象山礦井涌水量相關(guān)因素分析

周志清，李 萍

(1.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司象山礦井，陜西 韓城 715400；2.陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司地質(zhì)研究院分公司，陜西 西安 710000)

0 引言

礦井涌水量分析是對生產(chǎn)礦井以往涌水情況的深入探究[1-4]，其從不同煤層、不同水平、不同地質(zhì)條件等入手，分析礦井受各種地質(zhì)及水文地質(zhì)條件下的涌水量變化情況，對未來礦井涌水量的正確預計提供基礎資料。

通過收集歷年礦井涌水量資料，對受降雨量、累計采空區(qū)、原煤產(chǎn)量、煤系地層含水層等因素進行比較深入的分析，進而明確礦井涌水量預計的主要影響因素并重點分析。針對象山礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，從地質(zhì)、水文、采礦等3方面因素，進行礦井涌水相關(guān)因素分析，以期為后續(xù)礦井防排水提供水量預測依據(jù)。

1 生產(chǎn)及地質(zhì)概況

象山礦井位于韓城市新城區(qū)姚莊村，系渭北煤田東部邊緣井田之一，距韓城市約4 km。井田地形由于受地質(zhì)構(gòu)造的控制，東南側(cè)屬山前沖積洪積平原，地形較為平坦；西北側(cè)為構(gòu)造剝蝕低山區(qū)，大部分為黃士覆蓋，如圖1所示。井田內(nèi)地勢整體表現(xiàn)為北西高，東南低。地形以西北角段家梁為最高，標高+760 m，以象山鐵路橋下涺水河谷為最低，標高+400 m，一般地形標高為650 m左右。井田內(nèi)地層出露良好，從老到新有太古界涑水群、寒武系中統(tǒng)、奧陶系、石炭系、二疊系及第四系。礦井目前主要開采山西組3號煤層及太原組的5號煤層。象山礦井自2003年開采以來，其3號、5號煤層已經(jīng)開采近17年，一水平開采已經(jīng)接近尾聲，開采區(qū)域埋深已達到+150 m，影響礦井涌水量的因素已經(jīng)由原來的淺部地質(zhì)因素轉(zhuǎn)換為深部地質(zhì)因素。目前，礦井涌水量的變化趨勢為隨著象山礦井開采水平的延深，礦井涌水量呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢。礦井涌水量與淺部開采的差異，主要受礦井充水因素的影響，例如主要充水水源的轉(zhuǎn)換，導水裂隙帶發(fā)育的演變等。

圖1 象山礦井井田范圍及其周邊礦井分布示意圖

2 水文地質(zhì)概況

發(fā)源于宜川縣境的涺水河為井田內(nèi)唯一主要河流，橫切井田中部，流經(jīng)芝川注入黃河。涺水河系常年性河流，補給來源主要為大氣降水，次為上游的泉水，流量受季節(jié)性變化的控制，一般22.79 m3/s。

2.1 區(qū)域水文地質(zhì)概況

象山井田位于渭北煤田韓城礦區(qū)中部，韓城礦區(qū)位于渭北煤田東北端黃河的西岸，其主要含煤巖系為石炭系太原組及二疊系山西組，主采2號、3號、5號、11號煤層，奧陶系石灰?guī)r(以下簡稱奧灰?guī)r)為煤系基底。整個礦區(qū)的水文地質(zhì)概況為，地表水不甚發(fā)育，地下水受構(gòu)造、巖性及地形地貌的控制，主要埋藏在第四系底部和石炭二疊系基巖裂隙與奧灰?guī)r巖溶裂隙之中。依據(jù)區(qū)域地層的巖性組合及裂隙發(fā)育特征，結(jié)合地下水的埋藏條件、含水層的富水性、透水性及充水空間特征，可將區(qū)域地下水分為3大類，即松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、巖溶裂隙水[5-8]。

2.2 礦井水文地質(zhì)條件

象山礦井主要可采煤層3層，分別為石炭系、二疊系的3號、5號、11號煤層，煤系基底為奧陶系石灰?guī)r。井田的主要含水層有第四系松散巖類含水層組、二疊系砂巖裂隙承壓含水層組、石炭系砂巖(灰?guī)r)裂隙承壓含水層組及奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層組。本井田煤系地層屬于多旋回沉積的不同粒級的砂巖、泥巖交互層，使得含水層與隔水層相間存在，形成多層結(jié)構(gòu)的復合承壓含水體，見表1。煤系及其上覆地層中的砂巖和灰?guī)r含水層，富水性由各層砂巖巖性、厚度、埋藏條件、構(gòu)造破壞程度等因素控制，因構(gòu)造及巖性關(guān)系，一般砂巖中裂隙較發(fā)育，且張開性好，泥巖中裂隙多細微閉合，各個砂巖之間均被5～25 m的砂質(zhì)泥巖、泥巖等相對隔水層隔斷，加之各含水層的水位不一，水質(zhì)不同，自然條件下，形成了無水力聯(lián)系的多層結(jié)構(gòu)的復合承壓含水體。

