薛湖煤礦礦井充水主控因素與礦井涌水量預測研究

肖家樂，徐家杰，薛 鯤

（河南省煤炭地質勘察研究總院，河南 鄭州 450000）

煤礦水害事故發(fā)生后會造成人員傷亡和嚴重的經濟損失，通過水文地質條件研究，快速識別煤礦井下涌水水害補給水源，有助于降低礦井突水風險、避免突水事故的發(fā)生[1-5]。礦井開采過程中存在礦井、廢棄老窯區(qū)等多層采空區(qū)積水風險，回采過程中上覆煤層的開采對下覆煤層更具突水威脅性[6-9]。

薛湖煤礦在開采過程中受到了水害的影響[10-13]，該煤礦2008年10月完成建井，工作開采二2煤層，采用一對主井單水平、上下山開拓，水平標高-780 m。為了確保煤礦安全、高效生產，本次研究工作收集了礦井已有地質、水文地質資料，通過分析礦井水文地質條件，確定了礦區(qū)存在的水文地質問題。針對薛湖煤礦的水文地質特點，研究了礦井沖水的主控因素，優(yōu)選2種方法預測并計算了礦井涌水量，為薛湖煤礦今后防治水工作實施提供了一定指導和依據，有助于保障礦井的安全高效生產。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

河南神火集團有限公司薛湖煤礦位于河南省永城市北部，位于淮河沖積平原北部，地勢平坦開闊，總體為西北高、南東低。2008年10月完成建井工作，生產規(guī)模120萬t/a，開采深度300～1 050 m。屬淮河水系，地表水體不發(fā)育，主要河流為王引河，屬季風型氣候，年平均降水量約800 mm，多年平均蒸發(fā)量約1 800 mm。

1.2 地層

礦井發(fā)育奧陶系至第四系的全部地層，其中太原組、山西組、下石盒子組和上石盒子組為含煤地層。

馬家溝組（O2m）主要為淺灰、灰色隱晶質—細晶質中厚—厚層狀石灰?guī)r，上部含黃鐵礦，巖溶裂隙較發(fā)育。本溪組（C2b）上部由灰—深灰色砂質泥巖及泥巖組成，下部為灰—灰白色含菱鐵質鮞粒鋁土質泥巖或鋁土巖，底部為含較多的鐵質鮞粒和結核的紫花色鋁土泥巖。太原組（C2t）為含煤地層，即一煤段，含薄煤3～4層，據區(qū)內鉆孔揭露，未見到可采煤厚點，各煤層基本上無經濟價值。

1.3 構造

本區(qū)主要發(fā)育高角度正斷層，東部斷層主要為北北東向，中部斷層主要為北東向和近東西向，西部斷層主要為近東西向?？傮w構造形態(tài)呈一走向北西西的單斜構造，由于受東西向構造和北北東向構造的控制和影響，而使其構造形態(tài)局部復雜化[14-18]。本區(qū)地層產狀在西部為近南北向—北西西向，向西傾斜；中部走向北西至87勘探線轉為近東西向，向北傾斜，傾角在淺部為25°左右，深部為5°～10°，沿走向及傾向均有小型起伏；62勘探線以東，受北北東向灤湖斷層帶影響，地層走向基本上為北50°東，并發(fā)育北北東向的背、向斜構造，其北端走向轉為東西，向北傾斜。本區(qū)發(fā)育的主要褶皺有5個，即北西向的聶奶廟背斜、薛湖向斜，近南北向的侯寺向斜和北北東向的張營背斜、徐營背斜（圖1）。

