店坪煤礦充水條件分析及涌水量預(yù)測研究

雒方

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司 方山店坪煤礦，山西 呂梁 033102）

1 概 況

霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司井田位于河?xùn)|煤田離石礦區(qū)的北部，中陽—離石向斜的北段。批準(zhǔn)開采2、3、5、8、9、10 號煤層，據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳2021 年12 月20 日發(fā)《關(guān)于霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司方山店坪煤礦核定生產(chǎn)能力的批復(fù)》，方山店坪煤礦核定生產(chǎn)能力為260 萬t/a。井田開拓規(guī)劃為2 個(gè)水平開拓，水平標(biāo)高分別為+900 m 和+830 m，900 水平開采2、3、5 號煤層，830 水平開采8、9 號煤層。礦井現(xiàn)階段開采5 號煤層，即將開采9 號煤層，隨著開采深度的延深，生產(chǎn)能力的增大，煤礦水害對煤礦的安全開采威脅增大，為保障礦井的安全生產(chǎn)，需對店坪煤礦礦井的充水因素和涌水量進(jìn)行研究分析。

2 礦井充水水源及通道分析

2.1 充水水源

（1） 地表水及大氣降水。

井田內(nèi)溝谷由北向南有水源溝、王家溝和高家溝，水源溝和王家溝在井田東部匯交為店坪溝，均為季節(jié)性河流，平時(shí)干涸，雨季有短暫洪流。近年來，煤礦排水使得溝谷局部地帶充水，其水流主要是煤礦開采煤層時(shí)所排出的廢水。溝谷內(nèi)有多處砌石淤地壩，雨季有少量積水，無常年性地表水體。

（2） 頂板砂巖裂隙水。

山西組可采煤層是2、3、5 號煤層，山西組砂巖含水層是其頂板淋水直接水源，總體來說，砂巖裂隙含水層屬于巨厚型，含水性弱，補(bǔ)給條件差，以消耗靜儲(chǔ)量為主，充水在初采、初期老頂初次跨落，以淋水方式進(jìn)入采面，所以涌水量一般較小，大約在5～10 m3/h 左右。

（3） 頂板灰?guī)r巖溶裂隙水。

石炭系太原組巖溶裂隙含水層L1+K2、L4、L5石灰?guī)r及1～3 層中粗粒砂巖，為可采煤層8、9、10 號煤層直接充水含水層，在大面積開采的條件下，頂板水多呈點(diǎn)滴、淋水狀態(tài)，易自然疏干。礦井井巷和采掘工作面揭露C3t 地層時(shí)涌水量均不大，說明下組煤頂板含水層組富水性弱，一般情況下不會(huì)對9、10 號煤開采造成影響。

（4） 采空區(qū)積水。

根據(jù)2021 年12 月《霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司方山店坪煤礦采（古） 空區(qū)積水、積氣及火區(qū)調(diào)查報(bào)告》圈定的采空積水區(qū)，2 號煤層采空區(qū)內(nèi)無積水，3、5 號煤層采空區(qū)內(nèi)存在積水。店坪煤礦已根據(jù)實(shí)際情況對3 號煤層采空區(qū)內(nèi)存在積水進(jìn)行了疏放，共計(jì)施工11 個(gè)放水孔，鉆探進(jìn)尺631.6 m，累計(jì)放水量為121 545 m3。根據(jù)井田目前生產(chǎn)建設(shè)情況及此次調(diào)查結(jié)果，估算井田采空積水情況見表1。

表1 井田內(nèi)采空區(qū)積水量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of water accumulated in goaf of coal mine field

（5） 奧灰?guī)r溶裂隙水。

井田內(nèi)批準(zhǔn)開采2、3、5、8、9、10 號煤層，煤層均位于山西組及太原組，井田內(nèi)各煤層底板標(biāo)高均高于奧灰水位標(biāo)高，井田內(nèi)的可采煤層不存在帶壓，因此不存在將下部奧灰水導(dǎo)升的現(xiàn)象，發(fā)生奧灰突水的可能性較小。

