苗彥平，蔚 波，姬中奎，陳小繩，路 波，薛小淵

（1.陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719316；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；3.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；4.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077；5.陜西省“四主體一聯(lián)合”黃河流域中段礦區(qū)（煤礦）生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)校企聯(lián)合研究中心，陜西 西安 710077）

“十三五”以來，西部侏羅紀(jì)煤田已經(jīng)成為我國煤炭資源開發(fā)的主戰(zhàn)場，煤層開采普遍面臨頂板水威脅[1]，尤其是侏羅紀(jì)淺部煤層開采過程中，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育，常溝通上覆多個(gè)充水含水層（體）[2]，頂板水害問題更加復(fù)雜。實(shí)際工作中，針對(duì)不同類型或不同威脅程度的頂板水害類型，煤礦現(xiàn)場采取不同的防治措施。例如，對(duì)于可疏型頂板含水層（體），一般采取頂板水預(yù)疏放的方法，對(duì)于地表水體或強(qiáng)富水、強(qiáng)補(bǔ)給含水層（體），一般采用留設(shè)防隔水煤（巖）柱的方法等[3-6]。但不管是采取哪種措施，水害危險(xiǎn)性分析評(píng)價(jià)是頂板水害防治工作的基礎(chǔ)。

目前，煤礦水害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)工作主要是通過耦合富水性分區(qū)和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育規(guī)律計(jì)算結(jié)果，繪制突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖，并人為給定分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)劃分成不同等級(jí)的突水威脅程度[7-14]。以往突水危險(xiǎn)性指標(biāo)計(jì)算多是針對(duì)導(dǎo)水?dāng)嗔褞軌虿暗降暮畬訋r性特征或構(gòu)造特征參數(shù)，利用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)原理進(jìn)行的。古氣候條件沉積形成的不良地質(zhì)體、現(xiàn)代地貌切割巖層造成的煤層風(fēng)氧化、甚至是燒變作用，往往形成良好的富導(dǎo)水體，對(duì)煤層開采威脅程度往往更大，但相應(yīng)的水害模式及分區(qū)研究相對(duì)較少[15-20]。

實(shí)際上，古氣候條件沉積作用形成的弱膠結(jié)地層、古直羅河，以及水力或風(fēng)蝕切割形成的溝谷附近煤層燒變巖和風(fēng)氧化帶在新疆、寧夏以及陜西等西部大型煤炭基地廣泛發(fā)育，造成了多起頂板突水、甚至突水潰砂災(zāi)害，嚴(yán)重威脅煤炭資源開發(fā)。

陜北煤炭基地侏羅紀(jì)淺部煤層開采面臨頂板風(fēng)化基巖水、第四系潛水、古直羅河以及燒變巖水等多種水害威脅，井巷開拓以及煤礦防治水工作的正常開展受到較大影響。為此，選擇區(qū)內(nèi)水害類型較多的某礦3-1煤為研究對(duì)象，通過計(jì)算并繪制煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度等值線圖，分析主要充水含水層威脅程度，提出基于煤礦水害類型的水害模式劃分方法，并進(jìn)行研究區(qū)水害模式分區(qū)，為類似條件礦區(qū)煤礦水害特征研究提供參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位置如圖1。紅柳林煤礦位于陜西省神木市西北部約15 km處，井田東以5-2煤自燃邊界為界井田南北寬約5.90～7.70 km，東西長約17.60～19.40 km，面積138.372 4 km2。研究區(qū)地處鄂爾多斯聚煤盆地腹地，地層近水平狀，地層總體為NWW向緩傾斜、傾角不足1°的單斜構(gòu)造，局部地段發(fā)育有緩波狀起伏，構(gòu)造極為簡單，僅礦區(qū)北部有為數(shù)不多的高角度正斷層。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area in the coal mine

井田地處黃河一級(jí)支流窟野河流域。井田內(nèi)部發(fā)育有蘆草溝，匯入南部的麻家塔河，流量一般為500 L/s。

研究區(qū)A-A′水文地質(zhì)剖面圖如圖2。研究區(qū)內(nèi)含水層可劃分為第四系全新統(tǒng)沖積層孔隙潛水含水層（Q4al）、第四系松散層孔隙潛水含水層（Q4eol+Q3s），中更新統(tǒng)離石組黃土孔隙裂隙潛水含水層（Q2l），侏羅系中統(tǒng)直羅組、延安組風(fēng)化基巖裂隙承壓水含水層，侏羅系下統(tǒng)富縣組砂巖裂隙含水層，三疊系上統(tǒng)永坪組砂巖裂隙含水層，燒變巖裂隙孔洞潛水含水層。隔水層為新近系上統(tǒng)保德組（N2b）黏土隔水層，以棕紅色黏土為主，結(jié)構(gòu)致密、堅(jiān)硬，該隔水層分布在第四系與侏羅系地層之間，是本區(qū)地下水潛水主要的隔水層。

