十层煤底板突水水文地质条件分析

根据突水原因、条件和规律的分析，突水水文地质条件要研究的问题主要有:

1)含水层的岩性、厚度，岩溶裂隙的发育情况。地下水的补给、径流条件及具体块段的富水性。

2)隔水层和相对隔水层厚度、岩性及其剖面上的组合关系，隔水层的阻水性，即隔水层裂隙在原始状态下的阻水减压能力和采动条件下的变化。

3)断层构造的分布及其倾角、断距的大小，位移后断层带两侧含水层、隔水层相互关系，它对含水层的富水性、隔水层的阻水性所起的控制作用。

淄博是开采历史较久的矿区。揭露煤层底板有关隔水层、含水层的井上、井下钻孔也比较多，而且绝大多数是取芯钻进，岩性、厚度资料比较确切，这为分析煤层底板突水地质条件积累了丰富的资料。

综合分析这些资料，可以看出淄博煤田十层煤底突水水文地质条件在矿井之间，同一井田的不同区段之间变化是很大的，分区块段性很明显。

3.3.1.1含水层

淄博矿区十层煤底板有4个含水层，即:徐上砂岩、徐灰岩、徐下砂岩、奥灰岩。

(1)徐上砂岩

因其位于十层煤底板，徐灰之上而定名。这一砂岩矿区普遍发育，硅质胶结，坚硬性脆，但厚度、分层变化很大。当只有一层厚仅3～4m，或分为2～3层单层厚度仅2～3m时，这一砂岩组含水性较弱，便成了相对隔水层。当单层厚度加大到10m以上时，可成为底板突水的直接含水层之一，富含裂隙水，钻孔遇裂隙曾出现钻具自动下落0.2m的现象。在石谷矿区这一砂岩的单位涌水量0.013～0.42L/s·m，平均0.18L/s·m;渗透系数为0.1～2.18m/d，平均0.75m/d，单点最大突水量2.126m³/min，采区(600m×600m)最大突水量8.43m³/min，水压10.15kg/cm²时，井下单孔(直径89mm)最大自流量2.5m³/min。

现有资料初步判明，全矿区有4个块段，该层砂岩厚度较大，可能成为突水的直接含水层，这四个块段是:石谷及龙泉北翼区，砂岩展布面积约8km²，厚7～26m，平均15.33m;昆仑区，展布面积13km²，厚6.5～18.68m，平均11.9m;夏庄一井－200m水平区，展布面积4km²，厚1.14～13.82m，平均7m;岭子宝山区，展布面积3km²，厚4.38～16.6m，平均9.4m。

(2)徐庄组灰岩

位于十层煤与奥灰之间的中下部，上距十层煤25m左右，下距奥灰20m左右，是淄博引起煤层底板突水次数最多的含水层。当它的岩溶裂隙发育并与奥灰发生较强的水力联系时，可成为奥灰水量、水压的中转层，这时奥灰水对煤层底板的作用不是从奥灰顶面开始，而是从徐灰顶面开始，使煤层与奥灰间的隔水层几乎减少一半。当其岩溶裂隙不发育与奥灰水力联系不强时，可相对成为奥灰的隔水层。因此，正确认识这一含水层的富水特征，对防治煤层底板的突水有重要作用。通过综合分析钻孔和突水点资料，这一含水层有以下4个特点:

1)它的厚度与分层变化十分明显并有一定规律性。

在矿区内有的块段徐灰只有一层，有的块段分为二、三层，局部块段达四至五层，分层累加总厚度薄处只有0.14m，趋于尖灭，厚处可达18.29m。分层的基本变化规律是:在淄博向斜盆地寨里北大井以南基本上是两个分层，只有夏庄一、二井，黑山一井局部变化为一层。北大井沈马庄以北区基本上是3个分层，从河东到沣水一带是四至五个分层，面积约13km²。岭子明水斜地和埠村向斜盆地基本是两个分层。但不论分几层，厚而稳定的只有一层而且是最底部的一层，其他都是较薄的小分层。最厚的这一层徐灰，在淄博向斜盆地由南而北厚度亦呈厚薄相间状态，愈往北愈厚的变化规律。具体是双山区7.67m，夏庄区3.5m，奎山昆仑区7.62m，龙泉石谷7.06m，北大井北斜井5.28m，双沟区8.43m，南定区6.81m，湖田区10.4m。由于徐灰的这种厚度和分层的变化，改变了突水水文地质条件，徐灰的尖灭变薄区和分层增多区，裂隙岩溶发育受到限制，富水性减弱，往往可以成为奥灰的相对隔水层，至少可以降低突水时中转奥灰水量、水压的作用。

