煤礦充水因素評價及涌水量預測

崔耀明

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團通合煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）

0 引言

煤礦水害事故會造成人員傷亡與經(jīng)濟損失，影響井下生產(chǎn)作業(yè)高效有序進行。分析研究礦井充水主控因素，準確地預測礦井涌水量，可以對后期作業(yè)中排水防水設施進行合理安排、制訂相應排水方案，為煤礦安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟效益提供重要保障[1]。本文結(jié)合山西省某煤礦實例對礦井充水因素進行分析，并合理預測涌水量，為今后水治理提供了針對性意見。

1 工程概況

山西省某煤礦1552 工作面位于太行山脈西側(cè)，煤層頂板到地面的垂直厚度約為180～152 m，井下與地面相較于基礎面標高分別為739～809 m、919～968 m，地面無水體，均為植被覆蓋區(qū)與耕種區(qū)。1552工作面南側(cè)為運輸巷道，北側(cè)為安全煤柱，東側(cè)采空區(qū)，西側(cè)為基礎工作面。15#煤層平均長度為1 222 m，平均煤層厚度為3.0 m，平均傾角3°，煤層頂部部分區(qū)域存在溶洞及破碎現(xiàn)象，已探明可采煤炭儲量約209 萬t。

2 礦井水文地質(zhì)條件

2.1 含水層

第四系含水巖組。在該礦區(qū)內(nèi)占比較大，在中上更新統(tǒng)富水性較差，且多為透水但不含水，隨著季節(jié)的不同差異較大；全新統(tǒng)沖積層位于礦區(qū)東北部谷底，多為條形，富水不均勻，富水性從南至北呈增加趨勢。

新近系上新統(tǒng)水巖組。該礦區(qū)內(nèi)范圍很廣，上為紅粘土，下為半膠質(zhì)砂礫，砂礫較厚；分選性、磨圓性、膠結(jié)性、多孔性、開張性、延展性較好好，導水能力強，但補給源少、富水性差。

二疊系上統(tǒng)上石盒子含水巖組?；緸镾4 與巖層之間的砂巖裂隙含水層構(gòu)成，砂巖裂隙無明顯發(fā)育，富水性差，涌水量不超過0.1 L/s。

二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組含水巖組。其中二疊系下統(tǒng)山西組和下石盒子組的砂巖裂隙含水層組，由S2、S3 和層間的砂巖裂縫含水層構(gòu)成。裂隙發(fā)育均勻度較差，富水性不強。該含水巖組鉆孔涌水情況，如表1 所示。

表1 二疊系下統(tǒng)含水巖組鉆孔涌水情況表

石炭系上統(tǒng)太原組含水巖組。主要包括煤層、泥巖、砂巖和石灰?guī)r。在這其中，砂巖和石灰?guī)r被確認為含水層，它們夾雜在泥巖中。裂隙在這一地層中得到良好的發(fā)育，然而，對補水方面的調(diào)查顯示水資源總體呈現(xiàn)弱勢分布，而在局部區(qū)域卻呈現(xiàn)中等水平的富水性。石炭系上統(tǒng)太原組鉆孔涌水情況，如表2 所示。

表2 石炭系上統(tǒng)太原組鉆孔涌水情況表

奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組含水巖組。該含水巖組位于礦區(qū)東南河塔村東沿縣川峽谷地區(qū)，其巖性以白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、石灰?guī)r為主，巖溶裂隙發(fā)育，具有豐富的地下水，富水性呈現(xiàn)西部極強，自西至東逐漸變?nèi)醯奶攸c。

2.2 隔水層與地下水情況

研究發(fā)現(xiàn)，在煤礦地質(zhì)層序中，新近系的紅黏土、石炭系和二疊系層間泥質(zhì)隔水層，以及13#煤層與奧灰頂之間的隔水層，在防治水方面具有顯著作用。特別是碳酸鹽巖層，其存在于不同基巖含水巖群之間，通過巖溶和裂隙的發(fā)育表現(xiàn)出卓越的隔水功能，從而保持了地質(zhì)層序的完整性和連續(xù)性。這些碳酸鹽巖層不僅形成了有效的隔水層，而且相對于其他巖組，成功地降低了它們之間的水力聯(lián)系[2]。

