本站小編為你精心準備了煤田巖溶水文地質特征及水害防治技術參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：巖溶水水害是影響準格爾煤田安全開采的關鍵因素之一，為了掌握巖溶發育特征、水化學特征、滲流場特征及突水危險性，通過鉆探、水文勘查及水化學試驗等區域資料對其進行了深入研究。研究結果表明：巖溶裂隙、溶孔和溶洞是主要儲水空間和地下水徑流通道，陷落柱、斷層是該區域重要的垂向導水通道；沿徑流途徑巖溶水質類型呈HCO3•Cl-Na→HCO3•Cl-Na•Ca（Ca•Mg）→Cl-Na的演化順序，反應了在東部邊界黃河水補給地下水，巖溶地下水總體向西運移，在煤田西部形成滯流區；煤田中東部6號、9號煤均處于非帶壓開采狀態，中西部處于帶壓開采狀態，滯流區邊界附近突水系數較大。在巖溶含水層水文地質特征研究基礎上，提出了探測、預測及監測和治理與特殊開采等水害綜合防治技術體系。

關鍵詞：準格爾煤田；巖溶水；水化學特征；突水系數；水害防治；水文地質特征

華北石炭二疊紀煤系基底巖層在大部分地區是奧陶系與寒武系碳酸鹽巖，是區域性富水最強的含水層，其中以奧陶系灰巖含水層最為典型，該含水層往往處于高壓狀態，常通過斷層或陷落柱等導水構造涌入礦井，造成突水事故的發生[1-3]。準格爾煤田位于華北地臺西北部，地處鄂爾多斯市準格爾旗東部黃河西岸，為一近南北向的石炭二疊紀煤田，西部與東勝侏羅紀煤田相鄰，探明儲量380億t。準格爾煤田大規模的開發建設始于20世紀90年代，目前正在開采和建設的大型礦井有不連溝煤礦、唐家會煤礦、玻璃溝煤礦、龍王溝煤礦、大飯鋪煤礦、酸刺溝煤礦、黃玉川煤礦和串草圪旦煤礦等。隨著煤礦大規模的建設和發展，其水文地質條件變得越發復雜，尤其是煤層底板巖溶水害已成為制約該地區煤礦安全生產的重大隱患。2014年5月14日，唐家會煤礦風井副井聯絡巷斷層突水，最大突水量達到500m3/h，突水水源為奧灰水，突水通道為斷層。黃玉川煤礦216上01工作面回撤通道掘進前方進行超前探測，穩定水量為136m3/h，突水水源為底板奧灰水，突水通道為陷落柱。過去研究認為，西北地區氣候干燥、降水量小，礦區地下水補給和水交替能力差，礦井涌水量小，而事故使人們對西部石炭二疊紀煤層水文地質條件有了新的認識，西北旱區也有地下暗河[4]。準格爾煤田位于鄂爾多斯盆地東緣，主要開采石炭二疊系煤層，底板受灰巖水害威脅嚴重。因此，通過對準格爾煤田煤炭資源賦存特征、巖溶發育特征、巖溶水化學特征及突水危險性進行研究，對該區域煤礦安全開采具有重要意義。

1準格爾煤田巖溶水文地質特征研究

1.1巖溶發育特征

準格爾煤田巖溶水屬于天橋泉域巖溶水系統組成的一部分，位于天橋泉域的西北部，是一個相對獨立的子系統。巖溶水北部邊界是寒武系碳酸鹽巖尖滅處；東部以黃河為界，為黃河滲漏與黃河以東巖溶水的側向徑流補給邊界；西部為奧灰巖頂面埋深800m的滯水邊界；南部為榆樹灣泉群和側向徑流排泄邊界。根據巖性特征和巖溶發育的差異，自上而下劃分為3個含水巖段，即馬家溝含水層組（O2m）、I含水巖組（O1+綴33f）以及II含水巖組（綴3g+綴2z）。3個含水巖層之間的隔水層厚度不大，加上斷裂構造的溝通，各含水層之間水力聯系密切，水位動態反映同步，具有統一的地下水面，將其統稱為寒武、奧陶系巖溶裂隙含水巖組（綴+O）[5-6]。據鉆孔巖芯觀測，巖溶發育形態為溶蝕裂隙、溶孔和孔洞。溶蝕裂隙寬度一般小于1.0cm，馬家溝組灰巖段裂隙相對較為發育，巖溶連通性總體較好，據統計準格爾煤田強徑流帶標高+700~+900m范圍的平均巖溶裂隙率達到10.79%，是煤田內主要儲水空間和地下水徑流通道[5]。溶孔多呈零星狀、蜂窩狀分布，直徑一般小于2.0cm，馬家溝組灰巖段溶孔相對較為發育，亮甲山組和冶里組局部偶見溶隙、溶孔。溶洞主要見于白云質灰巖、灰質白云巖中，高程+760~+920m的強巖溶徑流帶所見溶洞數占溶洞統計總數的73.69％[5-6]。不連溝鉆孔一水文鉆孔在灰巖鉆進至100.30~101.30m段出現掉鉆現象，掉鉆1.0m，水量由18m3/h增大至41m3/h，表明該區域發育連通性較好的溶洞；黃玉川煤礦一水文鉆孔鉆進奧灰7.0m后有掉鉆1.8m，具有巖溶陷落柱的特征[7]。不連溝煤礦、黃玉川煤礦、酸刺溝煤礦和罐子溝煤礦在掘進過程中均揭露了陷落柱。通過對河流侵蝕基準面以上的巖溶溶洞調查表明，古溶洞多呈透鏡狀橢圓形，溶洞高1~2m，個別達到4~6m，洞長延伸很遠，均沿巖溶裂隙走向延伸[7-8]。準格爾煤田溶洞較為發育，是該區域重要的垂向導水通道。

