè)的前兩個(gè)月降水量較大，水位有所回升?？梢?，這一帶奧灰水接受補(bǔ)給后，水位抬高，溢過閃長(zhǎng)巖頂面，經(jīng)上洛陽(yáng)至西萬年一帶進(jìn)入礦區(qū)，成為礦區(qū)奧灰?guī)r地下水的補(bǔ)給來源之一。礦區(qū)西側(cè)閃長(zhǎng)巖，表部多受風(fēng)化，強(qiáng)風(fēng)化帶深度15～20 m，最深可達(dá)30 m 以上，表層裂隙比較發(fā)育，風(fēng)化帶內(nèi)含一定量的潛水，孔壁村一帶民用井即取用該層水。在接觸帶附近，閃長(zhǎng)巖中往往發(fā)育有構(gòu)造和成巖裂隙，偶爾尚能見到溶蝕現(xiàn)象，有一定的透水能力。由于地形地貌有利于閃長(zhǎng)巖風(fēng)化裂隙帶接受降雨補(bǔ)給，該帶又與奧陶系石灰?guī)r（或斷層） 直接接觸。因而在降水期間閃長(zhǎng)巖風(fēng)化裂隙潛水對(duì)奧陶系灰?guī)r的補(bǔ)給量相應(yīng)增大。

3.1.2 河流垂向滲漏補(bǔ)給

南洺河于西南角磁山鐵路橋處自西向東進(jìn)入礦區(qū)后，折向北—北北東，呈蛇曲流經(jīng)羅峪、下洛陽(yáng)、西萬年、城二莊而出礦區(qū)。南洺河西南部河床底部直接為奧陶系灰?guī)r，河岸陡崖可見裸露灰?guī)r，成為河水補(bǔ)給奧灰?guī)r地下水的聯(lián)系通道。河水對(duì)奧灰?guī)r地下水的補(bǔ)給形式為“底滲幫漏”，即通過河床沖積層下滲和河岸裸露灰?guī)r隙洞漏灌，當(dāng)河床表流不大，表流及潛流以“越流”的方式下滲補(bǔ)給奧灰水。洪水期，河水位可能抬高至兩岸裸露灰?guī)r處，通過巖溶裂隙，直接補(bǔ)給奧灰水。據(jù)調(diào)查，2016 年7 月19 日，南洺河發(fā)洪水期間，在南洺河鐵礦±0 開采水平出現(xiàn)約50～100 m3/h 的滲漏量，對(duì)萬年礦井下淺部有一定影響。

3.1.3 煤系地層垂向補(bǔ)給

煤系地層在礦區(qū)內(nèi)整個(gè)覆蓋于奧陶系灰?guī)r含水層之上，兩者猶如相互獨(dú)立的巨大含水體。在礦山排水后，煤系地層水位整體高于奧灰?guī)r水位，煤系地層地下水自上而下補(bǔ)給奧灰?guī)r地下水，萬年礦煤礦排水消耗一部分，但不能完全截流。煤系地下水作為奧灰水的主要補(bǔ)給源之一，其對(duì)奧灰地下水的補(bǔ)給通道為構(gòu)造裂隙，補(bǔ)給量受構(gòu)造裂隙的導(dǎo)水能力所控制。

3.2 萬年礦區(qū)區(qū)域地下水徑流條件

區(qū)內(nèi)北東向構(gòu)造體系與南北向構(gòu)造體系成為區(qū)域內(nèi)的主要控水構(gòu)造，是控制地下水徑流與巖溶泉形成的主要因素。北西向構(gòu)造和東西向構(gòu)造使得地下水水力聯(lián)系密切，形成了巖溶水向東徑流的總趨勢(shì)。萬年礦區(qū)奧陶系巖溶發(fā)育具有水平及垂直分帶的規(guī)律，在水平方向上西部弱而東部強(qiáng)。垂向上，上部充填物多，中部充填物少，且?guī)r溶極發(fā)育，底部巖溶不發(fā)育。由于巖溶發(fā)育的不均一性，致使含水層具有各向異性，局部巖溶發(fā)育形成強(qiáng)徑流帶。區(qū)域地下水自西北、西、西南沿白馬河強(qiáng)徑流帶、七里河強(qiáng)徑流帶、沙河強(qiáng)徑流帶及北洺河強(qiáng)徑流帶向達(dá)活泉和百泉匯集。

