淺埋深小煤窯采空破壞區(qū)涌水水源分析

趙培富，武俊峰

（1.霍州煤電集團(tuán)煤炭生產(chǎn)管理部，山西 霍州 031400；2.霍州煤電集團(tuán)技術(shù)研究院，山西 霍州 031400）

1 概況

興盛園煤業(yè)為原梨樹園煤業(yè)、義桂煤業(yè)、靖達(dá)煤業(yè)兼并重組而成，井田內(nèi)的小煤窯井筒較多，以往采煤方法為短壁刀柱式、炮采落煤，大巷坑木支護(hù)，全部垮落法管理頂板。興盛園管道井西南側(cè)臨近以往小煤窯采空區(qū)破壞區(qū)，部分小煤窯采掘巷道與管道井斜交聯(lián)通，采用料石砌墻封閉。管道井320～380 m 區(qū)段持續(xù)有原1 號煤采空區(qū)積水順料石縫隙涌出，涌水量約30 m3/h，2015年礦井政策性停產(chǎn)至今。2021年10月3日—5日礦區(qū)連續(xù)降大到暴雨，10月19日管道井320 m 處涌水突然增大至150 m3/h，10月21日16 時溢流處巷道垮塌約2 m，涌水量增加至350 m3/h，后逐步減小穩(wěn)定涌水量約50 m3/h。為防治管道井處涌水再次增加，現(xiàn)結(jié)合走訪調(diào)查及水質(zhì)化驗資料，分析涌水補(bǔ)給來源，為制定治理措施提供參考依據(jù)。

2 估算疏放水量

2021年10月19日16 時，興盛園煤業(yè)管道井320 m 處涌水量由30 m3/h 突然增加到150 m3/h；10月21日16 時，溢流處巷道垮塌約2 m，涌水量增加到350 m3/h；10月23日涌水量由350 m3/h 減少到250 m3/h，一直持續(xù)到10月28日。10月29日17 時，涌水量減少至180 m3/h。11月5日—9日水量維持在160 m3/h 左右。11月12日溢流處涌水量減少為120 m3/h，11月28日涌水量減少為95 m3/h。12月16日涌水量減少為85 m3/h，12月30日—2022年2月涌水量穩(wěn)定在80 m3/h。2022年3月—4月中旬涌水量穩(wěn)定在50 m3/h。管道井涌水量及疏放水量統(tǒng)計見表1。

表1 管道井疏放水量統(tǒng)計Table 1 Statistics of drainage water quantity of pipeline well

從2021年10月19日涌水增大至2022年4月中旬，總疏水量約39.9 萬m3，原長期動態(tài)補(bǔ)給水30 m3/h，估算動態(tài)補(bǔ)給量約12.9 萬m3，疏放靜態(tài)水量約27.0 萬m3。

3 涌水水質(zhì)化驗

管道井涌水增大后一是定期采集涌水點(diǎn)水樣進(jìn)行跟蹤化驗；二是對地表降雨、周邊汾河水、澗河、許村鐵廠溝地表河水進(jìn)行水質(zhì)化驗；三是采集了奧灰水文鉆孔水、臨近的力拓煤業(yè)礦井排水水樣；四是走訪調(diào)查以往小煤窯井筒沉陷情況，采集了兩座裸露小煤窯井筒內(nèi)水樣。水質(zhì)化驗情況見表2～表4。

表2 管道井涌水水質(zhì)化驗Table 2 Water quality testing of pipeline well water inflow

表4 礦井水文孔、臨近礦井排水、裸露井筒水質(zhì)化驗Table 4 Water quality testing of mine hydrological hole,adjacent mine drainage and exposed wellbore

4 涌水通道分析

根據(jù)興盛園煤業(yè)實際情況分析，涌水補(bǔ)給通道考慮3 方面：一是大氣降水通過地表裂縫或沉陷的井筒垂向補(bǔ)給；二是礦井周邊澗河、許村鐵廠溝季節(jié)性河流通過基巖砂礫層裂隙長距離滲透，或河流灌入裸露的井筒側(cè)向補(bǔ)給1 號煤采空破壞區(qū)；三是礦井太灰及奧灰含水層帶壓，含水層富水性較強(qiáng)，存在底板灰?guī)r水通過斷層裂隙帶或陷落柱補(bǔ)給采空區(qū)的可能性。