1.4 煤層

煤層賦存于石炭—二疊系含煤巖系，含煤巖系分4組7個煤段，即石炭系上統(tǒng)太原組（一煤段）、二疊系下統(tǒng)山西組（二煤段）與下石盒子組（三、四、五煤段）、二疊系上統(tǒng)上石盒子組（六、七煤段），含煤地層總厚度993.0 m，共含煤13層，煤層總厚度7.27 m，含煤系數0.73%。其中，上石炭統(tǒng)太原組與上二疊統(tǒng)上石盒子組僅含薄煤層及煤線，含煤性較差；下二疊統(tǒng)山西組和下石盒子組地層含可采煤層及局部可采煤層，含煤性較好，為該區(qū)主要含煤地層。

圖1 薛湖煤礦構造綱要Fig.1 Outline of Xuecheng Coal Mine

1.5 區(qū)域水文地質條件

研究區(qū)永城背斜的核部和安徽濉溪縣一帶分別有石灰?guī)r隱伏露頭區(qū)，接受新生界含水層的天窗補給和滲入補給。薛湖煤礦所在區(qū)域為高角度正斷層所圍隔，大部分塊段新生界地層與區(qū)內煤系地層對接，形成了相對隔水邊界，區(qū)內含水層基本上失去了與外界含水層之間的水力聯(lián)系。礦區(qū)煤系地層全部被厚度為51.3～545.1 m的新生界地層覆蓋，由東向西逐漸增厚，近山麓地帶與永城背斜軸部厚度明顯減薄，古地形西部低、東部高，與沖積平原地勢西高東低的特點不相一致。巨厚的新生界覆蓋和周邊隔水邊界的存在，使永夏礦區(qū)形成一個相對獨立的水文地質單元，該單元由于補給面積不大，沒有明顯的排泄場所，具有地下水徑流不暢、水化學性質復雜的特點。但是連通性的巖溶裂隙發(fā)育仍為地下水形成了較好的儲水空間和導水通道。

2 礦井水文地質特征

礦井位于永城復背斜北部揚起端，處于基巖地下水的徑流帶。東部的灤湖正斷層系，以F110和F112斷層為主，將外圍地層抬升70～200 m，使得外部巖溶強含水層與礦井內煤系地層對接，構成礦井東部供水邊界；西部太灰含水層埋深大于1 000 m，富水性漸弱，可視為無限邊界；北部太灰含水層埋深大于1 000 m，地下水徑流條件微弱，再加之八里莊斷層的阻水作用，可視為隔水邊界；南部為太灰含水層隱伏出露區(qū)，可接受上覆新近系孔隙水的微弱補給，可視為弱補給邊界。

2.1 含水層和隔水層

對礦井充水和工農業(yè)供水有意義含水層（組）共有六大組（圖2）：新生界孔隙水含水組（Ⅰ）、基巖風化帶裂隙含水層（Ⅱ）、下石盒子組與山西組砂巖裂隙含水組（Ⅲ）、太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙含水組（Ⅳ）、太原組下段灰?guī)r巖溶裂隙含水組（Ⅴ）和中奧陶統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙含水層（Ⅵ）。

礦井對應主要有3大隔水層：新生界含水層間隔水層，隔水性能較穩(wěn)定；下二疊砂巖裂隙含水層間隔水層，為一良好隔水層；石炭系上統(tǒng)含水層間隔水層，為區(qū)域隔水層，正常情況下可隔斷其上、下含水層間的水力聯(lián)系。

2.2 主要含水層富水性分析

煤系地層的二疊系砂巖裂隙含水層是危害礦井生產的主要含水層，是礦井日常涌水的主要組成部分，通常以追蹤工作面頂板淋水形式出現。根據礦井及鄰區(qū)實際資料表明，該含水層多以靜儲量為主，含水性弱，徑流滯緩，通常在礦井生產初期水量很大，隨著生產的進行，頂板砂巖水多被疏干，對生產的安全不會造成很大的影響。

圖2 薛湖煤礦含隔水層與主采煤層關系對照示意Fig.2 Schematic diagram of the relationship between aquifer and main coal seam in Xuecheng Coal Mine