2)徐灰岩溶的发育有随着埋深的加大而减弱的趋势。

从双山区看，岩溶发育的变化趋势如下:地表+250m左右，可见直径0.5～1m的溶洞。地质24号孔，孔口标高+179.94m，+29m水平见徐灰有溶洞，水喷出孔口，单位涌水量0.15L/s·m，渗透系数1.34m/d。地面水文2号孔，孔口标高+263.7m，于－62m水平见徐灰岩心有轻微溶蚀现象。井下水文1、2、3号孔，孔口标高+1.74～－0.76m，于－103～－106m见徐灰岩溶现象更微弱，用岩心面积法统计其裂隙岩溶率为0.28%～0.55%，单位涌水量0.01～0.24L/s·m，渗透系数0.09～0.2m/d。堵水3号孔，孔口标高+190.04m，于－155m见徐灰，岩心裂隙节理面清楚可辨，岩溶现象已不明显，水量很小，单位涌水量0.015L/s·m，渗透系数0.1m/d。上述资料表明本区岩溶发育最大深度在－160m水平，埋深约为350m。

夏庄矿一井区岩溶发育的变化趋势如下:井下水文观测1号孔，孔口标高+36.4m，于+11.4m见徐灰，钻进0.85m见溶洞突然喷水，涌水量1600L/min，单位涌水量0.184L/s·m，渗透系数3.72m/d。第一疏干水平共打徐灰孔17个，孔口标高－78～－80m，于－94.15～－136.5m见徐灰，大部分有岩溶现象，单孔自流量400～2340L/min，单位涌水量0.059～0.25L/s·m，渗透系数1.31～6.64m/d。其中疏1号孔在－133.67m见徐灰，钻进1.14m遇溶洞突然喷水，涌水量1550L/min。万山地质7号孔，孔口标高+181.745m，于－172.03m见徐灰，岩溶现象不明显，单位涌水量0.012L/s·m，渗透系数0.17m/d。第二疏干水平共打6个孔，孔口标高－219～－244m，于－238.84～－266.15m见徐灰，单孔自流量为80～400L/min，单位涌水量0.02～0.03L/s·m，渗透系数0.3～0.76m/d。资料表明本区岩溶发育最大深度在－170m水平，埋深亦为350m左右。

其他井田的资料证明亦有如上规律。

徐灰的这一特征，对突水水文地质条件的变化有重要的影响。愈到深部愈以构造裂隙水为主，富水性逐渐减弱，只要查明构造破碎带，徐灰便可能转化成为奥灰的相对隔水层。

3)徐灰的富水性有明显的分区块段性。现有资料证明夏庄二井、龙泉南翼、奎山井田西北部、石谷940采区以北、寨里二井，由于断层及火成岩墙的切割隔离，徐灰没有露头接受降水补给，或由于厚度较薄，岩溶减弱，甚至不含水。而双山白虎山逆断层两侧区、夏庄一井枣园至安上区、石谷的2号与3号岩墙之间区、洪山矿的邢家至河东区富水性就比较强，煤层底板突水水量可达5～8m³/min，疏干稳定水量可达4～5m³/min，影响半径可达1000～2000m。

4)徐灰的富水区，往往与奥灰有较强的水力联系，实质上就是奥灰的富水区。徐灰露头展布条带状，面积较小，除处于河沟冲击层覆盖的少数块段能得到降水较强补给外，大部分地区降水补给量不大。如果水量较大，又长期不能疏干，则主要是通过断层、节理裂隙与奥灰发生了较强的水力联系得到奥灰的补给所至。现在已经有许多实例证明这一点。

