陜西省紅石巖煤礦水害致災(zāi)因素分析

高 午

(陜西省紅石巖煤礦，陜西黃陵 727307)

0 前言

礦區(qū)位于黃隴侏羅紀煤田黃陵礦區(qū)中東部，陜北黃土高原南部的低中山丘陵區(qū)，屬溫帶半干旱季風型氣候。礦井地處陜西省黃陵縣店頭鎮(zhèn)曹家峪村，初建于1968年，之后經(jīng)過兩次改擴建，現(xiàn)生產(chǎn)能力為120萬t/a。礦井采用斜井-平硐聯(lián)合開拓方式，綜合機械化采煤。礦井周邊小煤窯密布，曾多次遭受水災(zāi)，尤以地表水為主。為了防止煤礦再次發(fā)生水災(zāi)事故，有必要對其水害致災(zāi)因素進行分析，以便制定相應(yīng)措施，做到防患于未然。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)條件

1.1.1 構(gòu)造

礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，整體為走向北東、傾向北西的單斜構(gòu)造，地層傾角1°～5°。在此之上，發(fā)育一系列北西、北西西向延展的褶曲構(gòu)造。目前揭露的為正斷層,產(chǎn)狀340°∠45°～65°,落差2.1～2.7m。

1.1.2 地層及含煤地層

礦區(qū)內(nèi)地層由老至新依次有三疊系上統(tǒng)永坪組，侏羅系中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組，白堊系下統(tǒng)洛河組，第四系。

本區(qū)的含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組,厚度30.47～74.37m。，在煤礦礦權(quán)范圍內(nèi)呈西南厚、東北薄。延安組為本區(qū)的含煤地層，共含煤3層，自上而下分別為1-1號煤、1-2號煤、2號煤。主采煤層為2號煤。

1.2 含水層

煤礦位于黃陵礦區(qū)南川二級水文地質(zhì)單元的北部,主要為該水文地質(zhì)單元的徑流區(qū),局部為排泄區(qū),以下降泉排泄形式為主。礦內(nèi)主要含水層分別是第四系孔隙潛水含水層、下白堊統(tǒng)洛河組砂巖裂隙含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組下段砂巖裂隙含水層、侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖裂隙含水層和三疊系上統(tǒng)永坪組裂隙含水層。其中前4個含水層位于煤層以上，為礦井充水含水層；永坪組含水層位于煤層之下，富水性弱，基本不構(gòu)成礦井充水含水層。

1.2.1 第四系潛水含水層

含水層以大氣降水補給為主，在溝谷或下游河谷地帶與地表水體呈互補互泄。徑流方向主要受地形控制，由地勢高的山梁向地勢低的溝川地帶排泄，在礦區(qū)由南向北徑流和排泄，對煤礦生產(chǎn)不構(gòu)成威脅。

1.2.2 下白堊系洛河砂巖含水層

為裂隙潛水。出露于礦區(qū)西、南部的溝谷中，最大厚度104.28m。該含水層位于當?shù)厍治g基準面以上，受到溝谷切割，以泉的形式排出，流量為0.01～0.3L/s,富水性弱，對礦井生產(chǎn)威脅不大。

1.2.3 侏羅系中統(tǒng)直羅組下段砂巖含水層

為裂隙潛水。陜西省一九四煤田地質(zhì)有限公司于2018年3月15日至4月17日，在煤礦3#風井附近，施工了直羅組CG1和延安組CG2長觀孔，并進行了抽水試驗。CG1號鉆孔抽水試驗顯示,單位涌水量平均為q=0.000 984L/(s·m)，滲透系數(shù)K=0.002 725m/d，富水性弱。

1.2.4 侏羅系中統(tǒng)延安組中部砂巖裂隙含水層

為裂隙承壓水。據(jù)CG2號鉆孔抽水試驗，單位涌水量平均為q=0.002 611L/(s·m),滲透系數(shù)K=0.000 026 7m/d，富水性弱。

