神东矿区含水层含水特征分析

摘  要  分析了神东地区含水层的含水特征以及煤层开采对矿井安全生产的影响。针对矿区水文地质特征，提出了水文灾害防治思路和治理措施。

关键词  含水层  地下水  地表水  灾害预防

 
   煤层是“夹”在沉积岩层之间的可利用矿产资源。在开采过程中，与其直接或间接接触的各类岩体、松散层都会发生位移，而围岩、松散层的位移则会对煤层开采带来不同程度的影响，开采者必须认真研究并尽可能消除这种影响。笔者在神东矿区长期从事地质及水文地质技术工作，拟从水文地质、煤层顶板、瓦斯等方面谈点规律性看法，但因篇幅有限，本文仅对神东矿区水文地质有关规律作简要分析。

1  地下水

神东矿区对煤矿安全生产有影响的含水层可简单地分为松散层潜水含水层、烧变岩潜水含水层、基岩裂（孔）隙潜水含水层和奥陶纪灰岩裂隙（溶洞）承压含水层几类，前两类主要分布在黄河以西侏罗纪煤田各矿井，后者主要分布在黄河东西两侧石炭、二叠纪煤田的康家滩等矿井。

1）松散层潜水含水层。由于煤田地处毛乌素沙漠边缘，矿区大部分地区煤层上覆主要含水层都属此类。根据松散层结构、岩性及颗粒度大小可分为沙砾层潜水含水层和粗沙潜水含水层、细（粉）沙潜水含水层。

2）烧变岩潜水含水层。主要由后期河流冲刷或剥蚀使煤层裸露，经长期风、氧化进而自燃，将上覆岩层烘烤使其垮落、变形，形成较大的裂隙、孔隙，为后期储水创造了有利条件。矿区乌兰木伦矿以南凡煤层被后期河流沟壑切割裸露（或被沙层掩埋）的各矿井均有这种类型。此类又可分为透水不含水层和透水含水层型。

3）基岩裂（孔）隙潜水含水层。主要为煤层顶板砂（粗砂）岩含水层、一般裂隙和构造裂隙强风化裂隙含水层、砂砾层（后期河流冲积物压实而成）孔隙含水层，矿区各矿井均有分布。按其与煤层接触关系、距离及影响程度，又可分为直接充水含水层和间接充水含水层两类。

4）奥陶纪灰岩裂（孔）隙、溶洞承压水。主要分布在康家滩、孙家沟等黄河两岸石炭、二叠纪煤田含煤岩系之下较老地层奥陶纪石灰岩中。由于其裂隙、孔隙、溶洞发育并在漫长的地质年代形成了丰富的含水层，受地质运动影响，地层倾斜，奥灰水水头压力往往高于矿井开采煤层标高，给煤矿生产安全带来严重威胁，是开采石炭、二叠纪煤层矿井的主要防范对象之一。

2  地表水

乌兰木伦河、勃牛川、窟野河、黄羊城沟及其支沟广泛分布于矿区各井田。由于这些河流、沟壑的冲蚀作用，原本完整且连成一片的煤层被切割成若干不规则的区块，不仅给矿井设计和工作面布置带来影响，也给安全生产带来影响。

3  不同水文地质条件的特点及对矿井安全生产的影响

神东煤田的地表虽沟壑纵横，部分煤层裸露，但绝大部分被风积沙、半固定沙、固定沙和黄土层覆盖，属掩盖式煤田。其上覆松散沙层、沙砾层的充水性、含水性、渗透性等水文地质条件以及它们与煤层、煤层顶板基岩裂隙、风化裂隙、烧变岩裂隙之间的水力联系、特点及规律对矿井生产安全的影响，就必然成为研究的对象和重点。

3.1  松散层含水层

1）细、粉沙潜水含水层。岩石经风化并以风为主要动力，使其直接堆积覆盖在煤层基岩表面，经大气降水长期补给，又没有排泄途径，形成含水层。此种沙层结构简单，主要由颗粒很小的细沙、粉沙组成。乌兰木伦，石圪台，前石畔井田上覆松散层大部分属此种类型。其它矿井分区域也有不同的分布。主要特点是孔隙率、渗透系数小，含水层厚度往往很大，但富水性较低，不易形成富水区或强富水区。通常象人们所说的“海绵体”一样，在无外力作用下，一般很难释放。

当煤层上覆基岩厚度大，超过导水裂隙带高度时，此类含水层对煤矿安全构不成大的威胁。但当基岩厚度小，特别是基岩厚度小于冒落带高度或更小时，在工作面开采过程中，顶板垮落所形成的裂隙带迅速与含水层沟通，打破了含水层原有的平衡，使沙层在水动力作用下很快沿裂隙涌入采空区或工作面，发生“溃水溃沙”，可能造成机毁人亡等重大安全事故。

