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摘 要：为了评价10煤层开采可能产生的水害影响，根据矿井含、隔水层的水文地质特征，指出10煤层受采动破坏，顶底板砂岩裂隙水、太原组和奥陶系岩溶水沿采动裂隙和断层溃入矿井，对矿井开采形成威胁。根据对矿井充水因素的分析，得出矿井的充水强度不大，充水通道主要为隔水层薄弱地段采动裂隙和断层破碎带。
关键词：矿井水害；水文地质特征；充水因素
中图分类号：P641.43文献标识码：A
文章编号：1672-1098(2012)02-0041-04
收稿日期：2012-03-13
作者简介：李书奎（1958-），男，安徽肖县人，高级工程师，硕士，主要从事采矿、安全、地测技术及管理工作。
Analysis of Hydrogeological Characteristics and Water-filling Factors of No.10 Coal Seam in Qingdong Coal Mine
LI Shu-qui
(Geological Survey Department, Huaibei Mining Group Co. Ltd., Huiabei Anhui 23500, China)
Abstract:In order to evaluate possible water hazard of No.10 coal seam mining, on the basis of analysis of Hydrological characteristics of aquifer and water-resisting layers, it’s pointed out that No. 10 coal seam will be damaged by mining, resulting in crevice water in roof and floor sandstone, water in Taiyuan Formation and the Ordovician karst inflowing into the mine along the mining fissures and faults, which creates threat to underground mining. Analysis of mine water filling factors showed that mine water-filling intensity is small, mining-induced fissures and fault fracture zone in the aquiclude weak lots form water-filling channel.
Key words:mine water hazard; hydrological characteristics; water filling factors
青东煤矿是淮北矿业(集团)公司新建矿井位于安徽省淮北市濉溪县李小庙至大刘家一带，行政区划属濉溪县，井田东距宿州市、北东距淮北市均为45 km［1］。地理坐标：东经116°25′44″～116°34′44″，北纬33°36′34″～33°40′29″。井田内发育的主要地层有奥陶系、石炭系、二叠系、第三系和第四系。主要含煤地层为二叠系的上石盒子组、下石盒子组及山西组。
据钻孔2-1孔揭露奥陶系中下统老虎山组～马家沟组，厚度14.97 m，岩性为灰褐色，中厚层状石灰岩。上石炭统太原组含13～14层灰岩期间夹泥岩、砂岩和粉砂岩，井田77个钻孔揭露一般揭露1～2层，全组层厚平均140.12 m。山西组下部以太原组顶部一灰之顶为界，上界为铝质泥岩之底，地层平均厚度101.59 m。岩性由砂岩、砂、泥岩互层、粉砂岩、泥岩和煤层组成;主采10煤层位于此地层中。第三、第四系地层由浅黄、棕黄色细砂、粉砂及粘土质砂，间夹3～5层砂质粘土及粘土组成，含有四个含水层。
1 水文地质条件分析
1.1 主要含水层
1.1.1 孔隙潜水-承压含水层 至上而下分为四个含水层，分别为第一、二、三和”四含”水层，由于第三隔水层厚度大、分布稳定，有效地阻隔了上、下含水层的联系。第四系含水层是影响10煤层开采的主要充水含水层。
第四含水层(简称“四含”)平均厚度5.94 m，分布不稳定，岩性复杂，厚度变化较大，主要由棕黄色、灰黄色的细砂、粉砂、砂砾、粘土砾石、粗砂及粘土质砂等组成，分选差。根据抽水试验资料：k=0.049 7 m／d、q=0.017 92 L／s.m、矿化度1.21 g／L、水化学类型SO4-Na?Ca型，弱富水性。
