朱仙庄煤矿“五含”水文地质特征及水害防治对策

第46卷第2期 2018年4月
煤田地质与勘探
COAL GEOLOGY & EXPLORATION
Vol. 46 No.2
Apr. 2018
文章编号：1001-1986(2018)02-0111-07
朱仙庄煤矿“五含”水文地质特征及水害防治对策
朱冠宇\姜波\朱慎刚2
(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州221008;
2.淮北矿业股份有限公司朱仙庄煤矿，安徽宿州234111)
摘要：淮北朱仙庄煤矿北部采区8煤开采主要水害威胁来自顶板侏罗系“五含”，“五含”压覆下首采 面866—1工作面回采过程中发生“五含”溃水溃沙事故，造成重大损失。

“五含”赋存条件复杂，勘探 程度较低，亟待进一步探查、分析其水文地质条件及水害特征，以便提出根治其水害威胁的防治 对策。

通过对“五含”的空间展布、构造发育特征、岩溶发育规律、富水性及分区、水化学特征、水位动态特征及与主要含水层的补给关系等方面的勘探分析，对“五含”的水文地质特征进行了深 入研究，得出“五含”具有静储量大、径流条件好、水压高、动态补给强等主要水害特征，提出了“帷 幕截流’’和“疏干开采’’相结合的综合水害防治对策。

关键词：“五含”；水害特征；帷幕截流；疏干开采
中图分类号：TD745 文献标识码：A DOI: 10.3969/j.issn.l001-1986.2018.02.017 Hydrogeological characteristics and prevention countermeasures of
“fifth aquifer” in Zhuxianzhuang coal mine
ZHU Guanyu1,JIANG bo1,ZHU Shengang2
(1. School of R esources and Geosciences, China University o f M ining and Technology, Xuzhou 221008, China;
2. Huaibei Mining Co. Ltd., Zhiaianzhuang Coal Mine, Suzhou 234111, China)
Abstract: The main water hazard during mining o f seam 8 in northern mining district comes from the t(fifth aqui-ferJ, o f the roof Jurassic in Zhuxianzhuang coal mine. During extraction in the first mining face 866"1 under the fifth aquifer, water and sand burst accidents o f the tsfifth aquifer5' have occurred, causing significant losses. The stfifth aquifer5* has complex occurrence conditions and exploration degree is low, it was necessary to further explore and analyze its hydrogeological conditions and characteristics o f water disasters, so as to put forward the countermea­sures to eradicate the threat o f water hazards. It was needed to research the hydrogeological and water damage characteristics further. From the space distribution, geologic structure development, law o f karst development, hydrogeology and zoning，water chemical features, water level dynamic changes and the supply relationships with the main aquifers, the thorough research o f t6fifth aquifer5* was carried out. It is concluded that the main water dis­aster features o f ^fifth aquifer'* is big static reserve and good runoff condition, with high water pressure and strong dynamic supply, then, ^curtain closure55and ^dewaterring mining55 were put forward as the combined countermea-sures used to prevent water disasters.
Keywords: ufifth aquifer'*; water disaster characteristics; curtain closure; mining through dewatering
淮北朱仙庄煤矿北部侏罗系底砾岩以半胶结状 的灰岩角砾为主，俗称“五含”。

大面积压覆于煤系、石炭系太原组灰岩（以下简称“太灰”）及奥陶系灰 岩（以下简称“奥灰”）之上，呈角度不整合接触关 系。

区内新生界松散层自上而下划分4个含水层和 3个隔水层，最下部含水层被称为“四含”，其普遍压覆于侏罗系、“五含”、煤系及太灰、奥灰地层之 上，呈角度不整合接触关系。