细、粉沙层潜水的主要特点是由于孔隙率小，渗透系数小，很难用超前疏放、抽排办法将其泄出，给矿井防水防沙带来一定难度。当其与古河床、古冲沟、低凹基岩表面、强风化岩等几种不利的储水构造因素相结合时，对煤矿安全生产的影响会更大。前石畔井田瓷窑湾煤矿溃水溃沙淹没主要巷道就是典型例子。

2）粗沙潜水含水层。孔隙率、渗透系数比细、粉沙层大，有时与细粉沙层、沙砾层或其它含（隔）水层在垂向上呈互层状、透镜状，在平面上呈不规则状、条带状分布，也可直接覆盖在基岩面上或烧变岩之上。当其直接覆盖在基岩面之上且下伏无较强风化层和烧变岩裂隙等有利含水条件时，就形成粗沙潜水含水层。粗沙含水层可形成弱—中等富水区，如与强风化层、薄基岩、古冲沟、基岩面低凹地带等不利条件相结合，将对煤矿生产安全带来大的影响，但若其覆盖于烧变岩之上，就成为透水不含水或弱含水层。此类含水层因其孔隙率、渗透系数相对较大，可以超前采取钻孔疏放水进行疏放。

3）沙砾层含水层。由粗沙、河卵石、砾石等大颗粒物质组成，孔隙率高，渗透系数大，如其直接覆盖在基岩表面或其上覆松散层有透水性质，即形成矿区常见的沙砾层潜水含水层，当其与强风化带裂隙、古冲沟、古河床、基岩面低凹处、薄基岩等不利条件相结合时，则会对井下安全带来严重威胁，是防范和采取措施的重点。因其孔隙率、渗透系数较大，地下水可流动性较高，故采取提前疏放、疏排是行之有效的方法。

4）第三系、第四系粘土层、黄土层。粘土、黄土层具有隔水性质，如分布在地表，大气降水可沿其表面得到较充分的迳流并排至沟谷、河流；如广泛分布在基岩表面之上，且与厚基岩组合，能对井下安全起保护作用，但矿区大柳塔、活鸡兔、前石畔、朱盖塔、补连塔、柠条塔等绝大多数地区因后期冲蚀作用，导致上述粘土层、黄土层大部分以孤立的不规则状（平面）、零星透镜状（剖面）存在其上、下，周围均由透水或含水的沙、粗沙、沙砾层充填、包围，失去了应有的作用。矿区榆家梁、考考乌素沟北侧柠条塔等井田地表大部分被第四系黄土覆盖，地表迳流比较充分，较少有富含水的含水层，减轻了预防煤矿水患的压力。

3.2  烧变岩潜水含水层

这是侏罗纪煤田的特色，由于成煤期晚，煤呈中孔结构，内水高，易氧化吸热，燃点低，沿河流、沟谷边缘分布的煤层长期暴露于大气层，经氧化就会自燃，并将上覆岩层松散层烘烤，使其坍塌、下沉、位移、变形、变质，形成大量孔洞、裂隙，为大气降水或上覆松散层水的补给、贮存提供了条件，即成为所谓烧变岩潜水含水层。烧变岩潜水含水层在平面上一般呈带状，其底板一般为自燃的煤层底板。当底板倾向与地下水迳流、排泄方向一致时，烧变岩裂隙、孔洞成为透水不含水层，难以形成富水区，对安全生产影响不大，如大柳塔矿井西部烧变岩底板倾向乌兰木伦河，大气降水或松散层水补给烧变岩层能及时以下降泉方式泄出，烧变岩裂隙仅起通道作用；而活鸡兔矿井东部烧变岩底板倾向与地下水排泄方向相反，因此大气降水或松散层水补给烧变岩裂隙后就形成含水层，而只有含水层潜水面标高高于泄漏点标高时，地下水才能以地下泉方式泄出，这就形成了对煤矿生产安全有巨大威胁的烧变岩潜水含水层。烧变岩底板低凹处极易形成富水—强富水区，这是我们预防井下涌水、突水的重点。但烧变岩具有发达的裂隙、孔洞，渗透系数大，地下水迳流比较通畅，因而提前疏排是最为有效的方法。

3.3  风化岩裂隙潜水含水层

矿区各井田煤层埋藏浅（0～150m左右），其上覆基岩上部大部分都有风化现象，只是因松散层盖层厚度、岩性、结构不同，使其风化程度不同。当风化强烈时，岩体松软，裂隙发育，上覆松散层含水层的水下渗后，可形成风化层潜水含水层。这类含水层往往与基岩上覆松散层潜水沟通，形成同一含水层，给井下安全生产带来严重隐患。

