山西河?xùn)|煤田沙坪煤礦延深水平回風(fēng)大巷突水水源判斷

李如燚

(山西省晉神能源有限公司,山西 忻州 036500)

0 引言

山西省晉神能源有限公司沙坪煤礦位于山西省河曲縣城東南約32km的黃河?xùn)|岸，生產(chǎn)能力400萬t/a，2010年投產(chǎn)?，F(xiàn)采8號煤層即將資源枯竭，2017年礦井主、輔運(yùn)大巷延深至13號煤層，配采9、10、11、12號煤層，延深水平建設(shè)周期3a，預(yù)計2020年投產(chǎn)。延深水平回風(fēng)大巷為矩形斷面，凈斷面為5.8 m×4.2m，錨網(wǎng)支護(hù)，以+5‰的坡角延13號煤層頂向前掘進(jìn)。

2018年5月21日，延深水平回風(fēng)大巷掘進(jìn)至373m時，巷道頂板錨索孔淋水，水量4 m3/h，呈無水壓自流狀態(tài)，水質(zhì)透明無味，持續(xù)30d水量無增減；2018年6月22日掘進(jìn)至700m時，超前探水鉆孔突水，水壓0.14MPa，涌水量76m3/h，水質(zhì)透明無味；2h后水壓降至0.05MPa，涌水量穩(wěn)定至56m3/h。突水點(diǎn)底板標(biāo)高低于奧陶系巖溶水位帶壓掘進(jìn)，2h內(nèi)涌水量達(dá)152m3，沙坪煤礦擔(dān)心奧陶系巖溶水介入，決定該工作面立即停止掘進(jìn)，突水水源的準(zhǔn)確判斷成為影響沙坪煤礦延伸水平建設(shè)施工的關(guān)鍵因素。

1 礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1 地層、構(gòu)造

沙坪井田位于河?xùn)|煤田北部的河曲礦區(qū)，地表為侵蝕性黃土丘陵地貌，大部為新近系、第四系松散層覆蓋，基巖主要出露于井田西部、北部的溝谷及其兩側(cè)，地勢東高西低。區(qū)內(nèi)賦存奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組，石炭系上統(tǒng)本溪組、太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，二疊系上統(tǒng)上石盒子組，新近系上新統(tǒng)保德組，以及第四系中上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)等。地層總體呈向北西傾斜的平緩單斜構(gòu)造形態(tài)，據(jù)8號煤層采掘揭露，井田內(nèi)未見落差大于1m的斷層和巖溶陷落柱，無巖漿巖侵入，地質(zhì)構(gòu)造簡單。

沙坪井田主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，含煤地層平均厚107.33m，含煤10層，其中8、13號煤層全區(qū)穩(wěn)定可采，9、10、11、12號煤層大部穩(wěn)定可采，6、7、14、15號煤層不可采，煤層總厚34.53m，含煤系數(shù)32.17%。

1.2 水文地質(zhì)條件

沙坪煤礦水文地質(zhì)類型為中等，主要含水層為奧陶系中統(tǒng)巖溶裂隙含水巖組(富水性中等―極強(qiáng))，石炭系、二疊系及三疊系砂巖裂隙含水巖組(富水性弱―中等)，新近系上新統(tǒng)松散層及礫巖孔隙、裂隙含水巖組(富水性弱)，以及第四系松散層孔隙含水巖組(富水性弱)；隔水層主要為本溪組和石炭、二疊系含水層之間泥巖類地層。

沙坪井田位于天橋泉域西部邊緣，奧陶系巖溶水由井田東部、北部接受補(bǔ)給，向西南運(yùn)移；煤系砂巖裂隙水和新近系、第四系松散層孔隙水補(bǔ)給來源主要是大氣降水和上部含水層的越流補(bǔ)給，煤系砂巖裂隙水徑流方向與地層傾向一致(由南東向北西)；新近系、第四系松散層孔隙水與地表水徑流方向基本一致(由東向西)，最終匯入黃河。礦井主要充水水源為大氣降水、地表水、采空水、煤系砂巖裂隙水和奧陶系巖溶水，主要充水通道為地表塌陷、裂縫和地下采動破壞。