區(qū)域內(nèi)巖漿巖比較發(fā)育，主要為燕山期閃長(zhǎng)巖類巖漿巖，巖性多為花崗閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)玢巖。礦區(qū)西部F1 斷層以西有大面積侵入；礦區(qū)南部，侵入奧陶系的巖漿巖深埋于地下，構(gòu)成了奧陶系石灰?guī)r的隔水底板；礦井東部及東南部地區(qū)，根據(jù)地面補(bǔ)勘孔資料顯示，F(xiàn)13 斷層下盤附近WX26 勘探孔、WX27 勘探孔4 號(hào)煤層以巖株、巖床形式侵入，侵入范圍在立體空間內(nèi)形成相對(duì)封閉塊段。巖漿巖發(fā)育至向西在東孔壁、磁山一帶出露地表，即磁山巖體。該處巖體厚度大于600 m，連續(xù)性較好，隔斷了礦區(qū)與西部區(qū)域巖溶地下水的聯(lián)系，形成了礦區(qū)西部的隔水邊界。巖漿巖頂面雖有起伏，但總的趨勢(shì)是西高東低、北高南低，向SEE 傾斜。根據(jù)巖性及侵入形態(tài)分析，巖漿巖侵入方向可能是自南東向北西方向進(jìn)行的。東北及西北部發(fā)育的巖漿巖切割了萬年礦區(qū)地下水的主要徑流通道，大大削弱了區(qū)域內(nèi)地下水的過水能力?？傊瑓^(qū)內(nèi)巖漿巖的侵入控制了巖溶的發(fā)育程度，因而也控制了地下水徑流帶的形成和空間分布。

3.3 萬年礦區(qū)區(qū)域地下水排泄條件

區(qū)域地下水排泄主要以泉群排泄為主，人工排泄次之，地下水沿單斜構(gòu)造順含水層向東部埋藏區(qū)運(yùn)移，到東部井田邊界斷層受阻，且無明顯的天然排泄區(qū)，地下水以儲(chǔ)存量的形式賦存于含水層之中。隨著地下水位的不斷下降，大量泉群干涸，后者已逐漸占據(jù)主要地位。通過對(duì)峰峰礦區(qū)和萬年礦區(qū)水文地質(zhì)條件的比較，得出二者屬于兩個(gè)不同的水文地質(zhì)單元，區(qū)域地下水的補(bǔ)給、徑流及排泄條件也不盡相同，對(duì)萬年礦區(qū)奧陶紀(jì)灰?guī)r水的治理可以另辟蹊徑。再對(duì)萬年礦區(qū)區(qū)域及萬年礦水文地質(zhì)邊界條件、富水情況進(jìn)行分析，找出萬年礦區(qū)奧灰水位動(dòng)態(tài)特征，形成一套不同于峰峰礦區(qū)奧灰水的治理方法，解決高承壓水對(duì)回采工作面的影響，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

（1） 通過對(duì)萬年礦區(qū)周邊區(qū)域的水文地質(zhì)邊界條件和地下水補(bǔ)給、徑流及排泄條件進(jìn)行分析，與萬年礦范圍內(nèi)的水文地質(zhì)條件比較，得出萬年礦井田與南洺河鐵礦共屬百泉泉域一個(gè)相對(duì)獨(dú)立次一級(jí)水文地質(zhì)單元，與峰峰礦區(qū)其他礦井分屬不同的水文地質(zhì)單元，萬年礦區(qū)與周邊區(qū)域水文地質(zhì)富水條件呈“外弱內(nèi)強(qiáng)”的特點(diǎn)，萬年礦區(qū)特殊的地理位置，為奧灰含水層水位的人為疏降創(chuàng)造了必要條件。

（2） 通過南洺河鐵礦排水量與礦區(qū)內(nèi)奧灰水位疏降統(tǒng)計(jì)表看出，南洺河鐵礦與萬年礦在同一個(gè)水文地質(zhì)單元的前提下，奧灰水位隨排水量的變化整體會(huì)出現(xiàn)“同增同降”的變化趨勢(shì)。同時(shí)本區(qū)奧灰水位會(huì)隨枯水、豐水期的變換而有所變化。南洺河鐵礦與萬年礦奧灰水位在排水疏降的過程中，同期也存在明顯的差值，南洺河鐵礦位于井下排水為低點(diǎn)的地層水位疏降漏斗中心，萬年礦處于漏斗邊緣側(cè)，2016 年前兩礦的奧灰水位差在5 m 左右，隨著鐵礦排水量的增加，2016—2017 年南洺河鐵礦與萬年礦水位差值在12.5 m 左右，至2019 年9月差值縮小至9 m，隨著疏降漏斗的減小兩礦之間的水位差值也將逐漸縮小。

（3） 9 號(hào)煤底板隔水層承受水壓的強(qiáng)度可按?！ぇァに沽兴_列夫公式計(jì)算，斯列薩列夫計(jì)算公式和強(qiáng)度理論是根據(jù)含水層承壓水的壓力及礦體底板與下含水層間隔水層抗彎強(qiáng)度的比值，預(yù)測(cè)采空破壞后產(chǎn)生突水的可能。計(jì)算公式如下：

