官地礦采空區(qū)及采空區(qū)積水分布特征研究

張 瑜

（西山煤電集團有限責任公司官地煤礦，山西 太原 030022）

煤炭目前在我國能源結(jié)構(gòu)中仍占據(jù)著較大的比例，是不可或缺的能源之一。隨著煤炭資源的不斷開采，容易造成地表沉陷、采空區(qū)積水情況不明，由于采空區(qū)積水水壓較大，一旦掘透，來勢兇猛，具有很大破壞性，而且對井下軌道、金屬支架、鋼絲繩等金屬設(shè)備有腐蝕作用，易引起礦井水災(zāi)事故；進而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化、影響建設(shè)用地的開發(fā)和給深部和周邊采區(qū)開采帶來安全隱患［1-2］。為了保證地表建設(shè)用地的安全和井下工作面的安全，對煤礦開采后采空區(qū)的邊界范圍及積水情況需進行準確定位，為礦方提供安全隱患治理及防治水工程提供參考依據(jù)［3-4］。

1 工程概況

1.1 礦井生產(chǎn)概況

官地煤礦井田位于山西省太原市西山煤田東部邊緣，井田面積104.4974 km2，呈不規(guī)則多邊形，東西寬約13 km，南北長約10 km。井田可采煤層共計9層，分別為山西組的02＃、2＃、3＃和太原組的5＃、6＃、7＃、8＃上、8＃及9＃煤層。

該礦現(xiàn)由二號平峒、北大巷、南大巷將井田分為北、中、南三條石門延伸條帶式布置工作面，2＃、3＃、6＃、8＃、9＃煤層聯(lián)合布置，自上而下，由近至遠進行地下開采，采用走向長壁后退式全部跨落綜合機械化采煤法，礦井主出煤水平為＋970水平（服務(wù)采區(qū)包括中四、中五、中六、南五、南六采區(qū)），礦井輔助水平為＋1051水平（服務(wù)采區(qū)包括南三、南四、北三、北四采區(qū)）。

1.2 開發(fā)利用現(xiàn)狀

目前井田內(nèi)已形成2＃、3＃、6＃、8＃、9＃煤層采空區(qū)及小煤礦（窯）破壞區(qū)面積約50.86 km2，其中官地煤礦采空區(qū)主要分布在井田中部-東北部，小煤礦（窯）破壞區(qū)則主要分布在井田東北、東、東南部煤層埋藏較淺處。

2017年官地煤礦開采北四（33417工作面）、中六（23604、22610工作面）、中四（28416、29406工作面）、南五（16509、12605工作面）、南六（12605工作面）等采區(qū)。

圖1 官地煤礦井田開拓

圖2 井田水文地質(zhì)

2 采空區(qū)及采空區(qū)積水情況分析

根據(jù)收集的采掘資料，井田內(nèi)已形成的煤層采空區(qū)、破壞區(qū)由官地煤礦采空區(qū)和小煤礦（窯）破壞區(qū)2部分組成，總面積約50.86 km2，約占井田總面積的48.67%。其中，官地煤礦煤層采空區(qū)主要分布在井田中部-東北部，形成于1957～2017年，2＃、3＃、6＃、8＃、9＃煤層采空區(qū)面積約34.82 km2（各煤層疊加后地表投影面積），煤層重復(fù)采動區(qū)域面積21.17 km2；小煤礦（窯）破壞區(qū)則主要分布在井田東北、東、東南部煤層埋藏較淺處，形成于20世紀50年代～2009年之前，分布面積24.77 km2（各煤層采動、破壞區(qū)疊加后地表投影面積）。官地煤礦采空區(qū)與小窯破壞區(qū)重疊區(qū)域面積8.73 km2。

2.1 官地煤礦采空區(qū)及采空積水情況

官地煤礦采空區(qū)主要分布在井田中部-東北部，1958～2017年開采2＃、3＃、6＃、8＃、9＃煤層，現(xiàn)已形成采空區(qū)分布面積約34.82 km2（占井田面積的33.32%），重復(fù)采動區(qū)域面積約21.17 km2。

（1）2＃煤層

2＃煤層采高2.24～4.60 m，目前2＃煤層已形成的采空區(qū)面積約16.33 km2，主要分布在井田中部-東北部，形成時間1958～2016年，2＃煤層已回采工作面有121個，回采工作面寬度50～220 m，長度介于140～1200 m之間。

根據(jù)礦方提供的采空區(qū)積水臺賬、隱蔽致災(zāi)地質(zhì)報告等資料，推測2＃煤層121個工作面采空區(qū)可能存在采空積水區(qū)28處，采空區(qū)積水大體平行煤層底板等高線，主要分布在密閉的采掘工作面低洼處，推測積水量約38863 m3。

