永定莊煤業(yè)煤層充水評(píng)價(jià)與水害防治技術(shù)研究

常達(dá)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)永定莊煤業(yè)，山西 大同 037001）

1 概況

永定莊煤業(yè)位于大同煤田向斜中段東南側(cè)，地理位置在大同市西南約23.5 km 處，井田為不規(guī)則多邊形，面積9.077 9 km2，批采侏羅系8、9、11、12、14、15 號(hào)和石炭系山2、山4、2、3-5、8、9煤層，批采標(biāo)高1 550-725 m，生產(chǎn)規(guī)模200 萬t/a。井田內(nèi)多為黃土覆蓋，基巖僅出露于溝谷底部及山脊，根據(jù)以往地質(zhì)勘探資料，井田內(nèi)發(fā)育地層由老到新為太古界集寧群(Ar3jn)，寒武系(∈)，奧陶系下統(tǒng)亮甲山組(O1l)，石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、上統(tǒng)太原組(C3t)，二疊系下統(tǒng)山西組（P1s），侏羅系下統(tǒng)永定莊組（J1y）、中統(tǒng)大同組(J2d)、云崗組(J2y)，第四系中上更新統(tǒng)(Q2+3)、全新統(tǒng)(Q4)。其中，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組為含煤地層。

本井田主要可采煤層為山西組山4 號(hào)煤層，太原組2、3-5、8 號(hào)煤層。山西組4 號(hào)煤層煤層厚度0～4.70 m，平均厚度2.18 m，一般含夾矸1～2層，屬較穩(wěn)定煤層，頂板為砂質(zhì)泥巖，有時(shí)相變?yōu)橹辛Ｉ皫r，底板為細(xì)粒砂巖；太原組2 號(hào)煤層位于太原組頂部，煤層厚度0～8.28 m，平均厚度1.86 m，一般含夾矸1 層，煤層屬不穩(wěn)定煤層，頂板巖性細(xì)粒砂巖，底板為砂質(zhì)泥；太原組3-5 號(hào)煤層位于太原組中上部，是太原組最厚煤層，煤層厚度8.32～41.98 m，平均厚度24.96 m，一般含夾矸1 層，煤層屬不穩(wěn)定煤層，頂板巖性細(xì)粒砂巖，底板為砂質(zhì)泥；太原組8 號(hào)煤層厚度0.50～13.40 m，平均厚度4.60 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，含夾矸1～2 層，煤層西南部較厚，東北部較薄，屬較穩(wěn)定煤層，頂板為粉砂巖，底板為炭質(zhì)泥巖、粉砂巖。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 含、隔水分布特征

根據(jù)含水介質(zhì)、孔隙類型及含水特征等，井田內(nèi)自下而上，主要含水層為第四系沖積物孔隙含水層、云崗組砂巖裂隙含水層、大同組砂巖裂隙含水層、永定莊組砂巖裂隙含水層。第四系沖積物孔隙含水層巖性為砂礫石以及不同粒級(jí)的砂質(zhì)，一般為10 m 左右；云崗組砂巖裂隙含水層在井田溝谷兩側(cè)出露，淺部由于物理風(fēng)化作用而產(chǎn)生風(fēng)化裂隙，易接受大氣降水的補(bǔ)給，永定莊礦后溝泉泉水流量曾達(dá)1 570 m3/d；大同組砂巖裂隙含水層地下水賦存在煤層之間砂巖的裂隙中，屬砂巖裂隙潛水、承壓水，富水性弱；永定莊組砂巖裂隙含水層巖性為厚層狀的中、粗砂巖和砂礫巖，主要賦存在本組的中下部，富水性較弱。

主要隔水層為本溪組隔水層、煤系隔水層、非煤系隔水層。本溪組地層，厚30.95～49.95 m，平均38.41 m，上部多為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和薄層狀細(xì)砂巖，下部多為鐵、鋁質(zhì)泥巖，中夾1～2 層薄層狀石灰?guī)r，其中泥巖相對(duì)發(fā)育，為海陸交互相沉積；煤系地層泥巖隔水層層數(shù)多，與砂巖，煤層相間沉積，大部分呈透鏡狀分布，具隔水、半隔水作用，其中大同組煤層已經(jīng)開采，煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶已達(dá)地表，隔水層已被破壞，已不具隔水作用；非煤系隔水層為永定莊組泥巖、砂質(zhì)泥巖，巖石膠結(jié)致密，完整性好，具有良好的隔水作用。