3 礦井涌水量相關(guān)因素分析

3.1 礦井涌水量狀況

涌水量變化：1970年的象山煤礦到2003年的象山礦井，歷年最大涌水量580 m3/h(1980年之前)，最小涌水量46 m3/h(2000年9月)。礦井涌水量隨開采年限的變化總體呈現(xiàn)由大到小，再由小增大的規(guī)律，如圖2所示。即原象山煤礦投產(chǎn)初期，礦井涌水量較大，在150～170 m3/h左右，但隨著開采年限的推移，到2002年象山新井投產(chǎn)之前，礦井涌水量降到低谷，僅50～75 m3/h左右。2002年之后，隨象山新井投產(chǎn)，產(chǎn)量的遞增，涌水量又呈現(xiàn)出增大趨勢。2005年1月至2016年8月，礦井歷年平均涌水量208.6～442.9 m3/h，平均315.4 m3/h；礦井歷月平均涌水量170.3 m3/h(2005年1月)～470.5 m3/h(2010年7月)，平均307.8 m3/h，不均衡系數(shù)約為1.53。目前礦井正常涌水量在200～350 m3/h左右，預計隨著南二采區(qū)的開采，礦井涌水量還會增大，如圖3所示。

表1 象山礦井含水層水文地質(zhì)特征一覽表

圖2 象山礦井歷年礦井涌水量趨勢圖

圖3 象山礦井2005年以來歷月礦井涌水量趨勢圖

涌水來源：礦井涌水來源主要是煤層頂板砂巖裂隙含水層水，涌水量約占全礦總涌水量的80%，且隨著開采深度的增加而增大，頂板砂巖水是目前礦井防治水工作的重點，次為3號煤已采區(qū)的老空區(qū)積水。小窯積水、地表水和奧灰水曾是礦井在特殊情況下出現(xiàn)的突水現(xiàn)象，不具普遍性。

3.2 礦井涌水量相關(guān)因素分析

地質(zhì)因素：①涌水量與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。據(jù)測定，采場涌水量增加時的位置、大小、頻率與斷層的方向、密度、強度有一定關(guān)系[9-11]。表現(xiàn)在涌水與NE、NW向兩組斷層相關(guān)性較強，與EW向斷層相關(guān)性較弱。如2313、2315與2317工作面采場開切眼后均見NE、NW兩組方向的斷層，當斷距較大且開采一定長度后，采空區(qū)就出現(xiàn)一次較大的涌水現(xiàn)象。在2315工作面北端接近NW走向斷層帶時(斷層最大斷距11 m)，頂板淋滴水范圍明顯增大，回撤后采空區(qū)涌水量增加到12 m3/h左右。但采面在穿越近EW向斷層帶(斷距1.81 m)時，采場涌水量未見增加，表明該組斷層對上覆含水地層沒有深度切割破壞，僅存在于煤層及直接頂范圍內(nèi)。從已采面情況來看，涌水量與褶曲構(gòu)造關(guān)系密切，當工作面由褶曲翼部向向斜軸部回采時，頂板淋滴水現(xiàn)象增加，另外向斜軸部采空區(qū)涌水也有顯著增大現(xiàn)象。南一采區(qū)與北一采區(qū)相比，工作面涌水量增幅較大，主要與南一采區(qū)處于向斜軸部，含水層具有匯水作用有關(guān)；②涌水量與頂板及上覆含水層巖性厚度關(guān)系。象山礦井曾對北下采區(qū)勘探鉆孔資料及回采頂板垮落情況進行過觀測，表明采區(qū)北段工作面直接頂及其上覆含水地層巖性多為中粒砂巖，厚度較大，涌水量較大，而南段地層主要為細砂巖、粉砂巖，厚度較薄，采場涌水量也相對較弱。南一上山采區(qū)3號煤層頂板導水裂隙帶內(nèi)砂巖厚度達25～40 m，工作面涌水量較大，21303綜采面涌水量最高達到280 m3/h，南一下山采區(qū)3號煤層頂板導水裂隙帶內(nèi)砂巖厚度15～25 m，綜采工作面最大涌水量僅180 m3/h。說明不同粒度的砂巖或不同厚度的砂巖儲水能力及充水性有較明顯的差別。