綜上分析，采空區(qū)積水是影響店坪煤礦安全生產(chǎn)的最主要充水因素。開采區(qū)段采空區(qū)范圍及積水情況清楚，進(jìn)行下組8、9、10 號煤層開采時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)水情預(yù)測預(yù)報(bào)管理工作，加大工作面排水能力，通過將物探與鉆探相結(jié)合，及時(shí)有效疏放上覆采空區(qū)積水，保障安全高效生產(chǎn)。

2.2 涌水通道

2、3、5 號各煤層頂板均為中硬巖石，8、9、10 號煤層基本頂為堅(jiān)硬巖石，根據(jù)“三下”規(guī)程，計(jì)算得到各煤層冒落帶、裂縫帶發(fā)育高度，見表2。

表2 可采煤層煤層冒落帶及導(dǎo)水裂縫帶高度一覽Table 2 Height of caving zone and water conduction fracture zone of minable coal seam

店坪煤礦井田總體為—不對稱向斜，并伴生次級短軸背斜及向斜，井田內(nèi)發(fā)育有5 m 以上的斷層2 條，根據(jù)該礦在采掘過程中揭露情況，斷層不導(dǎo)水。目前尚未發(fā)現(xiàn)封閉不良的鉆孔。綜上可知，采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶是主要導(dǎo)水通道。

3 礦井涌水量預(yù)算

據(jù)店坪煤礦2019 年1 月至2022 年5 月的礦坑排水量長期監(jiān)測臺(tái)賬資料，得到礦井涌水量變化曲線，如圖1 所示。店坪煤礦開采5 號煤期間，生產(chǎn)能力150 萬t/a，正常情況下該礦開采過程中正常涌水量約為95.9 m3/h，最大涌水量約為116.7 m3/h。+900 水平正常涌水量約為59.7 m3/h，最大涌水量約為67.6 m3/h，+830 水平正常涌水量約為36.2 m3/h，最大涌水量約為50.2 m3/h。隨礦井主采煤層由5 號煤向9 號煤層轉(zhuǎn)變，礦井涌水量的主要組成部分由+900 m 變?yōu)?830 m，+900 m 涌水量逐月降低，+830 m 涌水量逐月增加。

圖1 礦井涌水量變化規(guī)律Fig.1 Variation lawof mine water inflow

3 1 礦井涌水量預(yù)測

3.1.1 比擬法（1） 5 號煤層涌水量計(jì)算。

目前，店坪煤礦開采5 號煤期間，生產(chǎn)能力150 萬t/a，礦井正常涌水量1 433 m3/d，最大1 622 m3/d，采用比擬法預(yù)算當(dāng)產(chǎn)量為260 萬t/a 時(shí)礦井涌水量。

礦井正常涌水量 Q=K1P=1 433/（1 500 000/330） ×2 600 000/330=2 484 m3/d。

礦井最大涌水量Q=K2P=1 622/（1 500 000/330）×2 600 000/330=2 811 m3/d。

（2） 8、9、10 號煤層涌水量計(jì)算。

8、9、10 號煤層直接充水含水層均為太原組灰?guī)r含水層，各煤層之間距較小，可視為相同水文地質(zhì)條件，故8、10 號煤層礦井涌水量與9 號煤層基本相同。店坪煤礦緊鄰木瓜煤礦，木瓜煤礦現(xiàn)開采9 號煤層，實(shí)際生產(chǎn)能力150 萬t/a，礦井正常涌水量為2 832 m3/d，最大3 600 m3/d，采用比擬法預(yù)算：

礦井正常涌水量Q=K1P=2 832/（1 500 000/330）×2 600 000/330=4 909 m3/d。

礦井最大涌水量Q=K1P=3 600/（1 500 000/330）×2 600 000/330=6 240 m3/d。

綜上所述，采用比擬法區(qū)內(nèi)山西組煤層礦井涌水量當(dāng)生產(chǎn)能力達(dá)到260 萬t/a 時(shí)，礦井正常涌水量為2 484 m3/d，最大2 811 m3/d。開采8、9、10號煤層產(chǎn)量260 萬t/a 時(shí)，礦井正常涌水量4 909 m3/d，最大6 240 m3/d。