矿区凡有沙、粗沙、沙砾层等松散层覆盖的基岩几乎都有此种现象，仅因其风化的强烈程度及厚度不同，其富水性也有较大差异。这类含水层因其极大的不均匀性，渗透系数很难掌握，有时在短距离内有数倍的差别，需作认真研究。

3.4  砂岩裂隙、孔隙潜水含水层

煤层上部与泥岩、粉沙岩隔水层在垂向上呈互层状分布的粗砂岩层，因颗粒度较大，有一定孔隙，如伴有一定的构造裂隙、节理，且与上部含水层沟通后，砂岩体的孔隙、裂隙就会含水，而砂岩与松散层沙、粗沙、沙砾层不同，由于密度高，孔隙率小，含水性很低，对井下安全构不成大的威胁，但基岩中如有后期河流冲刷所形成的砂砾岩，且具有较大的孔隙或距煤层较近或有断层，断层带沟通就另当别论了，应采取措施加以防范。

3.5  奥陶纪灰岩溶（孔）洞承压水

分布于黄河东西两侧的石炭、二叠纪煤系地层底部奥陶系灰岩中，当承压水水头高度高于所开采煤层底板高度时，如遇有断层、区域性裂隙、陷落柱、封闭的钻孔不合格等将含水层与煤层（工作面）沟通后，对煤矿安全生产带来严重威胁，如对其危害性认识不足、预防措施不得当，结果将是灾难性的。因此应密切关注，高度重视，特别是孙家沟等矿井开采低水平煤层时，应特别注意。

3.6  地表水

前面已经提到，虽然矿区成煤环境为内陆湖泊三角洲相，造就了煤层倾角小、构造简单、煤质好、厚度大、分布广泛、整体性好、储量巨大等许多有利的开采条件和先天资源品质，但因后期冲刷、剥蚀，使地表形成窟野河、乌兰木伦河、勃牛川等几条较大河流以及与其联系的许多树枝状季节性河流、冲沟。这些河流、冲沟往往因水动力作用与水力坡度变化，搬运并堆积了大量由沙、粗沙、砾石等组成的冲（洪）积层、河床冲（洪）积层等，因周边沙层、沙砾层、烧变岩潜水下渗或大气降水补给而形成含水丰富的冲（洪）积层含水层，给井下带来影响。同时河流对下伏煤层或基岩裂隙有侧向补给或下渗作用，因此埋藏在河床之下及周边煤层在开采过程中水患影响程度要更大，煤的水分也要高于其它区域的煤层，如哈拉沟3^-1 煤、补连塔2^-2煤、乌兰木伦矿1^-2 、2^-2 、3^-1煤层水分明显高于在侵蚀基准面之上的大柳塔矿1^-2、2^-2煤、哈拉沟2^-2 煤，事实证实了笔者在采前的判断。

河流对煤矿安全的影响是勿容置疑的，而大的河流冲积层的富水性、透水性对矿井工作面布置和开采的影响也是很大的，因此在工作中应给予高度关注。

4  灾害预防思路

煤层是夹在岩层间且密度相对较小的矿床。围岩任何平衡状态的改变都会对煤层本身施加影响，而开采煤层必然打破围岩原有应力分布与平衡。在应力重新分布过程中，如果控制不好，则会给工作面安全生产带来灾难，所以采矿业必须认真研究煤及煤层周边岩体环境性质，以便采取科学合理的预防措施，保障煤矿生产安全，将各类含水层对井下人员、设备运行安全影响降至最低。为此，笔者提出几种思路供参考。

4.1  充分收集整理已有水文地质资料，为科学制定防治水方案提供可靠依据

神东煤田自开发以来，从找煤、普查、详查、勘探到补勘各阶段，施工了大量地质、水文地质钻孔，甚至有不少物探与钻探相结合的可贵资料，工程技术人员应认真分析松散层，煤层顶板基岩结构、厚度；断层及裂隙发育规律规模；各类含水层的含水性和富水性；煤层上覆基岩中有无隔水层及隔水层厚度、性质、分布规律；基岩顶面起伏变化形态；古河床发育特征，地表起伏变化与古河床、古冲沟有无继承性；各含水层与开采煤层间距，相互间水力联系；现代河床是否具有迁移性；各类含水层水文地质参数及变化规律，等等。要将一切有用信息归纳整理，建立相关数据库，充分利用计算机等现代化工具，绘制各类含水层厚度等值线图，基岩顶面等高线图，基岩（风化岩）厚度等值线图，古河床、古冲沟分布规律、流向图，各类松散层、烧变岩、基岩潜水面等高线图，水力稊度图，反映地下水补给、迳流方向以及各含水层水文地质类型、富水区域划分、流量、储量等内容的水文地质图以及含水层间的水力联系方式与相关性分析、有关剖面等图表。