1.1.2 10煤顶底板砂岩裂隙含水层 平均厚度为20.50 m， 一般由2～3层的中砂岩、 细砂岩构成， 岩性较致密， 裂隙不发育， 据7西-1孔抽水试验资料： 水位标高22.98 m， 按降深为10 m孔径为91 mm折算后q=0.004 623 L／(s?m)， k=0.041 5 m／d，矿化度2.43 g／L，水质为SO4-Na型水，富水性较弱［2］。
1.1.3 岩溶裂隙含水层
1） 太原组灰岩岩溶裂隙含水层。矿井共有77个钻孔揭露太原组地层，最大揭露厚度62.01 m(09-观3孔)，据邻区临涣煤矿资料，太原组地层厚度133.81～144.01 m，平均140.12 m，有石灰岩9～12层，石灰岩总厚度59.94 m，占太原组总厚的42.8％。一灰厚度0.63～3.89 m，平均2.20 m；二灰厚度1.79～4.05 m，平均3.15 m；三灰厚度2.88～12.54 m，平均8.34 m；四灰厚度6.15～27.29 m，平均14.14 m。一～四灰累计平均厚度27.83 m，厚度大，含有燧石结核，底部常有薄煤层，水动力条件好，各含水层段之间距离仅数米，可视为一个含水层，为10煤层开采主要补给水源，k=0.773 8 m／d，q=0.178 L／(s?m)，矿化度2.66 g／L，水质类型SO4-Na?Ca?Mg，中等富水性。 2) 奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层。 据钻孔2-1资料，揭露厚度为14.97 m。岩性以灰色泥质灰岩和灰岩为主，岩溶裂隙发育，钻孔揭露时泥浆消耗量达0.80～1.60 m3／h，而后发生漏水，漏失量达12 m3／h，强富水性。
1.2 主要隔水层
1.2.1 4～6煤隔水层 隔水层厚13.06～212.20 m，平均118.70 m左右，岩性以泥岩、粉砂岩为主，夹2～7层的细砂岩与中砂岩。岩性致密完整，裂隙不发育，资源勘探时仅在9-3孔发生漏水，漏失量达15 m3／h。有6个钻孔在砂岩段泥浆消耗量稍大，可达0.56～1.2 m3／h，钻孔泥浆消耗量一般为0～0.48 m3／h，隔水性能较好。
1.2.2 10煤下～太原组第一层石灰岩间隔水层 主要为深灰色的海相泥岩和粉砂岩，夹1～3层细砂岩，部分地段有砂泥岩互层，多为砂岩泥岩互层组合结构。10煤层底至太灰间距(真厚)为21.00～47.37 m，平均间距为34.19 m;6509钻孔由于受F11断层影响其间距为21.00 m;一般情况下开采10煤时此层(段)能起到隔水作用。但局部地段由于受断层影响，导致间距缩短，太灰含水层与煤层距离大幅减小，隔水层厚度变薄，岩芯破碎，其隔水性大幅度降低。
1.2.3 石炭系本溪组铝质泥岩隔水层 采区内无钻孔揭露资料，据童亭矿、临涣煤矿资料该隔水层厚度在10.97～15.71 m。岩性主要有铝质泥岩、泥岩组成，铝质泥岩为灰白色、紫红色、致密性脆，含少量菱铁鲕粒，正常情况下能起一定隔水作用。
1.3 各含水层补给、径流、排泄条件及水力联系
矿井内“四含”不发育，含水层厚度薄，分布范围小，其上因存在隔水性能较好的三隔，地表水不能补给“四含”。因4～6煤隔水层隔水性能较好，能有效阻止“四含”水补给砂岩含水层，因此“四含”水对10煤层影响微乎其微，但在“天窗”分布地段，可能造成“四含”水溃入矿井。
10煤层顶底板砂岩裂隙含水层(段)，裂隙不发育，连通性差，水平径流微弱，补给条件差，富水性弱，属于以储存量为主的承压含水层，除因导水张性断层沟通外，一般都为独立含水层，主要受区域层间径流补给、排泄。在井巷开拓和煤层开采条件下，砂岩裂隙水以突水、淋水和涌水的形式向矿坑排泄。
太原组和奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层(段)均为承压含水层，主要以层间径流、补给为主，在浅部露头带接受”四含”水的补给，区域范围内，若出现大的水位差，则径流、排泄、补给明显，与二叠系主采煤层砂岩裂隙含水层(段)之间的地下水，或因构造影响，它们之间将发生水力联系。
2 充水因素分析
2.1 充水水源
10煤层的直接充水水源主要是10煤顶底板砂岩裂隙水，主要以淋水、渗水为主，同时在采动造成的顶底板破坏或原生断层的影响下，亦可发生突水事故。
另一个直接充水水源为太灰水，太灰水富水性强，水动力大，且在岩溶陷落柱的导通下和奥灰水亦产生水力联系。采动造成的裂隙和断层都可能引发强突水事故，经分析，本矿井存在岩溶陷落柱的可能行较小，所以太灰水和奥灰水不甚联系。但太灰水仍是10煤层主要充水水源。
此外，“四含”水属弱富水性，因第三隔水层和4～6煤隔水层的存在对10煤层本无影响，但在“天窗” 分布地段的影响，“四含”水也将成为10煤层直接充水水源。
