國有煤礦范圍內(nèi)地方小井關(guān)閉后誘發(fā)的水文地質(zhì)效應(yīng)分析＊

徐德金 邵德盛

（安徽省煤炭科學(xué)研究院煤礦水害防治中心，安徽省合肥市，230001）

由于小煤礦產(chǎn)能低、安全保障程度低等原因，國家從2005年開始了對小煤礦整頓關(guān)閉的工作，截至2012年，關(guān)閉各類小煤礦1.6萬余處。從防治水的角度來看，一方面，地方小井的關(guān)閉改善了國有煤礦的安全生產(chǎn)條件；另一方面，在國有煤礦井田范圍內(nèi)進行了長時間無序開采的小井，閉坑之后誘發(fā)的水文地質(zhì)效應(yīng)及其潛在的突水危險性又成為了國有煤礦及地方煤炭監(jiān)管者面臨的新問題。由于有些地區(qū)小井剛剛閉坑，一些水文地質(zhì)效應(yīng)還未顯現(xiàn)，隨著小井關(guān)閉后時間的延長，其表現(xiàn)出來的水文地質(zhì)效應(yīng)會愈加明顯。

關(guān)于小煤礦生產(chǎn)階段的防治水研究文獻較多。但與其形成鮮明對比的是對小井關(guān)閉之后的研究極少，從對國內(nèi)外的文獻檢索結(jié)果來看，國內(nèi)外之前基本沒有開展過類似的研究，僅有一些省份零星的國有煤礦的防治水技術(shù)人員根據(jù)其觀察到一些水文地質(zhì)現(xiàn)象進行過簡單地描述，這些描述在系統(tǒng)性和機理方面都顯得相當(dāng)匱乏。本文主要通過國內(nèi)一些省份關(guān)閉后的一些水文地質(zhì)現(xiàn)象進行綜合、梳理和分析，從中探尋出一些水文地質(zhì)特征和地下水運動規(guī)律，以便于給類似條件下國有煤礦的防治水對策提供參考依據(jù)。

1 區(qū)內(nèi)地下水系統(tǒng)及其組成

本次研究以YZ礦區(qū)為例，4個關(guān)閉小礦井（B、C、D、F）、3個塌陷區(qū)與國有大礦（YZ）的位置關(guān)系見圖1，YZ礦區(qū)內(nèi)各地方小井防水煤巖柱厚度與回采上限見表1。區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)邊界被大斷層切割，西部受豐渦斷層控制，以河南省永夏煤田相鄰，西南部與渦陽礦區(qū)相接；東部為寒武系、奧陶系石灰?guī)r裸露的山區(qū)，亦受固鎮(zhèn)～長豐斷層制約；南部以宿北斷層為界；北部止于豐沛斷層；東北部為寒武系、奧陶系石灰?guī)r裸露的丘陵山地。地層中有多個含水層，但也有多個相應(yīng)的隔水層阻隔。根據(jù)巖性組合特征及其與區(qū)域水文地質(zhì)剖面對比，自上而下可劃分為6個含水層，分別是新生界全新統(tǒng)孔隙含水層、二疊系上石盒子組底部砂巖裂隙含水層、二疊系下石盒子組3＃～5＃煤層間砂巖裂隙含水層、二疊系山西組6＃煤層頂、底板砂巖裂隙含水層、石炭系太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層和奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。

圖1 YZ礦、地表水體、地方煤礦的位置關(guān)系圖

2 閉坑后誘發(fā)水文地質(zhì)效應(yīng)

2.1 地下水系統(tǒng)的演化

2.1.1 新生界全新統(tǒng)孔隙含水組

該含水層涌水量為0.37～11.86 L／（s·m），滲透系數(shù)為1.77～26.13 m／d，富水性強。同時，與覆蓋于松散層之上的采煤塌陷積水區(qū)水力聯(lián)系緊密，成為一個整體的強地下水體。3個塌陷區(qū)總面積達12 km2，部分塌陷區(qū)常年積水，A塌陷區(qū)積水面積為0.719×106m2，平均水深4.5 m；B塌陷區(qū)積水面積0.478×106m2，平均水深3.5 m；C塌陷區(qū)積水面積2.416×106m2，平均水深7.0 m。礦井

