辛置礦井涌水特征及影響因素分析

牛偉鋒，王克勤，齊躍明

(1. 霍州煤電集團 辛置煤礦，山西 霍州 031400； 2. 中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

煤炭是我國的主體能源，目前仍占一次能源的60%以上。隨著中東部淺部煤炭資源接近枯竭，煤炭開采轉(zhuǎn)向深部開采。深部開采可能面臨著復雜地質(zhì)、水文地質(zhì)問題，如煤層面臨強富水、高承壓巖溶含水層，使礦井涌水量增加，疏排水壓力增大，生產(chǎn)成本急劇增加。

許多國有大中型煤礦采用先進綜采設備使煤礦水害事故出現(xiàn)的情況已逐漸好轉(zhuǎn)，但是強富水、高承壓環(huán)境下突水仍然極具威脅[1]，礦井涌水特征和涌水規(guī)律的研究仍然十分重要。范立民等通過研究榆神礦區(qū)11處煤礦具體涌水情況得到榆神礦區(qū)礦井涌水量與煤炭產(chǎn)量直接相關，表明開采一定面積時，大氣降水會影響礦井涌水量[2]. 楊永國、陳玉華利用劉橋二礦涌水量的混沌特征，進行建模，對礦井未來的涌水量進行了精確地預測[3]. 溫文富等[4]，王紅梅等[5]在原有礦井涌水量基礎上運用水文地質(zhì)比擬法對礦井的涌水量進行預測計算。王生全等依據(jù)大量生產(chǎn)資料，分析了錦界煤礦的充水因素、涌水規(guī)律，并總結了影響礦井涌水量的主要因素為煤炭產(chǎn)量、采空區(qū)面積及上覆風化基巖厚度[6]. 趙春景等在礦井充水水源的基礎上，詳細研究了林南倉礦的涌水特征。根據(jù)各生產(chǎn)水平涌水量的大小，分析了其與開采面積、開拓長度、產(chǎn)量、開采深度和大氣降水之間的關系以及變化規(guī)律[7]. 王健華等建立了隧道巖溶管道型突涌水模型，進行了突涌水過程中動態(tài)演化特征分析，結果表明揭露巖溶管道型突涌水的動態(tài)演化無明顯的時間效應，但空間特征呈現(xiàn)階段演化的規(guī)律[8]. 上述研究成果為礦井涌水量特征和規(guī)律的后續(xù)研究提供了較好的理論和實踐參考。

1 礦井概況

辛置煤礦處于霍西煤田中部，霍州礦區(qū)東南，井田面積59.083 4 km2. 區(qū)域出露地層由老到新：太古界、上元古界、古生界及新生界。具體表現(xiàn)為：東部霍山廣泛分布太古界和上元古界地層；西部呂梁山區(qū)主要分布的是古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系；向東與汾河之間丘陵地區(qū)，主要分布著上第三系、第四系松散巖，溝谷底部則主要發(fā)育有石炭、二疊系碎屑巖。井田的北、西面皆以大斷層與鄰區(qū)為界；北界為F6(曹村斷層)正斷層，走向NE36°～45°，傾向NW，落差10～60 m. 井田東界為煤層在基巖面上的露頭線，可采煤層為2#、5#、6#、9#、10#、11#煤層，目前生產(chǎn)2#、10#、11#煤，主要含水層有：第四系松散巖類孔隙含水巖組、上第三系礫石層及淡水灰?guī)r含水巖組、二疊系砂巖裂隙含水巖組、石炭系上統(tǒng)太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組、奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組。

2 礦井涌水動態(tài)特征

礦井涌水量是指單位時間內(nèi)流入礦井的水量，用Q表示。目前，辛置礦的礦井涌水主要集中在540水平(平硐)、310水平(2#煤層)、450水平(平硐)以及東四1#水倉，通過對4處礦井涌水的統(tǒng)計，繪制出對應的涌水量動態(tài)變化,見圖1.

圖1 辛置煤礦涌水量統(tǒng)計圖

2.1 540水平(平硐)

東區(qū)540水平目前所采煤層為10#煤，由圖1中a曲線可知，隨著開采的進行，涌水量逐漸增加，但增長較緩慢，涌水量整體在50 m3/h以下，說明補給來源一般，涌水量釋放的主要是含水層的靜儲量，含水層富水性越好，靜儲量越大，對煤礦生產(chǎn)威脅越大。

2.2 310水平(2#煤層)

由圖1中c曲線可知，310水平涌水量與開采時間呈現(xiàn)先增大后減小的關系，初始涌水量隨時間慢慢增大，在2018年5月份達到峰值(368 m3/h)，屬于涌水量大的等級。隨后由于外側水量的補給越來越少，涌水量呈現(xiàn)大幅度下降的趨勢，說明煤層周圍含水層對涌水量影響越來越小。