2 礦井充水條件分析

建礦以來，煤礦曾發(fā)生過7次突水事故，均是地表水通過老窯采空區(qū)和廢棄巷道潰入井下造成的。距今最近的一次突水是發(fā)生在2013年的“7·22”突水事故。

2013年7月22日，黃陵縣店頭地區(qū)普降大到暴雨，導致曹家峪溝內(nèi)洪水泛濫，以2160m3/h的流量全部涌入曹家峪溝口的曹家峪災(zāi)害治理坑，坑內(nèi)積水沿被揭露的兩條老窯采空巷道和采空區(qū)導水網(wǎng)潰入紅石巖煤礦+910m水平行人下山巷，再涌入+880m水平大巷等其它巷道和硐室，致使煤礦+880m水平大巷、+880m中央水泵房、+880m水平配電室、+880m到+917m水平的主副斜井、集中巷一部分及全部生產(chǎn)設(shè)備被淹，礦井被迫停產(chǎn)。被淹巷道和硐室積水量總達37 000m3。

據(jù)統(tǒng)計，近年來，礦井涌水量隨采空區(qū)面積的增加呈逐年增大趨勢。2018年礦井平均涌水量377.6m3/h，最大涌水量630.7m3/h。

煤礦正常涌水水源主要來自大氣降水、地表水、地下水、采空區(qū)水,突水則主要來自于大氣降水和地表水。充水主要通道是煤層采動裂隙、采空區(qū)密閉墻，其次為含水層空隙(包括孔隙和裂隙)，潛在導水通道主要是封閉不良鉆孔。

2.1 充水水源

2.1.1 大氣降水

本區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候,年平均降水量614mm,而蒸發(fā)量則大于1 300mm,降水量小而蒸發(fā)量大決定了黃陵礦區(qū)為區(qū)域性地表水和地下水的補給強度較小。

大氣降水的充水途徑，一是通過煤層上覆地層的天然裂隙和人工采動裂隙直接涌入礦井，二是通過補給地表水和地下水間接進入井下。

煤礦降水多集中在6、7、8三個月，由于地形起伏較大，溝谷切割嚴重，地表徑流暢通，不利于大氣降水在地表的滲流，故大氣降水對地下的含水層補給較差。由于受采動影響，使導水裂隙帶、地裂縫發(fā)育到地表，這些區(qū)域的大氣降水及其形成的洪流由此進入井下。因此，大氣降水既是礦井充水的直接水源，又是間接水源。

2.1.2 地表水

礦區(qū)內(nèi)有三條溝,分別是西房溝、曹家峪溝和秋林子溝，溝內(nèi)水均已斷流。南川河從礦區(qū)邊界外的南東部通過，在店頭匯入沮水河。

1)西房溝。溝里四季有水,但水量很小,平均5～10m3/h。在溝內(nèi)的九道山半山坡上村民建有養(yǎng)殖場，養(yǎng)殖場在此攔壩取水，下滲水量很少。

2)曹家峪溝。溝內(nèi)四季有水,枯水期水量20～25m3/h,但受采動影響,在距三號風井約200m處,2018年11月6日檢查時，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)巖移觀測點Y17點附近的溝內(nèi)流水發(fā)生斷流,水直接進入12408采空區(qū)。若在雨季，流量大于30m3/h時，水會從溝里流出進入南川河。由于溝內(nèi)四季有流水，煤礦每年對溝內(nèi)采動裂縫都要進行治理。

3)秋林子溝。溝內(nèi)常流水,枯水期流量10～15m3/h。秋林子村在12406采空區(qū)上方建有攔水設(shè)施,村民生活用水取之于此。此處煤層上覆地層約150m，導水裂隙帶到不了地表。但在12404采空區(qū)上方，發(fā)現(xiàn)裂縫，村民取用溝內(nèi)水前，溝里流出的水就從12404采空區(qū)上方的裂隙進入采空區(qū)。在持續(xù)降中到大雨時，有水從溝里流出。

