余吾礦水文地質(zhì)條件及防治水研究

姚 宇

(山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046100)

1 前言

余吾礦年核定生產(chǎn)能力為750萬t，采用立井開拓，全礦布置有5個(gè)井筒，即1個(gè)主井筒、1個(gè)副井筒，3個(gè)回風(fēng)井。地面水泵房配備有5臺多級離心泵，型號為MD450- 60/84×10，其中2臺日常工作，2臺備用，1臺用以檢修，水泵的揚(yáng)程達(dá)到600m以上，單臺水泵的排水能力在450m3/h，排水管路選用直徑325mm，壁厚13mm的無縫管，共布置3趟管路，2趟正常工作，1趟備用。

2 水文地質(zhì)概述

2.1 地質(zhì)條件

1)大氣降水

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，礦區(qū)年大氣降水量在312～920mm，平均年降水量在600mm，夏季降水占據(jù)全年降水量的70%以上。

2)地表水體

井田范圍內(nèi)有魏村河、后蘇村河、董家莊河、絳河交川河以及栗村河等小河分布，并有一座人工水庫。

2.2 水文地質(zhì)條件

礦井主要含水層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1)第四系孔隙含水層

該層含水層總體上呈現(xiàn)出南部后、北部薄趨勢，厚度為0～140m，平均厚度為44.65m，巖性以黏土，粉砂、粗砂以及砂礫等組成。含水層的富水性跟砂礫層發(fā)育程度有關(guān)。

2)3號煤層頂板砂巖裂隙水

3號煤層頂板含水層有基巖風(fēng)化帶含水層，二疊系上、下石盒子組含水層，二疊系下統(tǒng)山西組含水層。

圖1 井田主要含水層結(jié)構(gòu)示意圖

(1)基巖風(fēng)化帶含水層。該層含水層受地質(zhì)構(gòu)造、埋深、環(huán)境氣候及巖性等影響明顯，層內(nèi)裂隙發(fā)育不均衡，富水性差異明顯。局部位置與上部第四系孔隙含水層聯(lián)系或者直接出露地表，受到地表水、大氣降水等影響顯著。臨近的常村礦井筒施工揭露基巖風(fēng)化帶含水層時(shí)井筒涌水量達(dá)到281m3/h。

(2)二疊系上、下石盒子組含水層。該含水層巖性以細(xì)、中砂巖為主，局部區(qū)域?yàn)榇稚皫r，厚度為4.8～36.2m，平均厚度13.21m，以裂隙水為主。

(3)二疊系下統(tǒng)山西組含水層。該含水層由K7及砂巖構(gòu)成，厚度4.21～9.75m，平均厚度6.05m，巖性以細(xì)砂、中砂為主，是3號煤層頂板的直接涌水含水層，以裂隙水為主。

3)上石統(tǒng)太原組含水層太灰水

該含水層巖性以碎屑巖、碳酸鹽巖等為主，厚度10.68～18.96m，平均厚度15.04m。富水性與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切。

4)奧陶系中統(tǒng)峰峰組含水層

該含水層埋深較深，埋藏深度為510.35～798.32m,含水層厚度198.32～208.33m，平均厚度189.43m。以巖溶水為主，巖溶發(fā)育程度跟距奧灰距離有關(guān)，從奧灰頂部到下部巖溶裂隙呈現(xiàn)出不發(fā)育到發(fā)育趨勢(部分受構(gòu)造帶影響除外)。具體的含水層水文地質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 主要含水層水文地質(zhì)參數(shù)

3 礦井充水因素及防治對策

3.1 地表水對開采影響及防治措施

礦井水的最高水位標(biāo)高在+950m，礦井的工業(yè)廣場以及井筒標(biāo)高最低處分別為+956m、+957m，因此，礦井一般不會發(fā)生水倒灌現(xiàn)象。

3號煤層厚4.85～7.63m，平均6.02m，上覆巖層砂質(zhì)泥巖、砂巖為主，屬于中硬巖石。因此，3號煤層開采后的垮落帶Hm、導(dǎo)水裂隙帶最大高度Hli為

(1)

(2)

(3)

式中：Hm——垮落帶高度，m；

Hli——導(dǎo)水裂縫帶高度，m；

∑M——累計(jì)采厚，m。

經(jīng)計(jì)算，3號煤層垮落帶最大高度為16.11m，導(dǎo)水裂縫帶最大高度分別為65.24m和54.16m，導(dǎo)水裂縫帶最大高度取65.24m。3號煤層與地表垂直距離均大于470m，開采后其導(dǎo)水裂縫帶不會達(dá)到地表。

正常地段地表水對3號煤層開采影響有限，但在斷裂構(gòu)造及溝谷附近，可以采用修建防洪渠，強(qiáng)化地表變形監(jiān)測，對出現(xiàn)沉陷裂縫以及地面塌陷裂縫進(jìn)行充填；對陷落柱引起的地面塌陷、裂縫應(yīng)及時(shí)填塞；夏季做好降雨疏排；對河床底部可能存在的裂隙進(jìn)行灌漿處理，并鋪設(shè)黏土、防水土工布等；河下采煤可以采取留設(shè)防水煤柱等措施進(jìn)行處理[2]。

3.2 含水層對開采影響及防治措施

1)第四系孔隙含水層

該層含水層下部有厚度較大的黏土層，隔水效果明顯，且下部還有較厚的二疊系泥巖、砂質(zhì)泥巖隔水層。該層含水層對煤開采影響較小。由于礦井開采歷史悠久，在采空區(qū)上部塌陷區(qū)有地裂縫出現(xiàn)，可能會與第四系孔隙含水層發(fā)生水力聯(lián)系，對煤層開采造成影響。

