煤矿区域地下水特征及水文地质结构充水模式探析
吾斯曼江
（新疆水电设计院地质研究所，乌鲁木齐 830000）
新疆煤炭资源具有总储量大、埋藏较浅、可采性好等一系列优势，预测储量2.19 万亿吨，约占全国的40.5%。在煤矿开采作业中，必须要提前探明矿区的水文地质条件，在此基础上制定科学的开采方案，从而保证开采效率与作业安全。结合现有地质调查资料，矿区充水水源主要有降水、地表水，以及煤层顶底板基岩裂隙水、火烧区积水和老窑积水等类型[1]。在此基础上，研究煤矿水文地质结构充水模式，能够为下一步采取水害防治措施，切实保障生产安全提供一定的参考。
1.1 地下水特征
新疆煤矿区域的地层含水层以第四系松散岩孔隙含水层和侏罗系碎屑岩裂隙含水层为主，另外还有部分烧变岩裂隙含水层、冻水含水层。其中，第四系孔隙含水层的主要成分为多孔砂岩、砾岩；
裂隙水主要为出露于浅表的基岩分化裂隙、构造裂隙产生的承压裂隙水，例如位于天山东段、准格尔盆地南部边缘的吉新矿区，其含水层即为裂隙含水层。地下水的补给源较为丰富，像大气降水、冰雪融水、地表水体、孔隙水及裂隙水等，都属于主要的地下水充水水源。地下水的排泄方式以泉水、植物蒸腾为主，在一些矿井比较集中的地方，采煤后期疏干排水也是地下水排泄的一种主要途径[2]。
1.2 矿区充水水源
新疆煤矿区域的充水水源主要有降水和地表水、裂隙水、积水3 种类型。按照补给量从大到小排序，依次为：裂隙水＞降水和地表水＞积水。
1.2.1 裂隙水
根据透水性的强弱，将岩层分为透水层和不透水层。而透水层又可分为潜水含水层、承压水含水层，不透水层通常为隔水层，如图1 所示。
图1 地下水埋藏示意图
其中，含水层在自然条件下能够储备和透过相当数量的地下水，形成含水层的必要条件有3 个，即孔隙发育、具备储集地下水的条件和良好的透水能力。如果煤层顶板、底板存在含水层，后期煤层开采作业时将含水层下方的隔水层破坏，形成了裂隙通道，则含水层的地下水就会沿着裂隙通道涌入矿井，成为最主要的充水水源。
1.2.2 降水和地表水
新疆属于典型的温带大陆性季风气候，年均降水量仅为150mm。大气降水主要是降雨和降雪，其中6-8 月份降雨集中，11 月至翌年3 月降雪较多。降水成为煤矿矿床充水的又一主要水源。尤其是在春季高山冰雪开始融化后，由于水流速度较慢，因此大部分都渗透到地下，是主要的矿床充水水源。另外，一些开采力度较大、开采年限较久的煤矿区域，由于地下煤层被掏空，上覆岩层因为失去支撑出现弯曲，形成了若干洼地和裂缝。洼地处更容易汇集雨水和冰雪融水，并且沿着裂隙继续向下渗透，也成为了矿床充水水源。
1.2.3 赋存积水
赋存积水也是矿床充水的水源之一，在新疆煤矿区域比较常见的有火烧区积水、老窑积水2 种类型。所谓老窑积水，就是一些较早开发的煤矿中，由于采煤方式不当或者存在越界开采等问题，导致老窑水涌入矿井中。而火烧区积水则是因为矿区内烧变岩受到火烧程度不同或者地质活动影响等，在底部形成锅底或锯齿形状。这种形状很容易蓄积从地表渗透下来的地表水，久而久之形成了大量的积水[3]。在火烧区下方进行采煤作业时，如果地质扰动过大或没有采取有效的支撑保护措施，出现导水裂隙带，就会使得火烧区积水沿着裂隙带涌入矿井。
