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

關鍵詞  含水層  地下水  地表水  災害預防

 
   煤層是“夾”在沉積巖層之間的可利用礦產資源。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，開采者必須認真研究并盡可能消除這種影響。筆者在神東礦區長期從事地質及水文地質技術工作，擬從水文地質、煤層頂板、瓦斯等方面談點規律性看法，但因篇幅有限，本文僅對神東礦區水文地質有關規律作簡要分析。

1  地下水

神東礦區對煤礦安全生產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灰巖裂隙（溶洞）承壓含水層幾類，前兩類主要分布在黃河以西侏羅紀煤田各礦井，后者主要分布在黃河東西兩側石炭、二疊紀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，礦區大部分地區煤層上覆主要含水層都屬此類。根據松散層結構、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（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，經長期風、氧化進而自燃，將上覆巖層烘烤使其垮落、變形，形成較大的裂隙、孔隙，為后期儲水創造了有利條件。礦區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、一般裂隙和構造裂隙強風化裂隙含水層、砂礫層（后期河流沖積物壓實而成）孔隙含水層，礦區各礦井均有分布。按其與煤層接觸關系、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）奧陶紀灰巖裂（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、二疊紀煤田含煤巖系之下較老地層奧陶紀石灰巖中。由于其裂隙、孔隙、溶洞發育并在漫長的地質年代形成了豐富的含水層，受地質運動影響，地層傾斜，奧灰水水頭壓力往往高于礦井開采煤層標高，給煤礦生產安全帶來嚴重威脅，是開采石炭、二疊紀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則的區塊，不僅給礦井設計和工作面布置帶來影響，也給安全生產帶來影響。

3  不同水文地質條件的特點及對礦井安全生產的影響

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、滲透性等水文地質條件以及它們與煤層、煤層頂板基巖裂隙、風化裂隙、燒變巖裂隙之間的水力聯系、特點及規律對礦井生產安全的影響，就必然成為研究的對象和重點。

3.1  松散層含水層

1）細、粉沙潛水含水層。巖石經風化并以風為主要動力，使其直接堆積覆蓋在煤層基巖表面，經大氣降水長期補給，又沒有排泄途徑，形成含水層。此種沙層結構簡單，主要由顆粒很小的細沙、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。其它礦井分區域也有不同的分布。主要特點是孔隙率、滲透系數小，含水層厚度往往很大，但富水性較低，不易形成富水區或強富水區。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。

當煤層上覆基巖厚度大，超過導水裂隙帶高度時，此類含水層對煤礦安全構不成大的威脅。但當基巖厚度小，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或工作面，發生“潰水潰沙”，可能造成機毀人亡等重大安全事故。

細、粉沙層潛水的主要特點是由于孔隙率小，滲透系數小，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。當其與古河床、古沖溝、低凹基巖表面、強風化巖等幾種不利的儲水構造因素相結合時，對煤礦安全生產的影響會更大。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、滲透系數比細、粉沙層大，有時與細粉沙層、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。當其直接覆蓋在基巖面之上且下伏無較強風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，如與強風化層、薄基巖、古沖溝、基巖面低凹地帶等不利條件相結合，將對煤礦生產安全帶來大的影響，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、滲透系數相對較大，可以超前采取鉆孔疏放水進行疏放。

3）沙礫層含水層。由粗沙、河卵石、礫石等大顆粒物質組成，孔隙率高，滲透系數大，如其直接覆蓋在基巖表面或其上覆松散層有透水性質，即形成礦區常見的沙礫層潛水含水層，當其與強風化帶裂隙、古沖溝、古河床、基巖面低凹處、薄基巖等不利條件相結合時，則會對井下安全帶來嚴重威脅，是防范和采取措施的重點。因其孔隙率、滲透系數較大，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，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作用，但礦區大柳塔、活雞兔、前石畔、朱蓋塔、補連塔、檸條塔等絕大多數地區因后期沖蝕作用，導致上述粘土層、黃土層大部分以孤立的不規則狀（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，失去了應有的作用。礦區榆家梁、考考烏素溝北側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，減輕了預防煤礦水患的壓力。

3.2  燒變巖潛水含水層

這是侏羅紀煤田的特色，由于成煤期晚，煤呈中孔結構，內水高，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，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。當底板傾向與地下水逕流、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，對安全生產影響不大，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高高于泄漏點標高時，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—強富水區，這是我們預防井下涌水、突水的重點。但燒變巖具有發達的裂隙、孔洞，滲透系數大，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  風化巖裂隙潛水含水層

礦區各井田煤層埋藏淺（0～150m左右），其上覆基巖上部大部分都有風化現象，只是因松散層蓋層厚度、巖性、結構不同，使其風化程度不同。當風化強烈時，巖體松軟，裂隙發育，上覆松散層含水層的水下滲后，可形成風化層潛水含水層。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，給井下安全生產帶來嚴重隱患。

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

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，如伴有一定的構造裂隙、節理，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，斷層帶溝通就另當別論了，應采取措施加以防范。