3.1.2 “大井”法

2、3、5 號煤層各煤層之間間距較小，可視為相同水文地質(zhì)條件，對5 號煤層的涌水量預(yù)算同樣適合2、3 號煤層。根據(jù)井田水文地質(zhì)條件，視含水層為均質(zhì)無界，利用地下水動(dòng)力學(xué)中的大井法，水位標(biāo)高選用勘探區(qū)推測最大值，含水層厚度取勘探區(qū)平均值，滲透系數(shù)選取勘探區(qū)最大值（井筒檢查孔的滲透系數(shù)）。用承壓轉(zhuǎn)無壓公式：

式中：K 為滲透系數(shù)，m/d；H 為水頭高度，m；M為含水層水位標(biāo)高與含水層底板標(biāo)高的差值，采用井筒檢查孔和DM4號水文孔平均值，m；R0為“大井”影響半徑，m；R 為影響半徑，m；r0為“大井”半徑，m。代入相應(yīng)參數(shù)值計(jì)算得到涌水量預(yù)算值為4 177 m3/d。

9 號、10 號煤層礦井涌水量“大井”法計(jì)算與5 號煤相同，代入相應(yīng)參數(shù)值計(jì)算得到涌水量預(yù)算值為5 795 m3/d。

3.2 計(jì)算結(jié)果采用

比擬法采用店坪煤礦實(shí)際涌水量資料，預(yù)算的結(jié)果基本可靠。“大井”法綜合考慮了充水含水層邊界條件、含水層試驗(yàn)參數(shù)等，同樣比較符合礦井實(shí)際情況。綜合比擬法、“大井”法計(jì)算結(jié)果，從安全性角度考慮，確定產(chǎn)量達(dá)到260 萬t/a 時(shí)，開采5 號煤層正常涌水量2 497 m3/d，最大4 177 m3/d；開采9、10 號煤層礦井正常涌水量5 795 m3/d、最大6 240 m3/d。

4 礦井水害

目前，店坪煤礦礦井涌水量與降水量關(guān)系不大。但礦井隨著開采的進(jìn)一步加深，開采面積的進(jìn)一步加大，采空區(qū)面積的增大所造成的地面塌陷和地裂縫是溝通地表溪流水和雨季洪水的通道，亦是該井田的主要水害。未來5 a 店坪煤礦開采工作面主要集中在9 號煤向斜軸部附近，不排除局部區(qū)域太原組灰?guī)r富水性增強(qiáng)，對工作面充水強(qiáng)度增加的情況。9 號煤層開采時(shí)還需對5 號煤層采空區(qū)積水進(jìn)行疏放，確保安全后方可回采。這些采空區(qū)均為店坪煤礦自身采掘形成，采空區(qū)范圍確定，積水量清楚，對9 號煤層的回采有一定影響。

綜上所述，礦井開采受頂?shù)装搴畬铀τ绊懗潭葹楹唵?，受采空積水區(qū)的影響程度為中等，受大氣降水、地表水的影響程度為中等。

5 結(jié) 論

（1） 通過對店坪煤礦地質(zhì)資料分析，確定上組煤2、3、5 號煤層開采主要水源為山西組砂巖含水層，開采9 號、10 號煤層期間礦井水源為5 號煤層采空區(qū)積水，導(dǎo)水裂縫帶為主要導(dǎo)水通道。

（2） 店坪煤礦產(chǎn)能達(dá)到260 萬t/a 時(shí)，開采5 號煤層正常涌水量2497m3/d，最大4177m3/d；開采9、10 號煤層正常涌水量5795m3/d，最大6240m3/d。

（3） 礦井開采受頂?shù)装搴畬铀τ绊懗潭葹楹唵?，受采空積水區(qū)的影響程度為中等，受大氣降水、地表水的影響程度為中等，礦井生產(chǎn)中需加強(qiáng)水害防范意識(shí)。