陽(yáng)泉二礦礦井水致災(zāi)類型及影響程度分析

支佳彬

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

礦井水災(zāi)害是影響礦井安全高效生產(chǎn)的重要因素，是繼瓦斯之后造成礦災(zāi)、礦難的第二大因素[1]。礦井水災(zāi)害類型較多，一般有地表水災(zāi)害、松散層孔隙水災(zāi)害、采動(dòng)裂隙帶水災(zāi)害、構(gòu)造帶/接觸帶水災(zāi)害(構(gòu)造水災(zāi)害)、地層含水層水災(zāi)害、采空區(qū)積水災(zāi)害等類型[2-3]。近年來(lái)，隨著礦井規(guī)?；_(kāi)采的強(qiáng)度增加，礦井水災(zāi)害亦呈越發(fā)嚴(yán)重態(tài)勢(shì)[4]。在礦井水災(zāi)害防治方面，歷時(shí)多年的理論、實(shí)驗(yàn)研究和采礦實(shí)踐，形成了許多礦井水防治針對(duì)性技術(shù)，有力地保障了礦井的安全生產(chǎn)[5-7]。特別是我國(guó)《煤礦防治水規(guī)定》的制定和頒布，為我國(guó)礦井水災(zāi)害防治起到了保駕護(hù)航的作用。由于各煤礦區(qū)水文地質(zhì)條件、構(gòu)造地質(zhì)條件、采礦條件等差異，使得礦區(qū)內(nèi)采煤活動(dòng)水災(zāi)害類型亦有所不同。本文基于水文地質(zhì)、構(gòu)造地質(zhì)、物探及采礦資料等，對(duì)陽(yáng)泉二礦水災(zāi)害類型及影響程度進(jìn)行了分析，以期提高研究區(qū)水災(zāi)害防治的針對(duì)性和有效性。

1 研究區(qū)基本概況

陽(yáng)泉二礦為陽(yáng)煤集團(tuán)旗下特大型生產(chǎn)礦井，東距陽(yáng)泉市區(qū)約5 km，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°25′17″～113°33′07″，北緯37°46′44″～37°52′19″。井田走向長(zhǎng)約7.8 km，傾向長(zhǎng)約7.7 km，面積為60.060 3 km2。批準(zhǔn)開(kāi)采3、8、9、12、15號(hào)煤層，核定生產(chǎn)能力720萬(wàn)t/a，開(kāi)采深度為463.3～713.5 m。

中石炭統(tǒng)本溪組、上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組及下二疊統(tǒng)下石盒子組為井田內(nèi)含煤地層，其中，上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組為主要含煤地層。二套主要含煤地層中發(fā)育煤層11～16層，其中，3、6、8、9、12、13、15號(hào)煤層為井田內(nèi)不穩(wěn)定、較穩(wěn)定及穩(wěn)定局部、大部分及全部可采煤層。

2 礦井水災(zāi)害類型及影響分析

2.1 地表水災(zāi)害及影響

地表水是造成礦井水災(zāi)害的常見(jiàn)災(zāi)害之一，亦是礦井水災(zāi)害防治的重點(diǎn)內(nèi)容[8]。陽(yáng)泉二礦井田內(nèi)地表水主要為地表河流和地表潛水，二者對(duì)礦井沖水、積水和礦井涌水量均可產(chǎn)生一定影響。陽(yáng)泉二礦范圍內(nèi)主要有桃河、桑掌河、龍門河、小南溝河、大南溝河、北川河、西峪掌河等七條地表河流，除河流外無(wú)其它大的水體。河流呈樹(shù)枝狀分布，均屬季節(jié)性河流，在枯水期大部分呈斷流和潛流，河水流量一般為0～15.6 m3/s。小南溝河、大南溝河、西峪掌河部分河段距離煤層和井下巷道較近，受河床潛水影響井下巷道及采空區(qū)時(shí)常有滲漏現(xiàn)象，對(duì)煤礦生產(chǎn)過(guò)程中礦井涌水量亦會(huì)產(chǎn)生一定影響，影響程度自上而下逐漸減弱。其他地段的河流因距離開(kāi)采煤層距離遠(yuǎn)，地表水均不會(huì)對(duì)回采工作面產(chǎn)生影響。因此，地表水不會(huì)直接對(duì)礦井的安全造成影響，但對(duì)淺部采空區(qū)充水和積水貢獻(xiàn)巨大。

井田內(nèi)第四系潛水位于河流沖積層中，其地下水補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水。由于沖積層在井田內(nèi)具有局部發(fā)育特點(diǎn)，因而只有埋深較淺的區(qū)域內(nèi)潛水對(duì)礦井的充水、積水和礦井涌水量產(chǎn)生影響，在煤層埋深較大區(qū)域，潛水基本不對(duì)礦井開(kāi)采安全產(chǎn)生影響。