本區(qū)地表水系屬黃河流域，黃河為區(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面，歷史最高洪水位+842.46m，豐水期最高水位+835m，枯水期最低水位+832m；歷年最大洪峰流量10 300m3/s，河床坡降0.07%。沙坪井田位于黃河?xùn)|岸縣川河匯水區(qū)，縣川河為季節(jié)性河流，位于井田南部，是黃河主要支流，井田內(nèi)溝谷縱橫，無常年河流和水體，僅發(fā)育季節(jié)性沖溝，平時干涸無水，雨季由東向西匯入黃河。

沙坪井田內(nèi)奧陶系中統(tǒng)底部發(fā)育20～50m碳酸鹽巖3～4層，巖性以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及泥灰?guī)r為主，巖溶發(fā)育，透水性好，為煤系下部主要含水層；據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔資料，單位涌水量0.337～22.67L/(s·m)，滲透系數(shù)0.122 9～14.432m/d，礦化度0.395g/L，總硬度390.73～1 142.28mg/L，pH值7.79～7.9；富水性中等―極強(qiáng)，井田奧陶系巖溶水位標(biāo)高843～848m，水質(zhì)類型為HCO3―Ca·Mg 和SO4·Cl―Ca·Na·Mg型。

石炭系上統(tǒng)太原組含水層由太原組底部S1中粗粒砂巖、上部9、10號煤層間的砂巖透鏡體、以及本溪組頂部L1灰?guī)r組成。砂巖節(jié)理裂隙較發(fā)育。據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔資料，單位涌水量0.002 6～0.015 1 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.014～0.326m/d，礦化度0.558～1.3g/L， 總硬度545.13～892.5mg/L， pH值7.6～7.7，富水性弱―中等，水質(zhì)類型為HCO3―Ca·Mg和HCO3―Na·Mg·Ca型。

圖1 沙坪井田采空積水區(qū)分布Figure 1 Shaping minefield gob water areas distribution

二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組砂巖含水層主要由S2、S3、S4砂巖標(biāo)志層及其層間砂巖組成，砂巖裂隙發(fā)育不均衡，據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔資料，單位涌水量0.000 9～0.187L/(s·m)，滲透系數(shù)0.002 3～2.016m/d，礦化度0.35～0.5g/L，總硬度199.20～1 964.62mg/L，pH值6.8～7.7，富水性弱―中等，水質(zhì)類型為HCO3―Ca·Mg型。二疊系上統(tǒng)上石盒子組含水層主要由S4砂巖標(biāo)志層及其層間砂巖組成，砂巖裂隙不發(fā)育，據(jù)鄰區(qū)和區(qū)域水文地質(zhì)資料，單位涌水量小于0.1L/(s·m)，富水性弱，水質(zhì)類型為HCO3―Ca·Mg型。

沙坪煤礦為資源整合礦井，井田8號煤層已進(jìn)入末采，采空積水區(qū)主要分布于已采工作面低坳區(qū)和部分整合煤礦采空區(qū)(圖1)，北部、中部較多，地表塌陷、裂縫均已回填。采空積水區(qū)共12處，積水面積20.53萬m2，積水量23.73萬m3；老(古)空區(qū)集中于井田東部煤層露頭附近，主要分布在井田北部邊緣、東部及南部，古窯開采歷史較長，采煤方法簡單，采掘深度不超過50m；老(古)空積水區(qū)僅存在于8、9、13號煤層，其中8號煤層7處，積水面積14.75萬m2，積水量10.43萬m3，9號煤層8處，積水面積75.48萬m2，積水量35.98萬m3；13號煤層10處，積水面積23.44萬m2，積水量22.29萬m3。

2 突水水源判斷

延深水平回風(fēng)大巷突水可能來自地表水、煤系砂巖裂隙水、采空積水或奧陶系巖溶水等水源，及其兩種或兩種以上水源的混合。通過現(xiàn)場調(diào)查和資料分析，結(jié)合延深水平回風(fēng)大巷淋水、突水、地表水以及奧陶系巖溶水水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果，利用排除法對突水水源做出判斷。

