試析煤礦水文地質(zhì)類型的劃分及防治水工作建議

＊王荀勇

（山西煤炭運銷集團四通煤業(yè)有限公司 山西 041000）

1.礦井概況

礦井的2號煤層開拓方式選擇的是三斜一立混合開拓，通風(fēng)系統(tǒng)采用了中央并列模式，而通風(fēng)方式是機械抽出模式，采煤方法一次采全高傾斜長壁采煤法。全井田2號煤層的采區(qū)包含7個。工作面在采區(qū)內(nèi)選擇前進式接替順序布置跳采隔面。

2.水文地質(zhì)在礦井中的情況

(1)不同地質(zhì)的含水層

依據(jù)含水層的巖性組合、含水介質(zhì)、空隙類型、富水性以及含水特征，井田內(nèi)主要含水層分為：第四系松散孔隙含水層；砂巖裂隙含水層；石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。

①第四系松散層孔隙含水層組

井田內(nèi)大面積基巖出露，第四系黃土零星覆蓋于山梁、山坡及溝谷中，在山間溝谷地帶，第四系底部發(fā)育一層近代沖積砂礫石層，透水性良好，直接接受大氣降水及地表水徑流補給，一般以泉、潛流形式向河流、溝谷排泄，地下水流向與地表水基本一致，局部水量較豐富。該層水水質(zhì)與地表水相一致。

②三疊系砂巖裂隙含水層組

本井田西部出露三疊系下統(tǒng)劉家溝組地層，地層殘留最大厚度約175m，巖性以灰白色、紫紅色砂巖為主，基巖風(fēng)化帶裂隙發(fā)育，形成良好的含水層或透水層，在地表溝谷常形成泉水出露。據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，總體上本組含水層富水性弱。

③二疊系砂巖裂隙含水層組

A.石千峰組砂巖裂隙含水層

含水層主要為本組底部K14中粒砂巖，在中西部廣泛出露，基巖風(fēng)化帶裂隙發(fā)育，形成良好的含水層或透水層，易于接受大氣降水補給，出露泉水較多，含水層為弱富水性裂隙含水層。

B.上石盒子組砂巖裂隙含水層

含水層主要為本組各段底部K12、K11、K10中粒砂巖，在中、北部廣泛出露，底部含小礫石，埋藏淺時，風(fēng)化裂隙及節(jié)理較發(fā)育，易于接受大氣降水補給，出露泉水較多，流量一般小于0.5L/s，個別達到0.7L/s，井田內(nèi)勘探孔鉆液消耗量一般在0.10-0.60m3/h，因此，含水層為弱富水性裂隙含水層。

C.下石盒子組砂巖裂隙含水層

二疊系下統(tǒng)下石盒子組（K8、K9）砂巖含水層，為山西組2上、2中、2下號煤層的頂板直接充水含水層，巖性主要以中、細粒砂巖為主，裂隙不甚發(fā)育，一般隨埋深的增加裂隙發(fā)育減弱，勘探孔鉆液消耗量在0.15-0.45m3/h之間，井田內(nèi)ST402號孔K7與K8砂巖含水層段抽水試驗，單位涌水量僅0.0093L/s·m，屬弱富水性砂巖裂隙含水層。

D.山西組砂巖裂隙含水層

山西組K7砂巖含水層，巖性以鈣泥質(zhì)膠結(jié)的細粒砂巖為主，埋藏淺時風(fēng)化裂隙較發(fā)育，鉆進過程中消耗量為0.2-1.0m3/h，屬弱富水性含水層。

礦井范圍內(nèi)2號煤層已大面積開采，礦井井巷系統(tǒng)開拓及采掘工作面揭露各層含水層時未見明顯大的涌水點，礦井涌水量很小，也說明該含水巖組富水性弱。同時由于開采煤層頂板形成了導(dǎo)水裂縫帶，使煤系圍巖含水層補、徑、排條件發(fā)生了變化，在2號采空區(qū)積存有采空積水。

