臨汾宏大豁口煤業(yè)9+10#煤層涌水量預測定向分析

李賽玉

（山西焦煤霍州煤電豁口煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

大同煤礦集團臨汾宏大豁口煤業(yè)有限公司位于臨汾市西北28 km 處，堯都區(qū)一平垣鄉(xiāng)軍地村南，行政區(qū)劃隸屬堯都區(qū)一平垣鄉(xiāng)管轄。地理坐標為：東經(jīng)111°20′26″～111°23′42″，北緯36°16′00″～36°18′17″。井田位于黃河流域汾河水系和昕水河水系交匯處，分水嶺位于井田西部邊界附近山梁，西北部為昕水河，東南部汾河水系。井田大部屬汾河水系，只有西北角少部分屬昕水河水系。溝谷內(nèi)無常年水流，僅雨季有短期洪流，大雨后洪水排泄迅速，大部向東南匯入汾河，西北邊界附近溝谷洪水則向西匯入昕水河，然后流入黃河。

1 充水水源分析

（1）大氣降水

大氣降水通過井田基巖裂隙及松散沉積物孔隙，溝通含水層以及通過煤層導水裂隙帶滲入井下，成為礦井充水的間接但重要的補給來源。2、3 號煤層埋藏較淺，井田內(nèi)2、3 號煤層露頭大部出露，現(xiàn)已大部采空，采空區(qū)頂板垮落后形成的地表地裂縫、塌陷等變形，使大氣降水和地表水滲入井下連通下部含水層，使礦井涌水量增大。

歷年來工業(yè)廣場附近最高洪水位為+1110 m，工業(yè)場地平場標高+1131 m，儲煤場標高+1132 m，場地內(nèi)主副井井口標高為+1 142.954 m、+1 148.954 m，回風立井為+1 129.954 m。最高洪水位低于工業(yè)廣場及各井口標高，不會形成威脅。

（2）含水層水

井田內(nèi)各含水層中，二疊系及碎屑巖孔隙—裂隙含水層富水性弱，易接受大氣降水沿裂隙滲透補給。石炭系太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層為10（9+10）號煤層的主要充水含水層，屬富水性弱的巖溶含水層，故對礦井開采有一定影響。奧陶系中統(tǒng)碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層組賦存在煤系地層底部，其富水性強，井田推測奧灰水水位標高在+828～ +803 m 之間，低于井田內(nèi)10（9+10）號煤層最低底板標高+940 m，所以奧灰水對本礦井開采不會造成威脅。

（3）井田內(nèi)及相鄰礦井古、老窯、采空區(qū)積水

礦井內(nèi)外原生產(chǎn)小窯較多，但大部分已關閉，曾開采上組煤（2 號、3 號煤層），目前井田內(nèi)2 號、3 號煤層已全部采空破壞，采空破壞面積較大，加之煤層埋藏較淺，通過垮落裂縫匯集大氣降水，形成一定的采空積水，且2 號、3 號煤層采空積水會滲到10（9+10）號煤層采空區(qū)，對10（9+10）號煤層的開采造成威脅。采用《煤礦防治水手冊》中老空區(qū)積水量公式進行估算，估算結(jié)果見表1，估算公式如下：

表1 10（9+10）號煤層采空區(qū)積水量估算表

式中：Q積為采空積水總量，m3；T為采空區(qū)平均采高或煤厚，m；F為采空積水區(qū)的水平投影面積，m2；α為煤層傾角，（°）；N為采空區(qū)充水系數(shù)。

10（9+10）號煤層有7 處采空區(qū)積水，采空區(qū)積水面積約351.22 km2，采空區(qū)積水量約28.2 萬m3，其分布情況如圖1。

圖1 10（9+10）號煤層積水區(qū)及周邊采空區(qū)積水區(qū)分布圖

2 充水通道分析

（1）采空區(qū)垮落帶、導水裂縫帶

在煤炭開采過程中，由于機械振動以及煤層結(jié)構(gòu)的變化，會對綜采巷道四周的巖層穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，穩(wěn)定性破壞的巖層會在內(nèi)部形成交錯的導水裂縫帶，連通周邊的含水層，使煤層的涌水量增大[1]。井田2 號煤層頂板一般為泥巖，屬中硬巖石；3 號煤層距離10（9+10）號煤層間距為77.81 m 左右，兩煤層之間的巖層為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖和石灰?guī)r，屬中硬或堅硬巖石。根據(jù)有關標準規(guī)范，煤層垮落帶和導水裂縫帶高度計算見以下公式[2]：

2 號、3 號煤層：

式中：∑M為煤層累計采厚，m；Hm為垮落帶最大高度，m；Hli為導水裂縫帶高度，m。

通過公式計算出2 號、3 號和10（9+10）號煤層的垮落帶最大高度和導水裂縫帶高度，分別是2號煤層：8.23 m、35.30 m；3 號煤層：7.04 m、31.82 m；10（9+10）號煤層：24.23 m、85.90 m。2 號煤層和3 號煤層的埋深最大不超過210 m，即在煤層露頭附近及淺埋處會與煤層上層地表徑流連通，煤層涌水量受到降水量的影響比埋深深的煤層大[3]。10（9+10）號與3 號煤層的距離在80 m 左右，而10（9+10）號煤層導水裂縫帶高度計算值為85.90 m，即該煤層的涌水量會受到3 號煤層采（古）空積水影響。

（2）地表裂縫

礦井現(xiàn)開采10（9+10）號煤層，煤層厚度4.82～6.40 m，平均5.78 m，采用放頂煤方法開采。9+10 煤層開采后導水裂隙帶可以導通2 號、3 號煤層采空區(qū)。對8807工作面上覆地表裂縫進行了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見表2。