圖2 研究區(qū)A-A′水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological cross-section A-A′in study sit

根據(jù)紅柳林煤礦地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，煤層第四系松散巖類潛水、頂板砂巖裂隙水和各煤層火燒區(qū)形成的燒變巖水是礦井主要充水水源。

2 充水要素

2.1 主要充水含水層（體）及分布

在礦井水文地質(zhì)條件分析結(jié)果基礎(chǔ)上，結(jié)合多年來礦井生產(chǎn)實(shí)踐過程中所受水害情況，研究區(qū)煤礦頂板充水水源有4類。

1）風(fēng)化基巖裂隙含水層。風(fēng)化基巖裂隙水主要來源于直羅組風(fēng)化基巖含水層，該含水層基本上全區(qū)分布，由于受到風(fēng)化作用的影響該地層上部層段，甚至全部以致部分延安組頂部層段全部成為風(fēng)化巖層，巖層嚴(yán)重風(fēng)化至中等風(fēng)化，風(fēng)化裂隙發(fā)育，具有較好的滲透性及儲(chǔ)水條件，富水性強(qiáng)，往往側(cè)向補(bǔ)給也較強(qiáng)。

2）松散層含水層。此類水害主要來源于本區(qū)第四系薩拉烏蘇組含水層，以細(xì)砂、中砂為主，由于沉積受古地形制約，各地厚度差異較大，主要分布在井田西部。在古溝槽及低洼中心沉積最厚，向兩側(cè)逐漸變薄，有些至分水嶺處尖滅。在局部地段如河谷、古沖溝一帶易形成富水區(qū)，這些地段內(nèi)由于煤層埋藏淺，基巖較薄，砂層含水層厚度大，回采過程中冒裂帶導(dǎo)通砂層含水層，會(huì)出現(xiàn)較大涌水。

3）燒變巖孔隙裂隙含水層（體）。從礦區(qū)尺度分析，燒變巖屬于主要的特殊含水層，井田內(nèi)分布于蘆草溝、麻家塔溝等溝谷兩岸厚煤層露頭區(qū)，煤層自燃后，含煤地層頂板巖性原生結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成燒熔、燒變、烘烤特殊巖類，富水性差異極大，主要受補(bǔ)給條件、隔水底板發(fā)育程度及地貌形態(tài)的控制，并與燒變巖裂隙的發(fā)育程度密切相關(guān)?？傮w來看，礦區(qū)內(nèi)該層總體概述為富水性較強(qiáng)。3-1煤層主要在北二盤區(qū)以及南二盤區(qū)局部存在火燒區(qū)，井田內(nèi)燒變巖含水層極有可能影響本層煤和下伏煤層的開采。

4）古直羅河含水體。紅柳林井田與古直羅河位置關(guān)系及燒變巖露頭分布圖如圖3。另外，根據(jù)區(qū)域勘探資料，紅柳林井田西翼與古河流階地重疊，2011年，檸條塔煤礦南翼首采工作面S1210出現(xiàn)較大規(guī)模涌水，最大涌水量達(dá)到1 300 m3/h，目前涌水量仍保持在400 m3/h左右，2019年，紅柳林煤礦西一盤區(qū)礦井掘進(jìn)過程中最大涌水量超過700 m3/h，部分學(xué)者認(rèn)為檸條塔煤礦、紅柳林煤礦礦井涌水量較大的原因與北西-南東向分布的古河道沖刷帶密切相關(guān)[21-22]。因此，紅柳林煤礦西翼采掘過程中受直羅河水害威脅較為嚴(yán)重。

圖3 紅柳林井田與古直羅河位置關(guān)系及燒變巖露頭分布圖Fig.3 The position relationship between Hongliulin mine field and ancient Zhiluo river and the distribution map of burnt rock outcrops

2.2 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育特征

紅柳林煤礦充水通道主要是采礦擾動(dòng)形成的頂板裂隙。由于3-1煤層埋藏深度較淺，根據(jù)各可采煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟾叨扔?jì)算，各可采煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨却笥谙噜弮擅簩娱g的距離，且導(dǎo)水?dāng)嗔褞Щハ喁B加。大部分地區(qū)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Э芍边_(dá)地表，溝通第四系松散層潛水和地表水，組成間接的充水水源。對(duì)3-1煤導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算依據(jù)與結(jié)果如下：