“五含”压覆下首采866—1工作面仅推进55 m即发生“五含”溃水灾害，后期治理期间采空区发生瞬 时溃水溃沙现象，造成人员伤亡。

根据1993年“五 含”放水试验[1]及2015年溃水后的相关含水层水位
收稿日期：2017-05-04
第一作者简介：朱冠宇，1992年生，男，安徽宿州人，硕士研究生，研究方向为构造地质及煤矿防治水.E-mail: zhugy_cumt@ 引用格式：朱冠宇，姜波，朱慎刚.朱仙庄煤矿“五含”水文地质特征及水害防治对策[J].煤田地质与勘探，2018, 46(2): 111-117.
Z H U Guanyu, JIANG bo, Z H U Shengang. Hydrogeological c h a r a c t e r i s t i c s and prevention countermeasures of KFi f th a q u i f e r*9i n Zhuxianzhuang coal mine[J]. Coal Geology &Exploration, 2018, 46(2)：111-117.
•112 •煤田地质与勘探第46卷
观测成果初步判定“五含”与“四含”、太灰和奥灰均 存在较为密切的水力联系。

由此，“五含”静储量大，动储量涉及奥灰水补 给，灾变溃水可预见性差，破坏力极强。

常规的防 治水方法难以根治顶板“五含”水害，亟待对“五含”的赋存特征、水文地质条件及水害特征进行进一步 探查和评价，以制定根治其水害的防治对策。

1探查手段及主要任务
探查工作主要采取2种手段，一是利用钻探、测井、水文地质试验等常规地质及水文地质补勘手段；另一方 面是对勘探区进行了高密度三维地震精细勘探。

①常规补勘完成钻孔15个，累计钻探工程量6 848.75 其中常规测井15孔、压水试验7个孔共 计37次、单孔抽水试验11次、简易注水3次，试 注浆3孔共计5次。

其主要任务有以下几点：
a.查明“五含”的赋存情况及构造特征；
b.查明“四含”、“五含”赋存特征及水文地质条件;
c.通过分段压水试验查明“五含”顶部是否存在连续、稳定的隔水层；通过群孔抽水试验查明帷
幕墙范围内“五含”与“四含”、太灰、奥灰含水层之
间的水力联系及“五含”的补径排条件；
d.通过分段注浆试验进一步查明补勘区“四含”、“五含”的可注性。

②高密度三维地震精细勘探完成施工线束63
束，测线70条，控制面积3.1 km2,施工面积6.9 km2,
完成低速带调查点7个，试验物理点260个；完成生
产物理点9 441个。

勘探范围见图1，其主要任务有:
a.查明勘探区内8煤赋存情况及构造特征；
b.查明勘探区内“五含”赋存情况、边界特征及 构造特征；
c. 查明区域内构造发育特征；
d.查明“五含”压覆区太灰、奥灰顶界面深度 及构造发育情况。

采用常规补勘和高密度三维地震精细勘探等手 段，获得了相关参数和边界条件，通过数值计算、模拟及分析论证，基本查明了“五含”及相关含水层 的水文地质条件和水害特征。

2 “五含”赋存条件及地质特征
2.1地质及构造特征
2.1.1 分布及边界条件
朱仙庄煤矿井田北部受塔桥断层影响，“五含”覆盖区为独立断块，面积约9 km2。

其中井田范围内为 2.8 km2(图 2)[2_3]。

“五含”底界面标局在-220〜-560 m，总体呈西局 东低，倾向东北，倾角15°〜25°。

钻孔资料显示“五含”厚度2.35〜70.36 m，平均 38.55 m。

补勘钻孔揭露厚度一般为55〜65 m[4]。

“五含”以塔桥断层为北界，呈向北开口的喇叭 状，南区“五含”覆盖范围明显收缩，推测与沉积、剥蚀等因素有关，为喇叭口底端，厚度明显变薄，约为15〜35 m。

西侧为剥蚀边界，不整合于新生界 底界面，自西向东厚度由〇m逐渐增大至60〜75 m
，
第2期朱冠宇等：朱仙庄煤矿“五含”水文地质特征及水害防治对策•113 •
至此“五含”顶界面显现，厚度亦趋于稳定。

