昌吉寶平煤礦水害隱蔽致災因素分析

周梓欣，雍曉艱

(1.新疆煤田地質(zhì)局，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆煤炭綜合勘查院，新疆 烏魯木齊 830091)

0 引言

安全生產(chǎn)是煤礦生產(chǎn)和建設的重要內(nèi)容，在煤礦突發(fā)事故(除頂?shù)装迨鹿?造成的人員財產(chǎn)損失中，水害事故僅次于瓦斯事故[1 -2]。引起煤礦安全事故的隱蔽致災因素很多，包括瓦斯、水災、沖擊地壓、火災等。針對隱蔽致災因素，學者們開展了大量研究。例如，葛均剛、劉建平等[3 -9]針對煤礦隱蔽致災因素，特別是水害致災因素進行了研究，并提出了相應的防治措施。借鑒上述研究成果，以昌吉市寶平煤礦為研究對象，系統(tǒng)研究地下含水體對煤礦安全生產(chǎn)的影響，并提出一定的防治措施和建議，以期為煤礦水害預防及治理提供理論依據(jù)。

1 工程概況

寶平煤礦位于準南煤田硫磺溝礦區(qū)，行政區(qū)劃屬昌吉市管轄。中侏羅統(tǒng)西山窯組是礦井主要含煤地層，共含煤18層，其煤層自上而下編號為1～18號，4-5、7、9-10、14-15號煤層為本區(qū)主要可采煤層，賦存于西山窯組下段。寶平煤礦建于20世紀90年代，原生產(chǎn)能力為年產(chǎn)3萬t，開拓方式為平硐配合暗斜井提升，斜井通風。2006年以來，經(jīng)多次技改和改擴建，于2013年2月改擴建為年產(chǎn)60萬t礦井，開采標高為835～1 200 m。礦井實際首采煤層為4-5號，首采采區(qū)為+1 060 m水平，2015年度4-5號煤層延伸至+972 m水平，已回采完并已封閉。2016年度開采煤層為9-10號，南翼皮帶運輸順槽+1 085 m、軌道回風順槽+1 104 m水平，該采區(qū)于2016年8月密閉，回采走向長度360 m。在礦區(qū)東部邊界布置3條暗斜井下山巷道，分別為軌道上山、回風上山、皮帶上山。2017年繼續(xù)在礦區(qū)東部邊界3條暗斜井下山巷道進行掘進，現(xiàn)下山巷道、井下車場及水倉等輔助設施已形成，回風下山巷、軌道下山巷均與9-10號煤+1 120 m水平回風順槽聯(lián)通。

礦井采煤方法為走向長壁綜合機械化一次采全高。依據(jù)2021年生產(chǎn)資料，4-5號煤層井田范圍內(nèi)已采完；9-10號煤層11901、11902工作面已回采完畢，11903綜采工作面正在回采(現(xiàn)暫停產(chǎn))，設計長度720 m，已回采長度260 m；111401回風順槽正在掘進，掘進長度640 m，111401運輸順槽正在掘進，掘進長度78 m。寶平煤礦周邊分布有多個小煤礦，相鄰礦井分布情況如圖1所示。該煤礦西南部有3個煤礦，東南部有2個煤礦，相鄰5個煤礦均已關(guān)閉。

圖1 寶平煤礦與相鄰礦井位置示意Fig.1 Location of Baoping Coal Mine and adjacent coal mines

2 地下含水體分布及賦水情況

對該礦水文地質(zhì)等相關(guān)情況進行勘察得知，可能對該礦安全生產(chǎn)構(gòu)成水害威脅的有采空區(qū)、火燒區(qū)、含水層分布及賦水情況[10]。

2.1 含水層分布及賦水情況

2.1.1 含水層(段)劃分

井田地層由松散巖類和沉積碎屑巖類組成，以較穩(wěn)定的厚層巖性段劃分含(隔)水層(段)。區(qū)域共劃分8個含(透)水層，詳見表1。

表1 含水層(段)劃分一覽

2.1.2 第四系松散物含(透)水層組(Ⅰ)

2.1.3 中侏羅統(tǒng)頭屯河組下段含(隔)水層組(Ⅱ)

分布在井田西北部，呈東北—南西走向，條帶狀展布，巖性以厚層狀粗砂巖、砂礫巖為主，泥質(zhì)膠結(jié)，厚度4.8～11.5 m，大氣降水為其補給源，井田內(nèi)該含水層為透水不含水層。

2.1.4 中侏羅統(tǒng)西山窯組上段含(隔)水層組(Ⅲ)

