霍西煤田什林煤礦礦井水文地質(zhì)探討

劉文云

（山西省煤炭廳煤炭資源地質(zhì)局技術(shù)中心，山西 太原 030045）

煤礦企業(yè)的正常穩(wěn)定發(fā)展是維持我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障，而掌握礦井水文地質(zhì)情況是煤礦資源開采的重要環(huán)節(jié)，是煤礦長期發(fā)展的重要保證。

1 煤礦概況

霍西煤田什林煤礦地處霍州市北部約5km處的退沙街道辦事處退沙村后溝，行政區(qū)劃屬退沙街道辦事處管轄。井田內(nèi)可采煤層為2、6、10、11號煤層，生產(chǎn)規(guī)模90萬t/a。井田內(nèi)總體地勢為北高南低。最高點(diǎn)海拔901.2m，最低點(diǎn)海拔616.5m，最大相對高差284.7m［1-2］。

本井田北部、東部與霍州煤電集團(tuán)李雅莊煤礦相鄰，南部與退沙井田相鄰。井田內(nèi)現(xiàn)無開采老窯，整合前有原臨汾市什林煤礦、臨汾市什林煤礦東北坑口、周村煤礦及師莊村煤礦。

2 地層構(gòu)造

2.1 地層

井田內(nèi)賦存的地層為：奧陶系中統(tǒng)峰峰組、石炭系中統(tǒng)本溪組、石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組和下石盒子組、二疊系上統(tǒng)上石盒子組和石千峰組、上第三系上新統(tǒng)、第四系中更新統(tǒng)、第四系上更新統(tǒng)［3］。

2.2 構(gòu)造

井田構(gòu)造總體為一地層走向以北東至北東東向?yàn)橹?、傾向南東至南南東的單斜構(gòu)造，地層傾角為4°～13°；井田南部受什林?jǐn)鄬拥挠绊懀谑擦謹(jǐn)鄬酉卤P300m～500m，地層走向驟變?yōu)榻鼥|西向，傾角為30°左右；在什林?jǐn)鄬由媳P地段，地層走向北東向，傾角為20°左右。另外，井田南部邊界還發(fā)育有一向斜褶曲。井田內(nèi)斷層和陷落柱均發(fā)育。

截止2014年12月，井田內(nèi)巷道及地表揭露共70條斷層，均為正斷層，落差≥5m斷層共14條。其中，地面填圖發(fā)現(xiàn)2條，在2號煤層開采中巷道揭露了11條，10號煤層在基建及試運(yùn)轉(zhuǎn)期間揭露了57條。井田內(nèi)2、10號煤層開采過程中，共揭露143個(gè)陷落柱。其中，2號煤層巷道揭露85個(gè)陷落柱，10號煤層巷道揭露58個(gè)陷落柱。井田中部陷落柱特別發(fā)育，橢圓形，陷落柱內(nèi)地層雜亂無章，柱壁傾角75°以上。詳見第81頁圖1。

3 水文地質(zhì)

3.1 含水層分布規(guī)律和特征

1）奧陶系中統(tǒng)峰峰組灰?guī)r巖溶裂隙含水層

據(jù)本井田水文孔抽水試驗(yàn)資料，單位涌水量0.004L/（s·m）～4.090L/（s·m），滲 透 系 數(shù)0.084 37m/d～2.520 00m/d，富水性弱—強(qiáng)。推測井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高480.0m～510.0m。巖溶水文地質(zhì)單元位置處于郭莊泉域北部逕流區(qū)，井田內(nèi)巖溶水流向南東，總體往郭莊泉方向逕流排泄。

圖1 井田構(gòu)造綱要圖

2）石炭系上統(tǒng)太原組碎屑巖夾石灰?guī)r巖溶裂隙含水層

該組以K2、K3、K4石灰?guī)r為井田內(nèi)最主要的含水層，其巖溶裂隙水具承壓性，是開采10、11號煤層主要充水水源。其中，K2石灰?guī)r含水豐富，單位涌水量為0.35L/（s·m）～0.85L/（s·m），滲透系數(shù)為2.52m/d，屬中等富水性含水層。另外，該礦對10號煤層進(jìn)行瞬變電磁勘探，劃出含水異常區(qū)域8處。

3）二疊系下統(tǒng)山西組碎屑巖裂隙含水層

該組K7砂巖為主要含水層，靜止水位標(biāo)高637.60m～767.40m，屬富水性弱的含水層。另外，該礦對2號煤層進(jìn)行瞬變電磁勘探，劃分出采空異常區(qū)域7處。