东侧被 F21逆断层截断。

2.1.2 空间展布特征
“五含”大面积压覆于8煤、10煤等煤系、太灰 及奥灰含水层之上，呈角度不整合接触关系。

“五含”上部为一层侏罗系砂泥岩互层，隔水性好，“四含”呈角度不整合压覆在侏罗系之上，局部“五含”剥蚀 条带与“四含”直接接触。

2.1.3构造发育特征
补勘钻孔[5]揭露“五含”厚度与周边临近钻孔揭 露情况差异很大，判定存在多条断层切割至“五含”。

纠正了以往认为“五含”内无断层发育的误区。

钻探及高密度三维地震勘探查明勘探区内发育 至“五含”的断层15个，以正断层为主，落差一般小 于40 m，均未将“五含”完全断开。

此外，确定F21为“五含”东侧边界逆断层(图2)，落差超过200 m，上盘“五含”完全被剥蚀。

2.2岩溶发育特征
“五含”的岩溶类型为溶洞、溶孔和岩溶裂隙[6_7]，钻孔揭露最大溶洞直径达16 m，一般以0.2〜1.0 m 的溶洞最常见。

岩溶发育程度随埋深增加而减少，具有明显的垂向分带性特征。

统计钻孔中“五含”线 岩溶率和岩溶能见率，在-350 m以浅岩溶发育率 8.82%〜13.12%，在-350〜-400 m以深岩溶发育明显 减少，岩溶率只有0.83%〜4.5%(表1)。

3 “五含”的水文地质特征
3.1 “五含”富水性及分区
根据“五含”抽水试验等资料显示(表2)，“五含”富水性为中等至强，大部分区段富水性强。

表1“五含”线岩溶率统计表
Table 1 Statistical table of linear karst rate of
“fift h aquifers”
标局/m
累计砾岩
厚度/m
累计溶洞
长度/m
平均线岩
溶率/% -300以上801.8570.768.82
-300—350168.9122.1613.12
-350—400121.76 1.010.83
400以下136.02 6.22 4.57
表2部分“五含”钻孔水文地质参数一览表
Table 2 Hydrogeological parameters of some boreholes
in “fifth aquifer”
区段孔号厚度/m水位/m g/L_(s-m)_1灸/(m.d-1) 84-1426.37-119.750.330 1.399
南区
n i〇21.390.226 1.230
84-2023.82-23.940.0290.326
08-水 133.740.530 1.870
84-1628.020.942 4.225
I-I-516.910.576 3.680
中区05-水 132.07 1.010 3.477 13-水352.31 1.010 3.477
84-1863.78-19.64 2.099 3.780
84-1973.97 4.377 6.842
北区J118.75-15.670.409 1.943 DZ172.7-21.72 6.376 6.790不同区段岩溶发育不均，富水性强弱不等。

随 着砾岩厚度由南向北增加，岩溶发育程度逐渐增强，富水性也逐渐增大。

根据“五含”钻孔的水文地质参数[8]
与其赋存特
• 114 •
征，将其大体分为南、中、北3区(图3)。

图 3
“五含”富水性分区图
Fig.3 Zoning of water abundance of "fifth aquifer"
南区：层厚较薄，一般厚度为15〜35 m ，受上 覆“四含”水疏降影响，水位较低，富水性较差。

单 位涌水量^=0.029〜0.53 L /(s _m )，渗透系数 ^0.326-1.87 m /d ；
中区：除剥蚀影响带外，层厚稳定，平均为60
m ，富水性中等到强。

g =0.576〜2.099 L /(s *m )，
^=3.477-4.225 m /d ；
北区：该区钻孔数据较少，推测层厚稳定。

该 区北侧压覆于太灰、奥灰含水层之上，接受其垂向 补给，第46卷
水性强。

^=0.409〜6.376 L /(s .m )，h l .943〜6.842 m /d 。

3.2水力联系特征3.2.1 天然状态下
1993年放水试验之前各含水层水位曲线图显示 (图4)，“五含”稳定水位在-I 5.58〜-O .M m ，以0〜-5 m 为主，南北两侧水位较低；“四含”水位略低于“五 含”，在-32.47〜-11.21m ，自身水力联系弱；太灰水 位1.54 m ，奥灰水位12.81 m ，明显髙于“四含”、“五 含”水位。