4.1 大氣降水垂向補(bǔ)給

井田范圍內(nèi)地表相對高差較大，地面標(biāo)高+570—+837 m，1 號煤層標(biāo)高+390—+540 m，已采掘區(qū)域埋深110～260 m。1 號煤層厚度0.35～1.95 m，平均1.54 m，煤層頂板為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，屬于中硬巖石，巖石抗壓強(qiáng)度20～40 MPa。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》 計算1 號煤采后垮落帶高度3.9～9.12 m，平均8.07 m，導(dǎo)水裂縫帶高度14.01～34.62 m，平均31.00 m，導(dǎo)水裂隙帶高度延伸不到地表，大氣降水不會通過垂向裂縫直接補(bǔ)給井下涌水。而且通過表2、表3可知，大氣降雨與管道井涌水處水樣在礦化度、各陰陽離子的含量上均有明顯的差別，說明兩者并無溝通。

表3 大氣降雨、地表河流水質(zhì)化驗Table 3 Water quality testing of atmospheric rainfall and su rface rivers

4.2 季節(jié)性河流側(cè)向補(bǔ)給

地表巡查了許村鐵廠溝季節(jié)性河流附近小煤窯，井筒封閉良好，均無塌陷，該區(qū)域1 號煤層埋深210～230 m，因此排除許村鐵廠溝季節(jié)性河流對管道井涌水點(diǎn)的補(bǔ)給。

礦井西南部緊鄰力拓煤業(yè)，力拓煤業(yè)1 號煤層標(biāo)高+500—+650 m，比興盛園煤業(yè)標(biāo)高要高，且蓋山厚度20～50 m，處于導(dǎo)水裂隙帶影響范圍內(nèi)。強(qiáng)降雨期間地表雨水可通過導(dǎo)水裂隙帶滲入力拓煤業(yè)采空破壞區(qū)，之后側(cè)向補(bǔ)給興盛園1 號煤采空破壞區(qū)。另外力拓煤業(yè)井田中部有從西北至東南向的季節(jié)性河流澗河，該河流常年有水，雨季期間涌水顯著增大。此次重點(diǎn)走訪巡查了河谷兩側(cè)小煤窯封閉情況。礦井地表澗河及裸露小煤窯井筒位置如圖1所示。

圖1 地表澗河及裸露小煤窯井筒位置示意Fig.1 Location of surface Jian river and exposed small coal kiln wellbore

通過巡查發(fā)現(xiàn)坍塌紅磚井口、縣界碑井口兩處小煤窯裸露井筒。坍塌紅磚井口東部約20 m 為河流，井口標(biāo)高高于河流約3 m，井口周邊未發(fā)現(xiàn)洪水倒灌現(xiàn)象，但井內(nèi)有水，水面距井口10 m?？h界碑井口東側(cè)約30 m 為河流，井口標(biāo)高高于河流約2 m，井內(nèi)存水，水面距井口52.6 m，井壁有明顯滲水現(xiàn)象，該處裸露井筒距管道井涌水點(diǎn)水平距離2 100 m。

2021年10月3日—5日降大到暴雨，10月19日興盛園管道井涌水量增大，推測在此期間河道內(nèi)水流通過基巖裂隙或砂礫層滲透進(jìn)入1 號煤采空破壞區(qū)，強(qiáng)降雨期間洪水增大也可能灌入該井筒，經(jīng)過14～16 d 的滲透補(bǔ)給，造成管道井處涌水量增大。

水質(zhì)對比方面見表5。管道井涌水較澗河上游水質(zhì)，礦化度、鈉離子、鈣離子、氯離子、碳酸氫根離子升高，鎂離子、硫酸根有所降低。

表5 管道井涌水與澗河水水質(zhì)對比Table 5 Water quality comparison between pipeline well water inflowand Jian river