由于松散层、岩层的不均匀性，各矿井水文地质类型不尽相同，在对整理好的有关资料分析后，找准对矿井有影响的含水层，采取针对性措施加以解决。

4.2  存在“溃水溃沙”危险的细、粉沙潜水含水层

因孔隙率低，渗透系数小，采用提前疏放水方法往往效果不佳。因此，在盘区或工作面设计前就应掌握拟开采煤层上覆基岩厚度、性质和风化程度，圈定冒落带范围。综采工作面应避免布置在煤层上覆基岩厚度小于冒落带高度、具有“溃水溃沙”危险的此类含水层之下，而应选择房柱式等采煤工艺，以延缓顶板垮落时间和溃水溃沙的滞后期，保证井下人员和设备的安全。

4.3  粗沙、沙砾层、强风化层潜水含水层和烧变岩潜水含水层

这几类含水层因孔隙率高，易形成富水—强富水区，如与薄基岩等不利条件相结合或直接覆盖在厚度临近导水裂隙范围的基岩顶面，对井下安全生产的影响是可想而知的，但因含水层渗透系数大，给超前疏排创造了条件。笔者于1995年提出的矿区首个全引进设备的现代化综采工作面——大柳塔煤矿201工作面的疏放水思路，得到当时决策层的肯定，即：充分研究并掌握201工作面上覆基岩厚度、风化层风化程度、含水层结构、颗粒结构组成、地下水迳流规律、富水程度等各项水文地质条件，采用地面抽排，工作面外巷打孔泄水方案。该方案当时争议很大，因为在松散沙砾层含水层覆盖下较薄基岩（厚度<50m）且上部有风化层条件下疏排水在矿区尚属首次，效果很难预测。而实际结果是，地面抽水孔流量22.3m³/h，顺槽泄水孔泄水量变105m³/h，不但打破了外聘专家地面抽水小时流量不大于3m³，井下泄水小时流量10m³左右的预言，取得很好的效果，解除了安全隐患，而且在钻孔施工过程中进行了孔间导通试验。根据试验结果，不但大量减少了钻孔，而且节约了投资，取得良好的经济效益。后来的活鸡兔矿2^-2煤首采面上覆烧变岩水（储量约150万m³）的成功疏放也证明了此点。

值得注意的是，方案设计过程中，必须认真研究工作面上覆含水层结构、性质，基岩顶面起伏变化情况，古冲沟、古河床在工作面上部的分布，地下水迳流、补给方向等；充分考虑松散层、风化层、岩层的不均质性；注意钻孔封闭质量；断层、裂隙等构造的导水性，与煤层、含水层的水力联系等，根据工作面回采时间、含水层静储量、动储量来确定疏放水程实施时间（一般提前量为3～6个月）。具体设计时，钻孔一般应布置在工作面外侧巷道和地下水补给方向，以截断水源补给途径、延长钻孔使用时间。同时要布设水文观测孔，按要求及时、准确观测含水层水位、水柱高度变化，以确定井下开采过程中排水设备、管道的能力和备用系数。要特别关注地表塌陷后强降水天气降雨对井下安全的影响，并采取相应预防措施，保正矿井安全。

除科学合理的疏放水工程外，管理者对防治水工作的重要性要有客观、科学、理性的认识，实践中因思想麻痹而出现的“小水淹没设备”等几起事故案例就是深刻的教训。

科学合理的设计方案是建立在深厚的基础知识、丰富的实践经验和强烈的责任心、事业心之上的。既不能因认识不到位出现水文地质灾害事故，又不能草木皆兵，以所谓十倍、几十倍的“保险系数”来保证安全，造成人民财产的损失和浪费。

4.4  奥陶纪灰岩承压水

开采前和开采过程中一定要认真调查分析所在区域地质运动所形成的断层、裂隙发育规律、规模和断层性质、导水性。断层、裂隙往往是承压水的涌出通道，如果忽视，将给煤矿带来灾难性后果，特别是开采承压水水头高度高于工作面标高时更要十分谨慎，一定要有足够的排水设施、设备和封堵材料，提前制定防治水预案，确保安全。另外，要特别注意打穿煤层底板至承压含水层钻孔的封孔质量，防止因封孔质量不合格，将承压水与工作面导通，淹没工作面等重、特大事故的发生。

4.5  地表水

1）主要水系。如乌兰木伦河、勃牛川河、黄羊城沟等基本上是常年性河流，设计时就需要考虑留设保安煤柱等。

2）支系河流。如补连沟、双沟、母河沟等虽正常情况下流量不大，但遇大气强降水时可能暴发山洪。因此，在工作面过沟时期，地表可采用导流明渠、导流软管等方式，防止地表水沿裂隙涌入井下。此方法己于1996年在矿区第二个综采面——活鸡兔煤矿首采面（2^-2 煤），防治水工程中成功应用。

5  结语