式中：H安為巖石可承受的最大水頭值，m；L為回采工作面懸頂距，m；γ 為隔水層巖石的平均容重，t/m3；KP為隔水層巖石的抗張強(qiáng)度，t/m2；M為隔水層厚度，m。

根據(jù)式（1） 可以計(jì)算不同開采水平所需的有效隔水層厚度，其中9 號(hào)煤層底板巖石單軸抗拉強(qiáng)度一般在100～150 t/m2，抗剪強(qiáng)度在300 t/m2以上（區(qū)域經(jīng)驗(yàn)值），因此Kp取100 t/m2；平均容重γ 取2 t/m3；回采工作面最大懸頂距離L取20 m；僅考慮有效保護(hù)層的阻水能力，其平均厚度M按15 m計(jì)算（底板采動(dòng)破壞深度按10 m 計(jì)算），底板破壞深度按10 m 考慮，回采工作面最大懸頂距離取20 m，-50 m 水平以上9 號(hào)煤開采奧灰水位須在+67.5 m 以下，計(jì)算結(jié)果見表1。

目前，由于南洺河鐵礦疏降開采，井田西側(cè)奧灰水位在-140 m 左右，在目前水位條件下，按照奧灰突水臨界水壓公式計(jì)算，開采-75 m 水平以淺的9 號(hào)煤資源是相對(duì)安全的。上述計(jì)算可以說明9號(hào)煤底板隔水層的阻抗水能力，同時(shí)也能說明開采標(biāo)高與臨界水位之間的定量關(guān)系。這對(duì)于本區(qū)在南洺河鐵礦疏水降壓條件下開采下組煤具有重要的參考價(jià)值。南洺河鐵礦排水量與奧灰水位變化曲線如圖1 所示。

圖1 南洺河鐵礦排水量與奧灰水位變化曲線Fig.1 Curv of water discharge and Ordovician limestone water level change in Nanminghe Iron Mine

表1 萬年井田9 號(hào)煤開采奧灰突水臨界水壓計(jì)算一覽Table 1 Calculation list of critical water pressure of water inrush from Ordovician limestone in No.9 coal seam mining

4 南洺河鐵礦與萬年礦間的水力聯(lián)系

本區(qū)位于陰山及秦嶺兩個(gè)巨型緯向構(gòu)造體系之間，西臨新華夏系太行隆皺帶，東接華北沉降帶，處于新華夏系兩個(gè)不同構(gòu)造單元的過渡地段。受緯向構(gòu)造應(yīng)波的影響，引導(dǎo)出一些東西向?qū)捑忨薨?，新華夏系主要發(fā)育有北北東向斷裂構(gòu)造，兩種構(gòu)造體系的組合，構(gòu)成了本區(qū)以北北東向斷裂為主，展布有東西向的向南東緩傾的褶皺平緩開闊的單斜層，結(jié)合歷年的礦區(qū)內(nèi)奧灰水位觀測(cè)資料分析，本區(qū)形成了以南洺河鐵礦井下排水為低點(diǎn)的地層水位疏降漏斗，礦區(qū)奧灰水流向如圖2 所示。

（1） 南洺河鐵礦剛復(fù)工后羅峪觀測(cè)孔與萬年礦±0 水平W12 間的水力坡度。分別取同一時(shí)間南洺河羅峪觀測(cè)孔水位17.2 m 和萬年礦±0 水平W12 觀測(cè)孔水位22.1 m（同取2010 年7 月），兩個(gè)觀測(cè)孔之間水平距離為1 255 m。水力坡度=（22.1-17.2） /1 255=4‰。

（2） 羅峪觀測(cè)孔與萬年礦±0 水平W15 間的水力坡度。分別取同一時(shí)間南洺河羅峪觀測(cè)孔水位-32.26 m 和萬年礦±0 水平W15 觀測(cè)孔水位-28.1 m（同取2014 年1 月），兩個(gè)觀測(cè)孔之間水平距離為581 m。水力坡度=（|-32.26|-|-28.1|）/581=7‰。

（3） 南洺河井下觀測(cè)孔與地面楊二莊觀測(cè)孔間的水力坡度。分別取同一時(shí)間南洺河井下觀測(cè)孔水位-185 m 和地面楊二莊觀測(cè)孔水位-169.26 m（同取2019 年9 月），兩個(gè)觀測(cè)孔之間水平距離為1 008 m。水力坡度=（|-185|-|-169.26|）/1008=16‰。