礦區(qū)緊鄰某泉域排泄處，形成奧灰?guī)r溶水徑流帶，水源補給位于礦區(qū)外地區(qū)西與南方，呈東北流向，該區(qū)域為西南泉群的最終排泄地。含水層補給機制主要包括大氣降水和地質(zhì)構(gòu)造的影響。在這一過程中，地形和構(gòu)造成為關鍵控制因素。地下水的流向通常與地層趨勢相同，形成地下水流體系。排水方式多樣，其中峽谷內(nèi)泉水是顯著的一種形式，最終將這些地下水引導至黃河。另一方面，淺層地下水排放主要通過人為開采和地表蒸發(fā)實現(xiàn)。

3 煤礦充水因素評價

奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組所含巖溶裂隙表現(xiàn)出卓越的富水性，在煤礦環(huán)境中扮演主要補給角色。相較之下，剩余的孔隙水和裂隙水由于水性較弱，補給源相對有限，因而并未給煤礦開采帶來太多影響。值得強調(diào)的是，地面雨水、地表水體以及采空區(qū)積水等諸多因素，在后期煤礦的安全開采中起到了嚴重而不可忽視的作用。

3.1 大氣降水與地表水

在礦區(qū)西部及西北部，兩個煤層呈淺埋狀態(tài)，從而造成采空區(qū)變成一個導水裂隙帶。這一裂隙帶具有導水的特性，可以與地表或松散層的各個含水層相連接，進而聯(lián)通地表的季節(jié)性沖溝。由此產(chǎn)生的效應是，大氣降水和地表季節(jié)性洪水通過這一裂隙直接注入井下，引發(fā)了礦井水害。這一現(xiàn)象的發(fā)生機制在于裂隙帶的存在，其作用是將地表水系與地下水系有效地耦合。該礦井口高于黃河和旁邊區(qū)域最大洪峰水位，同時排水系統(tǒng)較為完備，因而一般情況下不存在地表水流入礦井。

3.2 奧陶系巖溶裂隙水

礦井內(nèi)的奧陶系灰?guī)r出現(xiàn)溶蝕裂隙，水流充沛，表現(xiàn)出中至極強的水化性質(zhì)。奧陶系灰?guī)r水位維持在843～848 m 之間，高于各煤層的最低底面高程。除了8#煤層外，別的可采煤層正在進行局部上帶壓開采，而西北方向則開展帶壓開采?，F(xiàn)階段8#煤層的帶壓開采區(qū)域已經(jīng)成功完成。

通過《煤礦防治水細則》計算來看，在進行帶壓煤層開采時，壓力對突水系數(shù)的影響顯著。研究表明，在底板受構(gòu)造破壞塊段，突水系數(shù)臨界值較低。帶壓區(qū)域相對較安全，前提是未發(fā)生構(gòu)造破壞和陷落柱情況。此時，各可采煤層奧灰涌水概率較小。這一發(fā)現(xiàn)為煤層開采提供了一定的安全性評估依據(jù)，特別是在考慮到地質(zhì)構(gòu)造對突水影響的情境下。

3.3 采空區(qū)積水

該礦區(qū)范圍內(nèi)采空區(qū)46 處存在積水情況，總面積超113 萬m2，積水總量約為78 萬m3；礦區(qū)附近某煤礦過去曾開采13#煤層，與之相鄰處存在1 處采空區(qū)積水情況，積水量約為0.8 萬m3。

4 礦井涌水量預測

常用的礦井涌水量預測方法有富水系數(shù)比擬法、垂直滲流-側(cè)向徑流法、地下水數(shù)值模型法、灰色系統(tǒng)理論、時序分析法等，目前富水系數(shù)比擬法研究進展迅速，且預測準確率高。本文結(jié)合該礦井冒落帶與導水裂隙帶測量參數(shù)，利用富水系數(shù)比擬法對該礦井涌水量進行預測分析

4.1 導水裂隙帶與冒落帶觀測方案設計

根據(jù)礦井現(xiàn)場實際條件以及此次觀測的時間要求，確定導水裂隙帶高度觀測點設置在該煤礦1152工作面附近1153 工作面回風平巷中。

導水裂隙帶觀測孔：15#煤層平均厚度3 m，根據(jù)現(xiàn)場分析，在1153 回風平巷觀測點設置了2 個導水裂隙帶，在實際觀測中，必須嚴格控制觀測流速和精確度；研究鉆孔觀測數(shù)據(jù)，我們能夠?qū)严稁У母咚愠鰜怼Ｈ舭l(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在一定誤差或不正確，因此需要進行二次觀測以確保準確性。