表1 YZ礦區(qū)內(nèi)各地方小井防水煤巖柱厚度與回采上限

小井關(guān)閉之后，由于原先的地方小煤礦防水煤巖柱不足等原因存在，以及加上后期國有煤礦對煤層下部的重復(fù)采動的影響，有可能發(fā)生松散層的水滲透到小井儲水空間，造成采空區(qū)水位上升和積水量增多。另外，小煤礦主要開采淺部露頭煤礦，在資源緊張的情況下，極有可能使得淺部防水煤柱不復(fù)存在。偷采淺部煤層露頭極易引發(fā)大氣降水、地表水煤層露頭塌陷區(qū)直接補給松散層含水層，導(dǎo)致區(qū)域性地下水位迅速上升。

2.1.2 煤系砂巖裂隙含水層

含水層的富水性弱～中等。區(qū)內(nèi)B礦566工作面曾發(fā)生過煤系砂巖裂隙水突水事件，最大突水量達220 m3／h。隨著YZ礦向深部延伸開采，上部小井的煤系砂巖裂隙水會得到了疏干降壓。小井關(guān)閉后，其他充水通道積滿水的小井采空區(qū)會反向補給煤系砂巖裂隙含水層，因而巖層就會恢復(fù)到原先的富水狀態(tài)。

2.1.3 石灰?guī)r巖溶裂隙含水層

含水層的富水性強。80年代YZ礦II617工作面突水，突水量達3153 m3／h，淹沒整個二水平。開采6＃煤層的D礦位置恰好位于II617突水點東南部強富水帶之上。由于區(qū)域存在青龍山逆掩斷層和青古斷層等強賦水帶，形成了奧灰補給太灰的導(dǎo)水通道，改變了奧灰的徑流條件，這就增加了太灰含水層的補給強度。同時，本區(qū)太灰含水層的水壓較大，加上井田內(nèi)發(fā)育有斷層等構(gòu)造軟弱帶，因此，在這4對礦井閉坑后，有可能發(fā)生太灰含水層中的地下水沿地質(zhì)構(gòu)造薄弱帶或?qū)當(dāng)鄬拥韧ǖ肋M入小井的采空區(qū)及巷道。

2.2 水動力條件的變化

（1）地方小井關(guān)閉后，地下水是地質(zhì)和環(huán)境災(zāi)害形成的最活躍和最關(guān)鍵的因素之一。在生產(chǎn)階段，原先有水力聯(lián)系的各類含水層向礦坑充水，大量的地下水在礦井生產(chǎn)中由人工排泄。所以從水動力條件來說，礦井坑道是區(qū)內(nèi)地下水的排泄區(qū)域。一旦閉坑，地下水補給、徑流、排泄條件被改變，地下水運動規(guī)律即被打破，勢必導(dǎo)致礦坑的積水量和水位抬升，最終關(guān)閉小井因停止排水而被地下水充滿。這類情況曾在國內(nèi)其他礦區(qū)出現(xiàn)過。圖2為徐州馬莊礦區(qū)內(nèi)小井關(guān)閉后水位恢復(fù)情況，陳樓礦、新河礦、沈莊礦等地方煤礦分布在馬莊煤礦周邊。

表2為江西省萍鄉(xiāng)礦業(yè)集團公司的高坑、安源、青山、巨源、黃沖、楊橋6個礦區(qū)內(nèi)小井關(guān)閉后國有大礦同期涌水量的變化情況。

