内蒙古鲁新煤矿6煤层开采顶板突水性预测

刘地福，周 胜

（江西省煤田地质局，江西 南昌 330001）

1 矿区位置、自然地理及气象水文

鲁新煤矿位于内蒙古锡林郭勒盟乌拉盖管理区东北20 km，为一基建矿井，矿井设计生产能力5 Mt/a，属低山丘陵地貌，地面标高海拔+868～+922 m，相对高差54 m。地表均为第四系表土覆盖，草原植被发育良好。

矿区属北温带大陆性半干旱气候，多年平均降雨量342 mm，主要集中于6～8月，多年平均蒸发量1 552 mm。区域地表水、地下水资源丰富，乌拉盖河流经矿区南部，地表水总量约17.4亿m3。地下水丰富、埋藏较浅，总储量约78.557亿m3。

2 矿区地层及可采煤层

矿区内揭露的地层有煤系基底侏罗系布拉根哈达组（J3bl），含煤地层为大磨拐河组（K1d），煤系上覆地层为新近系（N2）、第四系（Q）。

煤层赋存于白垩系下统的大磨拐河组中，煤系地层平均厚度244.45 m。6煤层是矿区主要可采煤层，分布于煤系顶部，平均厚度6.5 m，倾角8°。

3 矿区水文地质条件

3.1 主要含水层

矿区的含水层有：第四系砂砾层含水层、新近系砂砾岩含水层、煤系砂岩、砂砾岩含水层，煤系基底火山凝灰岩含水层。

（1）第四系砂砾层含水层

主要分布在盆地内及其周边沟谷的冲积、洪积和坡积层中，岩性以中细砂、粗砂和砾石为主； 平均厚16.36 m，透水性较强，单位涌水量1.129～1.344 L/s·m，渗透系数11.93～12.46 m/d，水位埋深0.18～0.5 m。

（2）新近系砂砾岩含水层

平均厚度83.57 m，其上段主要为灰色～杂色砂质泥岩，平均厚度36.11 m；下段主要为灰黄色砂砾岩，含水层厚度一般在30～50 m，单位涌水量0.557 7～5.248 0 L/s·m，渗透系数1.112～14.72 m/d，总体属富水性中等至强的含水层。

（3）煤层顶、底板含水层

6煤层顶板直接砂砾岩含水层平均厚度17.97 m，平均单位涌水量1.398 1 L/s·m，渗透系数平均4.452 3 m/d。底板岩性为粉砂岩、局部砾岩，平均厚度2.75 m，含水层发育较顶板略差。

（4）煤系基底火山凝灰岩含水层

该含水层全区分布，最大厚度228.60 m，岩性为杂色凝灰岩、火山熔岩，致密、较硬。单位涌水量0.031 3 L/s·m，渗透系数0.413 m/d，深部裂隙不发育，富水性更弱。

3.2 主要隔水层

矿区主要隔水层有新近系上部泥岩段隔水层和煤系中泥岩、粉砂岩隔水层。

新近系上部泥岩段隔水层泥岩段厚度一般在30～50 m，最厚可达65.15 m，最薄仅3～10 m，大部分地区分布较稳定。

3.3 地下水的补给、径流与排泄条件

矿区地下水的主要补给来源有大气降水补给，基岩山区是地下水的补给区；径流方向总体为东北向南西方向，乌拉盖河是区内地下水最低排泄面。

4 6煤层开采充水因素分析

6煤层顶板大部分地段被砂砾岩含水层直接或间接覆盖，含水层累计厚度大，富水性强，透水性好，涌（突）水可形成直接威胁。在隐伏露头区，与新近系砂砾岩含水层直接接触，水力联系非常密切。在开采煤层时，由于煤层顶底板均有厚度不等的泥岩粉砂岩隔水层，在正常情况下新近系砂砾岩水不会直接涌入巷道；在采动破坏影响时，如果冒裂带达到新近系砂砾岩层时，会沟通新近系含水层与6煤层顶板含水层，使新近系含水层成为矿区的主要充水含水层。

矿区6煤层顶板至新近系含水层的距离很近，隔水层不发育，厚度也较薄，对含水层与煤层之间的隔水作用较差。开采时所形成的冒裂带整体透水性较强，因此，新近系含水层和6煤层顶板含水层是影响开采的主要充水因素。

5 6煤层顶板涌（突）水综合分区

综上所述，矿床充水的水源主要为直接覆盖在煤系之上的新近系砂砾岩含水层和煤层上覆的砂砾岩含水层地下水，其涌水通道主要为冒裂带（冒落带+导水裂隙带）和透水性较好的顶板直接充水含水层及隐伏露头区砾岩层。

在煤层开采过程中，煤层回采后形成冒落带和导水裂隙带沟通了上覆含水层，特别是沟通了上覆富水性强的新近系含水层时，会导致顶板涌（突）水灾害发生，严重威胁煤矿安全生产；在煤系地层中，煤层上覆充水含水层不仅本身会直接威胁安全生产，而且它往往与新近系含水层有水力联系，在露头区接受新近系含水层的补给，这更加强了它的危害性。

因此，本次主要依据顶板冒裂带的安全性，其次考虑上覆直接充水含水层的富水性，并综合其他水文地质因素进行综合分区。

（1）煤层顶板直接充水含水层分区

根据水文地质条件分析，6煤层至新近系含水层之间的覆岩段发育有多层砂砾岩含水层，岩性主要为砾岩和细砂岩。因此，这些含水层是6煤层顶板充水的直接因素，对安全生产的威胁很大。