3 礦井充水因素

3.1 礦井充水水源

二2煤頂板充水水源包括上覆基巖含水層、風化帶水及上覆松散層水。通過礦井水文地質調查和勘探抽水試驗證明，其基巖含水層富水性弱，補給條件差，徑流幾乎處于停滯狀態(tài)，排泄方式以礦坑水排出，消耗靜儲量為主，易疏干，對礦山開采不會構成大的威脅。

薛湖礦目前已開采多個工作面，根據工作面推進方式和方向及煤層底板高程分布特征，西翼工作面向東、北推進，因此往東、北工作面將受到已回采工作面的采空區(qū)積水的影響；另外，回采煤柱資源時，也會受到兩側已回采區(qū)域采空區(qū)積水的影響。3.2 礦井充水通道

二2煤導水途徑主要有裂隙、斷層和封閉不良鉆孔3種。

（1）裂隙有2種類型：①人工導水裂隙。主要指二2煤層采空區(qū)頂板自然陷落后，在煤層頂板形成的冒落裂隙帶，其高度>39.7 m，可將二2煤層頂板砂巖裂隙含水組（平均厚12 m）地下水導入礦坑。②混合導水裂隙。二2煤層采掘過程中，煤層形成上下貫通導水通道，太原組上段巖溶水和二2煤底板砂巖裂隙水導入礦坑。

（2）斷層裂隙亦屬于構造裂隙范疇，但斷裂錯動所形成的裂隙導水性較強，且破壞了隔水層的連續(xù)性及隔水性能，甚至造成下伏強含水層與煤層直接對接，通過斷層裂隙向礦坑突水，將會造成重大事故。開采過程中，需要對薛湖煤礦斷層的發(fā)育特點、規(guī)律，斷層的導水特征、探查及防治手段進行研究。

（3）封閉不良鉆孔是礦井突水的通道之一。薛湖礦井內外部均見此類鉆孔，在施工遇鉆孔時還是應先探測、再施工。對于導通奧灰?guī)r含水層的鉆孔，則需按有關規(guī)定采用地面和井下封堵相結合的方法進行處理，有條件的可直接將水接入供水系統(tǒng)。

3.3 礦井充水特征

薛湖煤礦排水系統(tǒng)比較完善，觀測方式采用浮標法及流速儀法，從2008年至今，礦井涌水量一直較穩(wěn)定（120～150 m3/h），以礦井頂板淋水為主。據礦井排水記錄，井下各出水點的涌水量與動態(tài)觀測資料及井巷開拓進度等資料，綜合研究分析認為礦井充水具有如下特征。

（1）礦井充水絕大部分為巖巷頂板裂隙淋水及瓦斯抽壓孔排出的二2煤頂、底板砂巖裂隙水，其水源為山西組砂巖裂隙水，其次為太原組上段巖溶裂隙水和井筒壁裂縫滲出的上覆下石盒子砂巖裂隙水及新生界孔隙水。

（2）巖巷頂板裂隙淋水初期較大，其后漸小，終被疏干，具有先期淋水點為后期淋水點所取代的特點；太灰?guī)r溶水充水量不大，但較穩(wěn)定；井筒向巷道充水隨季節(jié)變化明顯。

（3）礦井排水量主要受巷道揭露出水點的多少控制，尤其連續(xù)揭露多個新出水點后，礦井排水量明顯增大，導致短期內排水量曲線突變。

（4）從2年來礦井年平均排水量來看，礦井排水量亦隨巷道開拓長度增加而增加。

3.4 斷層對礦井田充水的控制與影響

礦區(qū)西部發(fā)育近東西向斷層，東部發(fā)育以北東向斷層為主，72—82線之間淺部發(fā)育北西向斷層，落差較大的斷層主要集中分布在勘探區(qū)東西兩側。29采區(qū)三維地震勘探發(fā)現斷層大于30 m的2條，以高角度正斷層為主，斷層破碎帶厚度一般在10 m以下，本區(qū)落差大于30 m的斷層將造成底板突水風險增大，是底板太灰含水層充水的主要通道。在將來礦床開采時，斷層帶可能成為導水通道。根據礦井的采掘規(guī)劃，薛湖礦在今后的回采和掘進區(qū)域內，可能會受到DF115斷層及其次生斷層、F119斷層及其次生斷層和其他小型斷層的影響。

