新景礦礦井水害因素與奧灰水帶壓開(kāi)采分析

李振江

（山西新景煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 概 況

礦井水害是煤礦主要自然災(zāi)害之一，制約著礦井的高效開(kāi)采，煤炭資源賦存水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變，導(dǎo)致我國(guó)煤炭開(kāi)采過(guò)程中水害事故頻發(fā)，且易造成極大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。相關(guān)資料顯示，我國(guó)煤礦水害事故主要是由采空區(qū)積水以及底板高壓水造成的，截至目前，我國(guó)受水害威脅的礦井達(dá)到8 000余座，為實(shí)現(xiàn)礦井水害的有效防治，國(guó)家相關(guān)部門(mén)提出了“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”十六字方針指導(dǎo)防治水工作的開(kāi)展。以新景礦礦井水文地質(zhì)條件為背景，調(diào)查分析了地表水、地下含水層水、采空區(qū)積水等礦井水害因素。

新景礦位于山西省陽(yáng)泉市西部，生產(chǎn)規(guī)模500萬(wàn)t/a，井田面積為54.922 1 km2，井田內(nèi)主要可采煤層4層，分別為3、8、9、15號(hào)煤層，其中，3、8、9號(hào)煤層屬較穩(wěn)定大部可采，15號(hào)煤層屬穩(wěn)定可采，平均厚度分別為4.31、3.64、3.15、8.21 m，井田內(nèi)3、8、15號(hào)煤層分別進(jìn)行了不同程度開(kāi)采。

2 礦井水害因素分析

充水水源是導(dǎo)致礦井水害的主要因素，新景礦充水水源主要包括地表水、地下含水層水、采空區(qū)積水。

2.1 地表水

新景礦礦區(qū)范圍內(nèi)有3條季節(jié)性河流（馬家坡溝河、蘆湖溝河、保安溝河），流量均較小，且新景礦各井口標(biāo)高高于河流水位標(biāo)高，加之本區(qū)新景礦主要可采煤層（3、8、9、15號(hào)煤層）埋藏較深，達(dá)到300 m以上，因此，地表水不會(huì)對(duì)新景礦生產(chǎn)造成較大危害，僅對(duì)基巖含水層有一定的補(bǔ)給作用，為煤層的間接充水水源。

2.2 地下含水層水

地下含水層水是新景礦礦山充水的最主要水源，根據(jù)含水層與各開(kāi)采煤層（3、8、9、15號(hào)煤層）的相對(duì)位置關(guān)系，可將其分為頂板含水層和底板含水層。

2.2.1 頂板含水層

（1）3號(hào)煤層。該井田3號(hào)煤層頂板含水層主要有第四系松散巖類(lèi)含水層以及上、下石盒子組砂巖裂隙含水層，根據(jù)采掘現(xiàn)狀，上述含水層對(duì)3號(hào)煤層生產(chǎn)活動(dòng)影響不大，僅在采掘工作面局部出現(xiàn)頂板淋水現(xiàn)象，水量約為0.2～2 m3/h，對(duì)生產(chǎn)影響不大。

（2）8號(hào)煤層頂板含水層。該井田8號(hào)煤層頂板含水層主要是山西組砂巖裂隙含水層，該含水層富水性較弱，8號(hào)煤層生產(chǎn)以頂板淋水為主，對(duì)安全生產(chǎn)影響不大。

（3）15號(hào)煤層頂板含水層。該井田15號(hào)煤層頂板主要含水層為太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層，主要包括3層薄層灰?guī)r含水層（K2灰?guī)r、K3灰?guī)r、K4灰?guī)r），灰?guī)r含水層總厚度15.95 m，其中以K2厚度最大，且在井田東部補(bǔ)給條件好，巖溶裂隙較為發(fā)育，富水性大，而在井田西部，埋藏條件及補(bǔ)給條件均較差，富水性差，為15號(hào)煤層頂板直接充水含水層，在富水性大的區(qū)域需做好頂板水探放工作，改善開(kāi)采條件，消除水害隱患。

2.2.2 底板含水層

（1）煤層在奧灰水位線(xiàn)以上。

該井田3號(hào)煤層底板含水層主要有山西組砂巖裂隙含水層（K7）、太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層，含水層富水性較弱，對(duì)3號(hào)煤層安全生產(chǎn)影響不大。

