大陽(yáng)煤礦3#煤層三采區(qū)充水條件分析及涌水量預(yù)測(cè)措施

文/李志強(qiáng)

大陽(yáng)煤礦3#煤層三采區(qū)充水條件分析及涌水量預(yù)測(cè)措施

文/李志強(qiáng)

煤礦井下開(kāi)采往往由于突水事故造成停產(chǎn)，人身傷亡，使財(cái)產(chǎn)遭受損失。山西蘭花集團(tuán)大陽(yáng)煤礦三采區(qū)現(xiàn)在處于開(kāi)拓階段，為了確保三采區(qū)順利開(kāi)采，主要從礦井充水水源、充水通道及影響因素等幾方面深入分析充水條件，并采用大井法對(duì)采區(qū)涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

一、地質(zhì)構(gòu)造概況

通過(guò)三維地震勘探，大陽(yáng)煤礦三采區(qū)3#煤層的賦存形態(tài)總體為一走向近南北的背向斜構(gòu)造，該區(qū)內(nèi)地層變化較小，傾角在1°～10°之間。區(qū)內(nèi)3#煤層埋深總趨勢(shì)為西南部埋藏深，東部埋藏淺。該區(qū)查明落差大于或等于5m的正斷層2條，直徑大于或等于25m的陷落柱20個(gè)，均為陷落了3#9#15#煤層。

二、水文地質(zhì)特征

1.含水層

根據(jù)地層、巖性、含水空隙特征及埋藏條件等，將礦區(qū)地層劃分為七個(gè)含水層，奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組、石炭系上統(tǒng)太原組含水層、二疊系下統(tǒng)山西組含水層、二疊系下石盒子組砂巖裂隙含水層、二疊系上石盒子組砂巖裂隙含水層、基巖風(fēng)化殼含水層、第四系砂礫石層孔隙含水層。

2.隔水層

石炭系上統(tǒng)太原組底部及中統(tǒng)本溪組隔水層；二疊系砂巖含水層層間隔水層；第四系松散層下部粘土隔水層均為該區(qū)的良好隔水層。

3.地下水的補(bǔ)徑排條件

中奧陶統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r為區(qū)內(nèi)富水性相對(duì)較強(qiáng)的含水層，主要接受東部和南部的灰?guī)r裸露區(qū)及半裸露區(qū)大氣降水補(bǔ)給，局部接受河道地表水滲透補(bǔ)給及上覆含水層的越流補(bǔ)給，集中向西南方向的延河泉及下河泉排泄。

大氣降水垂直入滲，是巖溶地下水的重要補(bǔ)給來(lái)源。此外，松散巖類(lèi)孔隙水及其他含水層的地下水，通過(guò)導(dǎo)水通道也可成為巖溶地下水的另一補(bǔ)給來(lái)源。

石炭、二疊系地層具有含水層、隔水層相間成層的特點(diǎn)，對(duì)大氣降水及地表水的補(bǔ)給存在不利因素，特別是深部巖層裂隙不發(fā)育，接受大氣降水和地表水主要受地形限制，在切割較深處以裂隙下降泉的形式排出地表，只有少量垂向補(bǔ)給深部含水層。

第四系松散巖類(lèi)孔隙含水層多沿山坡及溝谷低凹地帶分布，主要接受大氣降水及基巖風(fēng)化裂隙水補(bǔ)給，向地形低凹處和下伏地層排泄。該含水層具有透水性強(qiáng)、富水性強(qiáng)弱不均的特點(diǎn)。

三、采區(qū)充水條件分析

1.大氣降水對(duì)采區(qū)充水的影響

該采區(qū)部分地段由于各煤層埋藏相對(duì)較淺，因此大氣降水是礦坑水的主要來(lái)源，即大氣降水通過(guò)基巖裂隙、松散沉積物孔隙滲入井下，在基巖裂隙相互溝通的情況下進(jìn)入采掘工作面，或者通過(guò)采空區(qū)地表塌陷、裂縫直接進(jìn)入井下，由于降水量的季節(jié)變化，礦井涌水量具有明顯的動(dòng)態(tài)變化特征，一般雨后5～10天，礦井涌水量即顯著增加。

2.地表水對(duì)采區(qū)充水的影響

位于采區(qū)內(nèi)的地表水體主要是長(zhǎng)河及鄰近的萬(wàn)里水庫(kù)。河流流量和水庫(kù)水量均受季節(jié)影響，夏季水量較大，雨后山洪暴發(fā)，流量激增。這些地表水體通過(guò)巖層裂隙和采煤引起的地表塌陷、裂縫補(bǔ)給煤層上部的含水層，可對(duì)井田基巖地下水及礦坑水產(chǎn)生一定的影響。將來(lái)開(kāi)采至其附近時(shí)，應(yīng)采取有效措施，防止雨季地表水通過(guò)采空區(qū)地表塌陷、裂縫涌入井下，造成水災(zāi)事故。

3.地下水對(duì)采區(qū)充水的影響

三采區(qū)開(kāi)采3#煤層直接充水含水層為煤層上部的砂巖裂隙水，和下石盒子組底部K8含水層地下水，該含水層厚度約15.0～20.0m，含水層單位涌水量0.000153～0.0042L/s.m，滲透系數(shù)0.00152～0.0051m/d，富水性弱。對(duì)礦井充水量不大。