《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》公式法：

式中：Hf2為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?，m；M為2煤采厚，m；n為煤層開采層數(shù)。

《煤礦防治水手冊(cè)》公式法：

紅柳林井田3-1煤頂板導(dǎo)水?dāng)嗔褞в?jì)算成果見表1。2種經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果裂采比基本一致。為了安全考慮，3-1煤開采裂采比取17。

表1 紅柳林井田3-1煤頂板導(dǎo)水?dāng)嗔褞в?jì)算成果Table 1 Calculation results of water flowing fractured zone in roof of 3-1 coal seam in Hongliulin mine field

3-1煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р绊敯鍖游环謪^(qū)。在2-2煤分布區(qū)，3-1煤到2-2煤厚度為28.16～47.19 m，平均32.69 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?1.16～52.99 m，平均47.57 m。3-1煤開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞⒛軌蛲黄?-2煤，進(jìn)入正?；鶐r。在2-2煤剝蝕區(qū)，3-1煤采動(dòng)導(dǎo)水?dāng)嗔褞⒅苯舆M(jìn)入正?；鶐r內(nèi)，在薄基巖或地表溝谷區(qū)域，導(dǎo)水?dāng)嗔褞⒅边_(dá)地表，紅柳林井田3-1煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞У戎稻€圖如圖4。

圖4 紅柳林井田3-1煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞У戎稻€圖Fig.4 Isogram of water flowing fractured zone in 3-1 coal seam of Hongliulin mine field

3 煤層開采水害模式及分區(qū)

3.1 煤層開采水害模式

根據(jù)3-1煤開采充水水源以及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律分析結(jié)果，可將研究區(qū)3-1煤開采主要的水害模式劃分成頂板單一含水層水害、頂板復(fù)合含水層水害以及頂板古直羅河水害等模式。

3.1.1 煤層開采頂板單一含水層水害模式

井田范圍內(nèi)，由于地形及水力沖蝕等因素影響，溝谷較發(fā)育，淺部煤層及巖層在溝谷處出露、剝蝕，受氣候因素長期作用影響，分別發(fā)生燒變和風(fēng)化，形成良好的含導(dǎo)水地層。根據(jù)井田地層組合特征，單一含水層水害類型主要分布在溝谷相對(duì)發(fā)育地段，這些區(qū)域第四系松散層較薄，甚至缺失，導(dǎo)水裂隙帶可溝通至地表。根據(jù)充水水源的不同，單一含水層水害類型主要分為頂板燒變巖水害型（Ⅰ-1型）、頂板風(fēng)化基巖水害型（Ⅰ-2型），頂板單一含水層水害模式如圖5。

圖5 頂板單一含水層水害模式Fig.5 Water damage mode of single roof aquifer

1）頂板燒變巖水害型（Ⅰ-1型）。主要是下伏煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р吧细裁簩訜儙r含水層，根據(jù)各煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度計(jì)算結(jié)果，該類型水害一般發(fā)生在相鄰煤層下伏煤層采動(dòng)過程，主要分布在各煤層燒變巖露頭向內(nèi)一定距離。

2）頂板風(fēng)化基巖水害型（Ⅰ-2型）。主要是煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р爸绷_組風(fēng)化基巖含水層，根據(jù)各煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度計(jì)算結(jié)果，該類型水害一般發(fā)生在開采煤層埋深較淺的區(qū)域。

3.1.2 煤層開采頂板復(fù)合含水層水害模式

井田內(nèi)部分區(qū)域存在埋深相對(duì)較深的隱伏燒變巖和風(fēng)化基巖含水層。根據(jù)煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度與上覆主要含水層間的位置關(guān)系，將煤層開采受到復(fù)合含水層水害主要分為頂板燒變巖直接-松散層間接水害型（Ⅱ-1型）、頂板風(fēng)化基巖直接-松散層直接水害型（Ⅱ-2型）、頂板燒變巖直接-松散層直接水害型（Ⅱ-3型）以及頂板風(fēng)化基巖直接-松散層間接水害型（Ⅱ-4型）等模式。頂板復(fù)合含水層水害模式如圖6。