分析水位曲线图，得出：①
“四含”在不同区段水位差异较大，说明水
平径流条件较差，侧向水力联系弱。

水位总体低于“五含”，推测与矿井开采期间“四含”正常涌水有 关，但并未明显牵动“五含”水位，两者无明显补 给关系。

②
“五含”中区水位差异较小，说明中区水平
径流条件好，水力联系密切。

北区、南区钻孔水位 较低，富水性具有较明显分区性。

③
太灰、奥灰水位明显高于“四含”、“五含”
水位，说明天然状态下，对“四含”、“五含”的区
域补给微弱。

综上，天然状态下及1993年矿井开采程度影响 下，“四含”水平径流条件差，“五含”、太灰、奥灰 水对其补给微弱；“五含”水平径流条件较好，井下 无“五含”出水，排泄条件差，“四含”、太灰、奥 灰水对其补给微弱。

3.2.2 疏放水条件
根据1993年“五含”疏放水试验中各含水层水 位降深曲线(图5)，得出：
①“五含”中心放水区及北区具有相似的降深， 平均降深98.22 mQ 说明中区和北区水力联系密切， 顺层径流条件好；受距离及构造因素影，越向南水煤田地质与勘探[岩水通过“
五含”侧向径流，汇入矿井。

富 位降深越小，南区对中区、北区补给较弱C
o o
2
1
-1I -2I -3I -4I
m /
崦验赵爷图4放水试验前各主要含水层水位曲线图
Fig.4
Water level curves of main aquifers before the test of water release
第2期朱冠宇等：朱仙庄煤矿“五含”水文地质特征及水害防治对策•115 •
20
20
m遂
40镗
60
80
100
120
图5 1993年放水试验主要含水层水位变化综合曲线图
Fig.5 Comprehensive curve diagram of water level change in the main aquifer during water release test in 1993.
② “四含”与“五含”存在明显水力联系。

③太灰、奥灰水位均有显著下降，降幅
12.8〜57.72 m，对“五含”形成补给。

综上，各含水层水位均有明显下降，放水试验
过程中，以“五含”为中心，“四含”、太灰、奥灰水
均对“五含”形成补给，为主要补给水源。

3.2.3 “五含”溃水条件
866-1工作面发生“五含”溃水，随工作面出水，
各“五含”观测孔水位呈现不同程度下降，最大降深
达 120.8 m(图 6)。

〇
20
40
60 i
80赵
100
120
140
图6 866-1工作面“五含”溃水各观测孔水位变化图
Fig. 6 Water level change of different observation holes dur­
ing water burst of the ufifth aquifer55 in working face 866"1
① 90-放2和84-18孔均位于“五含”中区，与出 水工作面间距相似，约500〜600 m，水位降深最大。

出水工作面位于“五含”中区浅部，两者之间水力联
系密切。

②84-20和84-14孔位于“五含”南部，后被证实钻孔堵塞，数据不具分析价值。

③ “四含”、奥灰水位降(约4〜7 m)显示参与对 “五含”的补给，为此次出水的间接补给水源。

④ 太灰观测孔远离出水点，间距超过8 km，水 位无明显波动。

综上，根据对866^工作面出水各钻孔水位变化
分析得出，“五含”静储量较大，为出水的主要直接
补给水源，“四含”、奥灰水均参与对“五含”的补给，
其中奥灰水动储量大，补给显著。

3.3与主要含水层的补给关系
结合“五含”覆盖区地层接触关系、各含水层水
位动态变化特征及水化学特征等综合分析，“五含”
补给水源主要为“四含”、太灰及奥陶系灰岩含水层
(图 7)〇
a•与“四含”的补给关系以压覆补给为主，间
接补给为辅。