1.2巖溶水化學特征

通過煤田中北部、中西部和西部邊界15個鉆孔獲取的巖溶水樣品，經水化學分析得到巖溶水主要化學特征值。1）區域地層巖性主要是由含碳酸鹽、硫酸鹽巖類為主構成，地下巖溶水的水化學場的演變是以地層的巖性特征為基礎，并通過溶濾作用體現，此泉域的溶濾作用主要包含碳酸鹽巖溶濾及硫酸鹽溶濾2部分。2）土壤中的鈉鹽由于降水淋濾作用而帶入地下水和黃河（化學反應式①），黃河水對西岸地下巖溶水進行大量補給，增加了巖溶水中Na+（K＋）、Cl-等離子的成分[9]。同時供給充足的CO2氣體開始與碳酸鹽巖（灰巖及白云巖）及硫酸鹽巖（石膏）發生溶濾作用（化學反應式②~式④）。此時，補給區域的巖溶水Na+（K+）、Cl-離子含量會顯著增加，Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-離子含量也會隨著溶濾作用反應不斷增多，此時的水化學類型本以HCO3•Cl-Na型水為主。3）水文地質單元徑流路徑中，巖溶徑流區地下水水化學場演化是整個徑流途徑中重要階段，此區域中徑流條件較好，巖溶水中水化學特征值及礦化度具有持續明顯的變化。此階段中Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-及Cl-等主要離子含量比重隨徑流路徑不斷增加，水質礦化度也隨之不斷增加，表1中（煤田中北部及煤田中西部）水樣水化學特征的變化表明此時的巖溶水水化學類型由HCO3•Cl-Na型逐漸轉變為HCO3•Cl-Na•Ca（Ca•Mg）型水。4）隨著巖溶地下水循環逐步加深（井田東部、中部到井田西部巖溶水埋深逐步增加，水位降低），徑流條件逐漸弱化，巖溶水由井田東部、中部徑流狀態過渡到井田西部滯流狀態，此區域環境較封閉，水文地球化學環境處于還原環境，地下巖溶水在該區內排泄不暢，CO2溶解能力降低，含量耗盡，碳酸鹽巖（灰巖及白云巖）及硫酸鹽巖（石膏）等的溶濾作用反應也達到一個飽和平衡狀態。同時，地下水環境的改變使原本溶解度較小的鹽類在水中因相繼達到飽和而發生逆反應沉淀析出，即出現脫碳酸鹽的沉淀作用（見化學方程式⑤~式⑦），此時Ca2+、Mg2+、HCO3-離子比重開始呈現下降趨勢，但礦化度依然不斷增加。