防治水措施：在防治水工作中，要定期調(diào)查地面塌陷、地裂縫發(fā)育程度，掌握采空塌陷區(qū)地表水的變化，對下滲水的塌陷坑應(yīng)及時(shí)對其回填及防滲處理，及時(shí)消除大氣降水、地表水滲漏隱患[3]。

2)3號煤層頂板裂隙水含水層

3號煤層開采后，導(dǎo)水裂隙帶與上覆K8和K10砂巖含水層連通，應(yīng)運(yùn)用地面物探、采掘工作面物探和鉆探相結(jié)合的工作方法，探測其頂?shù)装鍞鄬訕?gòu)造、陷落柱和富水區(qū)段發(fā)育和分布情況。

防治水措施：根據(jù)物探和鉆探結(jié)果，富水性、充水因素、充水形式、水量及其變化規(guī)律，掘進(jìn)巷道與回采工作面，可采取放水鉆孔疏放、利用巷道進(jìn)行疏放水、采取巷道頂板隔水措施等防治水技術(shù)措施。

3)3號煤層底板太灰水

該層含水層是礦井3、9、12號煤層底板直接充水水源、厚度較薄，巖溶程度低，富水性弱，同時(shí)富水性受地質(zhì)構(gòu)造影響明顯。同時(shí)井田內(nèi)斷層、陷落柱較多，受到地質(zhì)構(gòu)造影響，煤層開采期間可能會出現(xiàn)突水事故。

防治水措施：應(yīng)運(yùn)用地面物探、采掘工作面物探和鉆探結(jié)合的工作方法，探測工作面內(nèi)部及其頂?shù)装鍞鄬訕?gòu)造、陷落柱發(fā)育情況以及和富水性，及時(shí)做好疏、排、堵工作[4]。

4)奧灰水

奧灰水水位高度在+650～+680m，煤層開采屬于帶壓開采。同時(shí)奧灰水與3號煤層之間隔水層厚度較大，且奧灰水最大突水系數(shù)小于0.06MPa/m，對3號煤層開采影響不大。但是由于斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造會切斷隔水層，因此，在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育區(qū)應(yīng)強(qiáng)化勘探，確保生產(chǎn)安全。

防治水措施：在3號煤層開采時(shí)，應(yīng)采用分區(qū)或者分水平隔離開采方式，并留設(shè)合理寬度的隔水煤(巖)柱、建立防水閘門，配備突水監(jiān)測儀、施工探放水孔等措施，根據(jù)勘探結(jié)果，必要時(shí)底板含水層采用注漿等措施。

3.3 采空區(qū)積水對開采影響及防治措施

3號煤層已經(jīng)有多年開采歷史，有大片采空區(qū)，部分采空區(qū)充水，給礦井生產(chǎn)安全帶來一定威脅。根據(jù)調(diào)查資料，井下采空區(qū)部分凹陷處有積水，采用式(4)對3號煤層采空區(qū)積水量進(jìn)行估算，具體估算結(jié)果見表2。

Q積=KMF/cosα

(4)

式中：Q積——采空積水總量，m3；

M——采高，m；

F——水平投影面積，m2；

A——煤層傾角，(°)；

K——充水系數(shù)，取0.30。

表2 本井田采空區(qū)積水量估算表

余吾礦現(xiàn)階段采掘活動距離井田邊界較遠(yuǎn)，臨近礦井采空區(qū)積水對本礦生產(chǎn)安全影響較小。礦井主要受到本礦采空區(qū)積水制約，在有積水采空區(qū)附近進(jìn)行采掘作業(yè)時(shí)，應(yīng)做好探放水以及通風(fēng)工作，避免出現(xiàn)安全事故。

3.4 構(gòu)造對煤層開采的影響及防治措施

井田開采范圍內(nèi)已發(fā)現(xiàn)陷落柱119個(gè)，多數(shù)陷落柱不導(dǎo)水，斷層190條，其中39條斷層落差大于5m，前蘇村、余吾兩條逆斷層落差分別為46m、10～98m。

陷落柱、斷層等地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)水性隨著外界環(huán)境變化而發(fā)生變化。受到采掘活動影響，部分不導(dǎo)水陷落柱或者斷層可能轉(zhuǎn)變成導(dǎo)水陷落柱或者斷層。同時(shí)由于開采煤層下部有承壓的奧灰水，當(dāng)斷層及陷落柱將奧灰水與開采煤層連通時(shí)，會增加煤層開采危險(xiǎn)性。因此，應(yīng)強(qiáng)化對地質(zhì)構(gòu)造探測、地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)水性研究工作，避免出現(xiàn)突水事故。

4 結(jié)論

(1) 余吾礦開采煤層受到礦區(qū)所在區(qū)域氣候、煤層賦存地質(zhì)條件等影響。礦井開采時(shí)受到3號煤層頂板砂巖裂隙水、底板太灰以及奧灰承壓水影響明顯，同時(shí)井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜育，部分地質(zhì)構(gòu)造有導(dǎo)水性。礦井開采時(shí)應(yīng)有針對性的做好防治水工作。

(2) 余吾礦開采的煤層均處于奧灰水水位之下，屬于帶壓開采煤層。煤層開采時(shí)應(yīng)強(qiáng)化對地質(zhì)構(gòu)造探測工作，降低奧灰水對采掘工作影響。

(3) 礦井主采煤層3號層開采時(shí)，涌水主要來至于頂板裂隙水，應(yīng)強(qiáng)化對導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度研究，以及地表沉陷裂隙監(jiān)測。避免地表水體通過沉陷裂隙與3號煤層上覆裂隙含水層貫通，給3號煤層開采帶來不利影響。