2.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排放

井田地下水以大氣降水為補(bǔ)給來源。大同組煤層基本已采完，采空區(qū)頂板冒落形成的導(dǎo)水裂隙帶是大氣降水入滲的良好通道，而采空區(qū)則是賦存大氣降水的絕好空間。本區(qū)屬口泉河水系，大氣降水不僅通過面狀入滲補(bǔ)給，而且通過口泉河匯集洪水呈帶狀補(bǔ)給，補(bǔ)給條件良好。永定莊礦2017-2019 年礦井排水量2 500 ～3 500 m3/d，上述排水一部分為開采大同組煤層時(shí)上覆積水構(gòu)成，反映了大氣降水補(bǔ)給條件好，大氣降水、地表水轉(zhuǎn)化為礦井水特征明顯，從其多年礦井排水相對(duì)穩(wěn)定分析，大氣降水補(bǔ)給范圍比較大，而且在井下匯水條件好的情況下，大同組采空區(qū)可聚集采空區(qū)積水。

2.3 井田及周邊老窖水分布

永定莊礦業(yè)批采煤層為侏羅系的8、9、11、12、14、15 號(hào)煤，石炭- 二疊系的山2、山4、2、3-5、8、9 號(hào)煤，目前侏羅系和山4 號(hào)煤層開采結(jié)束，山3-5 號(hào)煤層正在開采。侏羅系采空區(qū)共有積水434 843 m3，其中8 號(hào)層積水233 224 m3，11 號(hào)層積水51 443 m3，14 號(hào)層積水150 176 m3。山4號(hào)煤層現(xiàn)有采空區(qū)積水234 878 m3，3-5 號(hào)煤層現(xiàn)有積水124 321 m3。

采空區(qū)積水是根據(jù)煤層底板形態(tài)、采掘過程中含水層的涌水量、探放水成果、采空時(shí)間等進(jìn)行估算的，可以由下式表示：

式中：Q為相互連通各積水區(qū)總積水量，m3；K為采空區(qū)充水系數(shù)，取0.25；M為煤層厚度，m；F為采空區(qū)積水投影面積，m2；α 為煤層傾角，取3°。

由于井田周圍分布其他礦井，因此需要分析周邊礦井老窖水分布情況。永定莊煤業(yè)周邊相鄰煤礦包括砂石煤礦、三道溝煤礦、泉嶺煤業(yè)和同忻煤礦。砂石煤礦位于井田東南部，位于井田內(nèi)，2 號(hào)煤層有積水30 896 m3；三道溝煤礦位于井田東南部，位于井田內(nèi)，2 號(hào)煤層有積水58 634 m3；泉嶺煤業(yè)位于井田南部，與永定莊煤業(yè)相鄰處3-5 號(hào)煤層采空區(qū)有積水113 834 m3；同忻煤礦開采3-5 號(hào)煤層，與永定莊煤業(yè)西部相鄰處有采空區(qū)積水548 267 m3。表1 為相鄰煤礦采空區(qū)積水統(tǒng)計(jì)，井田及相鄰礦井采空區(qū)積水分布如圖1 所示。

圖1 井田及相鄰礦井采空區(qū)積水分布Fig.1 Distribution of accumulated water in goaf of field and adjacent mines

表1 相鄰煤礦采空區(qū)積水統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of accumulated water in goaf of adjacent coal mines

2.4 導(dǎo)水裂隙帶

3-5 號(hào)煤層覆巖分別為中硬巖，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》，導(dǎo)水裂隙帶最大高度計(jì)算公式可由下式確定：

式中：Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；m為采煤厚度，m。

根據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》，導(dǎo)水裂隙帶最大高度由下式確定：

由于侏羅系地層中煤層存在大面積的采空區(qū)及小窯破壞區(qū)，且有不同程度的積水，可能會(huì)對(duì)未來3 a 的3-5 號(hào)煤層的開采造成一定影響，導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 導(dǎo)水裂隙帶最大高度計(jì)算取值Table 2 Calculation value of maximum height of water conduction fracture zone

通過計(jì)算，3-5 號(hào)煤層開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶最大高度為591.44 m。