4）二疊系上、下石盒子組砂巖裂隙含水層

該組主要含水層為 K8、K9、K10、K11、K12砂巖含水層。據(jù)井田內(nèi)656號鉆孔抽水試驗(yàn)，K10砂巖單位涌水量0.010 2L/（s·m），滲透系數(shù)0.041 1m/d；K12砂巖單位涌水量0.023L/（s·m）～0.047L/（s·m），屬富水性弱的含水層。

5）上第三系裂隙孔隙含水層

井田內(nèi)孔隙溶洞均不大發(fā)育，流量為0.010L/s～0.081L/s，富水性弱。

6）第四系松散層孔隙含水層

井田內(nèi)大部分被松散層覆蓋，富水性弱，且受大氣降水影響明顯。

3.2 充水因素分析

3.2.1 礦井充水水源

1）大氣降水和地表水

大氣降水是礦坑水的重要來源，本區(qū)干旱少雨，年降水集中在7、8、9三個(gè)月，礦井涌水量隨著降水量呈動態(tài)變化。

井田內(nèi)地表水體不發(fā)育，各溝谷僅在雨季因降水補(bǔ)給有間歇性地表水水流很快向西南注入汾河，屬黃河流域汾河水系。

據(jù)調(diào)查，井田內(nèi)南部副平硐井口標(biāo)高為617.5m，歷年來最高洪水位標(biāo)高為614.3m，井口標(biāo)高僅高于最高洪水位標(biāo)高3.2m，故平時(shí)應(yīng)在井口修筑堤坎等排水工程。

2）煤層頂板砂巖裂隙水及灰?guī)r巖溶裂隙水

2號煤層主要指頂板以上砂巖裂隙含水層，泉水流量為0.37L/s～0.84L/s，屬富水性弱的含水層；6、10、11號煤層直接充水含水層為太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層，灰?guī)r裂隙發(fā)育，其含水豐富。

3）奧灰?guī)r溶裂隙水對礦井開采的充水影響

井田內(nèi)各可采煤層均存在帶壓開采。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中突水系數(shù)計(jì)算公式來計(jì)算井田內(nèi)各煤層最低點(diǎn)的突水系數(shù)，見式（1）。

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m；P為底板隔水層承受的水頭壓力，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

經(jīng)計(jì)算，2、6、10、11號煤層突水系數(shù)分別為0.067、0.100、0.268、0.398MPa/m。

井田內(nèi)2號煤層最低底板突水系數(shù)大于有構(gòu)造破壞的臨界突水系數(shù)0.06MPa/m，小于正常塊段內(nèi)臨界突水系數(shù)0.10MPa/m；6、10、11號煤層最低底板突水系數(shù)大于有構(gòu)造破壞的臨界突水系數(shù)0.06MPa/m，也大于正常塊段內(nèi)臨界突水系數(shù)0.10MPa/m?？紤]到井田內(nèi)斷裂、陷落柱較發(fā)育，隨時(shí)都有發(fā)生突水的可能。特別是當(dāng)采掘至斷層、鉆孔、陷落柱附近時(shí)，要加以注意。同時(shí)，還應(yīng)注意隱伏導(dǎo)水構(gòu)造的影響，加強(qiáng)礦井水文地質(zhì)工作。

4）采空區(qū)、?。ü牛└G破壞區(qū)積水對礦井開采的影響

井田內(nèi)基建前各小煤礦開采的2號煤層存在不同程度積水。調(diào)查可知，井田內(nèi)2號煤層有7處采空積水、2處小窯破壞區(qū)積水和1處巷道積水。對于現(xiàn)暫無積水的其他采空區(qū)，不排除將來積水。建議在臨近采空區(qū)開采時(shí)進(jìn)行探測和疏排，以免影響正常生產(chǎn)。

5）井筒水對礦井充水的影響

當(dāng)井筒穿過所揭露地層范圍內(nèi)的含水層時(shí)，勢必溝通各含水層的水力聯(lián)系，導(dǎo)致一定量的地下水沿井筒流入礦坑，成為礦坑充水的水源。

3.2.2 礦井充水通道

井田開采煤層的充水通道主要為煤層頂板巖層裂縫、開采煤層的導(dǎo)水裂隙帶、斷層、陷落柱、鉆孔等。

1）導(dǎo)水裂縫帶

據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》計(jì)算各煤層垮落帶及導(dǎo)水裂縫帶，選用公式（2）～（5）計(jì)算各煤層垮落帶最大高度及導(dǎo)水裂隙帶高度。

