摘  要  分析了神東地區(qū)含水層的含水特征以及煤層開采對礦井安全生產(chǎn)的影響。針對礦區(qū)水文地質(zhì)特征，提出了水文災(zāi)害防治思路和治理措施。

關(guān)鍵詞  含水層  地下水  地表水  災(zāi)害預(yù)防

 
   煤層是“夾”在沉積巖層之間的可利用礦產(chǎn)資源。在開采過程中，與其直接或間接接觸的各類巖體、松散層都會發(fā)生位移，而圍巖、松散層的位移則會對煤層開采帶來不同程度的影響，開采者必須認(rèn)真研究并盡可能消除這種影響。筆者在神東礦區(qū)長期從事地質(zhì)及水文地質(zhì)技術(shù)工作，擬從水文地質(zhì)、煤層頂板、瓦斯等方面談點規(guī)律性看法，但因篇幅有限，本文僅對神東礦區(qū)水文地質(zhì)有關(guān)規(guī)律作簡要分析。

1  地下水

神東礦區(qū)對煤礦安全生產(chǎn)有影響的含水層可簡單地分為松散層潛水含水層、燒變巖潛水含水層、基巖裂（孔）隙潛水含水層和奧陶紀(jì)灰?guī)r裂隙（溶洞）承壓含水層幾類，前兩類主要分布在黃河以西侏羅紀(jì)煤田各礦井，后者主要分布在黃河?xùn)|西兩側(cè)石炭、二疊紀(jì)煤田的康家灘等礦井。

1）松散層潛水含水層。由于煤田地處毛烏素沙漠邊緣，礦區(qū)大部分地區(qū)煤層上覆主要含水層都屬此類。根據(jù)松散層結(jié)構(gòu)、巖性及顆粒度大小可分為沙礫層潛水含水層和粗沙潛水含水層、細(xì)（粉）沙潛水含水層。

2）燒變巖潛水含水層。主要由后期河流沖刷或剝蝕使煤層裸露，經(jīng)長期風(fēng)、氧化進(jìn)而自燃，將上覆巖層烘烤使其垮落、變形，形成較大的裂隙、孔隙，為后期儲水創(chuàng)造了有利條件。礦區(qū)烏蘭木倫礦以南凡煤層被后期河流溝壑切割裸露（或被沙層掩埋）的各礦井均有這種類型。此類又可分為透水不含水層和透水含水層型。

3）基巖裂（孔）隙潛水含水層。主要為煤層頂板砂（粗砂）巖含水層、一般裂隙和構(gòu)造裂隙強(qiáng)風(fēng)化裂隙含水層、砂礫層（后期河流沖積物壓實而成）孔隙含水層，礦區(qū)各礦井均有分布。按其與煤層接觸關(guān)系、距離及影響程度，又可分為直接充水含水層和間接充水含水層兩類。

4）奧陶紀(jì)灰?guī)r裂（孔）隙、溶洞承壓水。主要分布在康家灘、孫家溝等黃河兩岸石炭、二疊紀(jì)煤田含煤巖系之下較老地層奧陶紀(jì)石灰?guī)r中。由于其裂隙、孔隙、溶洞發(fā)育并在漫長的地質(zhì)年代形成了豐富的含水層，受地質(zhì)運動影響，地層傾斜，奧灰水水頭壓力往往高于礦井開采煤層標(biāo)高，給煤礦生產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅，是開采石炭、二疊紀(jì)煤層礦井的主要防范對象之一。

2  地表水

烏蘭木倫河、勃牛川、窟野河、黃羊城溝及其支溝廣泛分布于礦區(qū)各井田。由于這些河流、溝壑的沖蝕作用，原本完整且連成一片的煤層被切割成若干不規(guī)則的區(qū)塊，不僅給礦井設(shè)計和工作面布置帶來影響，也給安全生產(chǎn)帶來影響。

