工作面采空區(qū)老空水形成因素分析

劉 兵

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)資源管理辦公室，山西 介休 032000)

0 引言

老空水是已采掘舊巷及舊工作面的空間內(nèi)，由于地質(zhì)、物理等多種力學(xué)或環(huán)境因素所形成的大量積水[1-2]。老空水是煤礦安全生產(chǎn)的一大隱患，是煤礦防治水工作的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。然而，在煤礦實(shí)際生產(chǎn)過程中，采空區(qū)積水的形成具有很多不確定性，其形成過程是建立在一定的地質(zhì)特征和開采因素之上的[3]。因此，通過歸納可知，對(duì)于老空水的成因，主要具備3個(gè)要素，即老空水來源、充水通道及聚水空間[4-5]。文中結(jié)合1303工作面水文資料、巷道布置和工作面地質(zhì)構(gòu)造分析老空水的成因和特征。

1 工程概況

1.1 工作面地質(zhì)構(gòu)造

礦井現(xiàn)采1303工作面屬于一分區(qū)3#煤層(+235水平)，煤層整體形態(tài)為一寬緩的向斜構(gòu)造，向斜核部約在3煤膠帶運(yùn)輸大巷以西1 469.0 m處，向斜兩翼不對(duì)稱，煤層產(chǎn)狀變化較大，西翼走向221°，傾向131°，東翼走向105°，傾向195°，煤層傾角8°～12°，平均10°，傾角的變化對(duì)工作面的回采有一定影響。煤層走向坡度也存在較大變化，以開切眼為起點(diǎn)，0～710 m 范圍為10°～-2°下坡，710～830 m范圍為0°平坡，830～1 950 m 范圍為1°～3°爬坡，坡度的變化決定了工作面由俯采、平推到仰采的過程。

1.2 工作面煤層特征

現(xiàn)采的3煤賦存穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含夾矸1～3層，夾矸厚0.27～1.29 m，本區(qū)域煤層厚度變異系數(shù)為42%，煤層厚度5.52～6.56 m，平均厚度6.04 m；堅(jiān)固性系數(shù)1.57。掘進(jìn)工作面煤層構(gòu)造較簡(jiǎn)單，整體為一寬緩的向斜，向斜核部在順槽中部偏西，西翼走向?yàn)?06°，傾向?yàn)?96°，東翼走向?yàn)?15°，傾向?yàn)?25°，煤層傾角8～12°，平均10°，無其他地質(zhì)構(gòu)造。

頂板偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚度0.02 m，灰黑色，性軟，有炭屑。直接頂為泥巖與粉砂巖交雜存在，厚度4.94 m，灰黑色，塊狀，含炭屑，巖體內(nèi)裂隙較多，巖質(zhì)較脆，易變形。底板直接底為泥巖，厚度0.62 m，灰黑色，塊狀，含炭屑。老底為粉砂巖厚度1.07 m，呈現(xiàn)出灰黑交錯(cuò)的顏色，粉砂狀粒度大小，其中節(jié)理處參差不齊，巖性偏軟，受力易產(chǎn)生形變，節(jié)理裂隙較多。

1.3 采區(qū)巷道布置及區(qū)段煤柱

礦區(qū)采用主斜井、副立井、風(fēng)立井的綜合開拓方式布置。煤礦采用綜合機(jī)械化放頂煤的開采工藝。該礦現(xiàn)采工作面1個(gè)，為1303工作面，另有3個(gè)掘進(jìn)工作面。

根據(jù)礦井的開拓方式，首采面(1301工作面)投產(chǎn)時(shí)沿3煤層開鑿4條傾斜大巷，兩翼布置回采工作面進(jìn)行開采。4條大巷分別為一條回風(fēng)大巷、一條膠帶運(yùn)輸大巷和2條輔助運(yùn)輸大巷。膠帶運(yùn)輸順槽的膠帶輸送機(jī)搭接于大巷膠帶輸送機(jī)，無溜煤眼，輔助運(yùn)輸大巷采用平車場(chǎng)與各輔助運(yùn)輸順槽相連接。工作面采用留煤柱開采，1303工作面與1301工作面之間的保護(hù)煤柱為18.6 m。

2 水文地質(zhì)

2.1 砂巖含水層

3煤層頂板含水層為侏羅系中統(tǒng)西山窯組中段弱含水層組，劃分為4個(gè)砂巖含水層。

V1含水層：巖性以灰白-灰色中粗砂巖、砂礫巖為主，多為鈣泥質(zhì)膠結(jié)，一般厚度4～20 m，均厚9.38 m。該層一般呈厚層—巨厚層狀，局部為4～5個(gè)單層組合，富水性弱。

V2含水層：由于2煤層的不穩(wěn)定性，也造成了該含水層的不穩(wěn)定，含水層平均厚度在1.0～5.0 m之間，局部可達(dá)17.6 m，一般為1～2個(gè)砂巖層，富水性弱。