Ⅲ1含水層：西山窯組上段上部含水層。主要巖性為中砂巖、粗砂巖，多為泥質(zhì)膠結(jié)，X節(jié)理裂隙發(fā)育，在區(qū)內(nèi)南東部出露于地表，厚度25.97～184.29 m，平均厚度89.18 m。據(jù)井下實地觀測，此含水層中無水滲出，在礦區(qū)東南部(淺部)透水不含水，西北部(深部)含水。

Ⅲ2含水層：西山窯組上段底界含水層。巖性為中砂巖、粗砂巖、砂礫巖，俗稱“豆腐渣砂巖”，為泥質(zhì)膠結(jié)，遇水易散，X節(jié)理裂隙較發(fā)育，厚度13.02～33.51 m，平均厚度28.22 m，北部、南部厚，中部薄，富水性弱。

2.1.5 中侏羅統(tǒng)西山窯組下段含(隔)水層組(Ⅳ)

Ⅳ1含水層：西山窯組下段上部含水層。巖性以粗砂巖、中砂巖為主，局部含砂礫巖，多為泥鈣質(zhì)膠結(jié)，厚度33.41～53.74 m，平均厚度44.50 m，厚度較穩(wěn)定，地表零星分布于井田外東南部。Ⅳ1含水層與Ⅳ2含水層間的G5隔水層較薄，開采后產(chǎn)生的裂隙，將溝通Ⅳ1含水層與Ⅳ2含水層，本含水層為煤礦直接充水含水層。

Ⅳ2含水層：西山窯組下段下部含水層。巖性以煤層為主，裂隙發(fā)育，厚度118.70～130.75 m，平均厚度124.30 m，厚度較穩(wěn)定，為弱含水層，其在地表出露較少。

據(jù)礦井涌水觀測分析，該礦井目前主要開采9-10號煤層，其主要充水水源為上部的4-5號煤采空區(qū)水和9-10號煤層頂板砂巖孔隙裂隙含水層水，以頂板淋水方式向礦井充水。礦井主要可采煤層共4層，累積采厚平均38.75 m。煤層開采過程中產(chǎn)生的導水裂隙帶是礦井突水的通道[11]，經(jīng)計算，重復采掘擾動下煤層采動導水裂隙帶發(fā)育高度31.21～188.45 m，可直接揭露煤層頂板砂巖裂隙含水層，因此第Ⅲ孔隙、裂隙含水層易構(gòu)成煤層開采的直接充水水源。

第Ⅰ孔隙含水層與第Ⅱ孔隙含水層：主要分布在井田的深部，距離主采煤層頂板間距一般大于200 m，煤層導水裂隙難以直接揭露，但在斷層發(fā)育區(qū)段存在沿著導水裂隙進入采掘空間或者下部的砂巖含水層的問題，因此第Ⅰ孔隙含水層與第Ⅱ孔隙含水層易構(gòu)成煤層開采的間接充水水源。

綜上分析，寶平煤礦西山窯組含水層水為礦井直接充水水源，富水性弱。其他含水層為礦井間接充水水源，對煤礦未來3年開采活動影響較小。

2.2 采空區(qū)分布及賦水情況

老空水害是影響和威脅礦井生產(chǎn)安全的一大隱蔽致災因素[12]，在煤礦開采過程中，極易溝通老窯積水，造成礦井透水事故。采空區(qū)分布及賦水情況對煤礦安全生產(chǎn)的影響既要考慮本礦井采空區(qū)及賦水情況，也要弄清可能對本礦井安全生產(chǎn)產(chǎn)生影響的周邊礦井采空區(qū)及積水情況。

寶平煤礦4-5號、9-10號及14-15號煤層在淺部由上至下基本都進行了開采，屬于多煤層開采。該礦開采區(qū)內(nèi)4-5號煤層已開采完畢，4-5號煤層+920 m水平南翼運輸順槽積水。周邊相鄰的煤礦一、煤礦二、煤礦四均對4-5號煤層進行了開采，西南部的煤礦一、煤礦二4-5號煤層采空區(qū)無積水，東北部的煤礦四4-5號煤采空區(qū)全部積水，如圖2(a)所示；寶平煤礦開采區(qū)內(nèi)9-10號煤層已大部分開采完畢，現(xiàn)正回采11903工作面，其南側(cè)的11902工作面部分積水，周邊煤礦二、煤礦三、煤礦四、煤礦五均對9-10號煤層進行了開采，煤礦二、煤礦三、煤礦五9-10號煤采空區(qū)無積水，煤礦四9-10號煤采空區(qū)部分積水如圖2(b)所示；寶平煤礦僅在早期對開采區(qū)南部的14-15號煤層進行部分開采，未來3年將布置14-15號煤工作面。周邊煤礦二、煤礦三、煤礦五對14-15號煤層進行了開采，西南部的煤礦二、煤礦三14-15號煤采空區(qū)無積水，東北部的煤礦五14-15號煤采空區(qū)積水如圖2(c)所示。

