山西望云3號(hào)礦山采空積水綜合治理研究

郭鵬舉，常宏偉

（山西省晉城市蘭花科技股份有限公司望云煤礦分公司，山西 晉城 048400）

1 井田地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

1.1 井田地質(zhì)概況

1.1.1 地層

井田內(nèi)西北部地表局部出露二疊系上統(tǒng)上石盒子組地層，東北部、中部、中南部局部出露二疊系上統(tǒng)上石盒子組和下統(tǒng)下石盒子組地層，南部局部出露二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組地層[1]。

1.1.2 構(gòu)造

望云礦井處于沁水拗陷東南邊緣，地層總體向北西傾伏，局部有次一級(jí)波狀起伏，并伴隨有斷層構(gòu)造發(fā)育。區(qū)域構(gòu)造按方向大體可分為兩組，南部晉城、高平一帶為北東向的褶曲斷裂區(qū)，基本屬新華夏系構(gòu)造體系，北部長(zhǎng)治盆地以北則為近東西或北東東向構(gòu)造區(qū)，以斷裂為主，地層比較平緩。井田屬于上述兩組構(gòu)造區(qū)的晉城-高平斷裂褶曲區(qū)。

井田內(nèi)斷層及陷落柱分布較多，斷層存在導(dǎo)通各個(gè)含水層，形成導(dǎo)水通道的可能，陷落柱等隱伏構(gòu)造同樣存在形成導(dǎo)水通道的可能，褶曲構(gòu)造特征對(duì)區(qū)內(nèi)地下水的運(yùn)動(dòng)、富集也起到重要的控制作用，也將使井田不同地段的富水性產(chǎn)生明顯差異，亦有局部賦水的可能。

1.1.3 礦層

井田內(nèi)主要含礦地層為下二疊統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組，山西組為一套陸相碎屑巖含礦地層，巖性以灰、灰黃色泥巖、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖間夾灰、灰白色砂巖為主，含礦2層～4層，本組地層厚度33.94m～72.00m，平均63.41m。太原組為一套海陸交互相含礦地層，巖性以灰、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖間夾灰色、灰白色砂巖和深灰色石灰?guī)r為主，含有礦層4層～6層，該組地層厚度68.63m～120.19m，平均98.05m。

1.2 井田水文地質(zhì)概況

1.2.1 井田主要含水巖組

井田內(nèi)地下水類型與區(qū)域一致，現(xiàn)根據(jù)井田內(nèi)WS1、WY-1號(hào)水文孔及西陽(yáng)機(jī)井抽水試驗(yàn)成果資料，結(jié)合井田外東部申家莊井田內(nèi)的ZK2-2號(hào)水文孔和井田外東北部凌志達(dá)井田內(nèi)的1眼奧灰水源井資料，將井田分為以下主要含水巖組：奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組巖溶裂隙含水巖組、奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組巖溶裂隙含水巖組、奧陶系中統(tǒng)峰峰組巖溶裂隙含水巖組、石炭系上統(tǒng)太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組、二疊系碎屑巖類砂巖裂隙含水巖組、第四系松散層孔隙含水巖組。

1.2.2 井田主要隔水層

（1）本溪組底至15號(hào)礦層底板隔水層。15號(hào)礦底板至奧陶系灰?guī)r頂界，厚度11.02m～45.42m，平均25.44m，其有效隔水層厚度平均為20.40m；其中含多層塑性的泥巖、鋁質(zhì)泥巖或砂質(zhì)泥巖，巖石致密細(xì)膩，裂隙不發(fā)育，區(qū)域上阻斷了上下含水層之間的水力聯(lián)系，具有較好的隔水性能。

（2）石炭、二疊系層間隔水層。主要由具塑性的泥巖、砂質(zhì)泥巖組成，呈層狀相間分布于各含水層之間，導(dǎo)致各含水層水位標(biāo)高相差較大，說(shuō)明其間水力聯(lián)系較弱。因此這些巖層具有較好的隔水性能，可視為層間相對(duì)隔水層[2]。