考慮澗河水徑流滲透過程中經(jīng)過砂礫層可補(bǔ)充鈉離子、氯離子、碳酸氫根離子，造成這些離子含量升高。

4.3 承壓太灰及奧灰含水層水構(gòu)造裂隙補(bǔ)給

興盛園煤業(yè)1 號煤層下伏太原組K2、K3、K4三層灰?guī)r和奧陶系厚層灰?guī)r含水層。根據(jù)2012年水文鉆孔抽水試驗資料，太灰含水層水位+506—+546.9 m，奧灰含水層水位+521—+541 m。1 號煤層現(xiàn)采掘范圍標(biāo)高+390—+470 m，煤層帶壓0.5～1.3 MPa。

礦井處于郭莊泉域徑流區(qū)，太灰及奧灰含水層富水性較強(qiáng)。以往補(bǔ)20 號鉆孔封閉不良造成底板太灰含水層涌水10 m3/h。2014年3月31日在舊強(qiáng)排硐室開口處鉆探，底板-15°鉆孔鉆進(jìn)41 m 時涌水35 m3/h，判斷為灰?guī)r水，后注漿封堵。礦井?dāng)嗔褬?gòu)造發(fā)育，已揭露斷層50 條，陷落柱18 個，存在較大構(gòu)造裂隙涌水可能性。但2015年后興盛園煤業(yè)停產(chǎn)至今，無采掘活動，預(yù)計不會突然新增涌水點(diǎn)。

臨近礦井力拓煤業(yè)開采下組煤，不排除力拓煤業(yè)的開采使部分?jǐn)嗔褬?gòu)造或陷落柱活化導(dǎo)水。從水質(zhì)上看（表6），此次管道井涌水長期疏放接近動態(tài)量時，水質(zhì)表現(xiàn)為灰?guī)r和砂巖混合水，且灰?guī)r水質(zhì)特征較明顯，結(jié)合力拓煤業(yè)的礦井涌水水質(zhì)情況，預(yù)計力拓煤業(yè)部分灰?guī)r水對1 號煤采空破壞區(qū)有少量的補(bǔ)給，之后通過側(cè)向滲流補(bǔ)給管道井涌水。

表6 管道井涌水與灰?guī)r水水質(zhì)對比Table 6 Water quality comparison between pipeline well water inflowand limestone water

5 結(jié)論

（1） 通過對涌水水量、水質(zhì)、補(bǔ)給通道的分析，判斷興盛園煤業(yè)2021年10月下旬管道井涌水水量突然增大主要水源為雨季期間澗河洪水增大，大量河水漫過縣界碑裸露井口或通過基巖裂隙和砂礫層補(bǔ)給1 號煤采空破壞區(qū)；次要水源為大氣降水在力拓煤業(yè)1 號煤層淺埋藏區(qū)通過導(dǎo)水裂隙涌入采空破壞區(qū)；其次為力拓煤業(yè)的部分灰?guī)r承壓水對1號煤采空破壞區(qū)有少量的補(bǔ)給，之后通過側(cè)向滲流補(bǔ)給管道井涌水。

（2） 下一步的建議：一是要及時封堵地表裸露小煤窯井筒，尤其是靠近澗河溝內(nèi)的小煤窯井筒，雨季洪水增大后極有可能漫過井筒直接補(bǔ)給井下采空破壞區(qū)；二是對地表河流、井下長期涌水點(diǎn)定期采集水樣進(jìn)行水質(zhì)化驗，完善地表河流、井下砂巖水、太原組灰?guī)r水、奧灰含水層水水質(zhì)化驗數(shù)據(jù)庫，為涌水水源快速判別提供依據(jù)；三是盡快修復(fù)水文觀測孔，實測太原組灰和奧灰含水層水位，臨近的白龍礦、團(tuán)柏礦關(guān)井，干河礦二采區(qū)劃入郭莊泉域保護(hù)區(qū)禁采，近幾年奧灰及太灰含水層水位和富水性均有所恢復(fù)，礦井?dāng)鄬?、陷落柱非常發(fā)育，構(gòu)造導(dǎo)水危險性較大。