夏庄一井－80m水平徐灰疏干区，疏干5号孔，孔口标高－80.55m，于孔深36.86m见断距13m的断层和断层带附近的徐灰0.45m，喷出水量2.88m³/min，水压23.3kg/cm²，喷出长轴14cm的豹皮灰岩碎块，证明奥灰岩断层带直接补给了徐灰水。

夏庄一井190下山1903面东断距7m的东顶山二号断层下盘突水，水量5.74m³/min，升压试验证明是奥灰水补给徐灰水所致。

石谷矿利用99号奥灰观测孔投放食盐2000kg，对940-5号徐灰放水孔和930、940采区底板出水进行连通试验，证实该区徐灰和徐上砂岩涌水之所以较大实际上是因为得到奥灰水的补给。

930出水区，水量1.778m³/min，投NaCl前，水的Cl^－含量17.73mg/L，218h后升为23.04mg/L，持续2h后又恢复到背景值17.73mg/L。

940-5号徐灰孔，放水量1.16m³/min，投NaCl前，水的Cl^－含量也为17.73mg/L，452h后升为19.5mg/L，持续22h后又恢复到背景值17.73mg/L。

940采区南翼出水点，水量0.42m³/min，投NaCl前，水的Cl^－含量17.75mg/L，投放后452h升为19.5mg/L，持续1h后又恢复到背景值17.75g/L。

投放NaCl的奥灰孔位于出水点与徐灰孔的倾斜下方，通过NaCl溶液的自然扩散，最后能造成出水点与徐灰孔Cl^－含量持续较长时间的异常，表明奥灰水的补给还是比较强烈的。

根据徐灰的这一特征，通过加强对徐灰的探查和疏水降压，可起两方面作用:①当补给不太强时，可把奥灰越层补给的水量和对煤层底板作用的水压威胁解除掉。②当补给很强时，徐灰水压、水量长期不能降下来，表明与奥灰水力联系很强，有奥灰突水的危险，要采取其他预防措施，这样对徐灰探查疏水实质上就起了判别奥灰突水危险程度的作用。

(3)徐下砂岩组

因其位于徐灰岩之下而定名。有时它直接覆盖在奥灰顶面，为一钙质或硅质胶结的含砾砂岩，岩相变化比较大，大部分地区被砂质泥岩或页岩所代替。目前有资料证明其存在的块段有四个。

夏庄二井区，从露头向北西方向展布，厚11.66～19.35m，平均13.7m，面积约3.5km²。夏庄地质1号孔打到这一层位，出现孔口自流，水文12号孔也有同样情况发生，单位涌水量0.15L/s·m。

奎山昆仑区，从北万山、小店到昆仑，分布面积约17km²，砂岩厚4.28～12.9m，平均8.19m。

北大井中部区，由十五中、洪山铝土矿到精神病院一带，分布面积约4km²，厚2.6～21.4m，平均6.56m。

寨里一井浅部区，从峨庄到寨里、邹家庄一带，面积约4km²，厚8.38～23.4m，平均15.6m。

这一砂岩的存在，对防止奥灰突水，既有有利的一面，也有不利的一面。有利的是砂岩岩性坚硬，抗压、抗张和抗冲刷能力较大，使奥灰水的突水要受到本砂岩裂隙的制约，不容易发生裂隙扩大型突水。不利的是砂岩裂隙发育又得到奥灰补给时，可成为煤层底板突水含水层，像徐庄组灰岩一样，对奥灰水压、水量起中转作用，缩短了煤层与奥灰之间的隔水间距。

(4)奥陶系灰岩

根据野外实测剖面，淄博矿区这一含水层总厚达821m。综合分析区域水文地质条件和有关钻孔、矿山开采资料，淄博的奥灰具有以下4个特点:

1)露头广阔，补给条件好，动、静储量大。中下奥陶统厚821m，与其连续沉积的上寒武风山、长山组主要为中厚层板状灰岩，厚约250m，通过构造其岩溶裂隙往往与奥陶系下段沟通，所接受的补给水量可以成为奥灰的一部分，从这一角度看，淄博向斜盆地这一碳酸盐类岩层的实际补给面积为1320km²。岭子明水斜地为450km²。埠村向斜盆地为270km²。特别是淄博向斜盆地，碳酸盐岩地层露头区有断距100～300m的神头西河断层、岳阴断层、石马断层、福山源泉弧形断层，炒米店漫泗河弧形断层，淄河断裂带等错综切割，台阶式断落，既扩大了露头面积，又因构造裂隙的发育增大了降水的入渗系数，补给更为充沛。矿井一次最大突水量曾达443m³/min，36h涌出总水量达6022423m³。证明这一含水层的补给量和给水度确实很大。

2)平面和剖面上水力联系虽然比较广泛，但由于构造、火成岩墙的分割也有局部的分层分区的隔离性。北大井－81m水平透水，相距12km的沣水泉群迅速干涸;双山矿－145m水平突水，相距2.4km的良庄、秋谷等泉群迅速干涸，表明平面上的水力联系是相当强的。1976年10月17日北大井西大巷奥灰六段顶面突水9.9m³/min时，局机关奥灰观测孔主要为中奥陶第四段水，水位明显下降5.07m，表明四段与六段联系很好，可见剖面上水力联系也非常密切。这种广泛联系的发生与构造垂直切割了各层段并沿走向延伸较远和岩溶的水平循环带发育有关。但一定块段内也有分区分层的隔离性。如双山－145m水平突水，孝妇泉群虽然距出水点较近，但没有影响。黑山新博医院供水孔奥灰六段水质不好，第四段水质好，总硬度前者德国度为34.75度，后者为15.68度。经隔离六段，长期取用四段水，水质没有受到干扰。西河跃进井区5、6号供水孔均为六段奥灰水，相距仅12m，但抽水时互不干扰，水质水温也不相同，5号孔水温19℃，总硬度28.84度，而6号孔水温21.5℃，总硬度则为33.04度。黑旺铁矿实际开采证实淄河断裂带两侧水温、水量、水位也有明显差别。两侧水温差1.5℃，同期水位东侧高出西侧1～10m，1976年雨季矿坑涌水量西侧3.9万m³/d。东侧则为10万m³/d。表明平面上和剖面上也有水力联系强弱之分。但在一定范围内基本上是一个统一的含水体，有统一的区域地下水位和相应的动态变化。

3)淄博的奥灰即使为煤系地层所覆盖，随着地层的倾伏，到了深部仍然普遍比较富水。造成此种现象的原因，分析认为与淄博向斜沿倾向发育一组断层构造有关。

4)奥灰顶面下10～20m富水性不强，有相对隔水的作用。但遇构造奥灰深部水仍可升出顶面。

3.3.1.2隔水层条件

淄博矿区煤层底板突水的主要威胁是奥灰，其次是徐灰，个别区段还有徐上砂岩和徐下砂岩。因此研究淄博矿区隔水层条件，主要研究对象是十层煤与徐灰、奥灰之间的间距变化规律。其次就是研究隔水层或相对隔水层的阻水性，它具体表现为井下钻孔向含水层钻进过程中即使在隔水层段内也往往有水，其水压、水量有逐渐递增的规律。

通过钻孔资料综合分析，淄博矿区煤层底板的隔水层条件，由于徐灰分层的增多，徐上砂岩，徐下砂岩的变厚或尖灭等原因，隔水或相对隔水层的厚度变化是很大的。现先从10_－2煤到徐灰，10_－2煤到奥灰顶，徐灰底至奥灰顶3个方面叙述:

1)10_－2煤到徐灰顶的间距最小为18.92m，最大可达40m，由东向西则是逐渐加厚的趋势。若以徐灰厚层为防突水的对象，则10_－2煤到厚层徐灰间距为27～49m。

2)10_－2煤到奥灰的间距由于古风化壳的起伏不平，不仅不同矿井有较大变化，即使同一井田变化也很显著。如南定区，有的块段平均厚只有55.19m，较厚的块段则为71.84m，大部分块段为60.46m。从全矿区看最薄的块段47.5m，最厚的块段可达83.72m。