4)南川河。屬洛河二級支流，自南向北流經(jīng)本礦區(qū)的東南側(cè)，在店頭鎮(zhèn)匯入沮水河。全長44km，流域面積464km2，平均流量0.655m3/s，在厚子坪觀測流量0.058～6.437m3/s。南川河河道位于河谷東側(cè)谷坡坡底，在河道與礦區(qū)之間建有焦化園、秋林子村和曹家峪村，兩村的地基是建在兩個災(zāi)害治理區(qū)回填并壓實的基坑上面，在災(zāi)害治理坑開挖過程中，煤礦對揭露的小煤窯巷道進行了封堵；對秋林子新村后靠山體側(cè)，煤礦通過采用物探和鉆探手段，對查出的老巷進行了注漿封堵。因此說，南川河對紅石巖煤礦安全生產(chǎn)威脅不大。

2.1.3 老窯和采空區(qū)積水

煤礦開采歷史悠久，過去礦區(qū)周圍小煤窯密布，隨著小煤窯的逐漸關(guān)閉和礦區(qū)邊界的的兩次縮小，目前，阿黨鎮(zhèn)北川煤礦、車村一號煤礦和車村二號煤礦仍在生產(chǎn)，除車村二號煤礦沒有和紅石巖煤礦打通外，其它小煤窯或多或少都與紅石巖煤礦有貫通之處，因此，在煤礦礦區(qū)內(nèi)蓄有大量的老窯水，從而加大了煤礦排水強度。

目前，對紅石巖煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅的老窯和采空區(qū)水主要有主、副井筒周圍小煤窯采空區(qū)水、二采區(qū)采和四采區(qū)采空區(qū)水及其老窯水。

2.1.3.1 主、副井筒周圍老窯水

主、副井筒周圍采空區(qū)埋藏淺，大氣降水后滯留時間短，降水一般1d后水量就有明顯變化。2004年，由西安科技大學設(shè)計并實施了紅石巖煤礦井筒滲漏水治理工程，在兩個井筒泄水巷的防水墻上裝有可控泄水管，老空水通過可控水管流入中部水倉，涌水量占礦井總涌水量的50%左右(表1)。

表1 主副井筒水倉及采區(qū)涌水量

2.1.3.2 二采區(qū)采空區(qū)水及老窯水

二采區(qū)采空區(qū)位于南吳莊背斜的東翼，曹家峪溝和秋林子溝之間的山梁下。采區(qū)三條巷道(軌巷、機巷和回風巷)的兩側(cè)，北西側(cè)為偶數(shù)面(12202～12212)，南東側(cè)為奇數(shù)面(12201～12215),都是高檔普采，采高2.5m。偶數(shù)面的涌水量與奇數(shù)面的涌水量截然不同。這主要是奇數(shù)面與煤礦的采空區(qū)及秋林子村辦礦的采空區(qū)溝通，地層傾向南東，也就是煤層底板高程由北西的偶數(shù)面向南東的奇數(shù)面降低，地層中水的流向也是由北西的偶數(shù)面向南東的奇數(shù)面方向，先采的是南東的奇數(shù)面。受采動影響，導水裂隙帶發(fā)育到了延安組和直羅組含水層，地下水進入了工作面(采空區(qū))，從而使偶數(shù)面上的含水層水流入奇數(shù)面，這就是偶數(shù)面開采時水量少的原因。而奇數(shù)面與越界開采的秋林子村辦礦溝通，秋林子村辦礦又與康崖底二號礦打通，這兩個礦的采高在4m以上，其導水裂隙帶除導通延安組和直羅組含水層水外，裂隙帶在某些地方達到了地表，接受地表水和大氣降水的補給。