圖6 頂板復(fù)合含水層水害模式Fig.6 Water damage mode of roof composite aquifer

1）頂板燒變巖直接-松散層間接水害型（Ⅱ-1型）。主要是下伏煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞軌蛑苯硬吧细裁簩訜儙r含水層，但未波及松散層含水層，松散層含水層通過垂向或繞流方式間接充水，根據(jù)各煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度計(jì)算結(jié)果，該類型水害一般發(fā)生在煤層埋深相對(duì)較深的相鄰煤層下伏煤層采動(dòng)過程，主要分布在燒變巖內(nèi)側(cè)區(qū)域（即Ⅱ-1型內(nèi)邊界至燒變巖熄火邊界）。

2）頂板風(fēng)化基巖直接-松散層直接水害型（Ⅱ-2型）。主要是上部煤層開采導(dǎo)水段磊帶波及直羅組風(fēng)化基巖含水層，同時(shí)溝通松散層含水層，但未發(fā)育至地表，直羅組風(fēng)化基巖和松散層含水層均直接充水，根據(jù)煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度計(jì)算結(jié)果，該類型水害一般發(fā)生在開采煤層埋深較淺的Ⅰ-1型與Ⅰ-2型過度地帶。

3）頂板燒變巖直接-松散層直接水害型（Ⅱ-3型）。主要是下伏煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р吧细裁簩訜儙r含水層，同時(shí)，波及松散層含水層或風(fēng)化基巖含水層等，復(fù)合含水層水均直接充水，根據(jù)煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度計(jì)算結(jié)果，該類型水害一般發(fā)生在Ⅱ-2型向Ⅱ-1型過度地帶。

4）頂板風(fēng)化基巖直接-松散層間接水害型（Ⅱ-4型）。主要是上部煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р爸绷_組風(fēng)化基巖含水層，但未波及松散層含水層，松散層含水層通過垂向或繞流方式間接充水，根據(jù)煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度計(jì)算結(jié)果，該類型水害一般發(fā)生在Ⅱ-2型向Ⅱ-3型過度地帶。

3.1.3 煤層開采頂板古直羅河水害模式

根據(jù)以往勘探資料，部分學(xué)者提出了神南礦區(qū)西南發(fā)育有古直羅河，賦存于延安組煤層以上，成為煤層開采具有較大威脅的充水水源。且部分區(qū)段由于保德組隔水層的缺失，古直羅河直接與松散層接觸，地表水、大氣降水成為其直接的補(bǔ)給水源，煤層開采、特別是淺部煤層開采導(dǎo)水裂隙帶波及古直羅河、或波及直羅河與松散層，極易產(chǎn)生集中涌水、甚至潰水潰砂（沙）災(zāi)害，根據(jù)煤層與古直羅河、松散層等地層之間的關(guān)系，提出的頂板古直羅河水害模式（Ⅲ-1型）如圖7。

圖7 頂板古直羅河水害模式（Ⅲ-1型）Fig.7 Water damage model of ancient Zhiluo river

3.2 研究區(qū)水害模式分區(qū)

1）煤層開采頂板單一含水層水害分區(qū)。煤層開采頂板單一含水層水害按照其充水水源不同分為頂板風(fēng)化基巖水害型和頂板燒變巖水害型。其中，頂板風(fēng)化基巖水害型主要集中分布于西一盤區(qū)，煤層埋藏較淺，3-1煤層開采的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р暗街绷_組風(fēng)化基巖含水層，使其成為充水水源，同時(shí)該井田內(nèi)部分盤區(qū)存在隱伏燒變巖含水層，燒變巖水也將成為3-1煤層及其下伏煤層開采的充水水源，形成頂板燒變巖水害型。

2）煤層開采頂板復(fù)合含水層水害分區(qū)。井田范圍內(nèi)煤層開采頂板復(fù)合含水層水害模式主要存在頂板風(fēng)化基巖直接-松散層直接水害型和頂板風(fēng)化基巖直接-松散層間接水害型2種類型。在井田內(nèi)2-2煤層剝蝕區(qū)，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度較高，突破直羅組風(fēng)化基巖含水層后可直接溝通松散層含水層，基巖含水層與松散層含水層同時(shí)成為充水水源，形成頂板風(fēng)化基巖直接-松散層直接水害型；在開采煤層上方2-2煤未剝蝕區(qū)域，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育同樣直接突破基巖，但未直接波及松散層含水層，使其通過側(cè)向等方式進(jìn)行補(bǔ)給，松散含水層成為其間接充水水源，該區(qū)域水害類型為頂板風(fēng)化基巖直接-松散層間接水害型。