2.3 東四1#水倉

東四采區(qū)開采主要是11#煤，由圖1中b曲線可知，涌水量隨著開采時間的增大而增大，說明涌水量與開采面積緊密相關，特別注意的是，圖中顯示涌水量每次增大都是跳躍性的，然后穩(wěn)定，2019年1月9日之后，又突然增大，反映開挖工作面可能遇到了新情況，比如斷裂構造、節(jié)理裂隙發(fā)育帶，使得涌水量增大。從中可看出，該工作面煤層或巷道開挖造成的開采擾動對涌水量的影響還是比較大的。

2.4 450水平(平硐)

圖1中d曲線表明，450水平的涌水量在40 m3/h上下浮動，接受周期性的補給，但是由于涌水量整體低于50 m3/h，比較小且沒有明顯的增大趨勢，顯示礦井涌水對礦井生產(chǎn)影響不大。

3 涌水水質(zhì)特征

為了調(diào)查和分析影響辛置煤礦涌水量的因素，在2-112工作面對2#煤涌水及10-408、10-425、10-427、10-428處對10#煤層涌水水樣進行了水樣采集和分析，得到2#煤水質(zhì)Piper三線圖(圖2)和10#煤水質(zhì)Piper三線圖(圖3)，從圖2和圖3可以清晰地看到，2#煤水質(zhì)類型屬于HCO3SO4-Na，而10#煤除了10-427工作面水質(zhì)類型為SO4HCO3-Na，其他工作面水質(zhì)類型基本都為SO4-CaMg，所以無論是2#煤還是10#煤的工作面水質(zhì)特征都是比較穩(wěn)定的，都是由相對固定水源對其進行補給。

圖2 2#煤水質(zhì)piper三線圖

圖3 10#煤水質(zhì)piper三線圖

4 影響因素分析

4.1 含水層

區(qū)內(nèi)影響煤礦生產(chǎn)的含水層有山西組砂巖含水層、太原組灰?guī)r含水層以及奧陶系灰?guī)r含水層。由水質(zhì)分析可知，2#煤和10#煤都是由固定水源對其進行補給，2#煤開采時涌水多表現(xiàn)為頂板淋水，其頂板含水層是山西組K8砂巖水，由于K8砂巖含水層受補給條件及裂隙發(fā)育程度的限制，含水層富水性弱，隨著涌水過程的不斷進行，K8砂巖水靜儲量就會越來越少，涌水量也會相應的減少。這種情況與310水平工作面現(xiàn)場實測情況保持一致，所以2#煤開采涌水量主要與頂板砂巖含水層有關，威脅不大。同理，10#煤主要受到頂板太原組灰?guī)r含水層的影響，但是由于其富水性總體弱-中等，局部強的特點導致煤層開采受到的威脅具有不確定性，與540水平涌水量特征保持一致，應準備好疏排水設備，加強觀測和疏排，以保障礦井正常生產(chǎn)。

4.2 構造因素

井田內(nèi)斷層和陷落柱比較發(fā)育，是影響礦井生產(chǎn)的重要因素。目前，井田內(nèi)揭露大小斷層已近2 500條，揭露陷落柱超過200個。根據(jù)水質(zhì)分析，10#煤中10-427工作面檢測的水質(zhì)類型和2#煤層相同，經(jīng)計算得到10#煤采動所產(chǎn)生的導水裂縫帶在井田大部區(qū)域不會溝通2#煤層采空區(qū)，所以可能是存在斷層錯動使得10#煤工作面溝通了2#煤層采空區(qū)，導致水質(zhì)類型相同。因此，開采時應做好超前探查，尤其是在斷層及陷落柱發(fā)育部位。

4.3 老空水

11#煤層與10#煤間距10.5 m左右，11#煤層開采形成的垮落帶15.11 m，11#煤層頂板主要以10#煤層采空積水形式向11#煤層充水，隨著采掘的進行，在開采擾動的情況下涌水量相應的增加，與東四1#水倉涌水量表現(xiàn)的特征一致，所以應該按《煤礦防治水細則》規(guī)定進行探放水，避免采空區(qū)積水造成突水事故。

5 結 論

通過統(tǒng)計540水平(平硐)、310水平(2#煤層)、450水平(平硐)以及東四1#水倉推進過程中涌水量的大小，分析不同工作面的水質(zhì)特征，得到以下結論：

1) 310水平反映了2#煤的涌水量特征，主要受到頂板砂巖含水層因素的影響，由于含水層富水性比較弱，所以威脅不大。

2) 540水平反映了10#煤的涌水量特征，主要受到頂板灰?guī)r含水層的影響，在構造發(fā)育段，也會受到2#煤采空積水的影響，應做好超前探放水和防水煤柱的留設工作，避免受到水害威脅。

3) 東四1#水倉反映了11#煤的涌水量特征，主要受到10#煤采空積水影響，應按規(guī)范規(guī)定進行井下探放水，以避免采空區(qū)積水造成生產(chǎn)事故。