3.5  奧陶紀灰巖溶（孔）洞承壓水

分布于黃河東西兩側的石炭、二疊紀煤系地層底部奧陶系灰巖中，當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，對煤礦安全生產帶來嚴重威脅，如對其危害性認識不足、預防措施不得當，結果將是災難性的。因此應密切關注，高度重視，特別是孫家溝等礦井開采低水平煤層時，應特別注意。

3.6  地表水

前面已經提到，雖然礦區成煤環境為內陸湖泊三角洲相，造就了煤層傾角小、構造簡單、煤質好、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，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系的許多樹枝狀季節性河流、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，因此在工作中應給予高度關注。

4  災害預防思路

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力分布與平衡。在應力重新分布過程中，如果控制不好，則會給工作面安全生產帶來災難，所以采礦業必須認真研究煤及煤層周邊巖體環境性質，以便采取科學合理的預防措施，保障煤礦生產安全，將各類含水層對井下人員、設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資料，為科學制定防治水方案提供可靠依據

神東煤田自開發以來，從找煤、普查、詳查、勘探到補勘各階段，施工了大量地質、水文地質鉆孔，甚至有不少物探與鉆探相結合的可貴資料，工程技術人員應認真分析松散層，煤層頂板基巖結構、厚度；斷層及裂隙發育規律規模；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、分布規律；基巖頂面起伏變化形態；古河床發育特征，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，相互間水力聯系；現代河床是否具有遷移性；各類含水層水文地質參數及變化規律，等等。要將一切有用信息歸納整理，建立相關數據庫，充分利用計算機等現代化工具，繪制各類含水層厚度等值線圖，基巖頂面等高線圖，基巖（風化巖）厚度等值線圖，古河床、古沖溝分布規律、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類型、富水區域劃分、流量、儲量等內容的水文地質圖以及含水層間的水力聯系方式與相關性分析、有關剖面等圖表。

由于松散層、巖層的不均勻性，各礦井水文地質類型不盡相同，在對整理好的有關資料分析后，找準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、粉沙潛水含水層

因孔隙率低，滲透系數小，采用提前疏放水方法往往效果不佳。因此，在盤區或工作面設計前就應掌握擬開采煤層上覆基巖厚度、性質和風化程度，圈定冒落帶范圍。綜采工作面應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，保證井下人員和設備的安全。

4.3  粗沙、沙礫層、強風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—強富水區，如與薄基巖等不利條件相結合或直接覆蓋在厚度臨近導水裂隙范圍的基巖頂面，對井下安全生產的影響是可想而知的，但因含水層滲透系數大，給超前疏排創造了條件。筆者于1995年提出的礦區首個全引進設備的現代化綜采工作面——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、風化層風化程度、含水層結構、顆粒結構組成、地下水逕流規律、富水程度等各項水文地質條件，采用地面抽排，工作面外巷打孔泄水方案。該方案當時爭議很大，因為在松散沙礫層含水層覆蓋下較薄基巖（厚度<50m）且上部有風化層條件下疏排水在礦區尚屬首次，效果很難預測。而實際結果是，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行了孔間導通試驗。根據試驗結果，不但大量減少了鉆孔，而且節約了投資，取得良好的經濟效益。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，方案設計過程中，必須認真研究工作面上覆含水層結構、性質，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、風化層、巖層的不均質性；注意鉆孔封閉質量；斷層、裂隙等構造的導水性，與煤層、含水層的水力聯系等，根據工作面回采時間、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）。具體設計時，鉆孔一般應布置在工作面外側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。同時要布設水文觀測孔，按要求及時、準確觀測含水層水位、水柱高度變化，以確定井下開采過程中排水設備、管道的能力和備用系數。要特別關注地表塌陷后強降水天氣降雨對井下安全的影響，并采取相應預防措施，保正礦井安全。

除科學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、理性的認識，實踐中因思想麻痹而出現的“小水淹沒設備”等幾起事故案例就是深刻的教訓。

科學合理的設計方案是建立在深厚的基礎知識、豐富的實踐經驗和強烈的責任心、事業心之上的。既不能因認識不到位出現水文地質災害事故，又不能草木皆兵，以所謂十倍、幾十倍的“保險系數”來保證安全，造成人民財產的損失和浪費。

4.4  奧陶紀灰巖承壓水

開采前和開采過程中一定要認真調查分析所在區域地質運動所形成的斷層、裂隙發育規律、規模和斷層性質、導水性。斷層、裂隙往往是承壓水的涌出通道，如果忽視，將給煤礦帶來災難性后果，特別是開采承壓水水頭高度高于工作面標高時更要十分謹慎，一定要有足夠的排水設施、設備和封堵材料，提前制定防治水預案，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量，防止因封孔質量不合格，將承壓水與工作面導通，淹沒工作面等重、特大事故的發生。

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，設計時就需要考慮留設保安煤柱等。

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，但遇大氣強降水時可能暴發山洪。因此，在工作面過溝時期，地表可采用導流明渠、導流軟管等方式，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用。

5  結語