義馬煤田煤礦水害規(guī)律與防治技術

李松營，馬自強，張許樂，任孟莉

1 煤田概況

義馬煤田是河南省唯一的形成于侏羅紀的陸相煤田，面積近100 km2，地處豫西貧水地區(qū)，跨義馬市和澠池縣，整體上呈極不對稱向斜構造，北起于煤層隱伏露頭，南止于F16逆斷層，東西為沉缺邊界?？刹擅簩犹幱谥匈_統(tǒng)下階義馬組，分2組5層，自上而下分別是1煤組的1-1煤和1-2煤，2煤組的2-1煤、2-2煤和2-3煤；2煤組在深部合并[1,2]。煤層累計厚度3～40 m。煤種為長焰煤。煤層埋深2～1200 m。地表為丘陵地形，總體上南高北低。地層向南偏東方向傾斜，以礫巖、砂巖和泥巖為主，沒有強含水層。

義馬煤田分布有5對生產礦井和1個露天煤礦(圖1)，合計年生產原煤約1300萬t，累計生產煤炭2.3億t，現(xiàn)有煤炭資源約4.5億t。經過數十年開采，各礦采掘活動均轉入深部2組煤層的合并區(qū)，最大采深1040 m。沖擊地壓、煤層自燃和水害是義馬煤田礦井的三大重點災害[3-9]，但相對于前者，礦井水害研究程度不足。

圖1 義馬煤田煤礦分布圖

2 水文地質條件

2.1 大氣降水和地表水

當地年均降水量約670 mm，主要集中在汛期7 ～ 9月份。澗河、石河2條季節(jié)性河流流經煤田東段淺部，從千秋、躍進和常村井田淺部穿過，是地表主要水體。石河常年干涸，雨季最大流量100 L/s；澗河枯水季節(jié)有時干涸，常年流量不足5 L/s，最大流量曾達1446.5 L/s。大氣降水對天新露天礦坑直接充水，在煤田淺部透過地裂縫向礦井充水，是地下各含水層的主要補給水源。地表河水主要透過小煤礦河下采煤所形成地表裂縫、塌坑以及小煤礦濫采亂挖所形成的人工導水通道而向礦井充水。隨著小煤礦關停，地表裂隙、塌坑和采場的連年治理以及生產向深部轉移，大氣降水和地表水對礦井的充水作用已明顯減弱。

圖2 義馬煤田地層綜合柱狀

2.2 主要含水層

自下而上煤田內的主要含水層有(圖2)：

1) 中侏羅統(tǒng)砂(礫)巖裂隙承壓含水層：分布在煤層頂板，距煤層4.0 m～54.0 m，巖性為細砂巖、砂質泥巖與礫巖，礫石以石英巖、石英砂巖和石灰?guī)r為主，平均厚度180 m，富水性弱，采后可通過導水裂隙直接進入工作面，是礦井直接充水含水層。水質類型為HCO3-Na·Ca型。滲透系數K=0.000405～0.0322 m/d，單位涌水量q=0.00007～0.00622 L/(s·m)。該含水層以靜儲量為主，連通性差，沒有統(tǒng)一水位。主要在淺部露頭區(qū)接受大氣降水和河水補給，與上部含水層聯(lián)系較弱，目前礦井疏水是其排泄的主要方式。

2) (上侏羅統(tǒng)+白堊系)巨厚礫巖裂隙承壓含水層：厚度0～880 m，平均467 m，礫石以石英砂巖、石灰?guī)r為主，分選性差。大部分區(qū)域膠結性好，富水性弱；局部地段裂隙發(fā)育，富水性較好。水質類型為HCO3- Ca型。K=0.2～1.47 m/d，q=0.0626～0.178 L/(s·m)。該含水層主要接受新近系含水層補給，在井田南部出露地段可接受大氣降水直接補給，礦井疏水是其主要排泄方式。

3) 新近系泥灰?guī)r巖溶承壓含水層：厚度0～50.8 m，平均10.3 m，富水性中等。水質類型為HCO3-Ca型。K=1.079～1.56 m/d，q=0.0695～0.455 L/(s·m)。該含水層接受大氣降水和第四系潛水補給，季節(jié)性變化大，目前人工取水是其主要排泄方式。

4) 第四系底部卵石潛水含水層：厚度小于2 m，水質類型為HCO3-Ca型。K=0.022～206.1 m/d，q=0.029～6.71 L/(s·m)。接受大氣降水、河水補給，季節(jié)性變化大。