2.2 充水通道
2.2.1 顶底板裂隙 裂隙导水通道通常有两种类型：一种是地质发育期间形成的自然裂隙；另一种是在采动的作用下新生成的裂隙。
采动裂隙的形成和规模以及是否引发突水，主要和顶底板岩层厚度、岩性结构、物理力学性质和突水系数有关。
青东煤矿10煤层底板隔水层厚度，平均间距50 m，隔水底板厚度分布如图1所示。
图1 10煤层底板隔水层厚度分布示意图（m）
10煤层底板岩性多为砂泥岩互层，泥岩含量较多时隔水性能较好，反之较差，10煤层底板砂泥岩比如表1所示。
根据矿井抽水试验资料，10煤底板太灰突水系数为0.15～2.946 4，变化较大（见表2）。尽管10煤层底板隔水性能较好，但突水系数远大于临界值，在采动破坏下，形成导水通道的可能性较大。
2.2.2 断层破碎带 根据钻探揭露资料，断层破碎带宽度2～60 m，岩性较混杂，主要以泥岩、粉砂岩为主，夹少量细砂岩，胶结物以泥质为主，挤压和揉皱现象严重，岩芯较破碎，泥岩呈糜棱状，砂岩呈碎块状、角砾状。
断层破碎带可沟通太灰水，使其沿断层带进入矿井，因此断层破碎带也是10煤层开采的充水通道之一（见表3）。
2.3 充水程度
充水程度用矿井涌水量表示，因顶底板砂岩水主要以淋水、渗入形式进入矿井，主要涌水水源还是太原组灰岩含水层水，涌水量计算采用井底进水的非完整井公式［3］：
计算结果显示太原组灰岩含水层水涌水量为498.35 m3／h，在矿井排水能力范围之内（见表4）。
3 结论
影响矿井开采的主要充水水源是太原组灰岩裂隙水和“四含”水;其次是10煤层的顶、底板砂岩裂隙水。矿井的充水强度不大，充水通道主要为隔水层薄弱地段采动裂隙和断层破碎带。开采时应根据“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”［2］的原则，制定疏水降压、底板隔水层注浆改造，留设防水煤柱等防治水措施。
参考文献：
［1］ 淮北矿业集团.青东矿建井地质报告［R］.宿县：安徽省煤田第三勘探队，2007.
［2］ 国家安全生产监督管理局，国家宽矿安全监察局.煤矿防治水规定［M］.北京：煤炭工业出版社，2009：91.
［3］ 陈崇希，林敏.地下水动力学［M］.武汉：中国地质大学出版社，2005：275-276.
(责任编辑：姚多喜)
关键词：矿井水害；水文地质特征；充水因素
中图分类号：P641.43文献标识码：A
文章编号：1672-1098(2012)02-0041-04
收稿日期：2012-03-13
作者简介：李书奎（1958-），男，安徽肖县人，高级工程师，硕士，主要从事采矿、安全、地测技术及管理工作。
Analysis of Hydrogeological Characteristics and Water-filling Factors of No.10 Coal Seam in Qingdong Coal Mine
LI Shu-qui
(Geological Survey Department, Huaibei Mining Group Co. Ltd., Huiabei Anhui 23500, China)
Abstract:In order to evaluate possible water hazard of No.10 coal seam mining, on the basis of analysis of Hydrological characteristics of aquifer and water-resisting layers, it’s pointed out that No. 10 coal seam will be damaged by mining, resulting in crevice water in roof and floor sandstone, water in Taiyuan Formation and the Ordovician karst inflowing into the mine along the mining fissures and faults, which creates threat to underground mining. Analysis of mine water filling factors showed that mine water-filling intensity is small, mining-induced fissures and fault fracture zone in the aquiclude weak lots form water-filling channel.