2.2 采空區(qū)水災(zāi)害及影響

陽(yáng)泉二礦為多煤層開(kāi)采礦井，礦井開(kāi)采時(shí)代相對(duì)久遠(yuǎn)，井田內(nèi)形成了許多采空區(qū)。采空區(qū)積水突水是危害礦井安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，具有突水量大、迅猛、破壞力強(qiáng)、危害程度大等特點(diǎn)[9-10]。采礦活動(dòng)致使上覆和下伏圍巖產(chǎn)生破壞變形和采動(dòng)裂隙系統(tǒng)發(fā)育，采動(dòng)裂隙可不同程度導(dǎo)通上部采空區(qū)和同煤層采空區(qū)，采空區(qū)中的積水會(huì)沿著采動(dòng)裂隙系統(tǒng)進(jìn)入回采工作面，進(jìn)而對(duì)礦井安全產(chǎn)生影響。因此，要有效防治采空區(qū)水災(zāi)害，需摸清采動(dòng)裂隙的發(fā)育高度及影響范圍、采空區(qū)(本井田采空區(qū)及周邊小煤窯采空區(qū))分布及采空區(qū)的積水情況，同時(shí)做好科學(xué)、合理的礦井探放水技術(shù)措施。

2.3 含水層水災(zāi)害及影響

2.3.1 煤系砂巖、薄層灰?guī)r水災(zāi)害及影響

陽(yáng)泉二礦井田范圍內(nèi)含水層由五套，自上而下依次為第四系河床沖積層孔隙含水層、石盒子組砂巖含水層、山西組K7砂巖(第三砂巖)含水層、太原組砂巖及石灰?guī)r含水層、奧陶系灰?guī)r含水層，上述含水層除第四系河床沖積層孔隙含水層的富水性較強(qiáng)外，其余含水層的富水性普遍較弱。各開(kāi)采煤層間具有多層隔水性能良好的隔水層發(fā)育，在正?；夭汕闆r下，含水層中地下水對(duì)礦井生產(chǎn)影響不大。陽(yáng)泉二礦為多煤層開(kāi)采礦井，采煤時(shí)間較長(zhǎng)，井田內(nèi)形成了很多采空區(qū)積水區(qū)。采空區(qū)積水補(bǔ)給含水層，致使礦井回采過(guò)程中偶見(jiàn)誘導(dǎo)礦井突水發(fā)生(例如2002年10月13日，西四尺井15號(hào)煤層8206工作面回采至28 m頂板發(fā)生突水，日均突水量365 m3/h，造成工作面停產(chǎn)41天，分析水源為上方K2、K3灰?guī)r含水、巖層裂縫水及12號(hào)煤采空區(qū)殘余積水)，對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成了極大威脅。

2.3.2 奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓水災(zāi)害及影響

據(jù)水文勘查資料顯示，陽(yáng)泉二礦井田范圍內(nèi)15號(hào)煤層最低標(biāo)高為+252 m，而奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層的最高水位為+412.36 m(表1)。15號(hào)煤層11采區(qū)局部、12采區(qū)南部、13采區(qū)煤層底板標(biāo)高均低于412.36 m，因此，這些采區(qū)面臨帶壓開(kāi)采問(wèn)題。關(guān)于帶壓開(kāi)采礦井突水能否發(fā)生，主要根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中的突水系數(shù)法預(yù)測(cè)[11-12]。通過(guò)突水系數(shù)法計(jì)算公式估算可知，在隔水層沒(méi)有太大變化的情況下，突水系數(shù)一般小于0.03 MPa/m。因此，15號(hào)煤層在無(wú)集中導(dǎo)水通道發(fā)育或存在情況下礦井開(kāi)采是安全的。采煤過(guò)程中，嚴(yán)格按照《煤礦防治水規(guī)定》，做好相應(yīng)的防治水工作至關(guān)重要。

表1 陽(yáng)泉二礦奧陶系灰?guī)r含水層水位標(biāo)高情況

2.4 斷層、陷落柱水災(zāi)害及影響

陽(yáng)泉二礦構(gòu)造水災(zāi)害類型主要有斷層水災(zāi)害和陷落柱水災(zāi)害兩種類型。據(jù)地震探測(cè)、鉆孔勘查及采礦揭露資料顯示，陽(yáng)泉二礦斷層落差大于20 m的大中斷層發(fā)育稀少，多數(shù)斷層落差小于5 m。落差小的斷層，基本未導(dǎo)通上覆或下伏鄰近含水層，同時(shí)這些小斷層多具有良好的隔水性能(基本無(wú)水或個(gè)別見(jiàn)零星滴水，極個(gè)別出現(xiàn)極小涌水，但持續(xù)時(shí)間短)。陷落柱的富水性和導(dǎo)水性能與本井田斷層類似，井田內(nèi)陷落柱基本無(wú)水，僅極少數(shù)陷落柱可見(jiàn)滴水現(xiàn)象。顯示了井田內(nèi)小斷層和陷落柱與鄰近含水層水力聯(lián)系小、富水性弱、導(dǎo)水性差。