2.3 主要隔水層

中侏羅統(tǒng)義馬組2煤頂板泥巖隔水層：厚度4.0～54.0 m，平均28.0 m，為2煤直接頂板(圖2)。掘進巷道對圍巖的破壞有限，該隔水層能阻止上覆含水層水涌入，起到良好隔水作用；工作面回采后，上部導水裂隙可穿過該層延伸至上覆含水層，其阻隔水作用有限。

3 水害規(guī)律

根據統(tǒng)計，義馬煤田各礦井自投產以來共發(fā)生突水79次。按水源劃分，頂板砂礫巖水最多，38次，占總數的48.1%；老空水次之，34次，占43%；地表河水7次，占8.9%。按規(guī)模劃分，特大型和大型突水，分別3次，共6次，占7.6%，水源全部為地表河水；其余為中小型突水，水源主要為頂板砂礫巖水和老空水。從時間上看，1997年以前，各種水害類型都有；1997年以后，全部為頂板砂礫巖水，突水規(guī)模以中型為主，突水量60～450 m3/h(表2)。

3.1 大氣降水與潛水

大氣降水是天新露天煤礦的主要充水因素，起直接充水作用。其它煤礦在+200 m高程以淺生產時，采深一般不足300 m，采后頂板導水裂隙向上延伸可溝通上覆新近系泥灰?guī)r、第四系松散層甚至地表，大氣降水可透過導水裂隙形成的導水通道或以新近系、第四系潛水滲漏的方式向礦井充水，使得礦井涌水量在上一世紀九十年代之前表現(xiàn)為明顯的季節(jié)性特征。隨著礦井生產向深部轉移和井田淺部地表塌坑、裂縫的連年充填治理，大氣降水對礦井的充水作用趨于減弱；礦井生產轉入深部后，涌水量已不再顯示季節(jié)性特征。

3.2 地表河水

由于留設有足夠的防水煤柱，澗河、石河本來不對礦井起直接充水作用；但由于上一世紀八十年代部分小煤礦在河道露天開采、在河床建礦或在河下濫采亂挖，破壞了防水煤柱的防隔水功能，造成當期地表水對礦井充水作用明顯[10]，汛期還造成多次淹井、淹采區(qū)事故(表1)。地表河水威脅區(qū)段集中在澗河、石河流經區(qū)域，呈條帶狀分布，耿村、楊村兩礦不受地表河水影響。隨著小煤窯報廢停產和河床塌坑、裂縫的連年充填治理，當前，地表水對礦井的充水作用有限。

表1 主要地表河水事故簡表

3.3 小窯水

據統(tǒng)計，義馬煤田范圍內共有小煤礦(窯)700多個，其生產區(qū)域主要在+200 m高程以淺。20世紀90年代之前，礦井在淺部生產，與小煤礦采空區(qū)相鄰，受到小窯水威脅，小窯水曾是重要充水因素。隨著礦井生產向深部轉移而遠離小煤窯采空區(qū)，以及絕大部分小煤窯相繼報廢、關停和封填，小窯水的威脅趨于減弱。小煤窯采空區(qū)與大礦采空區(qū)連通，加之煤質較硬導水通道不易堵塞，淺部小窯采空區(qū)不易形成大范圍積水。

3.4 頂板水

淺部生產時，頂板水充水作用較弱，以淋水或小型突水形式出現(xiàn)，不曾對工作面正常生產造成影響。礦井轉入深部生產時，頂板突水災害增多，突水量增大，嚴重影響工作面正常生產，甚至威脅工作面和采區(qū)安全(表2)。其中，躍進煤礦25080工作面回采至375 m靠近F2-3斷層尖滅位置時，出現(xiàn)頂板突水，初期涌水量10 m3/h，1995年11月19日～21日，涌水量穩(wěn)定在450 m3/h左右，之后緩慢下降，100天以后仍在150 m3/h以上，工作面累計涌水達260萬m3以上。千秋煤礦21172工作面在穿過斷層時，出現(xiàn)頂板突水，最大涌水量超過300 m3/h，之后，涌水量長期穩(wěn)定在200～250 m3/h，截至2013年6月，已累計涌水380萬m3。

表2 主要頂板水害事故簡表

義馬煤田礦井頂板水害有以下規(guī)律：

1) 頂板水害主要出現(xiàn)在-50 m高程以深、采深大于700 m的區(qū)域。此區(qū)域靠近F16逆斷層并處于義馬向斜核部(圖3、圖4)，頂板砂(礫)巖裂隙較淺部發(fā)育，富水性較淺部強；礫巖厚度普遍超過400 m，儲水能力大。圖4地層走向剖面表明，義馬煤田中部凹陷構成向斜核部，是儲富水的主要部位。躍進礦深部正處于向斜核部，頂板水害威脅最為嚴重，其次是千秋、常村兩礦的相鄰區(qū)域。

