太原李家樓煤業(yè)充水條件與充水因素分析

汪 旭

(山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，山西 太原 030006)

工作區(qū)位于太原清徐縣城西北6.0 km處馬峪鄉(xiāng)桃園村附近，行政區(qū)劃屬馬峪鄉(xiāng)管轄，其地理坐標為東經(jīng)112°16′04″～112°19′00″，北緯37°38′07″～37°40′03″。面積8.342 4 km2。礦井開采主要受大氣降水和地表水、采空區(qū)積水、煤系地層裂隙水、奧灰?guī)r溶水的威脅。因此，為確保礦方安全生產(chǎn)，對李家樓煤業(yè)開展了系統(tǒng)的水文地質(zhì)調(diào)查研究。

1 地層概況

1.1 地層

井田內(nèi)出露地層為二疊系上統(tǒng)上石盒子組、下統(tǒng)下石盒子組，第四系地層不整合于各時代地層之上，其余地層為鉆孔揭露，鉆孔揭露的區(qū)內(nèi)地層有奧陶系、石炭系、二疊系及第四系地層。井田內(nèi)賦存的主要含煤地層為山西組03,2,4號煤層、太原組5上,5,6,8+9號煤層。

1.2 構(gòu)造

西山煤田位于祁呂賀山字型構(gòu)造東翼及新華夏系構(gòu)造的復(fù)合部位，李家樓煤業(yè)位于西山煤田東南邊緣，清交礦區(qū)中南部，總體為一走向北東、向南東傾斜的單斜構(gòu)造，在此基礎(chǔ)上發(fā)育著次一級構(gòu)造。

井田主要構(gòu)造為迎南風(fēng)向斜和后窯背斜，褶曲走向北東東向，受此控制，地層走向與褶曲走向基本一致，南部傾向北西，北部傾向南東，局部傾向北西，傾角5°～20°，一般小于15°。

2 礦井水文地質(zhì)條件

礦井內(nèi)含水層自上而下分述如下：1)第四系松散巖類孔隙含水層。松散巖類孔隙含水巖組主要分布在較大的溝谷內(nèi)，由分選、磨圓不佳的砂礫、卵石等組成，直接接受大氣降水補給。含水層厚度一般小于10 m。2)二疊系上統(tǒng)上石盒子組砂巖裂隙含水層。二疊系上石盒子組在礦井內(nèi)廣泛出露分布，其主要含水層為K6,K7砂巖及基巖風(fēng)化層，K6砂巖平均厚度13.67 m，K7砂巖平均厚度9.00 m。本礦井補給條件單一，為大氣降水。上石盒子組出露地表，大氣降水可直接入滲補給。礦井由于地形切割強烈，有相當一部分處于當?shù)厍治g基準面以上，地下水多以散泉的形式在山坡或溝谷中出露?？傊?，上石盒子組砂巖含水層總體富水性弱，但在局部地段富水較好。3)二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組砂巖裂隙含水層。下石盒子組在礦井內(nèi)僅在溝谷底部有零星出露。該含水巖組由若干層砂巖組成，其主要含水層為K3,K4,K5砂巖，整體上為埋藏較淺的含水層。天然狀態(tài)下，各砂巖含水層之間由于泥巖的阻隔，聯(lián)通性差，水力聯(lián)系弱。山西組含水層主要靠區(qū)外遠源補給，所以淺部富水性強于深部?？偟膩碚f在正常情況下富水性弱，但是不排除局部地段富水的可能性。4)上石炭統(tǒng)太原組碎屑巖類夾石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。太原組有四層穩(wěn)定的石灰?guī)r，本區(qū)地表無石炭系地層出露，加之上覆二疊系地層砂泥巖厚度大，地層垂直滲透性差，區(qū)內(nèi)入滲補給微弱。天然狀態(tài)下，石炭系各含水層之間聯(lián)通性差，水力聯(lián)系弱，各含水層補給主要依靠區(qū)外遠源徑流補給?？傊?，本區(qū)石炭系上統(tǒng)從整體上看富水性弱。5)中奧陶統(tǒng)峰峰組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。井田內(nèi)地表無奧陶系石灰?guī)r出露，屬埋藏型隱伏巖溶區(qū)，峰峰組巖性主要為質(zhì)純灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r及石膏層。結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)資料綜合判斷，井田內(nèi)峰峰組水位標高在835 m～840 m之間。

3 礦井充水條件

3.1 充水水源

3.1.1大氣降水及地表水

井田內(nèi)及邊界處主要河流有都溝河、白石溝河，其他溝谷平時干涸無水，雨季水流分別流入白石溝河、都溝河后，向南匯入汾河。礦方對白石溝河、都溝河留設(shè)了保安煤柱。

井田內(nèi)主、副井口及工業(yè)廣場均位于井田南部都溝河北岸，主、副井、回風(fēng)立井井口標高均高于歷年最高洪水位，并且風(fēng)井場地整平前礦方已經(jīng)對溝谷進行了治理，砌筑了石拱暗涵洞，不存在洪水淹井威脅，對礦井生產(chǎn)影響較小。