Key words:mine water hazard; hydrological characteristics; water filling factors
青东煤矿是淮北矿业(集团)公司新建矿井位于安徽省淮北市濉溪县李小庙至大刘家一带，行政区划属濉溪县，井田东距宿州市、北东距淮北市均为45 km［1］。地理坐标：东经116°25′44″～116°34′44″，北纬33°36′34″～33°40′29″。井田内发育的主要地层有奥陶系、石炭系、二叠系、第三系和第四系。主要含煤地层为二叠系的上石盒子组、下石盒子组及山西组。
据钻孔2-1孔揭露奥陶系中下统老虎山组～马家沟组，厚度14.97 m，岩性为灰褐色，中厚层状石灰岩。上石炭统太原组含13～14层灰岩期间夹泥岩、砂岩和粉砂岩，井田77个钻孔揭露一般揭露1～2层，全组层厚平均140.12 m。山西组下部以太原组顶部一灰之顶为界，上界为铝质泥岩之底，地层平均厚度101.59 m。岩性由砂岩、砂、泥岩互层、粉砂岩、泥岩和煤层组成;主采10煤层位于此地层中。第三、第四系地层由浅黄、棕黄色细砂、粉砂及粘土质砂，间夹3～5层砂质粘土及粘土组成，含有四个含水层。
1 水文地质条件分析
1.1 主要含水层
1.1.1 孔隙潜水-承压含水层 至上而下分为四个含水层，分别为第一、二、三和”四含”水层，由于第三隔水层厚度大、分布稳定，有效地阻隔了上、下含水层的联系。第四系含水层是影响10煤层开采的主要充水含水层。
第四含水层(简称“四含”)平均厚度5.94 m，分布不稳定，岩性复杂，厚度变化较大，主要由棕黄色、灰黄色的细砂、粉砂、砂砾、粘土砾石、粗砂及粘土质砂等组成，分选差。根据抽水试验资料：k=0.049 7 m／d、q=0.017 92 L／s.m、矿化度1.21 g／L、水化学类型SO4-Na?Ca型，弱富水性。
1.1.2 10煤顶底板砂岩裂隙含水层 平均厚度为20.50 m， 一般由2～3层的中砂岩、 细砂岩构成， 岩性较致密， 裂隙不发育， 据7西-1孔抽水试验资料： 水位标高22.98 m， 按降深为10 m孔径为91 mm折算后q=0.004 623 L／(s?m)， k=0.041 5 m／d，矿化度2.43 g／L，水质为SO4-Na型水，富水性较弱［2］。
1.1.3 岩溶裂隙含水层
1） 太原组灰岩岩溶裂隙含水层。矿井共有77个钻孔揭露太原组地层，最大揭露厚度62.01 m(09-观3孔)，据邻区临涣煤矿资料，太原组地层厚度133.81～144.01 m，平均140.12 m，有石灰岩9～12层，石灰岩总厚度59.94 m，占太原组总厚的42.8％。一灰厚度0.63～3.89 m，平均2.20 m；二灰厚度1.79～4.05 m，平均3.15 m；三灰厚度2.88～12.54 m，平均8.34 m；四灰厚度6.15～27.29 m，平均14.14 m。一～四灰累计平均厚度27.83 m，厚度大，含有燧石结核，底部常有薄煤层，水动力条件好，各含水层段之间距离仅数米，可视为一个含水层，为10煤层开采主要补给水源，k=0.773 8 m／d，q=0.178 L／(s?m)，矿化度2.66 g／L，水质类型SO4-Na?Ca?Mg，中等富水性。 2) 奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层。 据钻孔2-1资料，揭露厚度为14.97 m。岩性以灰色泥质灰岩和灰岩为主，岩溶裂隙发育，钻孔揭露时泥浆消耗量达0.80～1.60 m3／h，而后发生漏水，漏失量达12 m3／h，强富水性。
1.2 主要隔水层
1.2.1 4～6煤隔水层 隔水层厚13.06～212.20 m，平均118.70 m左右，岩性以泥岩、粉砂岩为主，夹2～7层的细砂岩与中砂岩。岩性致密完整，裂隙不发育，资源勘探时仅在9-3孔发生漏水，漏失量达15 m3／h。有6个钻孔在砂岩段泥浆消耗量稍大，可达0.56～1.2 m3／h，钻孔泥浆消耗量一般为0～0.48 m3／h，隔水性能较好。
1.2.2 10煤下～太原组第一层石灰岩间隔水层 主要为深灰色的海相泥岩和粉砂岩，夹1～3层细砂岩，部分地段有砂泥岩互层，多为砂岩泥岩互层组合结构。10煤层底至太灰间距(真厚)为21.00～47.37 m，平均间距为34.19 m;6509钻孔由于受F11断层影响其间距为21.00 m;一般情况下开采10煤时此层(段)能起到隔水作用。但局部地段由于受断层影响，导致间距缩短，太灰含水层与煤层距离大幅减小，隔水层厚度变薄，岩芯破碎，其隔水性大幅度降低。