圖3 48線傾向地質剖面

2) 頂板裂隙含水層富水性極不均勻，連通性差。斷層帶或其尖滅端裂隙發(fā)育，富水性強，回采通過時易發(fā)生頂板突水[11]。一個工作面出水后，相鄰工作面仍可能出水。

3) 頂板突水與采煤周期來壓關系密切。

4) 頂板突水與采煤厚度關系密切。采用放頂煤開采工藝，最大采煤厚度超過20 m，對頂板破壞較大。根據有關經驗公式計算，采后頂板導水裂隙發(fā)育最大高度可達300 m以上，能夠穿過上覆泥巖隔水層、中侏羅統(tǒng)砂(礫)巖裂隙含水層進入(上侏羅統(tǒng)+白堊系)巨厚礫巖含水層。

5) 頂板突水初期，水質類型一般為HCO3-Na型，持續(xù)出水后，則轉化為HCO3- Ca型(表3)。說明突水初期水源主要來自中侏羅統(tǒng)砂(礫)巖裂隙含水層，后期則以上侏羅統(tǒng)巨厚礫巖含水層為主。這也是工作面發(fā)生頂板突水后，涌水量長期保持穩(wěn)定的主要原因。

圖4 義馬煤田深部走向地質剖面(AA′線)

前期頂板淋水mg/lmeq/lmeq%后期老塘涌水mg/lmeq/lmeq%陽離子K++Na+18411736836K++Na+2011080630Ca2+1964049111Ca2+10581264416Mg2+486020460Mg2+7949327516NH+4100006070NH4+100006050陰離子Cl-35100991130Cl-4467126990SO2-448030501140SO42-5668059930HCO-339236643731HCO3-613861006794CO2-31135019420CO32-54000914PH800PH760

4 防治技術

4.1 大氣降水和地表水

定期巡查煤田淺部、河道及其階地，發(fā)現(xiàn)塌坑、裂縫等應及時充填治理并夯實。

4.2 小窯水

充填已關閉小煤礦井筒并定期巡查，若小煤礦井筒充填不實或周邊出現(xiàn)塌坑、裂縫應及時處理。

4.3 頂板水

頂板水是義馬煤田各礦井今后防治水工作的重點和難點。

1) 進一步總結研究煤田的富水規(guī)律和突水規(guī)律,指導工作面防治水工作?？衫谩叭龍D—雙預測法”技術，結合構造、頂板砂礫巖含水層厚度等做出富水性分區(qū)圖，結合隔水層厚度、采厚和導水裂隙發(fā)育高度等做出頂板垮裂安全性分區(qū)圖，再綜合分析做出頂板突水條件綜合分區(qū)圖，對頂板突水的水源、通道和強度做出預測和評價[12-17]。

2) 采用地面三維地震和井上下瞬變電磁勘探等方法對生產采區(qū)的地質構造和頂板富水性進行探測；綜合分析物探成果，圈出疑似富水區(qū)域[18-20]。

3) 工作面回采之前，對疑似頂板富水區(qū)可采前鉆孔預疏放，以減輕回采過程中頂板水對生產的影響。

4) 工作面采前應構成完善的排水系統(tǒng)，并有足夠的排水能力。采區(qū)和礦井排水能力也需要相應提高。工作面防排水應立足運輸巷(下巷)，運輸巷盡可能實現(xiàn)正坡度掘進，始終保持里高外低，避免頂板涌水后淹巷或淹工作面。

5 結語

義馬煤田存在多種水害，大氣降水、地表河水、小窯水和頂板水危害并存。隨著煤田淺部小煤礦關閉及其井筒封填、連年的河道疏浚治理與地裂縫、塌坑充填，以及大礦采掘活動向深部轉移，礦井水害由地表河水、小窯水轉化為采煤工作面頂板水。防治采煤工作面頂板水是義馬煤田各礦井今后防治水工作的重點和難點。針對頂板水害，應研究富水規(guī)律，可采用“三圖—雙預測法” 對頂板突水的水源、通道和強度做出預測和評價；采用井上下物探方法，圈出頂板疑似富水區(qū)，并進行采前預疏放；可立足“以排為主”，完善工作面排水系統(tǒng)，提高抗水災能力。

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