3  不同水文地質(zhì)條件的特點及對礦井安全生產(chǎn)的影響

神東煤田的地表雖溝壑縱橫，部分煤層裸露，但絕大部分被風(fēng)積沙、半固定沙、固定沙和黃土層覆蓋，屬掩蓋式煤田。其上覆松散沙層、沙礫層的充水性、含水性、滲透性等水文地質(zhì)條件以及它們與煤層、煤層頂板基巖裂隙、風(fēng)化裂隙、燒變巖裂隙之間的水力聯(lián)系、特點及規(guī)律對礦井生產(chǎn)安全的影響，就必然成為研究的對象和重點。

3.1  松散層含水層

1）細(xì)、粉沙潛水含水層。巖石經(jīng)風(fēng)化并以風(fēng)為主要動力，使其直接堆積覆蓋在煤層基巖表面，經(jīng)大氣降水長期補給，又沒有排泄途徑，形成含水層。此種沙層結(jié)構(gòu)簡單，主要由顆粒很小的細(xì)沙、粉沙組成。烏蘭木倫，石圪臺，前石畔井田上覆松散層大部分屬此種類型。其它礦井分區(qū)域也有不同的分布。主要特點是孔隙率、滲透系數(shù)小，含水層厚度往往很大，但富水性較低，不易形成富水區(qū)或強(qiáng)富水區(qū)。通常象人們所說的“海綿體”一樣，在無外力作用下，一般很難釋放。

當(dāng)煤層上覆基巖厚度大，超過導(dǎo)水裂隙帶高度時，此類含水層對煤礦安全構(gòu)不成大的威脅。但當(dāng)基巖厚度小，特別是基巖厚度小于冒落帶高度或更小時，在工作面開采過程中，頂板垮落所形成的裂隙帶迅速與含水層溝通，打破了含水層原有的平衡，使沙層在水動力作用下很快沿裂隙涌入采空區(qū)或工作面，發(fā)生“潰水潰沙”，可能造成機(jī)毀人亡等重大安全事故。

細(xì)、粉沙層潛水的主要特點是由于孔隙率小，滲透系數(shù)小，很難用超前疏放、抽排辦法將其泄出，給礦井防水防沙帶來一定難度。當(dāng)其與古河床、古沖溝、低凹基巖表面、強(qiáng)風(fēng)化巖等幾種不利的儲水構(gòu)造因素相結(jié)合時，對煤礦安全生產(chǎn)的影響會更大。前石畔井田瓷窯灣煤礦潰水潰沙淹沒主要巷道就是典型例子。

2）粗沙潛水含水層。孔隙率、滲透系數(shù)比細(xì)、粉沙層大，有時與細(xì)粉沙層、沙礫層或其它含（隔）水層在垂向上呈互層狀、透鏡狀，在平面上呈不規(guī)則狀、條帶狀分布，也可直接覆蓋在基巖面上或燒變巖之上。當(dāng)其直接覆蓋在基巖面之上且下伏無較強(qiáng)風(fēng)化層和燒變巖裂隙等有利含水條件時，就形成粗沙潛水含水層。粗沙含水層可形成弱—中等富水區(qū)，如與強(qiáng)風(fēng)化層、薄基巖、古沖溝、基巖面低凹地帶等不利條件相結(jié)合，將對煤礦生產(chǎn)安全帶來大的影響，但若其覆蓋于燒變巖之上，就成為透水不含水或弱含水層。此類含水層因其孔隙率、滲透系數(shù)相對較大，可以超前采取鉆孔疏放水進(jìn)行疏放。

3）沙礫層含水層。由粗沙、河卵石、礫石等大顆粒物質(zhì)組成，孔隙率高，滲透系數(shù)大，如其直接覆蓋在基巖表面或其上覆松散層有透水性質(zhì)，即形成礦區(qū)常見的沙礫層潛水含水層，當(dāng)其與強(qiáng)風(fēng)化帶裂隙、古沖溝、古河床、基巖面低凹處、薄基巖等不利條件相結(jié)合時，則會對井下安全帶來嚴(yán)重威脅，是防范和采取措施的重點。因其孔隙率、滲透系數(shù)較大，地下水可流動性較高，故采取提前疏放、疏排是行之有效的方法。