井田內(nèi)3號(hào)礦底板至奧陶系灰?guī)r頂界，厚度101.55m～158.88m，平均120.40m，其有效隔水層厚度平均為114.00m；根據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)，3號(hào)礦層底板隔水層中泥質(zhì)巖類巖石累計(jì)厚度為38.71m～91.64m，平均為65.38m；15號(hào)礦層底板隔水層中泥質(zhì)巖類巖石累計(jì)厚度為6.94m～30.53m，平均為16.16m。

1.2.3 地下水補(bǔ)、徑、排條件

深部奧陶系灰?guī)r在區(qū)域東部、北部均有出露，主要接受大氣降水和地表水的入滲補(bǔ)給，為主要補(bǔ)給區(qū)。

井田位于三姑泉域西北部徑流區(qū)，主要接受東部奧陶系灰?guī)r基巖裸露區(qū)或半裸露區(qū)的補(bǔ)給、徑流后，總體向西南方向徑流，并在井田外向西南、南方向的巴公、北石店、晉城城區(qū)一帶匯集，在晉城市區(qū)及以南，由于受高平～晉城褶斷帶和丹河小“山”字型構(gòu)造前弧阻隔，巖溶水折向南東，最終向郭壁泉、水掌泉、三姑泉一帶排泄。

石炭系、二疊系含水巖組，在接受地表大氣降水和季節(jié)性河流以及上覆含水層的入滲補(bǔ)給后，順巖層由東向西運(yùn)移，人工鑿井取水或礦山生產(chǎn)排放礦坑水形式為排泄方式之一。

2 5號(hào)礦層首采區(qū)充水因素分析

2.1 充水通道

2.1.1 斷裂構(gòu)造

望云井田內(nèi)以往共發(fā)現(xiàn)斷層50條，落差最大的F1（莊頭正斷層）為60m左右，落差大于或等于5m的斷層28條，其中正斷層25條，逆斷層3條；落差小于5m的22條，主要以小斷層為主。根據(jù)井下實(shí)際揭露情況，小斷層局部出現(xiàn)淋水情況，在下組礦15#礦層未開(kāi)采區(qū)域，導(dǎo)水?dāng)鄬尤钥赡艽嬖冢V井仍必須加強(qiáng)注意斷層導(dǎo)水和富水性探查。

2.1.2 巖溶陷落柱

望云井田內(nèi)目前共發(fā)現(xiàn)陷落柱39個(gè)，形狀多成不規(guī)則狀和橢圓形，規(guī)模相對(duì)較小，下組礦15號(hào)礦層?xùn)|區(qū)不存在帶壓開(kāi)采問(wèn)題，陷落柱不成為底板奧灰水的導(dǎo)水通道。根據(jù)開(kāi)采接露，陷落柱未出現(xiàn)含（導(dǎo)）水情況，但是對(duì)下組礦15號(hào)礦層開(kāi)采未接露的陷落柱探測(cè)資料缺少，在下組礦15號(hào)礦層開(kāi)采過(guò)程中必須加強(qiáng)陷落柱的發(fā)育情況及含（導(dǎo)）水性探查工作，防治陷落柱導(dǎo)通15號(hào)礦層頂板以上含水層（體）（包括原3號(hào)礦層接露未導(dǎo)水，但3號(hào)礦層開(kāi)采后可能存在活化情況的陷落柱），對(duì)礦井安全帶來(lái)影響，因此，礦井必須提前做好探查和治理措施，全面確保礦井安全生產(chǎn)。

2.1.3 導(dǎo)水裂縫帶

礦層頂板水、地表水、采空區(qū)水等充水水源可通過(guò)工作面回采頂板冒裂帶進(jìn)入礦井，工作面回采后頂板巖體在開(kāi)挖的影響下，應(yīng)力重新分配，造成礦層頂板巖體變形、移動(dòng)、破壞、斷裂甚至是垮落，因此，這些垮落、裂隙成為礦層以上水體進(jìn)入采掘空間的通道。