1.3巖溶地下水補給和徑流及排泄特征

寒武奧陶碳酸巖地層整體傾向南西，在黃河河床處大面積出露，接受大氣降水的補給，同時接受黃河水側向滲漏補給。萬家寨水庫修建前黃河水位為+905m，蓄水后正常水位達到+976m，與煤田巖溶水位形成了巨大的高差[12]。因此，由于水庫的修建導致徑流區水力坡度變大，滲流速度增大，黃河水對西岸巖溶水的側向補給進一步增大，造成近岸巖溶地下水位升高15～61m不等，促進了巖溶水的賦存補給和徑流[13]。2010年在榆樹灣—龍口附近修建了龍口水庫，水庫大壩壩頂高程+900m，水庫正常蓄水位+898m，增加了對岸邊地下水的補給，煤田東南部串草圪旦煤礦地下水位上升達到+891.41m，水位變幅和時間基本上與庫水位同步，說明水庫與西岸巖溶水存在著密切的水力聯系。因此，水庫蓄水對黃河西岸巖溶水位產生了一定的影響。黃河水補給地下水，巖溶地下水總體向西運移，在煤田西部形成滯流區，導致巖溶水轉向由北向南運移，形成南北向的徑流帶，在榆樹灣—龍口一帶以下形成低的排泄區。由于黃河水攜帶的大量泥沙沉淀充填在近河岸邊3~6km范圍內的巖溶裂隙中，致使礦區內巖溶地下水的富集帶不在河谷旁[6]。目前，從煤田西部到東部各礦井所處的巖溶水位標高位于+870~+940m之間。

2準格爾煤田突水危險性評價

2.1底板隔水性能分析

1）厚度及巖性組合。根據煤田內28個鉆孔資料分析，6號煤底板與奧灰頂界面距離為40~73m，平均距離為50m左右。其中泥巖、砂質泥巖等平均占比53.28%，中、粗砂巖占比27.41%，粉砂巖占比10.45%，煤層占比8.86%。9號煤底板與奧灰頂界面距離為18~43m，平均距離為30m左右。其中泥巖、砂質泥巖等平均占比66.94%，中、粗砂巖占比25.66%，粉砂巖占比7.40%。泥巖、砂質泥巖占了較大比例且呈互層結構，剛性、柔性組合結構形成了抗破壞性能力較好的隔水層，這種巖層組合在完整無破壞地段抗水壓力能力較強，比較有利于6號煤和9號煤開采。2）構造發育程度。煤田內斷裂較為發育，如酸刺溝煤礦首采區地震勘探解譯落差10m以上的斷層有11條；不連溝煤礦首采區地震勘探解譯落差10m以上的斷層有7條，且掘進過程中已經揭露部分斷層。煤田內陷落柱較為發育，如不連溝井田已揭露4個，酸刺溝井田已揭露2個，黃玉川井田已揭露1個，這些陷落柱均位于強徑流帶內。不連溝、唐家會、玻璃溝、龍王溝、酸刺溝、黃玉川、大飯鋪和長灘等礦井均不同程度分布在準格爾巖溶區的徑流帶內，隨著采掘范圍擴大，實際揭露陷落柱數量將會越來越多。斷裂構造和陷落柱是突水的集中通道，當采掘工作面一旦接近或揭露，就會引發突水事故，因此，隱伏斷層、陷落柱及其附近為突水高危區域。3）底板承受水壓力。根據已有的勘探資料，煤田內最大水壓達到了4MPa，在高承壓水條件下，隔水層較薄的區域，將會成為突水危險區域。4）巖溶富水性。煤田內巖溶水富水性不均一，根據區域水文鉆孔勘查，最大的單位涌水量達到9.4L/（s•m），最小的僅為0.0006L/（s•m），富水性強的南北向徑流帶則成為突水危險區域。5）開采條件。準格爾煤田煤層為特厚煤層，6號煤層厚度最大達到24m，9號煤層厚度達到8m，開采后底板破壞深度大。因此，隔水層較薄區域，由于底板破壞深度大，導致有效隔水層厚度變薄，將會成為突水危險區域。

2.2突水危險性評價

回采工作面底板突水主要采用突水系數來進行評價[14-15]，突水系數就是作用于底板隔水層的水壓與底板隔水層厚度之比值。

3準格爾煤田水害防治技術

準格爾煤田承壓水表現為水壓大、通道發育及富水性不均一的特點。根據準格爾煤田巖溶水特點、地質條件和開采條件，需研究其針對性的巖溶水害綜合防治對策。水害防治應堅持“預測預報，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原則，采用水害探測、預測和監測的“三測”技術和物探、鉆探、化探的“三探”技術，形成超前預報技術體系。首先，采用地面物探技術探測富水區域和導水通道，結合地質條件、水文條件，采用五圖雙系數或脆弱性指數法對巖溶水害危險性進行評價和分區，從整體上來確定突水危險分布區及危險程度。其次，井下掘進和回采時，在突水危險區域進行井下物探和鉆探驗證，確定的突水危險性區域需采取針對性的水害防治措施。由于準格爾煤田巖溶水補給豐富，因此不宜采用疏干開采方法，隔水層較薄弱的突水危險局部區域可以采用充填開采、條帶開采或短壁開采等減少底板破壞深度的特殊開采方法，或者進行底板注漿加固來增強底板圍巖強度。具有導水通道的突水危險區域可以留設防水煤（巖）柱，或采取注漿加固的主動防治水技術；具有重大突水隱患的區域可構筑水閘門、水閘墻使礦井形成分采區隔離開采。