但受采礦活動(dòng)影響，個(gè)別斷層帶的導(dǎo)水性有明顯增強(qiáng)現(xiàn)象，特別是在開(kāi)采煤層埋深較淺的地帶尤為顯著。煤層埋深較淺地帶，采動(dòng)裂隙往往溝通了地表或鄰近含水層中地下水，此時(shí)斷層便成為了地下水的主要滲漏通道，礦井涌水量增大。而深部煤層開(kāi)采斷層、陷落柱水災(zāi)害影響相對(duì)較弱，但在未來(lái)進(jìn)入帶壓開(kāi)采區(qū)域，不排除在奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙承壓水壓力與采動(dòng)影響的共同作用下，斷層和陷落柱有導(dǎo)水的可能性。

2.5 封閉不良鉆孔水災(zāi)害及影響

封閉不良鉆孔水害是人為因素造成的突水災(zāi)害，他們往往是水資源勘查、煤炭與煤層氣資源勘查活動(dòng)所留下的點(diǎn)狀垂向?qū)ǖ狼覍?dǎo)水通道具有較強(qiáng)的隱蔽性[13]。鉆孔在垂向上溝通不同含水層，使得含水層間地下水形成了水力聯(lián)系，當(dāng)井下采礦活動(dòng)揭露或接近時(shí)，容易形成突發(fā)性的突水事故。鉆孔誘導(dǎo)突水災(zāi)害具有突水初期涌水量大、水源補(bǔ)給穩(wěn)定、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)[14]。陽(yáng)泉二礦在資源勘查過(guò)程中，施工了大量的地面勘探鉆孔。據(jù)勘探鉆孔成果資料顯示，所有的鉆孔均進(jìn)行了封閉處理，未見(jiàn)鉆孔封閉不良現(xiàn)象，這類鉆孔的水災(zāi)害基本不會(huì)對(duì)礦井安全造成影響。對(duì)于施工相對(duì)久遠(yuǎn)的鉆孔，有可能因?yàn)榉忾]材料的時(shí)效過(guò)期而造成鉆孔封閉不良情況發(fā)生。因此，在今后的煤炭開(kāi)采過(guò)程中仍需采取措施，加強(qiáng)對(duì)封閉不良鉆孔的探查。

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 陽(yáng)泉二礦水災(zāi)害主要有地表水災(zāi)害、采空區(qū)水災(zāi)害、含水層水災(zāi)害、構(gòu)造水災(zāi)害及封閉不良鉆孔水災(zāi)害等五種類型，不同礦井水災(zāi)害類型作用機(jī)理、致災(zāi)特點(diǎn)及影響程度各不相同。

2) 礦井淺部開(kāi)采受地表水影響較大，礦井涌水量隨季節(jié)性變化明顯，總體呈現(xiàn)出雨季礦井涌水量大，地表水致災(zāi)影響程度嚴(yán)重，其他季節(jié)礦井涌水量小，地表水致災(zāi)影響程度小的特征。

3) 采礦活動(dòng)所形成的裂隙系統(tǒng)是導(dǎo)通積水采空區(qū)、富含水層的媒介，地下水通過(guò)采動(dòng)裂隙系統(tǒng)進(jìn)入回采空間進(jìn)而發(fā)生突水事故。研究區(qū)采空區(qū)分布和積水情況、含水層富水性及承壓水分布區(qū)域清楚，做好合理的探放水工作是有效防治采空區(qū)水災(zāi)害和含水層水災(zāi)害的關(guān)鍵。

4) 研究區(qū)斷層、陷落柱的富水性弱、導(dǎo)水性差，二者水災(zāi)害總體對(duì)礦井安全影響不大。但后期帶壓開(kāi)采區(qū)，不排除采礦活動(dòng)和承壓水共同作用致使斷層和陷落柱有導(dǎo)水和發(fā)生突水事故可能。

5) 研究區(qū)鉆孔封閉良好，其水災(zāi)害對(duì)礦井安全影響甚微，但仍需加強(qiáng)施工時(shí)間久遠(yuǎn)的鉆孔探查，防止因鉆孔封閉材料的時(shí)效過(guò)期而使鉆孔封閉不良發(fā)生突水事故。