2.2 充水水源

礦區(qū)充水水源為大氣降水和地表水、第四系松散孔隙水、二疊系砂巖裂隙水、太原組奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水。

3 號(hào)礦層采空積水情況分析

3.1 充水因素分析

3.1.1 充水水源

根據(jù)原地質(zhì)報(bào)告，3號(hào)礦層為穩(wěn)定全區(qū)可采礦層，頂板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖為主，較完整，裂隙一般不很發(fā)育。

首采區(qū)范圍內(nèi)原3號(hào)礦層埋深54.12m～149.78m之間，平均98.94m，3號(hào)礦層頂板基巖厚度53.62m～149.78m之間，平均92.53m，而3#礦層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度44.12m～58.50m，一般高度52.67m。3號(hào)礦層埋藏深度相對(duì)較深，只有首采區(qū)南部外W7鉆孔導(dǎo)水裂縫帶可發(fā)育至地表，因此，大氣降水和地表水只在3號(hào)礦層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育至地表區(qū)域有一定補(bǔ)給。

首采區(qū)范圍內(nèi)原3號(hào)礦層頂板距離下石盒子組底面（K8砂巖底板）厚度24.47m～65.71m之間，平均47.26m，而3號(hào)礦層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度44.12m～58.50m，一般高度52.67m，因此，3號(hào)礦層導(dǎo)水裂縫帶大面積發(fā)育至下石盒子組K8砂巖含水層。

3號(hào)礦層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度44.12m～58.50m，一般高度52.67m，3號(hào)礦層上距2號(hào)礦層22m左右，望云井田2號(hào)礦層采空區(qū)主要分布于東區(qū)上扶村、劉家莊一帶，在2號(hào)礦層采空區(qū)下方3號(hào)礦層已經(jīng)開(kāi)采完畢，由于3號(hào)礦層采空區(qū)開(kāi)采后形成的最大導(dǎo)水裂縫帶可導(dǎo)通2號(hào)礦層采空區(qū)，故上部含水層水進(jìn)入2號(hào)礦層采空區(qū)后直接下滲到3號(hào)礦層采空區(qū)，3號(hào)礦層采空區(qū)和2號(hào)礦層采空區(qū)已經(jīng)貫通，而東區(qū)2號(hào)礦層局部可采，開(kāi)采范圍較小，后續(xù)主要以評(píng)價(jià)3號(hào)礦層為主。

因此，3號(hào)礦層采空區(qū)直接充水水源主要為下石盒子組K8砂巖水，其次大氣降水、地表水（局部導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育至地表區(qū)域?yàn)橹鳎╅g接成為3號(hào)礦層采空區(qū)充水水源。

3.1.2 充水通道

井田東區(qū)3號(hào)礦層主要充水通道為礦層開(kāi)采后形成的頂板導(dǎo)水裂縫帶和以往廢棄的老窯井筒及巷道，這些裂隙、井巷成為礦層頂板含水層、大氣降水、地表水進(jìn)入3號(hào)礦層采空區(qū)的主要通道。

3.2 采空積水區(qū)積水量估算

本次根據(jù)礦方提供資料，15號(hào)礦層主斜井位于原3號(hào)礦層主斜井下方，井口標(biāo)高+903.407，15號(hào)礦層主斜井在穿越標(biāo)高+877m左右后，頂板出現(xiàn)異常涌水，礦井開(kāi)挖了原3號(hào)礦層主斜井，到達(dá)標(biāo)高+877.27m時(shí)發(fā)現(xiàn)3號(hào)礦層主斜井已經(jīng)大量積水。2014年1月24日開(kāi)始安裝兩臺(tái)IS125-100-250水泵（一用一備）排水，排水量基本上112m3/h（根據(jù)望云礦2015年12月9日24h實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)平均值），截至2015年12月10日水位降至+865m左右，截至目前水位仍維持在+865m左右，但排水一直正常進(jìn)行，積水水位基本處于靜止?fàn)顟B(tài)。