4結論

1）通過對準格爾煤田巖溶地層巖性、巖溶發育特征、鉆孔漏失量及巖芯觀測等勘查結果綜合分析，裂隙、溶孔、溶洞是煤田內主要儲水空間和地下水徑流通道，陷落柱、斷層是該區域重要的垂向導水通道。2）通過巖溶水水化學分析，沿徑流途徑巖溶水質類型呈HCO3•Cl-Na→HCO3•Cl-Na•Ca（Ca•Mg）→Cl-Na的演化順序，反應了在東部邊界黃河水補給地下水，巖溶地下水總體向西運移，在煤田西部形成滯流區，導致巖溶水轉向由北向南運移，形成南北向的徑流帶。從煤田東部到西部各礦井所處的巖溶水位標高位于+875~+940m之間。3）煤田中東部6號、9號煤均處于非帶壓開采狀態，中西部處于帶壓開采狀態，滯流區邊界附近突水系數較大。除了黃玉川、酸刺溝、黑岱溝和長灘煤礦部分開采區域突水系數較大以外，煤田大部分正常區域6煤和9煤發生底板巖溶水突水可能性相對較小，但煤田內部構造較為發育，部分煤礦采掘過程中均發現有陷落柱存在，多數已發育到6號煤層。因此，開采過程中重點防御對象是斷層、陷落柱、隔水層較薄區域及底板裂隙發育區域。在巖溶含水層水文地質特征研究基礎上，提出了水害的探測、預測及監測和治理與特殊開采等綜合防治技術。

參考文獻：

［1］靳德武，劉英鋒，劉再斌，等．煤礦重大突水災害防治技術研究新進展［J］．煤炭科學技術，2013，41（1）：25.

［2］繆協興，白海波．華北奧陶系頂部碳酸巖層隔水特性及分布規律［J］．煤炭學報，2011，36（2）：185-193.

［3］趙慶彪，趙兵文，付永剛，等．大采深礦井地面區域治理奧灰水害關鍵技術研究［J］．煤炭科學技術，2016，44（8）：14-20.

［4］張光德，周勇，劉生優，等．鄂爾多斯盆地煤田奧陶紀灰巖水害危險性分區研究［J］.中國安全生產科學技術，2014，10（增）：237-242.

［5］姚吉坤，孫太生，盧文柏，等．準格爾礦區深層巖溶地下水合理開發與利用［J］．煤炭科學技術，1994，22（6）：43-46.

［6］段貴銀．準格爾礦區巖溶地下水的形成、賦存及運移特征［J］.煤田地質與勘探，1996，24（2）：39-41.

［7］中國煤炭科工集團西安研究院有限公司．神華億利黃玉川煤礦水文地質補充勘探報告［R］.西安：中國煤炭科工集團西安研究院有限公司，2011.

［8］張月華，劉嗣楷，左其亭．內蒙準格爾旗一帶巖溶水文地質的研究［J］．河北煤炭建筑工程學院學報，1989（4）：9-18.

［9］韓行瑞，魯安榮，李慶松．巖溶水系統-山西巖溶大泉研究［M］．北京:地質出版社，1993.

［10］林良俊，王金生，林學鈺．晉陜峽谷地區北段巖溶地下水流特征分析［J］．地球學報，2004，25（6）：665.

［11］曹金亮，韓穎，袁新華，等．天橋泉域巖溶水系統水動力場、水化學場特征分析［J］．中國巖溶，2005，24（4）：312-317.

［12］張玉貞，孫占起，袁仕新．萬家寨水庫蓄水后對準格爾礦區巖溶地下水的影響［J］.中國煤田地質，2007，19（增2）：18-20.

［13］王文科，孔金玲，段磊，等．黃河流域河水與地下水轉化關系研究［J］．中國科學：E輯，2004，34（增Ⅰ）：23.

［14］國家安全生產監督管理總局．煤礦防治水規定［M］．北京：煤炭工業出版社，2009.

［15］武強，趙蘇啟，李競生，等.《煤礦防治水規定》編制背景與要點［J］．煤炭學報，2011，36（1）：70-74.

作者：李宏杰1，2；馬君3；姜鵬1，2；黎靈1，2；郝志鵬4 單位：1.煤炭科學技術研究院有限公司，2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，3.鄂爾多斯市煤炭局