V3含水層：下距3煤頂板約90～120 m，富水性較弱，巖性為粗、中砂巖，厚度約為20～40 m，含水層間巖體節(jié)理裂隙發(fā)育明顯。

V4含水層：3煤底板含水層，上距3煤層8～11 m左右，巖性為粗、中砂巖，厚度10 m左右，為弱含水層，3煤輔運(yùn)大巷二初次揭露該含水層時(shí)，涌水量在3 m3/h左右。

2.2 老窯水及火燒區(qū)水

1303開切眼以西880.0 m處為井田范圍內(nèi)第三火燒區(qū)的東邊界，火燒區(qū)東側(cè)依次分布著新瑞、西域、興鑫、南興、東方5個(gè)老窯，據(jù)已有勘探資料顯示，火燒區(qū)水與老窯水有一定的水力聯(lián)系，為老窯水的補(bǔ)給源。火燒區(qū)面積4.45 km2，分布于井田范圍內(nèi)的火燒區(qū)面積為2.66 km2?；馃齾^(qū)內(nèi)地下水靜儲(chǔ)量為5 004×104m3，最高水位標(biāo)高為+414.0 m(15-1孔)，1303開切眼上口標(biāo)高為+236.6 m，兩端高差177.4 m，則塌陷半徑為102.4 m。1303開切眼下口距老窯探水線244.0 m，上口距老窯探水線30.0 m，探水線距老窯邊界150.0 m，老窯積水位置、標(biāo)高等基本清楚。1303開切眼以西煤柱大于150.0 m，其塌陷范圍不會(huì)影響到小窯和火燒區(qū)。

2.3 鉆孔水

18-2、20-2孔在1303工作面內(nèi)，分別位于1303膠運(yùn)順槽1 560 m、590 m位置，南距膠運(yùn)順槽約15 m，已查明20-2孔標(biāo)高260.6 m 以上段為稠泥漿封堵，標(biāo)高260.6 m以下段為水泥砂漿封堵，封孔質(zhì)量特級(jí)。18-2孔標(biāo)高238.3 m以上段為稠泥漿封堵，標(biāo)高238.3 m以下段為水泥砂漿封堵，封孔質(zhì)量特級(jí)。

3 老空水形成因素分析

3.1 老空水水源

由于不同礦區(qū)氣候、地形、水文地質(zhì)條件等具有明顯的差異性，老空水充水水源也有很多種類型。但總而言之，大氣降水、河流等地表水、松散層含水層的含水、煤系頂板砂巖裂隙水、礦井工業(yè)用水等往往是老空水的主要充水來源。而且，在有些地質(zhì)條件極為復(fù)雜的礦區(qū)，其老空水甚至可能為以上幾種水源混合形成的結(jié)果。

對(duì)于文中所研究的煤礦，其位于新疆哈密市境內(nèi)。而哈密地區(qū)則屬典型的溫帶大陸型干旱氣候，晴天多，雨天極少，年降水量33.8 mm，年蒸發(fā)量3 300 mm，其蒸發(fā)量接近降雨量的100倍。礦區(qū)周圍無地表水系，3煤埋藏深度也大于100 m，故可排除地表水、大氣降水是含水層的情況。

據(jù)現(xiàn)有物探資料，結(jié)合1301工作面回采期間積累的水文資料，1303工作面上方最近含水層為V3含水層，工作面回采過程中受此含水層組影響較大，工作面在距3煤膠帶運(yùn)輸大巷以西745～1 114 m范圍內(nèi)，地表基本被侏羅系中統(tǒng)西山窯組上段弱含水層全覆蓋，該含水層通過地質(zhì)歷史時(shí)期大氣降水的補(bǔ)給，在巖石孔隙、裂隙發(fā)育地段富水。

因此，綜合考慮其水文地質(zhì)構(gòu)造可得，形成于1301工作面采空區(qū)的老空水水源主要為3煤層頂板砂巖V3含水層。該含水層下距3煤頂板約90～120 m，為距3煤頂板最近含水層，且裂隙發(fā)育，巖性為粗、中砂巖，厚度約20～40 m。

3.2 充水通道

充水通道是指聚水空間或采空區(qū)與充水水源的直接連接通道，不同特征的充水通道往往導(dǎo)致老空水水壓等水文條件的變化。深入分析充水通道特征，是得出解決礦井老空水成因和預(yù)測(cè)煤柱穩(wěn)定問題的關(guān)鍵。

根據(jù)所研究區(qū)域老空水的地質(zhì)資料可知，其所處區(qū)域距老窯水及火燒區(qū)水的位置較遠(yuǎn)，也并未封閉不良鉆孔，在1301工作面開采中也并未有頂板淋水事故產(chǎn)生，因此可知，所研究區(qū)域老空水通道是頂板破壞過程中形成的導(dǎo)水裂隙帶，形態(tài)為線狀，成因是開采擾動(dòng)，動(dòng)力特征為滲濾。其結(jié)構(gòu)特征如圖1所示。