該井田8號(hào)煤層底板含水層主要為太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層（K2、K3、K4）、奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層，8號(hào)煤層底板采動(dòng)破壞帶深度未波及太灰主要含水層。

該井田15號(hào)煤層底板含水層主要為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層，15號(hào)煤層底板采動(dòng)破壞帶深度未波及奧灰主要含水層。

（2）煤層在奧灰水位線(xiàn)以下。

各開(kāi)采煤層在奧灰水位線(xiàn)以下時(shí)（處于奧灰水帶壓區(qū)下），底板含水層除上述情況外，還涉及奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層。該含水層屬于承壓含水層，采掘區(qū)域在承壓水位線(xiàn)以下時(shí)，一旦存在導(dǎo)水構(gòu)造，將煤層與承壓含水層導(dǎo)通，奧灰承壓水將會(huì)淹沒(méi)該區(qū)域，甚至威脅到整個(gè)采區(qū)和礦井的安全生產(chǎn)。

2.3 采空區(qū)積水

新景礦為多煤層、分水平開(kāi)采，上部煤層采空區(qū)積水對(duì)于同層及下層煤層開(kāi)采具有一定的水害威脅。

2.3.1 采空區(qū)積水情況

（1）井田內(nèi)采空積水。

新景礦井曾經(jīng)對(duì)3、8、9、15號(hào)煤層進(jìn)行過(guò)不同程度的開(kāi)采，存在采空區(qū)及采空積水。井田內(nèi)采空積水為礦井主要充水水源之一。

經(jīng)調(diào)查計(jì)算，該井田的3號(hào)煤層積水區(qū)17處，總積水量約111 440 m3；8號(hào)煤層積水區(qū)6處，總積水量約11 491 m3；9號(hào)煤層積水區(qū)2處，總積水量約2 752 m3；15號(hào)煤層積水區(qū)21處，總積水量約274 462 m3，各煤層總積水量400 145 m3。

（2）周邊礦井采空區(qū)積水。

周邊煤礦的3號(hào)煤層積水區(qū)5處，總積水量約83 700 m3；6號(hào)煤層積水區(qū)2處，總積水量約101 087 m3；15號(hào)煤層積水區(qū)12處，總積水量約940 175 m3；各煤層總積水量1 124 962 m3。

2.3.2 導(dǎo)水裂隙帶

新景礦3、8、9號(hào)煤層頂板為中硬巖性，15號(hào)煤層老頂為石灰?guī)r，屬堅(jiān)硬巖性，根據(jù)“三下”開(kāi)采規(guī)范中的推薦，3、8、9號(hào)煤層導(dǎo)水裂隙帶采用公式（1）和（2）計(jì)算，15號(hào)煤層導(dǎo)水裂隙帶采用公式（3）和（4）計(jì)算。

式中：Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；∑M為最大采厚，m。

經(jīng)計(jì)算，3號(hào)煤層導(dǎo)水裂縫帶高度為51.52 m；8號(hào)煤層導(dǎo)水裂隙帶高度為48.16 m；9號(hào)煤層導(dǎo)水裂隙帶高度為45.50 m；15號(hào)煤層導(dǎo)水裂隙帶高度為95.96 m，各煤層間距及導(dǎo)水裂縫帶高度見(jiàn)表1。

表1 各煤層間距及導(dǎo)水裂縫帶高度Table 1 Each coal seam spacing and water conduction fracture zone height

從表1可以看出，8號(hào)煤層采厚3.64 m，其導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度48.16 m，大于3號(hào)煤層之間的隔水層厚度（38.99 m），其導(dǎo)水裂縫成為導(dǎo)通3號(hào)煤層采空區(qū)積水的通道，對(duì)8號(hào)煤層開(kāi)采形成威脅；8號(hào)煤層與9號(hào)煤層之間隔水層厚度15.65 m，開(kāi)采時(shí)導(dǎo)水裂縫可以成為導(dǎo)通8號(hào)煤層采空區(qū)積水的通道；15號(hào)煤層導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度延伸向上95.96 m，大于與9號(hào)煤層隔水層厚度（67.92 m），其導(dǎo)水裂縫會(huì)成為導(dǎo)通9號(hào)煤層采空區(qū)積水的通道，對(duì)15號(hào)煤層開(kāi)采構(gòu)成威脅。