（2）煤层开采顶板冒裂带安全性分区

冒裂带的发育高度是煤层开采顶板涌 （突）水灾害发生的基础。由于影响控制冒裂带高度的因素很多，如煤层采厚、回采面积、覆岩段厚度和岩性、岩相在垂向上和平面上的变化、地层倾角、构造影响、采煤方法和顶板管理方式等。因此，较为符合实际的评价方法应该用各种勘探方法，对冒裂带发育高度进行野外现场实测，并通过数值模拟比较，确定本区冒裂带的发育高度。由于条件限制，本次依据中国矿业大学出版的《煤矿防治水细则》专家解读（2018版），根据华北矿区40余个放顶煤开采工作面覆岩“两带”高度的实测值，采用数理统计回归分析的方法，得出的适用于放顶煤开采工作面坚硬、中硬、软弱覆岩条件下的“两带”高度计算的经验公式，在煤层倾角0°～54°，岩石抗压强度＜20 MPa，岩石为新近系半固结的泥岩、粉砂岩、砂砾岩等，按厚煤层放顶煤开采工艺，顶板管理方法为全部陷落的情况下，选用如下公式：

式中：Hm为冒落带最大高度，m；Hli为导水裂隙带（包括冒落带）最大高度，m；M为煤层累计厚度，m。

根据上述经验公式，冒落带和导水裂隙带最大高度计算结果见表1。

表1 6煤层冒落带、导水裂隙带最大高度计算结果

（3）涌（突）水综合分区结果

据上述分析，若6煤层与新近系含水层之间覆岩段厚度大于导水裂隙带最大高度，则顶板冒落时，新近系地下水不会直接经冒裂带泄入巷道，反之则会发生涌（突）水灾害。若覆岩段厚度小于冒落带高度，甚至煤层顶板砂砾岩含水层直接与新近系砂砾岩含水层接触，则顶板冒落时，新近系地下水将会严重威胁煤层开采安全。

首先按冒裂带发育高度是否达到新近系含水层，将6煤层分布区划分为A区和B区，A区内又根据煤层顶板直接含水层岩性、富水性等因素划分为A1亚区和A2亚区；B区内又根据冒落带高度是否达到新近系含水层划分为B1亚区和B2亚区。其涌（突）水危险性由A区到B区逐渐增大，A区中A2亚区顶板直接为含水层，涌（突）水危险性大于A1亚区；B区中B2亚区冒落带发育高度大于覆岩段高度，冒落带直接进入新近系砂砾岩含水层，涌（突）水危险性大于B1亚区。具体分区原则见表2。

表2 涌（突）水安全综合分区原则一览

亚区特征如下：

A1亚区：导水裂隙带发育高度小于覆岩段厚度，新近系地下水不会直接沿冒裂带进入巷道，危害较小。但在冒裂带高度内发育有多层煤系砂砾岩含水层，这些含水层富水性强，且大多在隐伏露头区与新近系含水层直接接触，接受其补给，因此，该亚区煤层受上覆充水含水层的威胁大。涌（突）水水源为6煤至新近系之间覆岩段内的砂砾岩含水层，涌（突）水通道主要为冒裂带。由于覆岩段厚度较小，砾岩含水层富水性强，综合分析认为其顶板涌（突）水危险性大。该亚区面积3.40 km2，占6煤层总面积的33%。

A2亚区：该区与A1亚区相似，所不同的是6煤顶板细砂岩直接含水层较发育，它直接威胁着安全生产，所以该亚区地下水对矿井安全生产的威胁较A1亚区大。涌（突）水水源为6煤至新近系之间覆岩段内的砂砾岩含水层，涌（突）水通道主要为冒裂带及煤系顶板直接含水层导水，综合分析认为其顶板涌（突）水危险性大。该亚区面积1.47 km2，占6煤层总面积的14.3%。

B1亚区：该区冒裂带高度大于覆岩段厚度，新近系地下水可通过冒裂带直接下渗威胁矿井安全生产。涌（突）水水源为新近系砂砾岩含水层及6煤至新近系之间覆岩段内的砂砾岩含水层，涌（突）水通道主要为冒裂带及煤系顶板直接含水层导水，综合分析认为其顶板涌（突）水危险性大。该亚区面积2.99 km2，占6煤层总面积的29.0%。

B2亚区：该区冒落带高度直接抵达新近系含水层内部。该区位于6煤分布的边缘地带，覆岩段薄，且有砾岩出露，特别有利于上覆新近系地下水的下渗，对矿井安全生产威胁极大。涌（突）水水源为新近系砂砾岩含水层及6煤至新近系之间覆岩段内的砂砾岩含水层，涌（突）水通道主要为冒落带及煤系顶板直接含水层导水，综合分析认为其顶板涌（突）水危险性极大。该亚区面积2.45 km2，占6煤层总面积的23.27%。

图1 6煤顶板涌（突）水综合分区

6 结语和建议

1）新近系含水层和6煤层顶板含水层是影响6煤层开采的主要充水因素。

2）6煤顶板至新近系含水层之间覆岩段厚度总体较小，煤系顶板砂砾岩含水层发育，富水性强，开采B1亚区、B2亚区煤层时，新近系地下水极易通过冒裂带涌入巷道，顶板涌（突）水危险性极大，应引起足够重视。根据《煤矿防治水细则》的要求，应当实测垮落带、导水裂隙带发育高度，进行专项设计，确定防隔水煤（岩）柱尺寸，确保安全开采。