2.1 地表水

沙坪井田地面無常年水體，延伸水平回風(fēng)大巷373～700m地表位于菅家溝北坡(圖1)。據(jù)河曲縣氣象資料，2018年5、6月的月降雨量30～50mm，日降雨量小于10mm，均為短時小雨。井田內(nèi)廢棄井口均永久封閉，礦井高程最低的副平硐井口標(biāo)高+846.471m，高出黃河歷史最高洪水位4m；突水點(diǎn)上部為8號煤層主、輔運(yùn)大巷，無采空和小窯破壞區(qū)，無封閉不良鉆孔；經(jīng)現(xiàn)場踏勘無地質(zhì)構(gòu)造，地表未見采空裂縫、塌陷和地質(zhì)滑坡等基巖活動跡象，首先排除大氣降水及地面水體潰入井下的可能。

表1 沙坪井田水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果

注：地表水—沙坪煤礦2018年5月2日取自黃河?xùn)|岸；回風(fēng)大港淋水—山西省地質(zhì)勘查局217隊(duì)，2018年5月21日??；回風(fēng)大巷突水—山西省地質(zhì)勘查局217隊(duì)，2018年6月22日??；奧陶系巖溶水—山西省地質(zhì)勘查局217隊(duì)2018年5月21日取自沙坪煤礦水源井；裂隙帶淋水—沙坪煤礦2018年7月3日延伸水平回風(fēng)大巷812m取。

2.2 采空積水

延深水平回風(fēng)大巷突水點(diǎn)位于沙坪井田中部偏西(圖2)，北部有8號煤層采空積水3處與大石溝煤礦老空積水1處，積水面積3.73萬m2，積水量3.35萬m3，水平距離130～900m；西部有火山煤礦9號煤層老空積水區(qū)1處，積水面積4.47萬m2，積水量3.3萬m3，水平距離970m；南部有8號煤層采空積水區(qū)1處，積水面積0.16萬m2，積水量0.12萬m3，水平距離550m。延深水平回風(fēng)大巷373～700m巷道底板標(biāo)高+839～+890m，對應(yīng)地面高程+1 000～+1 050m，埋深161～170m，地層傾角2°～4°，上部8、9、13號煤層130m范圍內(nèi)無采掘活動，其間未揭露地質(zhì)構(gòu)造；北部3處及南部1處采空積水為8號煤層2008—2015年采空區(qū)，無小窯破壞，地層未形成采動裂隙及彎曲下沉，采空積水無法到達(dá)。

北部大石溝煤礦和西部火山煤礦均為2006年整合關(guān)閉礦井，2處老空積水，其間隔水煤柱完整，無礦山壓力顯現(xiàn)，老空積水被隔離。

突水點(diǎn)距8號煤層露頭線2.6km，經(jīng)地面物探和8號煤層采掘驗(yàn)證，附近無古窯采空。延深水平回風(fēng)大巷373m頂板淋水水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果表明，其Fe3+質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低，pH值呈弱堿性(7.16～7.43)，與采空水pH值呈酸性、Fe3+質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高相背離，表明延伸水平回風(fēng)大巷突水非采空積水水源。

2.3 奧陶系巖溶水

延深水平回風(fēng)大巷突水點(diǎn)底板標(biāo)高+839m(圖2)，奧陶系巖溶水位標(biāo)高+844.5m， 突水點(diǎn)巷道底板標(biāo)高低于奧陶系巖溶水位5.5m，帶壓0.55MPa，隔水層厚度62.81m，屬奧陶系巖溶水帶壓區(qū)。突水2h后涌水量由76m3/h減小為56m3/h，水壓由0.14MPa降至0.05MPa，遠(yuǎn)小于奧陶系巖溶水水壓0.55MPa。延深水平回風(fēng)大巷突水后，373～700m巷道頂板錨索孔淋水明顯減小，突水點(diǎn)水壓明顯降低，涌水量減小并穩(wěn)定下來，表明突水水源水量有限；水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值等水化學(xué)特征相同，表明延伸水平回風(fēng)大巷淋水與突水為同一水源。

2.4 煤系砂巖裂隙水

沙坪煤礦礦井正常涌水量48.85m3/h，在同一開采深度上，與采空區(qū)面積增量相關(guān)性較弱(圖3)，與大氣降水相關(guān)性不強(qiáng)。2015―2018礦井涌水量變化幅度較小，最小32 m3/h(2018年2月)，最大69.9m3/h (2015年9月)，年均49.07m3/h，礦井涌水量基本穩(wěn)定。