2.5 礦井充水狀況與預(yù)測

永定莊煤業(yè)開采3-5 號(hào)煤層，主要由兩部分構(gòu)成，一是石炭- 二疊系煤層開采井巷揭露的含水層，涌水點(diǎn)涌水量一般在3～7 m3/h；二是煤層回采后沿密閉流出的積水。根據(jù)2016-2019 年礦井涌水量統(tǒng)計(jì)，礦井排水量分別為1 215 358 、1 049 405 、997 849 、920 803 m3。總體來看，歷年礦井排水量總體變化不大，礦井涌水量變化與大氣降水及開采地段上覆采空區(qū)積水的補(bǔ)給有一定的關(guān)系，可利用統(tǒng)計(jì)法根據(jù)該礦4 a 礦井涌水量平均值作為礦井正常涌水量，即2 865 m3/d（119.40 m3/h），最大值為礦井最大涌水量，即3 657 m3/d（152.38 m3/h）。

根據(jù)相鄰大同煤礦集團(tuán)同忻礦在開采3-5 號(hào)煤層時(shí)的含水系數(shù)，對(duì)永定莊煤業(yè)礦井涌水量進(jìn)行預(yù)測。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大同煤礦集團(tuán)同忻礦井最大噸煤含水系數(shù)為0.44 m3/t，一般含水系數(shù)為0.210 3 m3/t。當(dāng)永定莊煤業(yè)的煤炭年產(chǎn)量達(dá)到200 Mt 時(shí)，日產(chǎn)原煤量約6 061 t（按年生產(chǎn)時(shí)間330 d 計(jì)算），現(xiàn)采用富水系數(shù)法預(yù)測礦井涌水量：

式中：q為礦井涌水量；u為煤層含水系數(shù)；T為原煤日產(chǎn)量。估算得出在開采石炭系3-5 號(hào)煤層時(shí)，預(yù)估的礦井最大涌水量為2 666.84 m3/d（111.12 m3/h），與統(tǒng)計(jì)法所得到的涌水量基本一致。

3 永定莊煤業(yè)水害影響分析

根據(jù)永定莊煤業(yè)2020-2022 年對(duì)3-5 號(hào)煤層實(shí)際開采情況，結(jié)合礦井水文地質(zhì)條件，分析3-5號(hào)煤層開采水害影響程度，如圖2 所示。

圖2 永定莊煤業(yè)采掘水害特征Fig.2 Water disaster characteristics caused by mining and excavating of Yongdingzhuang Coal Industry

3.1 大氣降水、地表水影響

永定莊煤業(yè)所在地年降水量255.11～512.8 mm，其中6～9 月份降水量最多，約占年總降水量的80%。山4 號(hào)煤層開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶最大高度為71.30 m，3-5 號(hào)煤層開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶最大高度為513.97 m，煤層疊加開采使導(dǎo)水裂隙帶到達(dá)地表，大氣降水及地表水可以通過采煤形成的導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入礦坑。圖3 為礦井涌水量與降水量、產(chǎn)量相關(guān)性曲線，可以看出，涌水量與降雨量有一定的相關(guān)關(guān)系，即在雨季礦井涌水量會(huì)相應(yīng)增大。

圖3 礦井涌水量與降水量、產(chǎn)量相關(guān)性曲線Fig.3 Correlation curve of mine water inflow with precipitation and yield

3-5 號(hào)煤層8102 工作面上覆頂面對(duì)應(yīng)有口泉河支流后溝，8106 工作面上覆頂面對(duì)應(yīng)有里南溝支溝，大氣降水形成的洪水會(huì)通過溝谷的地裂縫進(jìn)入礦井，使礦井涌水量增大。礦井正常涌水量為2 865 m3/d（119.40 m3/h），礦井最大涌水量為3 657 m3/d（152.38 m3/h），大氣降水、地表水對(duì)礦井充水強(qiáng)度總體不大，對(duì)礦井生產(chǎn)影響小，由于大氣降水和地表水是采空區(qū)積水的補(bǔ)給來源，因此仍不能忽視大氣降水和地表水的危害。

3.2 地下水影響

永定莊煤業(yè)大同組煤層資源已接近枯竭，開采后侏羅系含水層大部分已被破壞且含水層富水性弱，對(duì)未來3-5 號(hào)煤層開采影響較小。

井田內(nèi)3-5 號(hào)煤層含寒武- 奧陶系巖溶裂隙承壓含水層，是石炭- 二疊系開采煤層下伏的間接充水含水層，靜止水位標(biāo)高為950—990 m，而3-5號(hào)煤層底板標(biāo)高為761.59—1 060 m，存在帶壓開采的可能。為準(zhǔn)確判斷寒武- 奧陶系巖溶承壓水是否會(huì)對(duì)上述煤層開采產(chǎn)生影響，依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》對(duì)發(fā)生突水的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)：