3)徐灰底到奥灰顶的间距从埠村矿区的5.54m到洪山东北部28.94m，一般18m左右。

隔水层的阻水性是煤层底板突水条件应予以分析的重要方面之一。根据近几年的实践，我们发现隔水层的阻水性还可以通过井下钻进实际探查确定。

由于煤层底板存在承压水，在水压的作用下钻进水文孔常常出现这样一种现象:即使在隔水层的页岩和砂质页岩中，也往往有涌水，并显示一定的压力，随着钻孔愈向下钻进，水量、水压逐渐增加。很明显不同深度的水压差值就是这一段岩层裂隙消耗的水头，因此隔水层的阻水性实际上就能从这种“阻水减压”能力上直接地表现出来。如，石谷井下940-1号孔，俯角27.5°，钻进过程中出现了下述现象:斜深50.15m在砂页岩互层内即开始涌水，但水量很小;斜深58.5m，在砂页岩互层内，水量0.1m³/min，水压7.5kg/cm²;斜深68.25m，在砂页岩互层内，水量0.1m³/min，水压8kg/cm²;斜深77.1m，在石英砂岩内，水量0.15m³/min，水压12kg/cm²;斜深116.7m，在页岩内，水量很小，水压22kg/cm²;斜深133.25m，在徐灰内，水量0.2m³/min，水压26.5kg/cm²。

通过连通试验，本区奥灰有向徐灰和徐上砂岩垂直渗透补给的关系，按奥灰实测水位标高+113.12m计，实际水压42.9kg/cm²，表明徐灰与奥灰之间的隔水层在渗流过程中消减水压16.4kg/cm²，徐灰与徐上砂岩之间隔水层消减水压14.5kg/cm²，徐上砂岩顶板消减水压4.5kg/cm²。

这种消减水压的能力在奥灰顶面弱透水的一段中也能表现出来，如西河奎山井北大巷井下供水孔:孔深28.98m，在砂质页岩中涌水20L/min，水压2.5kg/cm²;孔深33.61m，在砂质页岩中涌水20L/min，水压4kg/cm²;孔深74.9m，奥灰顶面以下14.59m涌水61L/min，水压6kg/cm²;孔深111m，奥灰顶面以44.69m水量99L/min，水压14.5kg/cm²;孔深135.5m，奥灰顶面以下75.0m水量851L/min，水压17.5kg/cm²;孔深142.5m，终孔水压18kg/cm²，水位+193m，才真正达到奥灰实际水压，表明奥灰顶面岩层也有消减水压的能力。

又如:西河矿9024防尘孔，孔口标高－127m，从九层煤底板开孔:孔深63.45m，涌水0.13m³/min，水压5kg/cm²;孔深102.58m，奥灰顶面以下6.1m，水量0.102m³/min，水压11kg/cm²;孔深114.68m，奥灰顶面以下18.2m水量0.508m³/min，水压27.5kg/cm²。表明奥灰顶面12.1m实际消减水压16.5kg/cm²，这一情况说明:加强井下实际探查，了解隔水层的阻水性，掌握下伏承压含水层水沿裂隙上升高度和水头消耗情况是防止突水的手段。同时说明井下钻进时，在接近高压含水层前往往有征兆，只要加强观测，对防止井喷，保证安全能起报警作用。

3.3.1.3构造作用

构造对地下水的赋存、运移起着决定性控制作用。是引起直接突水的关键因素，因此研究突水水文地质条件必须充分研究矿井、采区直到工作面的构造展布规律及其对地下水的控制作用。采区和工作面的构造条件要在生产开拓的过程中具体详细观测解决。矿井的构造条件则可依据已有的勘探和生产实际资料作出分析和判断，这对分析采区和工作面的突水水文地质亦有一定的参考作用。