在“四含”与“五含”直接接触带上，“四
含”、“五含”可视为同一含水层组，为互相补给关系 [9]。

“五含”水位下降，牵动“四含”对“五含”直接补给。

“四含”连续性、透水性差，且主要为“五含”隐伏露
头区局部补给，补给量有限。

此外，“四含”广泛覆
盖在侏罗系、煤系及太灰、奥灰之上，灰岩水对“四
含”存在补给关系，加上“四含”与“五含”之间存在隐
伏露头区补给关系，灰岩水可通过“四含”成为“五
含”间接补给水源。

b.与太灰、奥灰的补给关系以压覆越流补给
为主，以断层对接补给为辅。

井田北部及东北部“五
含”直接覆盖于太灰、奥灰之上且无稳定的隔水层。

各含水层水位动态显示，“五含”水位低于灰岩水位，
必将存在奥灰及太灰水对“五含”
的压覆越流补给。

•116 •煤田地质与勘探第46卷
(a)平面图
图7主要含水层补给关系平剖面示意图[6_7]
Fig.7 Schematic diagram of recharge relationship of the main
aquifers
补给主要取决于其压覆面积，尤其是塔桥断层和F21
断层对“五含”影响尤为明显。

井田东部F21断层一
线，按照其200 m以上的落差推算，断层上盘太灰、
奥灰隐伏露头与断层下盘“五含”对接。

太灰及奥灰
水对“五含”存在断层对接补给关系。

4 “五含”水害特征分析及防治对策
4.1水害特征
“五含”下伏8煤压覆可采储量约2 000万tQ
866-1工作面的溃水事故表明“五含”水害严重威胁矿
井北翼的安全生产。

通过对“五含”赋存条件、岩溶
发育特征、构造发育情况、富水性分区特征及与主
要含水层补给条件的综合分析[1()]，“五含”水存在以
下几个主要水害特征。

a.静储量大根据矿井北部“五含”赋存条件、线岩溶率等相关因素粗略估算，塔桥断层以南断块
内，“五含”赋水量约为1 400万m3。

b.径流条件好1993年放水试验、2015年溃水 的水位观测资料显示，“五含”中区和北区浅部-350
m以上，岩溶发育率高，径流条件极好。

影响范围
内“五含”水可以快速得到补给。

c.顶板水压高“五含”中北区稳定水位约-20〜-30 m，8煤开采深度-350〜-400 m。

顶板水压
力约3〜4 MPa。

d.动态补给强放水试验及溃水资料分析，“四含”、太灰及奥灰水均对“五含”形成补给，尤其是奥灰含水层，水量丰富，补给量充足，是“五含”的主
要补给水源。

综上，采掘扰动影响下，导水裂缝带一旦波及
到“五含”，在水压高，径流强，静储量大，动态补
给强等的情况下，极易形成顶板溃水。

且溃水量一
般较大，来势凶猛，持续稳定。

目前，常规的治理
方法难度极大，效果有限，极易诱发隐蔽性强的叠
加水灾事故，严重威胁矿井生产安全。

4.2水害防洽对策
顶板水害的常规治理思路是疏干开采。

根据上
述条件分析，由于“四含”、太灰及奥灰水对“五含”
形成补给，尤以灰岩水的补给量大，直接对“五含”
进行区域性的疏水牵动灰岩水补给，一方面增加无
效排水费用，另一方面，水位疏降困难，难以彻底
根治水害。

根据“五含”水害特征及与主要含水层的补给关
系，须采取“帷幕截流”和“疏干开采”相结合的综合
水害防治对策。

a.帷幕截流在8煤开采范围以外、10煤或太 灰以内不受采动影响的合适位置，设计建造一条防
渗帷幕墙。

通过合理布置地面探注钻孔，对设计墙
体位置进行钻探探查，查明帷幕线上“五含”储水空
间或径流通道，然后利用地面注浆系统进行反复的
注桨和压水试验检查，最终在预设位置建造一条具
有“上顶下底隔水”且满足8煤安全开采截流要求的
连续防渗墙体，阻隔来自帷幕墙外侧“五含”及灰岩
水对矿井的侧向补给。

b.疏干开采根据建帷幕墙前各个含水层的水位动态特征、补径排关系、水力联系、水均衡情况
等资料，建立“五含”覆盖区及一定影响范围内的地
下水流数值模型，模拟帷幕墙建成后的地下水流场
动态变化特征。