圖1 采空區(qū)積水覆巖結(jié)構(gòu)

3.3 老空水形態(tài)特征

老空水形態(tài)特征，即老空水形成后所在區(qū)域的聚水空間狀態(tài)。根據(jù)不同情況的充水水源及充水通道，最終所形成區(qū)域也有所不同。然而，不同特性的巖層，具有明顯的不同的導(dǎo)-儲(chǔ)水特征，當(dāng)其導(dǎo)水特性較大而所測(cè)老空水區(qū)域水量恒定時(shí)，表明不斷有水進(jìn)入積水區(qū)域，這時(shí)，其老空水將表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)水流的特性，其水壓測(cè)定將無法按照靜水壓力的方法進(jìn)行。而當(dāng)老空水區(qū)域圍巖具有良好儲(chǔ)水特征時(shí)(大多數(shù)情況)，在其積水水量保持穩(wěn)定后，最終形成的積水區(qū)，其形態(tài)特征往往與蓄水池相似，事實(shí)上，此時(shí)采空區(qū)的積水就可以看做一個(gè)微型的地下水庫。因此，研究老空水所在區(qū)域的頂?shù)装鍘r性對(duì)于構(gòu)建煤柱體受力模型將有十分重要的意義。

通過對(duì)1301及1303工作面煤層柱狀圖及地質(zhì)資料分析可得，3煤偽頂為炭質(zhì)泥巖，質(zhì)地較軟；直接頂為泥巖與粉砂巖，厚度4.94 m，灰黑色，脆性較大，遇到外力作用易變形，局部裂隙發(fā)育。直接底為泥巖；老底為粉砂巖，厚度1.07 m，巖性偏軟，受力易產(chǎn)生形變，節(jié)理裂隙較多。

由此可知，所研究區(qū)域內(nèi)的頂?shù)装鍘r性組合在采動(dòng)影響下形成的冒落帶、裂隙帶直接關(guān)系到老空水的形成。由于偽頂為泥巖，直接頂為泥巖和粉砂巖，因此，在跨落后的較易形成積水空間，老頂為砂巖，其斷裂形成的裂隙帶則與上方含水層部分溝通，最終形成線狀的導(dǎo)水裂隙；而底板為泥巖，留有底煤，采動(dòng)冒落后泥巖與煤吸附能力強(qiáng)，吸附了上方含水層留下來的水后，發(fā)生膨脹，形成一個(gè)隔水層，以便使水積聚于冒落帶內(nèi)，最終，形成一個(gè)類似于水庫特征的老空積水區(qū)。

同時(shí)，結(jié)合1301工作面回采期間積累的水文資料，所研究的含水層位于距3煤膠帶運(yùn)輸大巷以西745～1 114 m范圍內(nèi)，此區(qū)域基本位于工作面寬緩向斜的核部區(qū)域，整體煤巖層賦存呈一“盆形”構(gòu)造，也為上覆含水層的滲濾過程創(chuàng)造了條件。其位置可如圖2、圖3所示。

圖2 采空區(qū)積水位置平面圖

圖3 采空區(qū)積水位置剖面

為探明老空水的具體形態(tài)特征，礦方在1303輔運(yùn)順槽先后施工11個(gè)探水孔，其中4個(gè)探水孔位于老孔積水區(qū)內(nèi)，這4個(gè)探水孔標(biāo)高分別為192 m、188 m、187 m、191 m，當(dāng)探水孔發(fā)現(xiàn)老空水1周后，積水水量與積水標(biāo)高保持恒定，礦方定義為靜態(tài)水體。通過礦方監(jiān)測(cè)并對(duì)比礦區(qū)地質(zhì)資料，最終可得，積水標(biāo)高為192 m，積水水量為12 222 m3，最大水壓值為0.26 MPa，最小所測(cè)值0.028 MPa。

4 結(jié)論

(1)1301工作面采空區(qū)的老空水水源主要為3煤層頂板砂巖V3含水層，該含水層下距3煤頂板約90～120 m，裂隙發(fā)育，巖性為粗、中砂巖，厚度約為20～40 m。

(2)所研究區(qū)域老空水的充水通道，來自于頂板破壞過程中形成的導(dǎo)水裂隙帶，形態(tài)為線狀，老空水成因是上區(qū)段工作面的開采擾動(dòng)，動(dòng)力特征為滲濾。

(3)所研究區(qū)域老空水為靜態(tài)水體，積水標(biāo)高為192 m，積水水量為12 222 m3，最大靜水壓力為0.26 MPa，最小為0.028 MPa。