導水裂隙帶對比孔：通過所布設導水裂隙帶觀測數(shù)據(jù)時，若發(fā)現(xiàn)其未能充分反映其發(fā)育高度的情況，需要在沒有挖掘區(qū)域重新設立對比孔。這一操作的關鍵在于，我們必須巧妙地結(jié)合觀測孔與對比孔所得的數(shù)據(jù)，以推算導水裂隙帶的實際高度。在研究中，確保數(shù)據(jù)的準確性至關重要，而通過重新設置對比孔并運用差異推導方法，可以更精準地獲取導水裂隙帶高度信息[3]。

冒落帶觀測孔：沿1153 工作面回風平巷到1152工作面鉆冒落帶觀測孔2 個，要求兩孔傾斜。因鉆孔需要穿越采空區(qū)上部的破碎巖層，所以在完成鉆孔后需用高壓水沖孔，并在鉆具撤離后盡快開展觀測工作，以避免出現(xiàn)破裂的巖體和不規(guī)則孔壁對觀測造成影響。在鉆井過程中，對鉆機的卡鉆、鉆速等也需進行詳細的記錄。導水裂隙帶觀測孔、對比孔與冒落帶觀測孔相關參數(shù)，如表3 所示。

表3 導水裂隙帶與冒落帶觀測孔參數(shù)表

導水裂隙帶觀測孔、對比孔與冒落帶觀測孔布設刨面示意圖如圖1 所示。

圖1 導水裂隙帶與冒落帶觀測孔布設刨面圖

4.2 觀測結(jié)果分析

將觀測孔觀測數(shù)據(jù)通過GMS 軟件分析可得，該導水裂隙帶發(fā)育高度為41.99 m，因該工作面15#煤層平均厚度3 m，計算可知裂采比為13.99。對冒落帶高度觀測兩鉆孔（4#鉆孔與5#鉆孔）孔壁微觀分析，發(fā)現(xiàn)兩鉆孔中巖層都存在著明顯的斷裂分區(qū)，并且兩個鉆孔的斷裂區(qū)域?qū)Ρ让黠@。

通過對冒落帶高度觀測結(jié)果的深入研究，我們發(fā)現(xiàn)在4#鉆孔和5#鉆孔的孔壁微觀分析中存在顯著的斷裂分區(qū)。它們斷裂區(qū)域呈現(xiàn)出顯著的對比特征。根據(jù)冒落帶高度觀測兩鉆孔全長測段孔壁裂隙分布，計算得出冒落帶上部邊界分別為4#鉆孔孔深35.7 m，5#鉆孔孔深30.3 m。結(jié)合現(xiàn)場測量鉆孔軌跡，兩鉆孔實際傾角為：4# 鉆孔21.83°，5# 鉆孔27.42°。計算可得兩鉆孔冒落帶距煤層垂直距離：H4#=35.7×sin 21.83°=13.28 m，H5#=30.3×sin 27.42°=13.95 m。

由上述計算結(jié)果可知，冒落帶發(fā)育高度實際值約為13.95 m。

結(jié)合上述冒落帶與導水裂隙帶測量數(shù)據(jù)分析結(jié)果，利用水文地質(zhì)比擬法進行涌水量預測計算，如式（1）所示：

式中：Q 為礦井涌水量；P 為同時期內(nèi)礦井開采量，K為裂采比擬系數(shù)。計算可得結(jié)論如下：該煤礦正常生產(chǎn)情況下，15#煤層產(chǎn)量為每小時90 萬t，此時礦井平均涌水量預測值為單位時間10.13 m3，最大涌水量預測值為單位時間12.96 m3。

5 結(jié)語

煤礦安全生產(chǎn)是一項十分核心工作內(nèi)容，然而諸如含水層、老窖水和采空區(qū)積水等水源會給其構(gòu)成嚴重影響。根據(jù)統(tǒng)計表明，在煤礦井下水災害事故發(fā)生頻率僅低于瓦斯爆炸與頂板塌陷事故，而因水災害事故導致的傷亡人數(shù)大于瓦斯或頂板事故。本文對某煤礦充水因素進行分析，并對涌水量作出合理預測，對礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。