總體而言，新景礦及周邊礦井采空區(qū)存在較大量的積水，且導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度均溝通上覆采空區(qū)，因此，采空區(qū)積水對(duì)該礦安全生產(chǎn)具有一定威脅。

3 奧灰水水文地質(zhì)條件及帶壓開(kāi)采分析

新景礦井田范圍內(nèi)奧陶統(tǒng)灰?guī)r含水層主要由峰峰組和上馬家溝組含水層組成，井田內(nèi)主要可采煤層部分位于奧灰水位線(xiàn)以下，屬于奧灰水帶壓開(kāi)采，面臨底板突水的危險(xiǎn)性。

（1）奧陶統(tǒng)灰?guī)r含水層垂直分布特征。

奧陶統(tǒng)灰?guī)r含水層由峰峰組和上馬家溝組含水層組成，垂直分布特征如下。

峰峰組水文地質(zhì)特征。根據(jù)鉆孔揭露，峰峰組整體水位標(biāo)高約為+479.03—504.34 m，其中，峰峰組二段厚度為57.48～124.80 m，平均厚度為89.92 m，單位涌水量為0.591 L/s·m，富水性中等；一段厚度為78.90～145.70 m，平均厚度為121.98 m，單位涌水量為0.008 5 L/s·m，富水性弱，整體看峰峰組二段比一段富水性強(qiáng)且在地層處于上段，對(duì)上覆煤層開(kāi)采不利。

上馬家溝組水文地質(zhì)特征。據(jù)勘探資料顯示，本區(qū)上馬家溝組的水位標(biāo)高+381—+455 m，奧灰水總體上自北西向南東流，單位涌水量為0.063～3.388 L/s·m，在馬家溝組奧灰富水性強(qiáng)的區(qū)域若發(fā)生突水，對(duì)礦井的安全威脅較大。

（2）底板突水系數(shù)。

《煤礦防治水細(xì)則》指出，底板突水的必要條件是存在導(dǎo)水破碎帶，充分條件是承壓水的水壓大于或等于隔水層水平最小主應(yīng)力，提出了采用突水系數(shù)用于評(píng)價(jià)底板突水可能性，計(jì)算公式見(jiàn)式（5）：

式中：Ts為突水系數(shù)，MPa/m；p為底板隔水層承受的水頭壓力，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

經(jīng)計(jì)算，3號(hào)煤層突水系數(shù)為0～0.013 9 MPa/m，8號(hào)煤層突水系數(shù)為0～0.017 4 MPa/m，9號(hào)煤層突水系數(shù)為0～0.019 4 MPa/m，15號(hào)煤層帶壓區(qū)域最大，突水系數(shù)為0～0.038 0 MPa/m，自北向南隨著煤層埋藏深度增加，煤層承受的奧灰水壓力增高，突水系數(shù)增大。

（3）帶壓區(qū)平面分布特征。

在井田西部各開(kāi)采煤層存在局部帶壓。井田奧灰水水位標(biāo)高386—542 m（由北西向南東逐漸降低），各開(kāi)采煤層在井田西部或西南部存在不同程度的帶壓現(xiàn)象，其中，3號(hào)煤帶壓面積5.87 km2，最大突水系數(shù)0.013 9 MPa/m；8號(hào)煤帶壓面積10.67 km2，最大突水系數(shù)0.017 4 MPa/m；9號(hào)煤帶壓面積12.43 km2，最大突水系數(shù)0.019 4 MPa/m；15號(hào)煤帶壓面積27.94 km2，最大突水系數(shù)0.038 0 MPa/m，為礦井最大突水系數(shù)，但小于臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，因此，奧灰水帶壓區(qū)屬于相對(duì)安全區(qū)。

4 結(jié) 語(yǔ)

以新景礦礦井水文地質(zhì)條件為背景，調(diào)查分析了地表水、地下含水層水、采空區(qū)積水等礦井水害因素，目前新景礦主要受采空區(qū)積水和奧灰承壓水影響，根據(jù)計(jì)算，新景礦主要開(kāi)采的8、9、15號(hào)煤層形成的導(dǎo)水裂縫帶均會(huì)溝通上覆采空區(qū)，采空區(qū)積水給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)威脅。同時(shí)，井田內(nèi)各可采煤層存在奧灰水帶壓區(qū)域，但最大突水系數(shù)小于臨界突水系數(shù)，表明井田內(nèi)各可采煤層奧灰水帶壓區(qū)屬于相對(duì)安全區(qū)。