根据模拟计算确定最优疏放水量和
最佳疏放位置，通过井下、地面相结合的疏干工程，
将帷幕墙内“五含”水位疏放至主采煤层底板以下，
保证工作面不受顶板“五含”水害威胁。

5结论
a.淮北朱仙庄煤矿“五含”除局部被剥蚀及断
层影响外，平均层厚约55〜65 m。

底板深度
-220〜-560 m，西高东低。

受多组断层切割，以正断
层为主，未被完全切断。

浅部岩溶发育程度髙于深
部，具有显著的垂向分带性。

富水性分为南、中、
北3区，越往北富水性越好。

放水试验及溃水后水
位观测资料显示，中区、北区水力联系密切，静储
量大。

“四含”、太灰及奥灰水均对“五含”形成补给
，
第2期朱冠宇等：朱仙庄煤矿“五含”水文地质特征及水害防治对策•117 .
奥灰水为最主要的补给水源。

各含水层对“五含”的
补给方式分别为压覆补给、压覆越流补给、断层对
接补给、间接补给。

b.“五含”水静储量大，径流条件好，水压高和 动态补给强。

依据“五含”水害特征及与主要含水层
的补给关系，经研究须采取“帷幕截流”和“疏干开
采”相结合的综合水害防治对策。

参考文献
[1] 刘天泉，梁怀清，马嘉荣，等.淮北矿务局朱仙庄煤矿侏罗纪
砾岩岩溶含水层疏降的工业性试验研究报告[R].北京：煤炭
科学研究总院北京开采研究所，1993.
[2] 赵成喜.淮北矿区深部岩溶突水机理及治理模式[D].徐州：
中国矿业大学，2015.
[3] 李伟，童伯根，申宝宏.朱仙庄煤矿十采区四、五含水层下采
煤可行性研究[R].北京：天地科技股份有限公司开釆设计事
业部，2009.
[4] 王千遥，李元杰.淮北矿业股份有限公司朱仙庄煤矿8、10
采区高密度三维地震勘探报告[R].西安：中煤科工集团西安
研究院有限公司，2015.
[5] 叶礼明，胡统先.淮北矿业股份有限公司朱仙庄煤矿“五含”
地质及水文地质补勘报告[R].淮北:淮北矿业(集团)勘探工程
有限公司，2015.
[6]吴基文，张朱亚，赵开全，等.淮北矿区高承压岩溶水体上采
煤底板水害防治措施[J].华北科技学院学报，2009，6(4): 83-86.
WUJiwen, Z H A N G Zhuya, ZHAOKaiquan, e t a l.The co ntr ol measures of coal fl o or water damage under high-pressure ka r s t
water in Huaibei mining a r e a[J].Journal of North China i n S t at u t e of Science and Technology, 2009, 6(4)：83-86.
[7] 刘钦节，杨科，史厚桃，等.朱仙庄煤矿南翼地应力原位
测试及其最优化反分析[J].煤田地质与勘探，2016, 44(4): 30-34.
LIU Q i nj i e,Y A N G Ke, SHIHoutao, e t a l.I n-s i t u t e s t and op­timized back an alysis of g e o-s tr ess i n Zhuxianzhuang coal mine[J]. Coal Geology &Exploration, 2016, 44(4)：30-34. [8] 叶礼明，胡统先.淮北矿业股份有限公司朱仙庄煤矿“五含”
群孔抽水试验报告[R].淮北:淮北矿业(集团)勘探工程有限公 司，2015.
[9] 孙福元，刘秀娥，吕康林.朱仙庄煤矿“五含”、“四含”疏降的
有限元预计[J].煤矿开采，1994(4): 31-34.
SU N Yuanfu ,LIU June ,LY U Kanglin. F i n i t e element prediction fo r water-discharge of "f i f t h aquifer1'and "fo r t h aqui­
f e r"on Zhuxianzhuan
g coal mine[J]. Coal Mining Technology,
1994(4)：31-34.
[10]邵传林.淮北矿务局朱仙庄矿四、五含水的防治途径和方法
[C]//全国煤矿重点水害防治技术方法交流会，1990.
(责任编辑张宏）。