4）第三系、第四系粘土層、黃土層。粘土、黃土層具有隔水性質(zhì)，如分布在地表，大氣降水可沿其表面得到較充分的逕流并排至溝谷、河流；如廣泛分布在基巖表面之上，且與厚基巖組合，能對井下安全起保護(hù)作用，但礦區(qū)大柳塔、活雞兔、前石畔、朱蓋塔、補連塔、檸條塔等絕大多數(shù)地區(qū)因后期沖蝕作用，導(dǎo)致上述粘土層、黃土層大部分以孤立的不規(guī)則狀（平面）、零星透鏡狀（剖面）存在其上、下，周圍均由透水或含水的沙、粗沙、沙礫層充填、包圍，失去了應(yīng)有的作用。礦區(qū)榆家梁、考考烏素溝北側(cè)檸條塔等井田地表大部分被第四系黃土覆蓋，地表逕流比較充分，較少有富含水的含水層，減輕了預(yù)防煤礦水患的壓力。

3.2  燒變巖潛水含水層

這是侏羅紀(jì)煤田的特色，由于成煤期晚，煤呈中孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)水高，易氧化吸熱，燃點低，沿河流、溝谷邊緣分布的煤層長期暴露于大氣層，經(jīng)氧化就會自燃，并將上覆巖層松散層烘烤，使其坍塌、下沉、位移、變形、變質(zhì)，形成大量孔洞、裂隙，為大氣降水或上覆松散層水的補給、貯存提供了條件，即成為所謂燒變巖潛水含水層。燒變巖潛水含水層在平面上一般呈帶狀，其底板一般為自燃的煤層底板。當(dāng)?shù)装鍍A向與地下水逕流、排泄方向一致時，燒變巖裂隙、孔洞成為透水不含水層，難以形成富水區(qū)，對安全生產(chǎn)影響不大，如大柳塔礦井西部燒變巖底板傾向烏蘭木倫河，大氣降水或松散層水補給燒變巖層能及時以下降泉方式泄出，燒變巖裂隙僅起通道作用；而活雞兔礦井東部燒變巖底板傾向與地下水排泄方向相反，因此大氣降水或松散層水補給燒變巖裂隙后就形成含水層，而只有含水層潛水面標(biāo)高高于泄漏點標(biāo)高時，地下水才能以地下泉方式泄出，這就形成了對煤礦生產(chǎn)安全有巨大威脅的燒變巖潛水含水層。燒變巖底板低凹處極易形成富水—強(qiáng)富水區(qū)，這是我們預(yù)防井下涌水、突水的重點。但燒變巖具有發(fā)達(dá)的裂隙、孔洞，滲透系數(shù)大，地下水逕流比較通暢，因而提前疏排是最為有效的方法。

3.3  風(fēng)化巖裂隙潛水含水層

礦區(qū)各井田煤層埋藏淺（0～150m左右），其上覆基巖上部大部分都有風(fēng)化現(xiàn)象，只是因松散層蓋層厚度、巖性、結(jié)構(gòu)不同，使其風(fēng)化程度不同。當(dāng)風(fēng)化強(qiáng)烈時，巖體松軟，裂隙發(fā)育，上覆松散層含水層的水下滲后，可形成風(fēng)化層潛水含水層。這類含水層往往與基巖上覆松散層潛水溝通，形成同一含水層，給井下安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重隱患。

礦區(qū)凡有沙、粗沙、沙礫層等松散層覆蓋的基巖幾乎都有此種現(xiàn)象，僅因其風(fēng)化的強(qiáng)烈程度及厚度不同，其富水性也有較大差異。這類含水層因其極大的不均勻性，滲透系數(shù)很難掌握，有時在短距離內(nèi)有數(shù)倍的差別，需作認(rèn)真研究。