因此，本礦井開采中存在采空區(qū)積水沿著淺部地層向深部側(cè)向徑流的問題，易構(gòu)成深部煤層開采的間接充水水源。同時，由于相鄰煤層間距一般均小于15 m，因此上部煤層采空區(qū)積水易構(gòu)成下部煤層開采的直接充水水源，存在一定的水害隱蔽致災因素。在前期開采中對礦井采空區(qū)積水進行了疏放，不存在大量積水現(xiàn)象，但礦井未來在近距離煤層群下部掘進時應注意對上部采空區(qū)積水進行疏干。

圖2 各煤層開采區(qū)及擴大區(qū)采空區(qū)分布及積水情況示意Fig.2 Distribution and ponding of goaf in each coal seam mining area and expansion area

2.3 火燒區(qū)分布及賦水情況

寶平煤礦及周邊礦井的南部均存在火燒區(qū)，在火燒區(qū)底界有3處含水區(qū)，分別為H1、H2、H3，如圖3所示。H1、H2位于工作區(qū)西南部，H3位于工作區(qū)東南部。3處火燒含水區(qū)均遠離現(xiàn)礦井開采范圍，工作區(qū)中部現(xiàn)礦井開采范圍附近火燒區(qū)不含水。在工作區(qū)有2處煤層頂板砂巖相對富水區(qū)，分別為S1、S2，S1位于工作區(qū)西北部，S2位于工作區(qū)東北部。

圖3 火燒區(qū)底界含水區(qū)與煤層頂板含水區(qū)分布位置示意Fig.3 Distribution position of water bearing area at the bottom boundary of burning area and coal seam roof

2.4 涌水量

礦井近年內(nèi)涌水量見表2，其中2021年度數(shù)據(jù)截止到6月份。礦井正常涌水量為21 m3/h，近年最大涌水量42.08 m3/h，從礦井涌水量來看，該礦井水文地質(zhì)類型為簡單型。

表2 近年礦井涌水量統(tǒng)計

3 結(jié)論

(1)礦區(qū)內(nèi)含水層富水性弱，火燒區(qū)、老空區(qū)位置范圍及賦水性清楚，經(jīng)過分析認為，影響該煤礦安全生產(chǎn)的水患主要為含水層水、老(采)空水。在礦井生產(chǎn)中，要注意水害的探查，建設礦井排水系統(tǒng)。

(2)第Ⅲ含水組(西山窯組含水層)易構(gòu)成煤層開采的直接充水水源，其他含水層為礦井間接充水水源。西山窯組含水層水以靜儲量為主、富水性相對弱，這些含水層水沿著構(gòu)造裂隙及回采放頂冒落裂隙帶直接向礦井充水，但是其水量較小，補給較差，在開采中保證礦井及工作面排水能力即可保障安全生產(chǎn)。具體為及時預測局部含水層的賦存規(guī)律，針對特殊情況制定相應措施，在穿層施工時，做好含水層的綜合超前探測，查清其富水性，做好回采前的頂板含水層探查，并進行實時動態(tài)檢測，對于局部存在異常富水含水層區(qū)域，做好疏放工作。

(3)為消除采空區(qū)積水隱患，要加大對采空區(qū)積水隱患探測與排查，掌握采空區(qū)分布范圍及礦井采空區(qū)相連通的導水巷道，對有積水的采空區(qū)進行疏放；對所有處于采空區(qū)附近的采掘工程，采取物探先行、鉆探驗證的防治水手段，查明采空區(qū)積水情況，疏干積水后，方可進行采掘作業(yè)；開采下部煤層時，應對上部煤層采空區(qū)積水進行探放，要堅持先探后采的原則；對礦內(nèi)采空區(qū)必須留設足夠的防隔水煤柱，礦井周邊采空區(qū)同樣需要留設足夠的防隔水煤柱，禁止違規(guī)越界掘進；仔細排查采空區(qū)上部的塌陷坑及裂隙帶，采區(qū)地表充填以及設防洪溝渠等手段，防止雨水和洪水潰入井下采空區(qū)。