（2）3＃煤層

3＃煤層采空區(qū)主要分布在井田中部-東北部，采空區(qū)面積7.0 km2，形成時間1957～2016年，采高2.99～4.17 m，已回采的工作面有65個，回采工作面寬度一般50～240 m，長度介于100～1090 m之間。

現(xiàn)推測3＃煤層65個工作面采空區(qū)可能存在積水區(qū)10處，采空區(qū)積水區(qū)大體平行煤層底板等高線分布在密閉的采掘工作面低洼處，推測積水量約8811 m3。

（3）6＃煤層

6＃煤層采空區(qū)主要分布在井田東北部，形成的采空區(qū)面積16.25 km2，形成時間1960～2017年，采高1.35～3.61 m，已回采的工作面有132個，回采工作面寬度一般40～400 m，長度介于100～950 m之間。

現(xiàn)推測6＃煤層132個工作面采空區(qū)可能存在積水區(qū)15處，采空區(qū)積水大體平行煤層底板等高線分布在密閉的采掘工作面低洼處，推測積水量約28237 m3。

（4）8＃煤層

8＃煤層采空區(qū)主要分布在井田東北部，形成的采空區(qū)面積8.07 km2，形成時間1972～2016年，采高1.30～6.60 m，已回采的工作面有92個，回采工作面寬度一般20～250 m，長度介于50～1370 m之間。

現(xiàn)推測8＃煤層92個工作面采空區(qū)可能存在積水區(qū)46處，采空區(qū)積水大體平行煤層底板等高線分布在密閉的采掘工作面中的低洼處，推測積水量約416768 m3。

（5）9＃煤層

9＃煤層采空區(qū)主要分布在井田東北部，已形成的采空區(qū)面積1.51 km2，形成時間1983～2017年，采高3.05～5.81 m，已回采的工作面有27個，回采工作面寬度一般60～225 m，長度介于110～1100 m之間。

現(xiàn)推測9＃煤層27個工作面采空區(qū)可能存在積水區(qū)26處，采空區(qū)積水大體平行煤層底板等高線分布在密閉的采掘工作面低洼處，推測積水量約33268 m3。

2.2 小煤礦（窯）破壞區(qū)及其采空積水情況

井田內(nèi)小煤礦（窯）共計105個，形成時間相對較早，現(xiàn)小煤礦（窯）破壞區(qū)形成時間、分布位置、形態(tài)不明確，這是本次物探、鉆探工程驗證的重點區(qū)域。

從礦區(qū)采掘資料來看，井田內(nèi)小煤礦（窯）破壞區(qū)分布面積約24.77 km2，約占井田總面積的23.70%，該區(qū)域2＃、3＃、6＃、8＃、9＃煤層都有不同程度的破壞?，F(xiàn)推測小煤礦（窯）破壞區(qū)2＃煤層可能存在2處采空積水區(qū)，分別分布在井田東南部原古風煤礦、黃冶煤礦煤層破壞區(qū)，推測積水量約57539 m3；推測3＃煤層可能存在1處采空積水區(qū)，主要分布在井田北部原神北煤礦煤層破壞區(qū)，推測積水量約6191 m3；6＃煤層未圈定采空積水區(qū)；推測8＃煤層可能存在2處采空積水區(qū)，分別分布在井田東部原昌盛煤礦、井田北部原新牛南煤礦，推測積水量約10854 m3；9＃煤層未圈定采空積水區(qū)。

3 物探驗證采空區(qū)及采空積水情況

根據(jù)《山西焦煤集團有限責任公司官地煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境專項調(diào)查項目物探工程成果報告》，物探工程在物探測點放樣之后采取活性炭測氡、瞬變電磁法、直流激電測深等3種手段進行調(diào)查區(qū)采空區(qū)、小煤礦（窯）破壞區(qū)及其積水情況的調(diào)查［5］。

3.1 物探工程布置

以100 m×20 m（線距×點距）的測網(wǎng)密度布設(shè)活性炭測氡總面積為58.8 km2，共形成測線157條、測點29349個，勘探區(qū)基本分布礦區(qū)中部及東南邊界沿線范圍；瞬變電磁法同樣以100 m×20 m的測網(wǎng)密度布設(shè)于礦區(qū)南部行政區(qū)屬晉源區(qū)杏坪村-西里上-柴莊一帶，40條測線共計2106個測點，控制面積4.0 km2；直流激電測深點共103個，在瞬變電磁測區(qū)內(nèi)共布設(shè)9條剖面線，物探工程實際材料見圖3。

圖3 物探工程實際材料

3.2 物探綜合成果

綜合以上方法測得結(jié)果分析，配合直流電測深法對積水異常區(qū)的驗證結(jié)果，在井田內(nèi)共圈定了6處采空異常（編號R1、R2、R3、R4、R5、R6），見圖4，推斷為采空異常，其為2+3＃、6＃、8+9＃煤層相應(yīng)位置采空的平面綜合反應(yīng)，采空異常區(qū)總面積約38.17 km2，推斷這些采空異常區(qū)為官地煤礦采空區(qū)和小窯破壞區(qū)采空綜合反應(yīng)，約占官地煤礦采空、破壞分布區(qū)面積的75.05%。鑒于該方法受干擾較小的特性，推斷解釋的6處采空異?？煽啃跃^高；圈定了1處采空積水異常（編號G）。