3.4  砂巖裂隙、孔隙潛水含水層

煤層上部與泥巖、粉沙巖隔水層在垂向上呈互層狀分布的粗砂巖層，因顆粒度較大，有一定孔隙，如伴有一定的構(gòu)造裂隙、節(jié)理，且與上部含水層溝通后，砂巖體的孔隙、裂隙就會含水，而砂巖與松散層沙、粗沙、沙礫層不同，由于密度高，孔隙率小，含水性很低，對井下安全構(gòu)不成大的威脅，但基巖中如有后期河流沖刷所形成的砂礫巖，且具有較大的孔隙或距煤層較近或有斷層，斷層帶溝通就另當(dāng)別論了，應(yīng)采取措施加以防范。

3.5  奧陶紀(jì)灰?guī)r溶（孔）洞承壓水

分布于黃河?xùn)|西兩側(cè)的石炭、二疊紀(jì)煤系地層底部奧陶系灰?guī)r中，當(dāng)承壓水水頭高度高于所開采煤層底板高度時，如遇有斷層、區(qū)域性裂隙、陷落柱、封閉的鉆孔不合格等將含水層與煤層（工作面）溝通后，對煤礦安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅，如對其危害性認(rèn)識不足、預(yù)防措施不得當(dāng)，結(jié)果將是災(zāi)難性的。因此應(yīng)密切關(guān)注，高度重視，特別是孫家溝等礦井開采低水平煤層時，應(yīng)特別注意。

3.6  地表水

前面已經(jīng)提到，雖然礦區(qū)成煤環(huán)境為內(nèi)陸湖泊三角洲相，造就了煤層傾角小、構(gòu)造簡單、煤質(zhì)好、厚度大、分布廣泛、整體性好、儲量巨大等許多有利的開采條件和先天資源品質(zhì)，但因后期沖刷、剝蝕，使地表形成窟野河、烏蘭木倫河、勃牛川等幾條較大河流以及與其聯(lián)系的許多樹枝狀季節(jié)性河流、沖溝。這些河流、沖溝往往因水動力作用與水力坡度變化，搬運并堆積了大量由沙、粗沙、礫石等組成的沖（洪）積層、河床沖（洪）積層等，因周邊沙層、沙礫層、燒變巖潛水下滲或大氣降水補給而形成含水豐富的沖（洪）積層含水層，給井下帶來影響。同時河流對下伏煤層或基巖裂隙有側(cè)向補給或下滲作用，因此埋藏在河床之下及周邊煤層在開采過程中水患影響程度要更大，煤的水分也要高于其它區(qū)域的煤層，如哈拉溝3^-1 煤、補連塔2^-2煤、烏蘭木倫礦1^-2 、2^-2 、3^-1煤層水分明顯高于在侵蝕基準(zhǔn)面之上的大柳塔礦1^-2、2^-2煤、哈拉溝2^-2 煤，事實證實了筆者在采前的判斷。

河流對煤礦安全的影響是勿容置疑的，而大的河流沖積層的富水性、透水性對礦井工作面布置和開采的影響也是很大的，因此在工作中應(yīng)給予高度關(guān)注。

4  災(zāi)害預(yù)防思路

煤層是夾在巖層間且密度相對較小的礦床。圍巖任何平衡狀態(tài)的改變都會對煤層本身施加影響，而開采煤層必然打破圍巖原有應(yīng)力分布與平衡。在應(yīng)力重新分布過程中，如果控制不好，則會給工作面安全生產(chǎn)帶來災(zāi)難，所以采礦業(yè)必須認(rèn)真研究煤及煤層周邊巖體環(huán)境性質(zhì)，以便采取科學(xué)合理的預(yù)防措施，保障煤礦生產(chǎn)安全，將各類含水層對井下人員、設(shè)備運行安全影響降至最低。為此，筆者提出幾種思路供參考。

4.1  充分收集整理已有水文地質(zhì)資料，為科學(xué)制定防治水方案提供可靠依據(jù)