几个重点矿井构造展布规律及其与突水的关系。

双山区，存在两组明显的压性结构面。一是以下河逆掩断层为代表的东西向压性结构面，与其有成生关系的是一组X形断层，走向为NW17°～26°和NE36°。这一组形成较早，曾被南北向和北西向的断层切割位移。二是以白虎山逆断层为代表的近南北向的压性结构面，与其有成生关系的是一组近南北的正断层延伸较远，与其配套的剪切断裂走向为NW62°～78°，NE61°。这些构造在第三应力场中大部有过左旋扭动，倾向南或南西的正断层，这时均为张扭。因此本区北西向和东西向而倾向南或南西的正断层是导水断层，南北向破裂带经过扭动是地下水的集中径流带。

夏庄二井区，3个应力场均有反映。东西向压性结构面以5m逆断层为代表。南北向的压性结构面为白虎山逆断层，其纵张为五龙断层和鹰山断层，决定矿井构造面貌的是左旋应力场，它使五龙断层、鹰山断层发展为压扭性的地堑。东西向的断层被南北向断层左行剪切位移，南北向断层为北西向的断层剪切位移。本区仍然是北西走向倾向南西和东西走向倾向南的断层是导水断层，南北向的破碎带是地下水的径流带。

夏庄一井区，在109、110下山区也有近东西向和近南北向逆掩断层，断距不大。仅1～3m，但本井田发育了一组东西向的地垒和地堑，由东顶山二号断距8～12m断层与109顶盘断距11～13m、150顶盘9m断层组成，反映了第一次南北向压应力场的作用，断距22m的东顶山一号断层则是当时的横张。第三应力场在本区也主要表现了左旋扭动，因此本井田东西向倾向南，南北向倾向西和北西向倾向南西的三组正断层均为张扭，倾向相反者则为压扭，3组张扭断层都是导水断层。

奎山区，3个应力场的具体表现是:南北向压应力产生了断距12m东西向的逆断层，48m断距的辛庄压性破碎带呈舒缓波状，后发展为正断层。近东西向的压应力产生了跃进井东万山逆断层。第三应力场的左旋造成了北西向节理张开而有火成岩脉呈雁行排列出现和东西向断层被南北向和北西向断层切割左行位移。构造的富水和导水性质与夏庄区相同。

龙泉区，南北向压应力在本区表现为3条东西向的舒缓波状的压性破碎面，即南部断距20～27m，中部30～55m，北部15～30m973石门断层。东西向的压应力产生了近南北向973地堑。北北东向的断距22m逆断层是第二次近东西的压应力场的产物。左旋造成了南北向断层为东西向断层所错开，并使东西向和南北向构造裂隙发育为良好的网格状构造体系，其中东西向倾向南，北西向倾向南西的正断层是导水断层。

石谷区，第一应力场主要形成了井田中部走向NE80°断距25～55m的挤压破碎带，破碎宽度达5m多。第二应力场形成了走向NE30°～33°的石谷背向斜和NE20°～30°的断距8m和1.9m的两条逆掩断层。一、二应力场的剪切面形成了一系列复合的北西向断层和岩墙，如910新上山10m正断层、北八门口4～18m正断层，490上山北翼7m正断层和断距0.8～11m北西向的6条岩墙。第三次的扭应力场使本区北西向倾向北东的正断裂为压扭性，倾向相反的为张扭性，并形成了NW30°的舒缓褶皱，如，920上山南翼、930北翼、940北翼沿地层走向的波谷状变化。从井下多次发生底板突水的事实看，井田构造的控水特征仍然是北北东向构造是富水带，北西向构造是导水的。

北大井区，第一应力场在本区主要表现为强烈的横张和纵张。横张形成了走向近南北的王母山———独坡山断层，本井田区内断距190～400m，纵张形成东西向正断层，北西向的剪切面特别发育，形成了13条断层岩墙。近东西向的压应力在本区主要表现为车六井的急倾斜。第三次扭应力作用使本区的构造有的呈张扭，有的呈压扭，其富水和导水情况与石谷区相同。从构造的上述展布特点，可以初步推断王母山———独坡山断层具有划分水文地质单元的意义，断层两盘的水文地质条件可能存在较大差异。东西向和北西向断层是导水断层，必须引起高度警惕。