2號煤層：

6、10 、11 號煤層：

式中：Hm為垮落帶，m；Hli為導(dǎo)水裂縫帶，m；M為累計(jì)采厚，m。

經(jīng)計(jì)算，2號煤層導(dǎo)水裂隙帶會溝通K8砂巖裂隙水；6號煤層導(dǎo)水裂縫帶會溝通2號煤層采空區(qū)及以上含水層；2號煤層與10號煤層層間距平均為75.81m，井田內(nèi)有大斷裂，10、11號煤層導(dǎo)水裂隙帶會溝通2號煤層及太原組的多層灰?guī)r及砂巖巖溶裂隙含水層，使2號煤層采空區(qū)積水由導(dǎo)水裂隙帶涌入到10、11號煤層。建議該礦在開采時(shí)密切關(guān)注頂板涌水，加強(qiáng)探放水工作，及時(shí)疏排采空區(qū)水，確保安全生產(chǎn)。

2）斷層及陷落柱

井田內(nèi)斷層和陷落柱較發(fā)育，根據(jù)井下采掘揭露的斷層及陷落柱，均有淋水和滲水現(xiàn)象。瞬變電磁勘探成果中，斷層及陷落柱均部分含水，因此，在開采鄰近斷層及陷落柱兩側(cè)時(shí)，一定要留足保安煤柱。同時(shí)，在今后的建井及生產(chǎn)中一定要重視對斷層、陷落柱的發(fā)現(xiàn)和研究，防止淹礦事故的發(fā)生。

3）鉆孔

井田內(nèi)及周邊有39個(gè)鉆孔，封閉的鉆孔均未進(jìn)行啟封檢查。采掘工程通過封堵不良鉆孔時(shí)，可溝通大氣降水及地表水、各含水層水，會使大氣降水及含水層水滲入和灌入井下巷道，故在開采至鉆孔附近時(shí)，提早采取封堵措施或采用留設(shè)防水煤柱等方法加以防范，預(yù)防突水事故發(fā)生。

4）礦壓破壞帶

本礦礦壓擾動破壞深度為14m，在該范圍內(nèi)隔水層將失去阻水抗壓能力。2、10號煤層開采后對底板形成的破壞深度是勾通各煤層含水層的通道。

3.3 煤礦及周邊老空區(qū)分布狀況

3.3.1 井田內(nèi)老空水

據(jù)調(diào)查，井田內(nèi)2號煤層約有采空積水120 000m3。但周邊其他小煤窯的開采情況、采空區(qū)范圍、廢棄巷道和老空水積水量尚不清楚。

3.3.2 周邊礦井老窯、老空水分布狀況

該礦北部、東部與霍州煤電集團(tuán)李雅莊煤礦相鄰，南部與退沙井田相鄰?；糁菝弘娂瘓F(tuán)李雅莊煤礦位于本井田的下山部位，且采空區(qū)位于井田內(nèi)東南部，距本礦邊界約1.5km。對本井田煤層開采影響相對較小。

3.4 涌水量構(gòu)成和主要突水點(diǎn)位置及處理

3.4.1 涌水量構(gòu)成

礦井涌水量由地表水、大氣降水、構(gòu)造裂隙水、頂板含水層水及采（古）空積水構(gòu)成。其中，主要是頂板含水層水及采（古）空積水。

3.4.2 涌水量預(yù)測

根據(jù)富水系數(shù)法預(yù)算，當(dāng)生產(chǎn)能力達(dá)到90萬t/a時(shí)，2號煤層礦井正常涌水量為20.83m3/h，最大涌水量為62.5m3/h。目前，礦井處于基建期間，10號煤層正常涌水量為5m3/h，最大涌水量為15m3/h。礦井巷道掘進(jìn)及工作面回采期間，尚未發(fā)生過煤層頂、底板突水現(xiàn)象以及老空水透水事故。

3.4.3 主要涌水點(diǎn)位置及防治措施

目前，礦井處于基建期間，井巷開拓及工作面揭露，不同時(shí)間同天涌水量觀測，觀測到主要出水形式為淋水，出水通道為頂板裂隙出水，涌水量較穩(wěn)定。

1）技術(shù)措施

地面防治水：矸石和爐渣等固體廢物不得棄于溝谷中，在雨季前組織有關(guān)人員踏勘井田是否有采空塌陷裂隙、裂縫、塌陷洞，并用黃土、黏土、碎石及時(shí)填封，用黏土夯實(shí)。

井下防治水：掘進(jìn)時(shí)，必須按礦井設(shè)計(jì)留設(shè)防水煤柱；發(fā)現(xiàn)透水預(yù)兆，必須停止作業(yè)，采取措施；經(jīng)常清挖井下水倉，保證水倉有足夠容量。

2）管理措施

平時(shí)加強(qiáng)防汛宣傳，建立探放水管理制度，做好防水計(jì)劃；成立“雨季防汛”指揮部，組織雨季前“三防”大檢查等。

3.5 煤礦開采受水害影響程度和防治水工作難易程度

3.5.1 開采受水害影響程度評價(jià)