由圖4可知，全區(qū)推斷采空異常6處中R1采空異常區(qū)位于測區(qū)北中部，分布范圍較大，面積約為33.45 km2，推斷主要為官地礦本礦開采各煤層形成采空綜合反應(yīng)；R2采空異常區(qū)，位于測區(qū)東部，分布范圍較小，面積為0.09 km2，推斷為小窯開采形成采空綜合反應(yīng)；R3采空異常區(qū)位于測區(qū)東部，分布范圍較小，面積為0.34 km2，推斷為小窯開采形成采空綜合反應(yīng)；R4采空異常區(qū)位于測區(qū)南部，分布范圍較大，面積為3.52 km2，推斷為小窯開采形成采空綜合反應(yīng)；R5采空異常區(qū)位于測區(qū)南部，分布范圍較小，面積為0.47 km2，推斷為小窯開采形成采空綜合反應(yīng)；R6采空異常區(qū)位于測區(qū)南部，分布范圍較小，面積為0.30 km2，推斷為小窯開采形成采空綜合反應(yīng)。測區(qū)推斷的采空積水區(qū)1處（編號G）位于測區(qū)南部的R4采空異常區(qū)內(nèi)，分布范圍較小，面積為0.12 km2，推斷為小窯開采8+9＃煤層形成采空積水的反應(yīng)。

圖4 物探綜合成果

表1 物探綜合推斷采空區(qū)統(tǒng)計

表2 物探綜合推斷采空積水區(qū)統(tǒng)計

4 鉆探工程驗證采空區(qū)及采空積水情況

4.1 鉆孔布置

本次鉆探工程部署在物探工程圈定的采空異常區(qū)和積水區(qū)，并選擇與人居環(huán)境及煤礦生產(chǎn)相關(guān)的異常區(qū)和積水區(qū)，進行采空驗證。

圖5 鉆孔分布

4.2 鉆探工程驗證物探采空區(qū)及采空積水情況

本次布置的7個驗證鉆孔中，3個鉆孔驗證無采空區(qū)、4個鉆孔驗證存在采空區(qū)，所有鉆孔均未鉆至采空積水區(qū)。

（1）YZ-2、YZ-5、YZ-7這3個鉆孔全孔漿液消耗量偏大，驗證無采空區(qū)。其中YZ-2、YZ-7鉆孔位于井田東部物探工程采空異常R1區(qū)內(nèi)，驗證該采空異常區(qū)無采空區(qū)分布；YZ-5鉆孔位于井田東南部物探采空異常空白區(qū)，驗證無采空區(qū)分布，見圖4。

（2）YZ-1、YZ-3、YZ-4、YZ-6這4個鉆孔所取巖芯破碎、泥漿全漏、消耗量為全泵量，出現(xiàn)突然發(fā)生掉鉆、埋鉆情況甚至無法取芯等現(xiàn)象，推測為8＃煤層采空區(qū)。其中YZ-1、YZ-4、YZ-6鉆孔分別位于井田東部、東南部物探采空異常R1、R3、R4區(qū)內(nèi)，驗證該采空異常為采空區(qū)（推測為8＃煤層采空區(qū)）；通過YZ-3鉆孔驗證，該區(qū)為采空區(qū)，見圖6。

圖6 物探綜合成果與驗證鉆孔相對位置分布

此次采空區(qū)及采空區(qū)積水調(diào)查結(jié)果，為官地礦現(xiàn)有的地質(zhì)環(huán)境破壞程度分析提供了重要的理論依據(jù)，為下階段的礦井采掘提供指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語

通過礦方提供資料分析得到，已形成采空區(qū)和小煤礦（窯）破壞區(qū)分布面積約50.86 km2（占井田總面積的48.67%），其中小煤礦（窯）破壞區(qū)分布面積約24.77 km2，官地煤礦采空區(qū)面積約34.82 km2，官地煤礦采空區(qū)與小窯破壞區(qū)重疊區(qū)域面積8.73 km2。

物探工程在井田內(nèi)共圈定了6處采空異常，采空異常區(qū)總面積約38.17 km2，推斷為官地煤礦本礦采空區(qū)和小窯破壞區(qū)的采空綜合反應(yīng)，圈定了1處采空積水異常。本次鉆探工程布置7個鉆孔對物探采空異常區(qū)進行驗證，其中3個鉆孔驗證無采空區(qū)、4個鉆孔驗證存在采空區(qū)，所有鉆孔均未鉆至采空積水區(qū)。