3.1.2煤系地層裂隙水

煤系地層裂隙水有可能通過頂板冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶向礦坑充水，是礦坑充水的主要來源之一。由于本井田2號煤層上覆含水層為弱富水性含水層，一般情況煤系地層裂隙水對煤層開采影響較小。

3.1.3奧陶系巖溶水

根據(jù)以往資料，確定井田內(nèi)奧灰水位835 m～840 m，并對帶壓開采安全性做出評價：

本井田位于晉祠泉域巖溶水系統(tǒng)的逕流滯流區(qū)。由于本井田內(nèi)只有一個水文孔資料可利用，結(jié)合鄰區(qū)的抽水試驗資料分析，本井田內(nèi)O2f富水性弱。

井田內(nèi)2號煤層中南部位于奧灰?guī)r溶水水位之下，絕大部分為“帶壓開采”。通過《煤礦防治水規(guī)定》附錄四T=P/M公式計算，2號煤層奧灰?guī)r溶水最大突水系數(shù)為0.022 MPa/m，正常情況下，發(fā)生奧灰?guī)r溶水突水的可能性小，但當開采地段有斷裂、陷落柱等構(gòu)造破壞時，則存在突水可能性。因此，2號煤層開采受O2f奧灰水害威脅，奧灰水可能成為煤層底板突水的來源。

3.1.4采(古)空區(qū)積水

清徐縣煤炭開采歷史久遠，采(古)空區(qū)較多且開采范圍難以確定，采(古)空區(qū)不同程度的留有積水，已查明的采(古)空區(qū)可以提前預(yù)防，但未查明采(古)空區(qū)危害性更大。

李家樓煤業(yè)為單獨保留礦井，2003年3月開始基建，2016年9月轉(zhuǎn)為生產(chǎn)礦井，根據(jù)實際采掘情況以及以往勘探過程，在廣泛收集周邊煤礦采掘情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往報告，本井田2號煤層存在3處采(古)空區(qū)積水，對井田生產(chǎn)有一定影響。

3.2 充水通道

3.2.1頂板導(dǎo)水裂縫帶

煤層回采后，會對煤層頂板造成破壞，形成垮落帶與導(dǎo)水裂縫帶。

根據(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)范》，采用中硬巖層導(dǎo)水裂縫帶高度計算公式計算各煤層導(dǎo)水裂隙帶高度。其公式為：

(1)

(2)

(3)

其中，Hm為垮落帶高度，m;HIi為導(dǎo)水裂縫帶高度，m;∑M為煤層累計采厚，m。

3.2.2導(dǎo)水斷裂構(gòu)造

從構(gòu)造的發(fā)育情況看，這一地區(qū)在以前的地質(zhì)歷史時期巖溶曾經(jīng)一度十分發(fā)育，從而有較多的陷落柱出現(xiàn)，但由于地質(zhì)環(huán)境的改變，地下巖溶水處于相對滯流的狀態(tài)，巖溶裂隙被方解石充填，形成閉合裂隙，導(dǎo)水性及富水性變差，形成弱富水區(qū)。

但是斷裂構(gòu)造及陷落柱對煤礦充水有直接影響，通過今后煤層開采的進一步破壞，斷裂構(gòu)造及陷落柱加劇破壞地層的完整性，溝通各含水層間的水力聯(lián)系，降低巖石的力學(xué)強度，造成井田容易突水的軟弱帶，斷層帶及陷落柱溝通的各含水層的水可成為礦井的直接充水水源。

3.2.3封閉不良鉆孔

鉆孔也可能作為充水通道串通多個含水層，在開采過程中，遇到或接近它們時，容易引起涌水或造成淹井事故。

4 防治措施及建議

1)地表水的防治工作，必須加強“雨季”三防工作。建立預(yù)報、預(yù)警、預(yù)防和應(yīng)急救援工作機制，建立雨季巡視制度和停工撤人制度。加強對白石溝河、都溝河的監(jiān)測。2)井田內(nèi)及周邊采(古)空區(qū)積水分布較多，采(古)空區(qū)積水是本礦井防治水工作的重點。加強調(diào)查走訪和采空區(qū)探查工作，為井下巷道超前探測及探放水提供靶區(qū)。3)礦井大部分為“帶壓開采”，目前各斷層、陷落柱表現(xiàn)為含、導(dǎo)水性差，礦井仍需加強構(gòu)造導(dǎo)水性探測，防止奧灰水突水事故發(fā)生。

5 結(jié)語

1)李家樓煤業(yè)綜合評價屬于水文地質(zhì)條件中等的礦井。

2)充水水源主要有大氣降水、地表水、裂隙水及采(古)空區(qū)積水，充水通道包括導(dǎo)水斷層、巖層裂隙、采空導(dǎo)水裂隙帶、封閉不良的鉆孔等。