該礦未來開采過程中所受的水害影響主要為頂板砂巖水、K2灰?guī)r水、O2巖溶水及采空區(qū)積水。

1）開采2號煤時(shí)，主要水害隱患是2號煤層采空區(qū)積水和砂巖水。

瞬變電磁勘探工程成果中，在2號煤剩余資源附近圈定了采空異常區(qū)，為未來此區(qū)域的采掘活動提供了參考資料。今后，應(yīng)加強(qiáng)老窯水探查及疏放工作，提前制定具有針對性的探放水技術(shù)措施，并留設(shè)合理的隔水煤巖柱，避免水害的發(fā)生。頂板砂巖含水層富水性弱，在保證礦井正常排水能力條件下，對礦井安全生產(chǎn)不會構(gòu)成威脅。

2）開采10號煤時(shí)，主要水害隱患是K2灰?guī)r水和奧灰水。

太原組K2灰?guī)r含水層富水性中等，在遇到導(dǎo)水構(gòu)造的情況下可能會有較大涌水，可通過超前物探、鉆探等手段查明富水區(qū)，提前進(jìn)行處理。

10號煤層井田內(nèi)最大突水系數(shù)為0.268MPa/m，井田內(nèi)斷層及陷落柱發(fā)育，奧灰局部富水性好，故防范開采煤層底板出水，探查導(dǎo)水構(gòu)造、裂隙帶和封閉不良鉆孔等導(dǎo)水通道是今后防治水的工作重點(diǎn)。該礦未來3年，10號煤層采掘活動區(qū)域底板標(biāo)高在＋460m～＋580m，大部分區(qū)域不帶壓。因此，一般情況下，未來3年，10號煤層采掘活動不會發(fā)生奧灰突水。

但是，10號煤開采時(shí)，上部存在大面積2號煤采空區(qū)，且采空區(qū)內(nèi)不同程度存在積水，斷層、陷落柱較發(fā)育。若遇此類導(dǎo)水構(gòu)造，未來3年，將對10號煤層開采造成威脅。

綜上所述，該礦開采下組煤過程受水害影響程度現(xiàn)狀是，全井田采掘工程受水害影響，且威脅礦井安全。煤礦開采受水害影響程度綜合為復(fù)雜。

3.5.2 對礦井防治水工作難易程度的評價(jià)

該礦未來幾年的礦井防治水工作主要包括以下內(nèi)容：1）下組煤生產(chǎn)系統(tǒng)開拓過程中的超前探查構(gòu)造、富水異常區(qū)；2）北部剩余2號煤周圍老窯水探查；3）下組煤排水系統(tǒng)的完善以及水文動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)；4）下組煤防治水工作。

老窯積水是該礦安全生產(chǎn)的重大隱患之一。對于這類水患的防治，物探成果中基本圈定了采空區(qū)范圍。但在今后的采掘過程中，仍需采用井下物探與鉆探驗(yàn)證2種手段進(jìn)行超前探查，防止老窯水害的發(fā)生?；夭蛇^程中，在掌握積水區(qū)域及預(yù)測積存水量的基礎(chǔ)上，進(jìn)行采前疏放或者留設(shè)足夠的防水煤柱，也是防止老窯透水事故的有效手段之一。同時(shí)，還應(yīng)完善排水系統(tǒng)，為探放水做準(zhǔn)備。建立水文動態(tài)觀測系統(tǒng)，與相鄰礦井聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測水位變化情況，以降低突水發(fā)生的可能性。對于頂板砂巖水，含水層富水性弱，只要保證礦井排水能力即可。

總之，2號煤層防治水工作簡單，防治水難易程度中等；10號煤層工程量較大，防治水難易程度復(fù)雜。

3.6 礦井水文地質(zhì)類型劃分

依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，礦井水文地質(zhì)類型劃分見表1。

表1 各煤層指標(biāo)類型劃分表

綜合分析，本井田2號煤層水文地質(zhì)類型屬中等，10號煤層水文地質(zhì)類型屬復(fù)雜。

4 結(jié)語

造成礦井水害的原因很多，什林煤礦主要水害隱患為頂板砂巖水、K2灰?guī)r水、O2巖溶水及采空區(qū)積水。今后工作中，必須在《煤礦防治水規(guī)定》等有關(guān)法律法規(guī)的指導(dǎo)下，認(rèn)真分析研究礦井水文地質(zhì)原始基礎(chǔ)資料，進(jìn)一步查明存在的水害隱患，制定有針對性的防治水措施并嚴(yán)格執(zhí)行，保證礦井持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

［1］ 倪斌，張子光，楊大林，等.煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范：DZ/T 0215-2002［S］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2003.

［2］ 孫玉臣，程愛國，王佟，等.煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：MT/T 1091-2008［S］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.

［3］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.