4.采空區(qū)積水對(duì)采區(qū)充水的影響

影響礦井生產(chǎn)的充水水源主要為3#煤層采空區(qū)積水。由于3#煤層的采空，在一些低洼部位常形成積水。這些積水的來(lái)源有兩方面：一方面是采空區(qū)上覆含水層水，沿采動(dòng)裂隙流入井下；另一方面是生產(chǎn)過(guò)程中的人工補(bǔ)給水，三采區(qū)在開(kāi)采時(shí)要注意留好防水保安煤柱，防止一采區(qū)采空區(qū)積水涌入采區(qū)內(nèi)。

四、采區(qū)充水通道

1.頂板導(dǎo)水裂隙帶

根據(jù)勘探資料分析，區(qū)內(nèi)部分煤層埋藏較淺，多數(shù)地段基巖風(fēng)化裂隙帶與3#礦坑頂板冒落導(dǎo)水裂隙帶之間相互溝通。頂板充水是井田3#煤層沖水的主要來(lái)源之一。

根據(jù)《煤礦水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（MT/ T1091-2008）關(guān)于煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式，結(jié)合煤層頂板堅(jiān)硬程度來(lái)確定。

3#煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖、中細(xì)粒砂巖等，根據(jù)頂板巖性，采用下列公式計(jì)算其導(dǎo)水裂隙帶高度：

式中Hf—導(dǎo)水裂隙帶高度（包括冒落帶的最大高度）m，

M—煤層厚度（3#煤層厚度4.63~7.15m），

n—煤層開(kāi)采次數(shù)（一次采全高，取值為1）。

采區(qū)內(nèi)3#煤層一次采全高是產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶最大高度為70.59～105.80m，導(dǎo)水裂隙帶最大可溝通上部下石盒子組地層下部的K8砂巖含水層及下石盒子組地層中部砂巖含水層。

2.斷層構(gòu)造

采區(qū)勘查時(shí)發(fā)現(xiàn)的3條大小斷層不富水或富水性較弱。其中兩條正斷層落差分別為16m、15m，具有導(dǎo)水性，貫通頂板砂巖裂隙含水層，在連續(xù)的開(kāi)采中將此斷層作為劃分采區(qū)邊界，留好防水保安煤柱。

3.陷落柱

陷落柱導(dǎo)水，采區(qū)范圍內(nèi)共有陷落柱20多個(gè)，主要分布在采區(qū)四周，一般不富水或富水性極弱。但陷落柱內(nèi)的巖性比較復(fù)雜，且膠結(jié)程度較差，它往往又能與基巖風(fēng)化帶和頂板裂隙帶含水層溝通，因此對(duì)礦井開(kāi)采影響較大。

4.地裂縫

該采區(qū)內(nèi)存在大規(guī)模的地裂縫，易形成對(duì)大氣降水、上層風(fēng)化帶裂隙水及3#煤層上部裂隙含水層地下水的礦井充水通道。故在開(kāi)拓及開(kāi)采過(guò)程中要防治地裂縫導(dǎo)水。

五、采區(qū)涌水量預(yù)測(cè)措施

大井法是最常用的涌水量預(yù)測(cè)方法之一。礦井在發(fā)生涌水的過(guò)程中，隨著水位的下降，可形成以涌水通道為中心的降落漏斗，當(dāng)工作面煤層開(kāi)采后頂板垮落，影響到頂板含水層時(shí)水就流向采空區(qū)，在采空區(qū)周?chē)鷷?huì)形成一個(gè)降落漏斗。

當(dāng)?shù)V井排水時(shí)，頂板含水層的水位會(huì)降至底板，所以就可以開(kāi)采工作面分布范圍，就可以假設(shè)為一個(gè)理想的大井。通過(guò)分析，大陽(yáng)煤礦三采區(qū)3#煤層坑道系統(tǒng)充水水源，主要為其頂部的砂巖裂隙層壓水，厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)單一，采區(qū)內(nèi)無(wú)明顯的供排水邊界，礦井在排水過(guò)程中，必然會(huì)形成以坑道系統(tǒng)為中心的降落漏斗，在降落漏斗的相當(dāng)范圍內(nèi)，承壓水位已降至隔水頂板以下，所以選用穩(wěn)定流承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓的地下水動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)比較適合。

六、結(jié)論

根據(jù)所收集的地質(zhì)資料，在大陽(yáng)煤礦三采區(qū)的地質(zhì)、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，進(jìn)行采區(qū)充水條件的研究，根據(jù)大陽(yáng)煤礦的勘探程度及其本身的地質(zhì)情況采用水動(dòng)力法來(lái)預(yù)測(cè)礦井涌水量是科學(xué)合理的，水動(dòng)力法不需要大量的理論計(jì)算公式，受各種因素的影響較小，這種預(yù)測(cè)公式避開(kāi)了各種復(fù)雜的地質(zhì)因素，靈活地預(yù)測(cè)了大陽(yáng)煤礦三采區(qū)的涌水量并能保證一定的精確度。

（作者單位：山西朔州山陰蘭花口前煤業(yè)有限公司）

（責(zé)任編輯：李元）