根據(jù)上述情況推斷，東區(qū)3號(hào)礦層采空區(qū)積水線在+865m以下，即除東部邊界附近以外東區(qū)3號(hào)礦層采空區(qū)幾乎全部積水，而且目前原3號(hào)礦層主斜井積水基本處于穩(wěn)定狀態(tài)+865m左右，根據(jù)排水及水位穩(wěn)定情況，分析原3號(hào)礦層采空區(qū)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量基本上大于112m3/h，同時(shí)根據(jù)原3號(hào)礦層頂板導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育（經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算）高度，補(bǔ)給水源主要來(lái)源于3號(hào)礦層頂板砂巖水，其次為第四系潛水、大氣降水和地表水。

根據(jù)以往望云井田鉆孔數(shù)據(jù)，東區(qū)原3號(hào)礦層底板標(biāo)高+772.40m～+866.57m，平均標(biāo)高+824.96m，礦層底板標(biāo)高自井田東、西兩側(cè)向中部逐漸降低，最低處位于東區(qū)中南部，礦層底板標(biāo)高自東向西逐漸降低。

根據(jù)原3號(hào)礦層主斜井井筒目前采空區(qū)積水水位+865m左右，結(jié)合原3號(hào)礦層開(kāi)采系統(tǒng)、工作面布置，原3號(hào)礦層開(kāi)采系統(tǒng)基本上全部積水，積水區(qū)域主要包括回采工作面積水、井筒及巷道積水兩部分。東區(qū)3號(hào)礦層采空區(qū)積水范圍以+865m標(biāo)高為積水邊界，低于+865m標(biāo)高的采空區(qū)全部圈定為積水區(qū)，包括各條巷道，并對(duì)采空區(qū)積水量重新進(jìn)行了估算。

礦井防治水之采（古）空區(qū)積水估算公式：

Q采=K·M·F/cosα；

Q采—采（古）空區(qū)積水量k（m3）。

K—采（古）空區(qū)的充水系數(shù)，本次采（古）空區(qū)充水系數(shù)采用0.25，積水巷道充水系數(shù)采用0.50；（望云礦3#礦層采空區(qū)形成時(shí)間較久，長(zhǎng)期以來(lái)礦層頂板冒落壓實(shí)，K值選取較小值，建議在對(duì)采空積水疏放過(guò)程中對(duì)3#礦層采空區(qū)充水系數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)，修正礦井3#礦層采空區(qū)積水量）。

M—礦層厚度或采高（m），東區(qū)3號(hào)礦層平均4.40m。

F—采空區(qū)積水的投影面積k（m2）。

α—礦層傾角,由于井田內(nèi)礦層傾角不大，在3°～27°之間，一般在9°左右，取9°。

經(jīng)估算，井田內(nèi)東區(qū)3號(hào)礦層采空區(qū)積水合計(jì)有19處，總積水面積4659252m2，積水量5125177m3積水巷道長(zhǎng)合計(jì)16631.10m，積水量總計(jì)61540m3；3號(hào)礦層采空積水量共計(jì)5186717m3。

3.3 3號(hào)礦層采空積水排水情況

根據(jù)礦方提供資料，2014年1月24日礦方于3號(hào)礦層主斜井安裝兩臺(tái)IS125-100-250水泵（一用一備）排水，排水量基本上112m3/h（根據(jù)望云礦2015年12月9日24h實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)平均值），截至2015年12月10日水位降至+865m左右，但排水一直正常進(jìn)行，積水水位基本處于靜止?fàn)顟B(tài)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)3號(hào)礦層采空積水區(qū)資料以及15號(hào)礦層的充水條件進(jìn)行系統(tǒng)分析，采取措施對(duì)3號(hào)礦層采空積水進(jìn)行探放、治理，達(dá)到有效減少15號(hào)礦層充水水源、合理封堵充水通道，有效預(yù)防了礦井水害事故。