圖2 延深水平回風(fēng)大巷井上下對照Figure 2 Deepening level main return way surface-underground contrast drawing

日期圖3 礦井涌水量相關(guān)曲線Figure 3 Mine water inflow growth correlation curves

據(jù)沙坪煤礦8號煤層采掘揭露，礦井充水主要表現(xiàn)為掘進(jìn)巷道煤層頂板裂隙的滲水、滴水和淋水，且涌(淋)水點(diǎn)位置隨巷道的掘進(jìn)進(jìn)度間斷出現(xiàn)，均為臨時或短期性的，一般持續(xù)7～20d，個別點(diǎn)達(dá)3個月，之后水量逐漸枯竭。

沙坪煤礦自2010年投產(chǎn)以來井下各涌(淋)水點(diǎn)涌水量大小不等，最小0.13m3/h，最大9.4m3/h(不含本次突水)，均為頂板淋水且持續(xù)時間較短，大多都是靜儲量為主的頂板砂巖裂隙水，補(bǔ)給條件較差，短期疏干后枯竭。由此可見，煤層頂板的裂隙涌(淋)水是礦井涌水主要組成部分，礦井涌水量主要來自煤層頂板砂巖裂隙水和部分采空積水的排放。

綜上所述，沙坪煤礦延深水平回風(fēng)大巷突水水源非地表水饋入，非采空積水水源，亦非奧陶系巖溶水水源；同時其突水水量有限并呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，具砂巖裂隙水水化學(xué)特征，因此認(rèn)定延深水平回風(fēng)大巷突水水源為煤系砂巖裂隙水。因其水量有限，水壓較小，不會影響延深水平回風(fēng)大巷的正常掘進(jìn)，建議沙坪煤礦完善臨時排水系統(tǒng)后立即回復(fù)掘進(jìn)。

3 驗(yàn)證情況

2018年6月22日延深水平回風(fēng)大巷掘進(jìn)至700m突水后停掘，突水點(diǎn)涌水量76 m3/h，2h后穩(wěn)定在56 m3/h；完善臨時排水系統(tǒng)后于次日恢復(fù)掘進(jìn)，突水點(diǎn)涌水量56 m3/h；2018年6月24日突水點(diǎn)涌水量降至30m3/h，次日10m3/h，一周內(nèi)逐漸減小至淋水。延深水平回風(fēng)大巷突水涌水量總計3 600 m3，持續(xù)10d，呈現(xiàn)迅速下降并逐漸枯竭趨勢，驗(yàn)證了延深水平回風(fēng)大巷突水水源水量有限的判斷。

延深水平回風(fēng)大巷自700m突水點(diǎn)向前掘進(jìn)112m時，出現(xiàn)一組2～5cm寬的張扭性裂隙帶，裂隙走向與巷道延伸方向斜交(圖2)，貫穿巷道四壁，其上部8號煤層巷道相應(yīng)位置亦有揭露，裂隙揭露時有淋水現(xiàn)象。裂隙帶揭露2d前突水點(diǎn)表現(xiàn)為淋水，揭露后突水點(diǎn)淋水消失；通過對延伸水平回風(fēng)大巷812m裂隙帶淋水點(diǎn)取樣化驗(yàn)，結(jié)果表明裂隙帶淋水水化學(xué)特征與突水點(diǎn)相同，驗(yàn)證了突水水源為煤系砂巖裂隙水，而該裂隙帶構(gòu)成延深水平回風(fēng)大巷突水的導(dǎo)水通道。

4 結(jié)論

2)在煤礦井下采掘過程中，當(dāng)回采工作面或掘進(jìn)頭遇到水情時，應(yīng)立即停止采掘活動，采集水樣化驗(yàn)并獲取水化學(xué)分析結(jié)果，結(jié)合井田內(nèi)地表水、砂巖裂隙水、奧陶系灰?guī)r水以及采空積水等水源的水化學(xué)特征，綜合分析礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，查明礦井水充水條件、充水因素、涌水量構(gòu)成以及井田各可采煤層的積水情況，迅速、準(zhǔn)確判斷水源，并依據(jù)判斷結(jié)果制定可靠有效的防治措施后盡快恢復(fù)生產(chǎn)。