④石炭系砂巖夾薄層灰?guī)r裂隙含水層組

石炭系上統(tǒng)太原組含水層主要是三層灰?guī)r，從下到上為K2、K3、K4，總厚約19m，灰?guī)r巖溶裂隙較發(fā)育，井田內(nèi)勘探孔遇該層時有鉆井液漏失現(xiàn)象，井田內(nèi)ST402號孔K2灰?guī)r抽水試驗單位涌水量為0.0088L/s·m，水位標高1126.18m，水化學(xué)類型屬HCO3-Ca，屬弱富水性巖溶裂隙含水層。

據(jù)礦井東南部相鄰原金殿煤礦、土地廟煤礦關(guān)閉前開采10號煤層，礦井涌水量很小，也說明本組含水層富水性弱。

⑤奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層組

奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水是煤系地層下伏的主要含水層，地層厚度大，最大厚度約475m。奧陶系中統(tǒng)峰峰組為透水不含水層段，主要含水層為中統(tǒng)上馬家溝組中下部及下馬家溝組中上部灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育段，各種巖性富水性不一。

據(jù)神角井田1101孔揭露奧灰?guī)r厚度145.28m。上部巖性為深灰色中厚層石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥巖灰?guī)r，中部為厚層狀石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾蠕蟲狀灰?guī)r、泥灰?guī)r，溶洞裂隙發(fā)育。鉆進中該層沖洗液消耗量為15m3/h，孔內(nèi)全漏，測靜止水位至孔底無水位，為含水性強的透水層。1101孔孔口標高1069.68m，孔深346.62m，說明本區(qū)奧灰?guī)r溶水水位標高低于723m。據(jù)井田周邊臺頭鎮(zhèn)奧灰水井資料，奧灰?guī)r溶水位標高625m，單井出水量25m3/h，水化學(xué)類型SO4·HCO3-Ca·Mg型。

據(jù)井田鄰近鉆孔及龍子祠泉域資料，本區(qū)巖溶水水力坡度按8‰左右考慮，推斷井田內(nèi)奧灰?guī)r溶水位標高為665-685m。井田內(nèi)下組10號煤層最低底板標高為770m，高于奧灰水水位標高，各煤層不存在奧灰水帶壓開采。

(2)計算礦井的涌水量并分析充水原因

①分析礦井充水的幾個影響原因

A.大氣降水和地表水

大氣降水和地表水是礦井充水的間接充水水源之一。據(jù)鄉(xiāng)寧縣氣象站資料，礦區(qū)多年平均降水量548.8mm。井田內(nèi)各溝谷為季節(jié)性河流，夏季遇大雨或暴雨時，雨水匯集溝谷中才會發(fā)生洪水，雨后水流很快退去，河溝干枯或有小溪流。根據(jù)場區(qū)地形圖、井上下對照圖等高線及現(xiàn)場實際查看原石凹河工業(yè)廣場匯水面積為6.7km2，50年一遇洪水洪峰流量為67.55m3/s，涵洞及路面總和的排水水能力為70.78m3/s，滿足排洪能力；原二礦工業(yè)廣場匯水面積為1.2km2，50年一遇洪水洪峰流量為21.47m3/s，涵洞及路面總和的排水能力為39.92m3/s，滿足排洪能力。因此，主斜井、副斜井、西部進風(fēng)井、西部回風(fēng)立及工業(yè)場地建筑均不受到洪水威脅。

B.煤層頂板含水層水

礦井開采2號煤層時，對礦井充水的含水層主要指下石盒子組底部K8砂巖及中部的K9砂巖帶，為主要裂隙含水層。本井田內(nèi)各溝谷兩側(cè)大面積出露該組地層，但含水層補給條件差，鉆孔單位涌水量一般小于0.0093L/s·m，富水性極弱。

太原組層間灰?guī)r巖溶裂隙含水層即10號煤以上的K2-K4石灰?guī)r，是10號煤層開采的主要頂板充水含水層，井田內(nèi)鉆孔單位涌水量0.0088L/s·m，說明10煤頂板含水層補給條件較差，總體富水性極弱。