通過圖2和表2的分析，可以得出一旦小井關(guān)閉廢棄后，地下水的循環(huán)運動規(guī)律會被打破，廢棄礦井因停止排水而被地下水淹沒，而廢棄礦井中的地下水會逐漸補給在礦井采掘階段已經(jīng)疏干的含水層或直至溢出地表。小井閉坑后地下水位恢復(fù)示意圖見圖3。

圖2 馬莊礦區(qū)內(nèi)小煤礦關(guān)閉后各礦井水位恢復(fù)情況

表2 小井閉坑前后國有煤礦礦井涌水量對比表

圖3 小井閉坑前后地下水水位變化示意圖

（2）水位的抬升也預(yù)示著井田區(qū)域水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件發(fā)生改變。主要表現(xiàn)在兩個方面：第一，之前提到的礦坑排水過程中，部分含水層被疏水降壓甚至被疏干，當(dāng)水壓大于原先充水含水層水壓時，反向補給該含水層；第二，小井關(guān)閉之后，原有的采掘空間發(fā)生了充水，且長時間積水軟化周圍的煤巖柱，從而降低了煤巖柱的抗水壓能力。

（3）區(qū)域水文地質(zhì)條件的變化造成了發(fā)生水力聯(lián)系的含水層水位抬升，威脅了周邊國有煤礦。同時，閉坑之后小煤礦本身大量積水區(qū)形成了國有煤礦新的突水水源。

2.3 導(dǎo)水通道的影響

許多地方小煤礦無序開采現(xiàn)象較普遍，造成小井之間發(fā)生連通。同時，其超層、越界開采甚至?xí)鹦【c國有煤礦之間的連通。上節(jié)已分析得出當(dāng)小井閉坑后，小井會發(fā)生坑道和采空區(qū)積水，隨著時間的推移，這類積水會以不同形式進入相鄰大礦。

（1）受地方小煤礦越層越界開采的影響，區(qū)內(nèi)各礦井之間的各類防隔水煤柱遭受嚴(yán)重破壞。先期閉坑的礦井，積水區(qū)涌水均流向相鄰尚未閉坑的礦井，從而增加了現(xiàn)生產(chǎn)礦井的排水量。同時，會發(fā)生煤巖柱軟化，其強度發(fā)生了降低，有可能發(fā)生溝通地表塌陷裂隙，會使得大氣降水和地表水補給地下水系統(tǒng)，因此會有持續(xù)不斷的水源補給，極有可能發(fā)生淹井事故。

（2）小煤礦關(guān)閉后，會通過巷道發(fā)生積水并相互補給。本區(qū)4對關(guān)閉的礦井中有3對礦井的生產(chǎn)系統(tǒng)布置在YZ礦已報廢的一水平采區(qū)，其中D煤礦開采范圍在YZ礦已報廢的57采區(qū)，B礦開采范圍在YZ礦已報廢的53和55采區(qū)，C礦開采范圍在YZ礦已報廢的65采區(qū)。由于同在YZ礦一水平，水平大巷相互連通，在生產(chǎn)階段，如果一方發(fā)生突水事故，其他煤礦的安全生產(chǎn)也會受到威脅。然而這些在同一水平的煤礦關(guān)閉后，只要出現(xiàn)一個滲透通道，就會發(fā)生積水相互補給的情況，最終形成一個統(tǒng)一的積水體，其積水量更巨大。并且隨著積水量的增加，水壓增大到一定程度時，有可能會發(fā)生潰水，形成新的通道。再者，當(dāng)垂直通道被堵塞時，積水會沿側(cè)向徑流，形成一井串多井的徑流方式。因此，這些處于同一水平關(guān)閉煤礦的老空水對國有煤礦構(gòu)成了更嚴(yán)重的水患威脅。

（3）井筒在關(guān)閉之后的一段時間里可能會隨著巖層應(yīng)力的釋放而繼續(xù)發(fā)生傾斜，井筒井壁會進一步發(fā)生破裂，導(dǎo)致地表水及第四系松散含水層水沿裂隙流入井筒。另外，由于小井大多屬于私人性質(zhì)，小井關(guān)閉過程中井筒封閉質(zhì)量很難嚴(yán)格保證。