3）煤層開采頂板古直羅河水害分區(qū)。古河道與古河流階地主要發(fā)育在礦區(qū)西南部，該區(qū)域內(nèi)由于存在保德組隔水層缺失的情況，地表水體直接補(bǔ)給古直羅河，成為充水水源，對(duì)煤層開采造成威脅。

3.3 水害模式突水風(fēng)險(xiǎn)性

煤層開采頂板單一含水層水害模式中，燒變巖水害型在區(qū)域內(nèi)呈零星分布，單位涌水量為0.003 984～0.013 90 L/（s·m），富水性較弱，具有較好可控性，一般對(duì)煤層開采不會(huì)構(gòu)成較大威脅，突水風(fēng)險(xiǎn)較?。豁敯屣L(fēng)化基巖水害型主要分布于西一盤區(qū)，其充水水源直羅組風(fēng)化基巖含水層具有較好的滲透性和儲(chǔ)水條件，單位涌水量為0.015 404～3.775 585 L/（s·m），富水性不均勻，部分區(qū)域具有強(qiáng)富水性，且由于局部存在基巖薄、砂層厚的情況，所以成為突水潰沙危險(xiǎn)區(qū)域，有較大突水風(fēng)險(xiǎn)。

煤層開采頂板復(fù)合含水層水害模式中，2種水害類型充水水源均為直羅組風(fēng)化基巖含水層和第四系松散層潛水含水層，松散層潛水含水層透水性好，富水性為弱～中等，涌水量受季節(jié)影響明顯，在開采過程中若導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育導(dǎo)通兩含水層則使其成為強(qiáng)富水性，在部分地段存在隔水層厚度較薄區(qū)域、基巖裸露易匯水區(qū)域和由于地面溝谷切割造成局部隔水層缺失的區(qū)域，兩含水層中的水源可能通過裂隙進(jìn)入井下，對(duì)工作面構(gòu)成威脅，具有較大突水風(fēng)險(xiǎn)。紅柳林煤礦3-1煤開采水害模式分區(qū)如圖8。

圖8 紅柳林煤礦3-1煤開采水害模式分區(qū)Fig.8 Division of water disaster model

煤層開采頂板古直羅河水害模式主要發(fā)育在井田西部，處于直羅期古河流的邊緣至尖滅地帶，前期勘探表明，井田部分區(qū)域頂板遭到古河流侵蝕，富水性較好，水量較大。同時(shí)由于部分區(qū)域保德組隔水層缺失，古直羅河與松散層直接接觸，地表水體及大氣降水成為其補(bǔ)給水源，淺部煤層開采極易產(chǎn)生集中涌水，因此也具有較大突水風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 語

1）按照區(qū)域內(nèi)水害產(chǎn)生原因的不同，劃分出3種主要水害模式，分別為：單一含水層水害類型、復(fù)合含水層水害模式和古直羅河水害模式。單一含水層水害模式，可分為頂板燒變巖水害型、頂板風(fēng)化基巖水害型；復(fù)合含水層水害模式可分為頂板燒變巖直接-松散層間接水害型、頂板風(fēng)化基巖直接-松散層直接水害型、頂板燒變巖直接-松散層直接水害型以及頂板風(fēng)化基巖直接-松散層間接水害型等；古直羅河接受大氣降水等補(bǔ)給成為充水水源而造成的水害威脅為古直羅河水害模式。

2）綜合分析地質(zhì)條件、2-2煤層剝蝕情況及導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度，對(duì)3種水害模式進(jìn)行分區(qū)：單一含水層水害型主要分布于導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р盎鶐r風(fēng)化含水層區(qū)域，以及煤層上覆存在隱伏燒變巖含水層區(qū)域；復(fù)合含水層水害型分布于導(dǎo)水?dāng)嗔褞黄苹鶐r區(qū)域，結(jié)合2-2煤剝蝕情況，進(jìn)一步劃分為頂板風(fēng)化基巖直接-松散層直接水害型和頂板風(fēng)化基巖直接-松散層間接水害型；古直羅河水害型主要分布于古直羅河和古河流階地發(fā)育區(qū)域。

3）根據(jù)各含水層分布范圍、充水條件等因素分析，結(jié)合可能存在的導(dǎo)水通道，對(duì)不同水害模式突水風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)：頂板單一含水層水害模式中燒變巖水害型突水風(fēng)險(xiǎn)較小，頂板風(fēng)化基巖水害型突水風(fēng)險(xiǎn)較大；煤層開采頂板復(fù)合含水層水害模式、煤層開采頂板古直羅河水害模式均有較大突水風(fēng)險(xiǎn)。