1.2.3 石炭系本溪组铝质泥岩隔水层 采区内无钻孔揭露资料，据童亭矿、临涣煤矿资料该隔水层厚度在10.97～15.71 m。岩性主要有铝质泥岩、泥岩组成，铝质泥岩为灰白色、紫红色、致密性脆，含少量菱铁鲕粒，正常情况下能起一定隔水作用。
1.3 各含水层补给、径流、排泄条件及水力联系
矿井内“四含”不发育，含水层厚度薄，分布范围小，其上因存在隔水性能较好的三隔，地表水不能补给“四含”。因4～6煤隔水层隔水性能较好，能有效阻止“四含”水补给砂岩含水层，因此“四含”水对10煤层影响微乎其微，但在“天窗”分布地段，可能造成“四含”水溃入矿井。
10煤层顶底板砂岩裂隙含水层(段)，裂隙不发育，连通性差，水平径流微弱，补给条件差，富水性弱，属于以储存量为主的承压含水层，除因导水张性断层沟通外，一般都为独立含水层，主要受区域层间径流补给、排泄。在井巷开拓和煤层开采条件下，砂岩裂隙水以突水、淋水和涌水的形式向矿坑排泄。
太原组和奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层(段)均为承压含水层，主要以层间径流、补给为主，在浅部露头带接受”四含”水的补给，区域范围内，若出现大的水位差，则径流、排泄、补给明显，与二叠系主采煤层砂岩裂隙含水层(段)之间的地下水，或因构造影响，它们之间将发生水力联系。
2 充水因素分析
2.1 充水水源
10煤层的直接充水水源主要是10煤顶底板砂岩裂隙水，主要以淋水、渗水为主，同时在采动造成的顶底板破坏或原生断层的影响下，亦可发生突水事故。
另一个直接充水水源为太灰水，太灰水富水性强，水动力大，且在岩溶陷落柱的导通下和奥灰水亦产生水力联系。采动造成的裂隙和断层都可能引发强突水事故，经分析，本矿井存在岩溶陷落柱的可能行较小，所以太灰水和奥灰水不甚联系。但太灰水仍是10煤层主要充水水源。
此外，“四含”水属弱富水性，因第三隔水层和4～6煤隔水层的存在对10煤层本无影响，但在“天窗” 分布地段的影响，“四含”水也将成为10煤层直接充水水源。
2.2 充水通道
2.2.1 顶底板裂隙 裂隙导水通道通常有两种类型：一种是地质发育期间形成的自然裂隙；另一种是在采动的作用下新生成的裂隙。
采动裂隙的形成和规模以及是否引发突水，主要和顶底板岩层厚度、岩性结构、物理力学性质和突水系数有关。
青东煤矿10煤层底板隔水层厚度，平均间距50 m，隔水底板厚度分布如图1所示。
图1 10煤层底板隔水层厚度分布示意图（m）
10煤层底板岩性多为砂泥岩互层，泥岩含量较多时隔水性能较好，反之较差，10煤层底板砂泥岩比如表1所示。
根据矿井抽水试验资料，10煤底板太灰突水系数为0.15～2.946 4，变化较大（见表2）。尽管10煤层底板隔水性能较好，但突水系数远大于临界值，在采动破坏下，形成导水通道的可能性较大。
2.2.2 断层破碎带 根据钻探揭露资料，断层破碎带宽度2～60 m，岩性较混杂，主要以泥岩、粉砂岩为主，夹少量细砂岩，胶结物以泥质为主，挤压和揉皱现象严重，岩芯较破碎，泥岩呈糜棱状，砂岩呈碎块状、角砾状。
断层破碎带可沟通太灰水，使其沿断层带进入矿井，因此断层破碎带也是10煤层开采的充水通道之一（见表3）。
2.3 充水程度
充水程度用矿井涌水量表示，因顶底板砂岩水主要以淋水、渗入形式进入矿井，主要涌水水源还是太原组灰岩含水层水，涌水量计算采用井底进水的非完整井公式［3］：
计算结果显示太原组灰岩含水层水涌水量为498.35 m3／h，在矿井排水能力范围之内（见表4）。
3 结论
影响矿井开采的主要充水水源是太原组灰岩裂隙水和“四含”水;其次是10煤层的顶、底板砂岩裂隙水。矿井的充水强度不大，充水通道主要为隔水层薄弱地段采动裂隙和断层破碎带。开采时应根据“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”［2］的原则，制定疏水降压、底板隔水层注浆改造，留设防水煤柱等防治水措施。
参考文献：
［1］ 淮北矿业集团.青东矿建井地质报告［R］.宿县：安徽省煤田第三勘探队，2007.
［2］ 国家安全生产监督管理局，国家宽矿安全监察局.煤矿防治水规定［M］.北京：煤炭工业出版社，2009：91.
［3］ 陈崇希，林敏.地下水动力学［M］.武汉：中国地质大学出版社，2005：275-276.
(责任编辑：姚多喜)