3.5 底板隔水層突水可能性分析

礦井29采區(qū)內穿過煤層直接底板隔水層的鉆孔共計12個，所揭露隔水層地層巖性主要為粉砂巖和少量的砂質泥巖、泥巖，厚度一般40 m左右。自2008年至今，薛湖礦鉆進了23個井下水文觀測孔，主要針對L8層進行觀測。根據其觀測資料，觀測初期水壓較大，隨著巷道開拓，水壓逐漸減小穩(wěn)定，甚至觀測不到水壓，如2號孔從2008年1.7 MPa到2013年0.2 MPa，9號孔從2009年7.4 MPa到2013年0.5 MPa；隨著29采區(qū)的開拓，越往深部水壓將會越大。

4 礦井涌水量預測

結合礦井開采狀況及礦井采掘規(guī)劃等，未來數年二2煤主要活動區(qū)段在東29采區(qū)。本次預算僅選取比擬法和穩(wěn)定流解析法對東29采區(qū)礦井涌水量進行計算，對于礦井最大涌水量則采用區(qū)域上正常涌水量的1.2倍系數予以確定。

4.1 比擬法計算涌水量

由于礦井正在進行采掘工作，根據礦井開采實際情況，29采區(qū)位于21采區(qū)北緣，29采區(qū)水文地質條件與21采區(qū)比較相似，故以21采區(qū)作為比擬礦井進行計算。

（1）比擬計算公式選擇。本次比擬法預算，主要考慮現礦井涌水量與開拓降深和開拓面積的相關關系，選用經驗比擬公式：

（1）

式中，Q、Q0分別為擬求、已知礦井的涌水量；S、S0分別為擬求、已知礦井水位降深；F、F0分別為擬求、已知礦井面積。

（2）比擬計算參數選取。21采區(qū)實測涌水量Q0=100 m3/h，水位降深S0=832.41 m，開拓面積F0=130 000 m2；本礦井設計疏排降深S=982.41 m（疏降含水層水位平均標高+32.41 m），礦井面積F0=5 140 000 m2。

（3）涌水量計算。將上述參數代入式（1）得，礦井二2煤層29采區(qū)正常涌水量Q=656 m3/h。

（4）最大涌水量計算。東29采區(qū)礦井最大涌水量Qmax=1.2Q=787 m3/h。

4.2 解析法預算涌水量

4.2.1 水文地質模型概化

東29采區(qū)東西部為二2煤層由西向東徑流方向，可視為無限邊界；南部為DF115斷層，與先期開采區(qū)域頂板砂巖相接，具有一定補給作用，可視為補給邊界；北部為二2煤埋深>1 000 m的深埋區(qū)，含水層徑流條件極弱，可視為相對隔水邊界?？傊绕陂_采地段可概化為一邊進水、一邊隔水、另二邊無限的水文地質模型。

4.2.2 計算公式選取

（1）二2煤層頂板砂巖裂隙含水組涌水量選用承壓—無壓井流公式：

（2）

（2）二2煤底板砂巖含水層與太原組上段灰?guī)r含水層涌水量選用承壓井流公式：

（3）

4.2.3 計算參數確定

（1）頂板砂巖含水層涌水量預算參數。①滲透系數K。礦井在73-2孔對頂板含水層抽水試驗，校正滲透系數值0.002 7 m/d，但該孔處于弱富水地段，另鄰區(qū)順和煤礦參數和本區(qū)較相似，較小，且沒有發(fā)生大的突水事故，為安全起見，取陳四樓礦水文參數K=0.036 3 m/d，認為取二者平均值較適宜，即取K=0.019 5 m/d。②含水層厚度M。取其含水層平均厚度，M=12 m。③水柱高度H。取靜止水位標高+27.67 m減去-950 m水平含水層底板標高-947.70 m得，H=975.37 m。④其他。疏排區(qū)大井折算半徑r=1 279 m；R=2 602 m。