神東煤田自開發(fā)以來，從找煤、普查、詳查、勘探到補勘各階段，施工了大量地質(zhì)、水文地質(zhì)鉆孔，甚至有不少物探與鉆探相結(jié)合的可貴資料，工程技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)真分析松散層，煤層頂板基巖結(jié)構(gòu)、厚度；斷層及裂隙發(fā)育規(guī)律規(guī)模；各類含水層的含水性和富水性；煤層上覆基巖中有無隔水層及隔水層厚度、性質(zhì)、分布規(guī)律；基巖頂面起伏變化形態(tài)；古河床發(fā)育特征，地表起伏變化與古河床、古沖溝有無繼承性；各含水層與開采煤層間距，相互間水力聯(lián)系；現(xiàn)代河床是否具有遷移性；各類含水層水文地質(zhì)參數(shù)及變化規(guī)律，等等。要將一切有用信息歸納整理，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫，充分利用計算機(jī)等現(xiàn)代化工具，繪制各類含水層厚度等值線圖，基巖頂面等高線圖，基巖（風(fēng)化巖）厚度等值線圖，古河床、古沖溝分布規(guī)律、流向圖，各類松散層、燒變巖、基巖潛水面等高線圖，水力稊度圖，反映地下水補給、逕流方向以及各含水層水文地質(zhì)類型、富水區(qū)域劃分、流量、儲量等內(nèi)容的水文地質(zhì)圖以及含水層間的水力聯(lián)系方式與相關(guān)性分析、有關(guān)剖面等圖表。

由于松散層、巖層的不均勻性，各礦井水文地質(zhì)類型不盡相同，在對整理好的有關(guān)資料分析后，找準(zhǔn)對礦井有影響的含水層，采取針對性措施加以解決。

4.2  存在“潰水潰沙”危險的細(xì)、粉沙潛水含水層

因孔隙率低，滲透系數(shù)小，采用提前疏放水方法往往效果不佳。因此，在盤區(qū)或工作面設(shè)計前就應(yīng)掌握擬開采煤層上覆基巖厚度、性質(zhì)和風(fēng)化程度，圈定冒落帶范圍。綜采工作面應(yīng)避免布置在煤層上覆基巖厚度小于冒落帶高度、具有“潰水潰沙”危險的此類含水層之下，而應(yīng)選擇房柱式等采煤工藝，以延緩頂板垮落時間和潰水潰沙的滯后期，保證井下人員和設(shè)備的安全。

4.3  粗沙、沙礫層、強(qiáng)風(fēng)化層潛水含水層和燒變巖潛水含水層

這幾類含水層因孔隙率高，易形成富水—強(qiáng)富水區(qū)，如與薄基巖等不利條件相結(jié)合或直接覆蓋在厚度臨近導(dǎo)水裂隙范圍的基巖頂面，對井下安全生產(chǎn)的影響是可想而知的，但因含水層滲透系數(shù)大，給超前疏排創(chuàng)造了條件。筆者于1995年提出的礦區(qū)首個全引進(jìn)設(shè)備的現(xiàn)代化綜采工作面——大柳塔煤礦201工作面的疏放水思路，得到當(dāng)時決策層的肯定，即：充分研究并掌握201工作面上覆基巖厚度、風(fēng)化層風(fēng)化程度、含水層結(jié)構(gòu)、顆粒結(jié)構(gòu)組成、地下水逕流規(guī)律、富水程度等各項水文地質(zhì)條件，采用地面抽排，工作面外巷打孔泄水方案。該方案當(dāng)時爭議很大，因為在松散沙礫層含水層覆蓋下較薄基巖（厚度<50m）且上部有風(fēng)化層條件下疏排水在礦區(qū)尚屬首次，效果很難預(yù)測。而實際結(jié)果是，地面抽水孔流量22.3m³/h，順槽泄水孔泄水量變105m³/h，不但打破了外聘專家地面抽水小時流量不大于3m³，井下泄水小時流量10m³左右的預(yù)言，取得很好的效果，解除了安全隱患，而且在鉆孔施工過程中進(jìn)行了孔間導(dǎo)通試驗。根據(jù)試驗結(jié)果，不但大量減少了鉆孔，而且節(jié)約了投資，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。后來的活雞兔礦2^-2煤首采面上覆燒變巖水（儲量約150萬m³）的成功疏放也證明了此點。