就目前而言，井田內(nèi)2號煤層已部分采空，開采煤層頂板垮落導(dǎo)水裂縫帶將溝通其發(fā)育范圍內(nèi)各含水層間水力聯(lián)系，通過導(dǎo)水裂縫帶向礦坑充水，為礦坑充水的主要來源。礦井充水主要表現(xiàn)為頂板的滲水或淋水，目前礦井正常涌水量為5.43m3/h，礦井最大涌水量為6.25m3/h?，F(xiàn)井田采空區(qū)范圍內(nèi)2號煤層以上各充水含水層大多被疏干，含水層靜儲量已被釋放，主要為滲流補給水量，水量較小，容易控制，對煤礦的開采影響不大。

C.采空區(qū)積水

本礦井是2009年由4座煤礦兼并重組整合礦井，井田內(nèi)及周邊煤礦2號煤層均進行了大面積開采，在采空區(qū)及巷道低洼處分布有大量積水。整合關(guān)閉礦井停止排水使采空區(qū)積水還在增加。結(jié)合近幾年礦井建設(shè)情況、地面物探勘測成果及井下探放水情況，本礦2020-2024年開采布置主要在井田西部四采區(qū)、五采區(qū)及北部二采區(qū)范圍，其采掘工程及礦井充水狀況基本清楚，并且分四期進行了地面瞬變電磁勘探，覆蓋了四、五、二采區(qū)及周邊200m范圍區(qū)域，初步查明了勘探區(qū)及周邊200m范圍內(nèi)的采空區(qū)分布范圍及積水情況，為井下探放水工作提供了可靠依據(jù)。

采空區(qū)積水是本礦井最具威脅的充水水源。當相鄰煤層采掘時，由于受采空冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶或采掘擾動破壞帶的影響，當煤層間距或煤柱小于導(dǎo)水裂隙帶高度或擾動破壞帶時，上部及周邊采空水可能會沿導(dǎo)水裂隙帶、擾動帶滲入或潰入工作面，造成水害事故。

②礦井所具備的涌水量

據(jù)收集礦井近三年礦井涌水量觀測臺賬，涌水量由主斜井、副斜井、集中軌道巷、西部回風(fēng)立井及軌道材料巷密閉5部分組成，礦井觀測情況統(tǒng)計見下表1。

表1 礦井涌水量構(gòu)成情況表

由表1可見，軌道材料巷密閉處涌水量占礦井涌水量的89.75%，涌水來源主要為采空區(qū)積水，其它4處涌水量占礦井涌水量的10.25%，涌水來源主要為砂巖裂隙含水層水。

本次工作統(tǒng)計礦井平均涌水量為121.50m3/d，最大涌水量為139.25m3/d，最大涌水量為正常涌水量的1.15倍。下圖1為礦井涌水量與相關(guān)因素曲線圖。

圖1 礦井涌水量與相關(guān)因素曲線圖

由礦井涌水量與相關(guān)因素曲線圖1可見，礦井涌水量在雨季稍有增高，但總體關(guān)系不甚明顯。主要原因為礦井涌水來源近90%為軌道材料巷密閉處采空積水抽排，受礦井開采影響的山西組砂巖裂隙含水層富水性弱、占比小。

經(jīng)統(tǒng)計計算，礦井生產(chǎn)能力達150萬t/a時，受采掘影響的含水層涌水量為22.47m3/d，綜合考慮軌道材料巷密閉處涌水量107.86m3/d，預(yù)測礦井達產(chǎn)時礦井正常涌水量為130.33m3/d（5.43m3/h），礦井最大涌水量為正常涌水量的1.15倍，即149.88m3/d（6.25m3/h）。

以上礦井涌水量為理論預(yù)算值，該預(yù)算未考慮集中探放采空區(qū)積水，以及揭露富水異常區(qū)時的增加涌水量。同時隨著開采深度、開采面積或者各種地質(zhì)條件的變化，都可能引起礦井涌水量的變化，在生產(chǎn)中要對井下涌水量進行觀測和分析，并根據(jù)涌水量變化情況及時向地面抽排，以保證井下安全生產(chǎn)。

3.劃分不同的水文地質(zhì)