表2 地表裂縫統(tǒng)計表

（3）地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造中的斷層一方面會破壞含水層與不含水層之間巖層的隔水性能[4]，另一方面會溝通含水層的水力聯(lián)系[5]，斷層是礦井導水的主要通道[6-8]。9+10#煤層所在礦井的西部發(fā)育一條F1 正斷層，斷距為24 m，近東西向貫穿井田，橫跨井田西北部溝谷，兩側(cè)基巖裂縫比較發(fā)育，巷道中平時有輕微滲水現(xiàn)象，雨季較為嚴重，是礦井導水的重要因素。

井田揭露斷層共15 條，其中落差5 m 以上斷層1 條，落差5 m 以下斷層14 條。正斷層12 條，逆斷層3 條，其中F1 正斷層是井田內(nèi)地表出露的唯一較大斷層，走向近東西，在井田西南側(cè)土門鄉(xiāng)煤礦附近，落差10 m 左右，在豁口煤礦井下巷道遇到該斷層，落差24 m，下降盤煤層因斷層牽引現(xiàn)象嚴重。主要斷層特征見表3。

表3 主要斷層特征表

3 礦井涌水量預測

（1）資料分析法預測涌水量

以上分析了礦井涌水充水水源和充水通道，可以看出煤層涌水量的影響因素很多，影響機理復雜，精準計算礦井涌水非常困難。目前臨汾宏大豁口煤業(yè)9+10#煤層涌水的確定，主要依據(jù)歷史礦井涌水記錄來預測，記錄的主要內(nèi)容有出水點位置、出水量以及出水時間，通過記錄數(shù)據(jù)繪制涌水量與影響因素的關系對比圖，估算后期開采期內(nèi)涌水量。據(jù)調(diào)查，10（9+10）號煤層在探放水工作時井下有淋水點，主要突水點為頂板淋水，均為上部含水層滲水?，F(xiàn)8805 順槽掘進巷2 個出水點已枯竭，8803順槽掘進巷1 個出水點已枯竭，8804 工作面現(xiàn)已封閉。在308 回風巷尾留有2 個出水口，截至2018年12 月底，出水量5 m3/h，經(jīng)由308 軌道巷尾采區(qū)水倉排至地面礦井水處理站，見表4。

表4 10（9+10）號煤層井下突（出）水點情況表

根據(jù)豁口煤礦2016 年、2017 年、2018 年3 個觀測年實際排水量觀測如下：

2016 年1 月—2016 年12 月 礦 井 涌 水 量 為20.83～45.97 m3/h，2017 年1 月—2017 年12 月礦井涌水量為40.99～44.49 m3/h，2018 年1 月—2018 年12 月礦井涌水量為21.39～45.32 m3/h。

涌水量與煤炭產(chǎn)量、降水量關系圖如圖2。

圖2 礦井涌水量與煤炭產(chǎn)量、降水量對比圖

從圖2 中可以看出，礦井涌水量隨著降水量的增加而增大，煤炭產(chǎn)量對其影響不大。

（2）動力學計算預測涌水量

基于以上分析，采用動力學計算方法進行9+10#煤層涌水量預測計算。通過打孔測試，測量測試孔內(nèi)水位參數(shù)進行涌水量預測計算，計算公式見下式。

式中：Q涌為礦井涌水量，m3/h；K為地層滲透系數(shù)，m/d；H為測試孔的水柱高度，m；h為地層水頭高度，m；M為礦井含水層的厚度，m；S為修正系數(shù)，大小為5×10-5。

通過測量和推導，測孔獲取的水文參數(shù)見表5。

表5 測孔測量的水文參數(shù)表

通過動力學計算方法得出9+10#煤層最小涌水量為38.86 m3/h，最大涌水量為44.54 m3/h。而根據(jù)2016—2018 年井下實際調(diào)查，2016 年、2017 年、2018 年的月平均正常涌水量為38.80 m3/h，最大涌水量為47.45 m3/h。可以看出二者相差不大，說明涌水量預測結(jié)果準確。

（3）對比測算法預測涌水量

通過收集對比礦區(qū)多個煤礦的地質(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)一處礦井煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)組成相似的煤礦，利用相似礦井已經(jīng)獲取的涌水量資料，通過開采規(guī)模對比計算該礦井涌水量。對比測算公式見式（7）：

式中：Q1為預測礦井涌水量，m3/h；Q2為對比礦井涌水量；N1為預測礦井規(guī)模，56 Mt/a；N2為對比礦井規(guī)模，24 Mt/a。對比煤礦正常涌水量為17.44 m3/h，最大涌水量為19.17 m3/h。則計算，9+10#煤層正常涌水量為40.69 m3/h，最大涌水量為44.73 m3/h。

4 結(jié)語

本文對臨汾宏大豁口煤業(yè)9+10#煤層的涌水影響因素和涌水量預測進行研究。影響涌水量的因素主要從充水水源和充水通道兩個角度分析，計算確定了10（9+10）號煤層7 處采空區(qū)積水量約28.2萬m3，采空區(qū)垮落帶、導水裂縫帶、地表塌陷、地裂縫、地質(zhì)構(gòu)造和煤層露頭對涌水量的影響機理；通過動力學方法和對比測算預測了涌水量，并通過2016—2018 年涌水量與煤炭產(chǎn)量、降水量的關系對比，預測了臨汾宏大豁口煤業(yè)9+10#煤層未來降水量情況。二者預測結(jié)果基本相同，9+10#煤層最小涌水量約為38 m3/h，最大涌水量約為45 m3/h。