（2）底板砂巖含水層涌水量預算參數。①滲透系數K。取頂板預算參數K=0.019 5 m/d。②含水層M。取其含水層平均厚度，M=8 m。③疏排降深S。S=977.67 m。④其他。疏排大井折算半徑r值同上；R=2 644 m。

（3）底板C2t上段含水層涌水量預算參數。①滲透系數K。因井田抽水試驗孔遠離富水區(qū)，其參數難以代表井田水文地質條件，仍借用鄰區(qū)陳四樓礦抽水參數平均值K=1.03 m/d。②含水層厚度M。取全區(qū)穩(wěn)定的L12與L8灰?guī)r相加之平均值，M=11.30m。③疏排降深S。取含水層水位標高+38.00 m減去疏排標高-950 m，得S=988.00 m。④其他。疏排大井折算半徑r值同上；R=11 306 m。

4.2.4 涌水量計算

（1）頂板砂巖含水層涌水量。正常涌水量Q=84 m3/h；最大涌水量Qmax=101 m3/h。

（2）底板砂巖含水層涌水量。正常涌水量Q=28 m3/h；最大涌水量Qmax=34 m3/h。

（3）底板C2t上段含水層涌水量。正常涌水量Q=692 m3/h；最大涌水量Qmax=830 m3/h。

4.3 礦井涌水量預算結果及評價

采用比擬法和解析法預算了二2煤層東29采區(qū)礦井正常涌水量、最大涌水量。穩(wěn)定流解析法計算的全礦井正常涌水量為804 m3/h，最大涌水量為965 m3/h；比擬法計算的全礦井正常涌水量為656 m3/h，最大涌水量為787 m3/h。

比擬法計算的全礦井正常涌水量、最大涌水量比較符合近年來礦井充水的實際情況，可以作為下一步礦井開采的依據。但隨著開采水平的不斷延深，太灰?guī)r溶水向礦井突水的概率也將大大提高，若出現短期內多點突水情況，將會超過比擬法預算的最大涌水量，這一點需高度警惕。

對于永城礦區(qū)而言，二2煤層底板下伏奧灰間接含水層向礦井突水是各煤礦隨時可能發(fā)生的重大隱患，區(qū)域上煤層底板突水峰值為正常涌水量的1.36～4.01倍。本礦的奧灰突水量以正常涌水量的3倍計算，僅29采區(qū)其突水峰值就將超過2 000 m3/h，這一點應引起礦方高度警惕，防患于未然。

5 結論

（1）二疊系下統(tǒng)山西組為薛湖煤礦主采煤層，礦區(qū)發(fā)育六大含水層（組）和三大隔水層（組），煤系地層的二疊系砂巖裂隙含水層是危害礦井生產的主要含水層，頂板砂巖水隨著生產的進行多被疏干，對生產的安全不會造成很大的影響。二2主采煤層存在直接充水水源、間接充水水源和采空區(qū)積水3種類型的充水水源。二2煤的導水途徑主要有裂隙、斷層和封閉不良鉆孔3種。高角度正斷層可能成為導水通道，越往深部開采水壓將會越大，構造和裂隙的發(fā)育增加了底板水涌入礦井的危險。

（2）比擬法計算的全礦井正常涌水量為656 m3/h、最大涌水量787 m3/h比較符合近年來礦井充水的實際情況，可以作為下一步礦井開采的依據。但隨著開采水平的不斷延深，太灰?guī)r溶水向礦井突水的概率也將大大提高，若出現短期內多點突水情況，將會超過比擬法預算的最大涌水量。這一點應引起礦方高度警惕，防患于未然。