（4） 南洺河井下觀測(cè)孔與萬年礦井下-500 采區(qū)W34 觀測(cè)孔間的水力坡度。分別取同一時(shí)間南洺河井下觀測(cè)孔水位-185 m 和萬年礦井下-500 采區(qū)W34 觀測(cè)孔水位 -160.372 m（同取 2019 年 9月），兩個(gè)觀測(cè)孔之間水平距離為5 220 m。水力坡度=（|-185|-|-160.372|） /5 220=5‰。

（5） 楊二莊觀測(cè)孔與萬年礦井下-500 采區(qū)W34 觀測(cè)孔間的水力坡度。分別取同一時(shí)間楊二莊觀測(cè)孔水位-169.26 m 和萬年礦井下-500 采區(qū)W34 觀測(cè)孔水位-160.372 m（同取2019 年9 月），兩個(gè)觀測(cè)孔之間水平距離為5 985 m。水力坡度=（|-169.26|-|-160.372|） /5985=1.5‰。

圖2 萬年礦區(qū)奧灰水流向預(yù)想Fig.2 Forecast of Ordovician limestone water flow direction in Wannian mining area

5 萬年礦奧灰水動(dòng)態(tài)特征

經(jīng)對(duì)萬年礦與南洺河鐵礦之間水文地質(zhì)條件分析，萬年礦受礦區(qū)封閉水文地質(zhì)單元限制，井田范圍內(nèi)奧灰水位主要受南洺河鐵礦、井田范圍內(nèi)供水孔排水及自然水力坡度影響，水位降深在枯水期明顯，豐水期受大氣降水直接補(bǔ)給出露奧灰含水層，導(dǎo)致雨季期間井田奧灰水位有少量上升，而后又會(huì)呈下降態(tài)勢(shì)逐步下降。受自然水力坡度影響南洺河鐵礦井下排水點(diǎn)呈強(qiáng)力疏排水漏斗最低點(diǎn)，礦區(qū)東南方至西北方自然坡度陡峭，水力變化明顯；西北方至東南方自然坡度略陡，水力變化略顯湍急；東北方至西南方自然坡度舒緩，水力變化較為平緩?？傊娇拷杞德┒纺蠜澈予F礦，奧灰水位變化越為明顯，向北部越遠(yuǎn)離南洺河鐵礦，奧灰水位變化越為平緩。整體萬年礦奧灰水位以南洺河鐵礦為中心呈漏斗式進(jìn)行逐年下降。

6 礦井-150 m 水平以淺下組煤采區(qū)水文地質(zhì)情況

-150 m 水平下組煤采區(qū)東與-240 南二、南一、北一、北二采區(qū)相鄰；西、南、北以井田邊界為界，本區(qū)構(gòu)造以NNE 及NE 向構(gòu)造為主，地層產(chǎn)狀變化較大。本區(qū)煤巖層總體上呈單斜構(gòu)造，煤層傾角0～20°，平均10°左右。由于受構(gòu)造的擠壓、牽引作用，局部地層傾角變化較大。共查明斷層18 條，按照落差分類，其中落差≥30 m 的6條，落差≥20 m 的7 條。根據(jù)計(jì)算，萬年井田-150 m 水平9 號(hào)煤開采預(yù)計(jì)礦井正常涌水量為181 m3/h，最大涌水量為277 m3/h；-150 m 水平石門揭煤大青灰?guī)r的穩(wěn)定涌水量為86.3 m3/h；奧灰水疏降到-150 m 水平時(shí)穩(wěn)定涌水量為1 264 m3/h。區(qū)內(nèi)9號(hào)煤層埋深210～335 m，本煤層位于太原組中下部，上距8 號(hào)煤層3～5 m。煤層厚厚1.3～3.16 m，一般厚度2.12 m。有0.2 m 的夾石2～3 層，夾石不穩(wěn)定，巖性為粉砂巖，9 號(hào)煤全部可采，屬較穩(wěn)定性煤層，煤質(zhì)牌號(hào)為無煙煤。

7 結(jié) 論

（1） 此次研究為相對(duì)封閉的水文地質(zhì)單元的條件下，安全開采受承壓水威脅的下組煤層提供了一條新技術(shù)途徑，遏制了煤礦底板突水多發(fā)勢(shì)頭，解決了生產(chǎn)效率低及資源緊張難題。

（2） 礦井開采水害防治與地下奧灰水環(huán)境及水資源保護(hù)的“治?！苯y(tǒng)一，減少礦井涌水量，保護(hù)地下水資源，實(shí)現(xiàn)綠色開采。

（3） 本文的研究既解決了南洺河鐵礦開采的威脅，也解決了萬年礦下組煤下部承壓水的威脅，實(shí)現(xiàn)了奧灰含水層上、下鐵礦和煤礦的聯(lián)合開采，保障了南銘河礦、萬年礦的安全生產(chǎn)。