（4）周邊小煤礦閉坑后即停止排水，礦區(qū)內(nèi)的地下水位將迅速上升，即含水層的水壓增大，使得原先為不可能涌水通道變得可能，對相鄰國有煤礦產(chǎn)生了極大威脅。

（5）煤礦閉坑后，這類封閉不良的鉆孔容易受擾動等原因成為導(dǎo)水的通道，使得含水層中水滲流到采空區(qū)，形成老空水。

（6）由于井田邊界煤柱和各類防隔水煤柱破壞情況不明等影響，這類水害更難預(yù)測，危害更大，更難防范。常規(guī)的煤礦突水預(yù)測方法及現(xiàn)有的煤礦安全綜合評價都難以完成地方煤礦水害對大中型生產(chǎn)礦井造成的突水危險性評價。

3 防治對策

（1）針對小井閉坑后的區(qū)域地下水流場及其水位恢復(fù)情況開展專項研究。評價水文恢復(fù)過程中產(chǎn)生的新的水文地質(zhì)問題及其對相鄰生產(chǎn)礦井的影響程度，建立閉坑小井的水位變化監(jiān)測系統(tǒng)和對應(yīng)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對閉坑小井的關(guān)閉中和關(guān)閉后的動態(tài)監(jiān)測。

（2）開展針對地方小煤礦閉坑后水害隱蔽致災(zāi)因素普查工作。探查出閉坑小井的邊界、防隔水煤巖柱、老空區(qū)分布、鉆孔封孔情況等。這項工作一般由地方煤炭管理部門統(tǒng)籌實施，國家煤監(jiān)局在2013年也發(fā)布相關(guān)文件。

（3）小井閉坑前應(yīng)主動向上級主管部門和相鄰生產(chǎn)礦井提供準(zhǔn)確的水文地質(zhì)資料，閉坑后提供閉坑報告和所有井筒封孔情況。

（4）生產(chǎn)礦井應(yīng)對相鄰已閉坑小井的資料進行收集整理。包括井筒位置、開采的空間范圍、井下的涌水情況、今后可能儲水的體積。

（5）生產(chǎn)礦井應(yīng)根據(jù)相鄰小井閉坑后其涌水量增幅情況，增加相應(yīng)的排水設(shè)備以提高礦井抗災(zāi)能力。加強水文地質(zhì)分析，結(jié)合閉坑小井的老空積水情況、涌水通道等因素，重新規(guī)劃井下含水構(gòu)造、采空區(qū)等防排水隔離煤柱和井下防治水工程。

4 結(jié)論

綜上所述，地方煤礦正常回采過程中的地下水系統(tǒng)在閉坑停止排水后，其輸入、輸出、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、內(nèi)部作用過程和功能以及環(huán)境等要素將發(fā)生變化。破壞了原有的地下水系統(tǒng)的平衡，對地下水系統(tǒng)的水動力場和水化學(xué)場產(chǎn)生極大影響。誘發(fā)的水文地質(zhì)效應(yīng)會導(dǎo)致新的地下水系統(tǒng)形成，而新的地下水系統(tǒng)形成過程中又會引起周邊煤礦特別是國有煤礦的水文地質(zhì)條件發(fā)生改變。

（1）引起地下水系統(tǒng)的變化。小井的積水量和水位上升，使得區(qū)域地下水水位抬升。

（2）引起地下水水動力條件變化?？拥琅潘Ｖ购?，造成地下水徑流方式的改變，地下水通過通道排泄到鄰近國有煤礦。

（3）在以上地下水系統(tǒng)演化過程中誘發(fā)國有煤礦水害，造成了國有煤礦礦井涌水量急劇增加，造成國有煤礦受老空水的威脅加重，產(chǎn)生了新的水害威脅源等。

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