采礦因素：①涌水量與回采面積的關(guān)系。通過長期以來的礦井涌水量觀測，3號、5-1號煤層涌水量與其采掘面積關(guān)系不密切，如圖4所示。其中掘進工作面涌水量并未隨巷道沿走向或傾向方向長度增加而顯著增加。整個采區(qū)工作面回采中涌水量也并未隨開采面積加大而增大。反而采掘面涌水量隨著采掘時間的延長在逐漸減小，兩者之間的相關(guān)關(guān)系比較明顯；②涌水量與煤產(chǎn)量的關(guān)系。礦井涌水量與煤產(chǎn)量的關(guān)系說明，如圖5所示。隨著煤產(chǎn)量的變化，礦井涌水量變化較為明顯，即煤產(chǎn)量高，礦井涌水量總體大，煤產(chǎn)量低，礦井涌水量總體小，兩者變化具有明顯的正相關(guān)性，不同的是，涌水量增長的幅度小于煤產(chǎn)量增長的幅度；③采場涌水量與地表巖移充分采動的關(guān)系。通過北一及南一開采實踐表明，采區(qū)涌水量主要為采動影響范圍內(nèi)各含水層的靜儲量，與采動影響范圍之外其他含水層之間水力聯(lián)系較差。在工作面推采23 m左右(初次來壓)老頂完全斷裂，在采場初采面回采距開切眼60 m以后，地表顯現(xiàn)裂縫。復采時工作面推采50 m時地表顯現(xiàn)裂縫，100 m左右地表有較大裂縫產(chǎn)生。從開采距離與涌水量的大小變化看，一般距開切眼50～100 m范圍，因煤層充分采動，頂板巖層達到充分冒裂，出現(xiàn)一次較大的涌水，之后采面涌水量總體呈遞減趨勢。在遞減的過程中，隨采面向前，每20 m左右，逢周期來壓，基本頂周期斷裂，還會出現(xiàn)一次次較小幅度的涌水。

圖4 礦井月涌水量與月回采面積關(guān)系曲線

圖5 礦井涌水量及煤產(chǎn)量隨開采時間關(guān)系曲線圖

氣象地理因素：①涌水量與水位及大氣降水的關(guān)系。通過長期觀測發(fā)現(xiàn)，地下水水位隨著降水量的增減相對有所變化，特別潛水位變化與大氣降水關(guān)系十分密切。從降水量與礦井涌水量的動態(tài)曲線圖，如圖6所示，由圖6看出，年內(nèi)降水量具有周期性的變化規(guī)律，出現(xiàn)峰值與谷值，而礦井涌水量沒有周期變化規(guī)律，也不具有滯后變化規(guī)律，僅個別點出現(xiàn)降雨量大，涌水量高的現(xiàn)象，但不具備普遍性。反映大氣降水不是礦井的直接充水水源；②涌水量與地表河流的關(guān)系。在井田中部有涺水河穿過，另有其它五條小溪。當這些地表水流經(jīng)各含水層時，必然通過裂隙或構(gòu)造發(fā)育段滲入補給各含水層。尤其是鄰近涺水河的區(qū)域，補給水源比較充分，但因多層隔水層的存在補給量比較有限。從以往北下采區(qū)巷道幾個出水點分析，與涺水河有重要關(guān)系，如北翼膠帶運輸巷突水5-1號煤頂板砂巖突水，就與巷道附近201鉆孔導通涺水河有關(guān)。不過由于目前開采的工作面與涺水河間留有足夠的防水煤柱，地表河流不會對礦井造成直接充水。

圖6 礦井涌水量與降雨量相關(guān)性曲線

綜上，影響礦井涌水量的因素較多，地質(zhì)因素方面主要為地質(zhì)構(gòu)造類型與煤層頂板含水層的巖性與厚度；采礦因素主要為煤產(chǎn)量大小。

4 結(jié)論

(1)礦井涌水量主要由3號煤層、5號煤層覆巖含水層水有關(guān)，由于其導水裂隙帶基本發(fā)育在山西組、下石盒子組，因此涌水的充水水源為頂板砂巖裂隙水。

(2)涌水主要與采礦因素和地質(zhì)因素相關(guān)，即礦井涌水量相關(guān)因素包括開采面積、產(chǎn)量、地質(zhì)構(gòu)造及上覆富水砂巖厚度。

(3)象山礦井涌水水源主要為老空水，即由原來的砂巖裂隙水轉(zhuǎn)換為采空區(qū)積水后涌入礦井，該涌水量變化主要受礦井采空區(qū)留設了疏放水鉆孔標高和疏水時間有關(guān)，另外礦井向斜地質(zhì)構(gòu)造對礦井涌水的變化產(chǎn)生了疊加影響。