2003年8月，黃陵縣區(qū)域內(nèi)降大到暴雨，店頭鎮(zhèn)山洪暴發(fā)，河水猛漲，南川河發(fā)生斷流，洪水和河水從紅石巖煤礦主副井筒周圍的采空區(qū)潰入其井下，造成淹井事故。與紅石巖煤礦相鄰的秋林子村辦礦、康崖底二號礦、車村一號煤礦和曹家峪石牛溝煤礦，由于它們在淺部開采，煤層底板高，在紅石巖煤礦880大巷被淹后，隨著河水和洪水的猛烈潰入，水位持續(xù)上漲，很快漫及它們的井下。由此說明，這些煤礦之間是有水力聯(lián)系的。

隨著時間的推移，已關(guān)閉的秋林子村辦礦和康崖底二號礦井下的老空水越積越多，直至與紅石巖煤礦的采空區(qū)水溝通。這兩個煤礦在地表都有裂縫和塌陷，這些老空區(qū)除接受含水層補給水外，還接受從裂縫和塌陷坑進入的地表水和大氣降水。

2.1.3.3 四采區(qū)采空區(qū)水及老窯水

四采區(qū)采空區(qū)位于曹家峪溝、秋林子溝和北石牛溝之間的山梁溝谷下，南翼三條大巷的南西側(cè)。在其煤礦南東邊界內(nèi)，由北東到南西分布著康崖底南川二號煤礦、車村一號煤礦和曹家峪石牛溝煤礦，在煤礦邊界的南西側(cè)有車村二號煤礦。

四采區(qū)采空區(qū)由北東向南西依次是南峪口-秋林子背斜、羅家峪向斜、A5-A6背斜、A10-A11向斜(圖1)，除煤礦的12401—12409采空區(qū)外，還有和紅石巖煤礦曾打通的車村一號煤礦和曹家峪石牛溝煤礦(已關(guān)閉)的老空區(qū)，老空區(qū)內(nèi)積有老空水。在四采區(qū)的北東部，羅家峪向斜槽部位于紅石巖煤礦的四、六采區(qū)，煤層底板900～910m等高線從小煤窯破壞區(qū)到紅石巖煤礦的12216—12409采空區(qū)及正在回采的12410工作面和六采區(qū)，這個面積內(nèi)水是相通的；而在四采區(qū)的南西部，A10～A11向斜(斑鳩向斜)槽部，已到紅石巖煤礦的12408采空區(qū)，煤層底板900～910m等高線從車村一號煤礦和曹家峪石牛溝煤礦的采空區(qū)經(jīng)紅石巖煤礦12216—12409采空區(qū)到正在回采的12410工作面及六采區(qū)，這個范圍的水是有水力聯(lián)系，是相通的，除車村一號煤礦還生產(chǎn)外，康崖底二號礦和石牛溝曹家峪煤礦已關(guān)閉多年，這三個煤礦都曾打通過，用單磚或雙磚砌有密閉墻，沒有防水墻，強度差，透水能力強，這些煤礦開采的煤層厚度都在4m左右，在山溝和山坡都有裂縫，地表水和大氣降水沿裂縫進入井下，隨著時間的推移，采空區(qū)水越來越多。

圖1 紅石巖礦區(qū)構(gòu)造綱要圖Figure 1 Structural outline map of Hongshiyan mine area

2018年的7月8～13日降小雨、15～16日小雨、雷陣雨，導致四采區(qū)采空區(qū)水位升高。7月19日，正在回采的12409工作面的運輸順槽水倉(羅家峪向斜的軸部最低處)附近的12408采空區(qū)，積水水位達2m高，12409運輸順槽靠12408采空區(qū)側(cè)幫的上部錨桿，距順槽頂板0.4m眼內(nèi)有水流出；中部錨桿眼往出噴水，水平射程約1.5m。之后在幫上往采空區(qū)打眼,安裝控水管,將水逐漸排到四采區(qū)水倉。如果不及時增大泄水量，水就有可能壓垮“防水墻”，造成突水事故。