煤矿开采中发生的矿井水害，很多与矿区水文地质结构有直接关系。尤其是在充水水源丰富、突水威胁较高的情况下，如果未能提前采取行之有效的预防措施，均有较大概率发生矿井用水事故。从水文地质勘察资料来看，新疆煤矿区域水文地质结构模式主要分为3 种，即地表水充水模式、地下水含水层充水模式以及烧变岩区积水充水模式。
2.1 地表水充水模式
此种水文地质结构是由地表河流水沿着岩层裂隙向地下渗透，进而导致煤层富水性升高，对矿井造成涌水危害。根据河流的周期性水位变化，又可分成季节性河流、常年性河流2 种类型。季节充水型水文地质结构模式下，矿井周边通常有一条或多条季节性河流，并且河流底部岩层存在裂隙，裂缝贯通河流底部与矿井，形成一个涌水通道。进入多雨季节后，河流水位上涨，河水也随之进入矿井，造成矿井水灾。常年性河流虽然径流比较稳定，但是在河流下方进行煤矿开采时，若未做好相应的保护措施，也有可能因为地质扰动等原因导致矿井内出现渗水[4]。
2.2 地下水含水层充水模式
由上文分析可知，新疆煤矿区域的充水水源以第四纪裂隙水、侏罗纪裂隙水为主，并且岩层多为砂岩。随着煤炭开采深度的不断增加，开采面与含水层的距离也会越来越近。如果煤层顶板裂隙带与含水层联通，将会形成一条充水通道，使得上部含水层的水，沿着这条充水通道渗透到矿井中。位于天山山前的煤矿区，从地质调查数据来看，其煤层厚度通常在10m 左右，基岩厚度在50~100m 不等，属于较厚煤层。在开采过程中，形成的导水裂隙带如果与山前冲积物中季节性雪融水、斜坡过境流相互混合，也会引起突水溃沙事故。除此之外，像库车永新煤矿、吐鲁番艾丁湖煤矿等矿区，煤层顶板均存在厚层裂隙水。如果开采期间未做好保护支撑措施，后松散层底砾层有较大概率出现突水溃沙事故。事实上，近年来新疆一些煤矿在开采中，因为面临顶板侏罗系和白垩系厚层砂岩突水威胁，均有较高概率发生矿井水害。例如，新疆哈密大南湖矿区，顶板侏罗系砂岩水突水威胁严重，个别矿井记录到的正常涌水量已经接近300m3/h，整个矿区的开采作业都受到了影响。
2.3 烧变岩区积水充水模式
煤层顶板因为受到煤层露头附近沟谷切割作用，或者倾斜露头与空气接触并发生自燃影响后，容易在顶板处形成烧变岩。由于烧变岩本身呈破碎状，含有大量的裂隙，地下水在重力作用下汇集并填充到烧变岩的裂隙中，形成烧变岩含水区。由于烧变岩区的地下水补给条件较好，使得该区域含水率较高，在煤层开采时将会面临突水威胁。
新疆煤矿集中分布在山前棚顶、山前倾斜带盆地边缘，但是由于开采过程中产生地质扰动、破坏岩层结构，使得第四系松散岩孔隙含水层与侏罗系碎屑岩孔隙—裂隙含水层受到破坏，地下水沿着裂隙、孔隙涌入矿井，成为矿区主要的充水水源。除此之外，大气降水、高山冰雪融水，以及地表河流水等也是矿区充水的主要途径，在部分矿区存在烧变岩区积水，也会成为矿区充水水源之一。从整体上来看，新疆煤矿区域的充水通道多集中在断层、裂隙密集带，并且矿井涌水量偏小，因此正常开采下受到的突水溃沙威胁较小。但是随着煤矿开采力度的增加，以及开采深度的加深，下一步必须要继续加强区域内水文地质结构的勘察与分析，定期更新和全面掌握煤矿区域内的水文地质信息，才能为煤矿开采作业的高效率和安全开展提供保障。
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