值得注意的是，方案設(shè)計過程中，必須認(rèn)真研究工作面上覆含水層結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，基巖頂面起伏變化情況，古沖溝、古河床在工作面上部的分布，地下水逕流、補給方向等；充分考慮松散層、風(fēng)化層、巖層的不均質(zhì)性；注意鉆孔封閉質(zhì)量；斷層、裂隙等構(gòu)造的導(dǎo)水性，與煤層、含水層的水力聯(lián)系等，根據(jù)工作面回采時間、含水層靜儲量、動儲量來確定疏放水程實施時間（一般提前量為3～6個月）。具體設(shè)計時，鉆孔一般應(yīng)布置在工作面外側(cè)巷道和地下水補給方向，以截斷水源補給途徑、延長鉆孔使用時間。同時要布設(shè)水文觀測孔，按要求及時、準(zhǔn)確觀測含水層水位、水柱高度變化，以確定井下開采過程中排水設(shè)備、管道的能力和備用系數(shù)。要特別關(guān)注地表塌陷后強(qiáng)降水天氣降雨對井下安全的影響，并采取相應(yīng)預(yù)防措施，保正礦井安全。

除科學(xué)合理的疏放水工程外，管理者對防治水工作的重要性要有客觀、科學(xué)、理性的認(rèn)識，實踐中因思想麻痹而出現(xiàn)的“小水淹沒設(shè)備”等幾起事故案例就是深刻的教訓(xùn)。

科學(xué)合理的設(shè)計方案是建立在深厚的基礎(chǔ)知識、豐富的實踐經(jīng)驗和強(qiáng)烈的責(zé)任心、事業(yè)心之上的。既不能因認(rèn)識不到位出現(xiàn)水文地質(zhì)災(zāi)害事故，又不能草木皆兵，以所謂十倍、幾十倍的“保險系數(shù)”來保證安全，造成人民財產(chǎn)的損失和浪費。

4.4  奧陶紀(jì)灰?guī)r承壓水

開采前和開采過程中一定要認(rèn)真調(diào)查分析所在區(qū)域地質(zhì)運動所形成的斷層、裂隙發(fā)育規(guī)律、規(guī)模和斷層性質(zhì)、導(dǎo)水性。斷層、裂隙往往是承壓水的涌出通道，如果忽視，將給煤礦帶來災(zāi)難性后果，特別是開采承壓水水頭高度高于工作面標(biāo)高時更要十分謹(jǐn)慎，一定要有足夠的排水設(shè)施、設(shè)備和封堵材料，提前制定防治水預(yù)案，確保安全。另外，要特別注意打穿煤層底板至承壓含水層鉆孔的封孔質(zhì)量，防止因封孔質(zhì)量不合格，將承壓水與工作面導(dǎo)通，淹沒工作面等重、特大事故的發(fā)生。

4.5  地表水

1）主要水系。如烏蘭木倫河、勃牛川河、黃羊城溝等基本上是常年性河流，設(shè)計時就需要考慮留設(shè)保安煤柱等。

2）支系河流。如補連溝、雙溝、母河溝等雖正常情況下流量不大，但遇大氣強(qiáng)降水時可能暴發(fā)山洪。因此，在工作面過溝時期，地表可采用導(dǎo)流明渠、導(dǎo)流軟管等方式，防止地表水沿裂隙涌入井下。此方法己于1996年在礦區(qū)第二個綜采面——活雞兔煤礦首采面（2^-2 煤），防治水工程中成功應(yīng)用。

5  結(jié)語