隨著紅石巖煤礦采空區(qū)面積的增加,礦井涌水量也在不斷增大。

2.2 充水通道

2.2.1 煤層頂板

在距三號風井300m的下游地段，煤層開采后，導水裂隙帶已發(fā)育到地表(圖2、圖3)。

圖2 曹家峪溝水從巖移觀測站Y17附近進入井下 Figure 2 Caojiayu Gully water flows from strata displacement observation point Y12 nearby into pit

圖3 巖移觀測站Y15處裂縫Figure 3 Strata displacement observation point Y15 fissures

巖移觀測站Y17的地面高程為1 027.3m,煤層底板高程為904m，煤厚3.0m,上覆巖層厚度120.3m。巖移觀測站Y15的地面高程為1025.2m, 煤層底板高程為903m,煤厚3.0m,上覆巖層厚度119.2m。顯然，采動后形成的導水裂隙帶高度遠大于采用經(jīng)驗公式計算的高度，說明上述兩經(jīng)驗公式不適合紅石巖煤礦。

覆巖的破壞與其巖性有密切的關(guān)系，不同的頂板，其破壞程度不同。如果采用《礦井地質(zhì)及礦井水文地質(zhì)》(淮南煤炭學院、焦作礦業(yè)學院等五院校編)中根據(jù)覆巖的巖性及其賦存狀態(tài)，從直接頂?shù)嚼享敶_定的四種類型之第三種類型：軟弱-堅硬型，確定煤層開采后的導水裂帶高度為采高的30～35倍則比較接近。再以P35孔為例：HLi=3.08×35=107.8(m)與實際比較接近。

按35倍的采高計算導水裂隙帶的高度，最大采高按3.5m計算,導水裂隙帶發(fā)育的最大高度都達不到洛河組,但大部分達到直羅組。因洛河組砂巖、直羅組砂巖及延安組砂巖均為富水性弱的含水層，所造成的礦井涌水量一般不大，不會給礦井生產(chǎn)和安全帶來威脅。但在采動后,某些導水裂隙帶的高度會發(fā)育到溝谷和一些山坡上,成為地表水和大氣降水進入井下的主要通道。

2.2.2 煤層底板

煤層底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，為相對隔水層。煤層采動后，會對底板產(chǎn)生一定的破壞，但由于三疊系永坪組砂巖補給條件差，富水性弱，不會造成礦井突水和涌水事故。但對斷層而言，就有可能成為充水通道。

2.2.3 斷層裂隙帶

在礦區(qū)內(nèi),目前揭露的斷層只有一個,為正斷層,位于12409回順距南翼軌道巷640m,產(chǎn)狀340°∠45°～65°，落差2.1～2.7m，破碎帶有20cm左右的斷層角礫巖。2016年6月16日11：40，斷層破碎帶底板發(fā)生異常涌水，涌水量最大達60m3/h，至后快速減少，17日7：30，總異常涌水量約600m3，經(jīng)過物探、坑探、水樣分析(直羅組下段砂巖裂隙水為SO4-Na·Ca，延安組中部砂巖裂隙水為SO4·Cl-Na·Ca，斷層水為Cl·HCO3-Na，曹家峪溝水HCO3-Ca·Mg)，異常涌水源為斷層水，沒有溝通直羅組下段砂巖裂隙含水層水和延安組中部砂巖裂隙含水層水。

2.2.4 封閉不良鉆孔

據(jù)了解，陜西省一九四煤田地質(zhì)有限公司于1971～1976年在此進行煤田勘探時，有的孔因無煤未封閉，有的鉆孔部分封閉。這些鉆孔可能成為煤層采動后和含水層、地面溝通的通道，形成礦井的充水通道。

2.3 充水強度

礦井充水強度主要決定于地表水和地下水體隱患、地層構(gòu)造以及煤層頂板以上含水層的富水性、厚度及導水裂隙溝通各含水層的程度，采煤方法、開采強度和大氣降水特征等因素。