按照《煤礦防治水細則》，根據(jù)礦井受采掘破壞或者影響的含水層及水體、礦井及周邊老空水分布狀況、礦井涌水量或者突水量分布規(guī)律、礦井開采受水害影響程度以及防治水工作難易程度，礦井水文地質(zhì)類型劃分為簡單、中等、復(fù)雜、極復(fù)雜4種。分類依據(jù)就高不就低的原則，確定礦井水文地質(zhì)類型。

礦井根據(jù)上述劃分要求，在未來3年時間內(nèi)，2上、2中、2下、3號煤層礦井水文地質(zhì)類型均屬中等，可作為礦井開展防治水工作的依據(jù)。

4.治理礦井防治水的措施

礦井不存在帶壓開采，礦井2上、2中、2下號煤層四、五采區(qū)為近年來本礦開采區(qū)域，二采區(qū)為實體煤，其采掘工程及礦井充水狀況基本清楚；井田內(nèi)3號煤層尚未開采。可以確定四通煤礦未來三年采掘范圍內(nèi)其老空區(qū)位置、范圍及積水量基本清楚。類型屬中等。根據(jù)礦井實際情況制定了以下水患防治對策：

（1）由于本礦井田范圍內(nèi)及周邊礦井開采歷史較長，老空區(qū)積水是本礦井以后防治水工作的重點。井田內(nèi)上組2上、2中、2下號煤層存在分叉合并現(xiàn)象，2上、2中、2下、3號煤層間距較小，部分工作面合并開采，部分工作面分層開采，上覆煤層采空積水或上山方向采空積水可能通過導(dǎo)水通道潰入工作面形成突水，對礦井安全生產(chǎn)形成威脅。

礦井計劃于2023年回采的2下502工作面，導(dǎo)水裂隙帶可達到上部的2上-107及2-52上02工作面采空區(qū)，目前采空區(qū)內(nèi)積水已完成疏排，在回采該工作面時，應(yīng)首先完成附近采空區(qū)內(nèi)積水探放工作，確保上部及同層上山方向采空區(qū)內(nèi)無積水，嚴格按照《井下探放老空水技術(shù)要求》及《井下老空水探查物探技術(shù)指引》開展工作，有效防治采空區(qū)水害。

（2）四通礦井工業(yè)廣場位于石凹河溝谷中，溝谷狹窄，夏季溝谷中可能受洪水威脅，工業(yè)場地上方修筑了蓄水池及排水涵洞，礦方應(yīng)及時清理蓄水池及涵洞口附近的雜物，及時清淤，確保工業(yè)場地建筑物及井口不受洪水的威脅。

（3）加強對軌道材料巷密閉處出水點防水密閉墻的監(jiān)測。

（4）在雨季要定期對井下所有密閉進行調(diào)查，對井田范圍內(nèi)地表所有井泉、出水點、積水點進行巡查，對廢棄井筒、井田內(nèi)鉆孔進行巡查，對有隱患的水點進行有效治理。

（5）根據(jù)工作面規(guī)劃情況，采掘前對物探解釋富水異常區(qū)加強鉆探驗證，對綜采后“兩帶”發(fā)育高度進行觀測。

（6）水害應(yīng)急需要完善建立救援預(yù)案。完好的設(shè)備要靠檢修設(shè)備定期進行，排水設(shè)備也要進行增置，合力促進搶險救災(zāi)的效果及能力。搶險設(shè)備及物資必須確保數(shù)量富余，以備搶險救災(zāi)可以實現(xiàn)及時性的作用。

（7）在今后的采掘活動中一定要嚴格執(zhí)行“預(yù)測預(yù)報、探掘分離、有掘必探、先探后掘、先治后采”的防治水原則，編制科學(xué)合理的探放水設(shè)計，嚴格進行超前探測，認真做好探放水工作，確保礦井安全生產(chǎn)。

5.結(jié)語

研究的此礦是中等水文地質(zhì)的礦井類型，可以方便實施防治水工作。需要嚴格重視礦井防治水的相關(guān)流程和工作，按照《煤礦防治水細則》以及《煤礦安全規(guī)程》中的國家規(guī)定去進行安全的煤礦生產(chǎn)，嚴格滿足國家要求，保證達到安全的礦井生產(chǎn)模式。