2.3.1 地表水體

隨著煤層的開采，裂隙不斷地產(chǎn)生，山溝和山坡上不同程度地產(chǎn)生裂隙， 這些裂隙一旦溝通地表與井下產(chǎn)生水力聯(lián)系，特別是曹家峪溝、秋林子溝，將會導致礦井涌水量快速急劇增加，甚至出現(xiàn)潰水現(xiàn)象，會對煤礦生產(chǎn)造成嚴重影響。

2.3.2 采空區(qū)水

主、副井筒周圍老窯水、二、四采區(qū)采空區(qū)水，從近三年涌水量看，涌水量在逐年增加。

主、副井筒老窯水，涌水量占礦井總涌水量的50%左右。2018平均涌水量168.7m3/h，最大涌水量236m3/h。每年汛期，老窯水不同程度地從防水墻向外流水和噴水，從主、副井筒料石碹上往下淋水和噴水，防水墻和主副井筒承受著很大的壓力。如果水壓過大，水極有可能把主副井筒某個薄弱碹體壓垮，發(fā)生突水事故，后果將非常嚴重。

二采區(qū)采空區(qū)2018年平均涌水量96.0m3/h,占礦井總涌水量的25.5%。2017年和2016年的平均涌水量分別是88.3m3/h和78.0m3/h，涌水量也呈逐年增大趨勢。采空區(qū)內(nèi)積有大量的老空水。進入雨季時，地表水和第四系潛水會大量補給采空區(qū)，從而大大提高礦井充水強度，甚至會出現(xiàn)地表水直接涌入井下。

四采區(qū)采空區(qū)也積有一定量水。從2018年7月19日12409運輸順槽幫上靠12408采空區(qū)側(cè)出水的情況，就足以說明，四采區(qū)采空區(qū)有一定量老空水，當密閉墻上安裝的可控泄水管不能及時將采空區(qū)水有效排出時，就有可能發(fā)生突水事故。

3 預(yù)防措施

3.1 地表裂隙及時治理

要經(jīng)常對礦區(qū)內(nèi)及其附近的地表進行檢查,特別是汛期,對發(fā)現(xiàn)的裂隙要及時處理；對有堵塞的排水溝渠，要及時清理，使水流暢通；對有積水可能的低洼處，要填平或做好出水口，使水能快速流走。

3.2 加強采空區(qū)及其密閉墻管理

無論是主、副井筒周圍的采空區(qū)，還是二采區(qū)和四采區(qū)的采空區(qū)，都要查清其積水范圍、積水量，以便采取相應(yīng)的治理措施。對二采區(qū)的采空區(qū)，從二采區(qū)軌道運輸巷分別向12205和12209的聯(lián)絡(luò)斜巷打泄水孔泄水，減輕汛期密閉墻上的壓力。對四采區(qū)采空區(qū)到水倉的水溝，進行擴大、加深，使水溝排水量加大，減輕四采區(qū)密閉墻和煤柱上的壓力，使采空區(qū)水快速排出。

4 結(jié)論和建議

1) 紅石巖煤礦礦井充水水源有大氣降水、地表水、地下水和采空區(qū)積水。地下水和老空水為直接充水源，大氣降水和地表水既是直接充水水源，又是間接充水水源。

2)礦井充水通道為頂板導水裂隙帶、底板巖層破壞裂隙帶、采空區(qū)密閉墻和封閉不良鉆孔，其中煤層頂板導水裂和老巷的密閉墻是主要充水通道。目前采用的黃泥灌漿封堵導水裂隙只是其中的一個辦法，可采用新技術(shù)、新材料如用超高水材料充填導水裂隙和地表裂縫。

3)在掘進中，要嚴格執(zhí)行“有掘必探”的原則；每個工作面回采前，必須先采用物探手段查清工作面是否存在斷層和構(gòu)造水，是否有封閉不良鉆孔。