式中：Ts為突水系數(shù)，MPa/m；P為隔水層承受水壓，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

經(jīng)過計(jì)算，3-5 號(hào)煤層突水系數(shù)在0.018～0.051 MPa/m?！睹旱V防治水細(xì)則》規(guī)定，底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m，正常塊段不大于0.1 MPa/m。3-5 號(hào)煤層突水系數(shù)最大值0.051 MPa/m，小于底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)0.06 MPa/m，且斷裂構(gòu)造不發(fā)育，開采3-5 號(hào)煤層為安全區(qū)，如圖4 所示。

圖4 3- 5 號(hào)煤層帶壓開采安全區(qū)示意Fig.4 Safety zone of No.3-5 coal seam mining under pressure

3.3 采空積水影響

侏羅系8、9、11、12、14、15 號(hào)煤層2014 年開采結(jié)束，山4 號(hào)煤層2019 年結(jié)束開采，3-5 號(hào)煤層正在開采。開采結(jié)束的侏羅系采空區(qū)共有積水434 843 m3，山4 號(hào)煤層現(xiàn)有采空區(qū)積水234 878 m3，正在開采的3-5 號(hào)煤層現(xiàn)有積水124 321 m3。上述積水?dāng)?shù)據(jù)表明，侏羅系采空區(qū)積水和山4 采空區(qū)積水較多，積水瞬時(shí)突水量大，對(duì)3-5 號(hào)煤層開采帶來隱患。

3.4 導(dǎo)水?dāng)鄬?、陷落柱影?/h3>

采區(qū)內(nèi)目前未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水?dāng)鄬雍拖萋渲?，由于巖溶發(fā)育具有不均一性，而斷層和陷落柱是巖溶發(fā)育的主要影響因素，因此日常工作不能忽視對(duì)隱伏導(dǎo)水?dāng)鄬?、陷落柱的探查，防患于未然?/p>

4 永定莊煤業(yè)水害防治技術(shù)

目前永定莊煤業(yè)主要對(duì)3-5 號(hào)煤層進(jìn)行采掘，根據(jù)水文地質(zhì)條件勘測，3-5 號(hào)開采主要水害影響為上覆侏羅系8、11、14 號(hào)煤層采空區(qū)積水及山4、3-5 號(hào)煤層采空區(qū)積水的影響，其次是3-5 號(hào)煤層回采后大氣降水、地表水通過地裂縫、導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入礦井對(duì)礦井生產(chǎn)的影響。針對(duì)上述問題，提出水害防治技術(shù)。

（1） 加強(qiáng)采空區(qū)范圍及積水情況的探測，做好探放水工作，對(duì)采掘工作面有威脅的采空區(qū)積水，堅(jiān)持“有掘必探，先探后掘”的原則，采用“物探先行、化探跟進(jìn)、鉆探驗(yàn)證”綜合探測手段，嚴(yán)格執(zhí)行“探掘分離”“探放水作業(yè)優(yōu)先”的探放水制度。

（2） 針對(duì)每年的汛期和雨季要按照相關(guān)管理制度，組織搶險(xiǎn)隊(duì)伍，儲(chǔ)備充足物資；定期對(duì)地表塌陷、地表裂隙、積水情況進(jìn)行摸排，針對(duì)性的提出安全防治措施，并根據(jù)防治水規(guī)劃投入專用經(jīng)費(fèi)。

（3） 頂板水為礦井井下涌水量的主要來源，主要以頂板淋水的形式進(jìn)入礦井，但該含水層為弱富水性含水層，生產(chǎn)中容易疏干，需定期檢修礦井排水設(shè)備，及時(shí)清理排水溝道和水倉，保證排水通暢。對(duì)于瞬變電磁勘探解釋的煤層頂板含水層富水異常區(qū)，尤其是強(qiáng)富水異常區(qū)，需進(jìn)行井下鉆探驗(yàn)證、必要時(shí)對(duì)其進(jìn)行疏放。

5 結(jié)語

本文根據(jù)永定莊煤業(yè)現(xiàn)有資料，研究了該礦含（隔） 水層特性分布、地下水補(bǔ)給、徑流、排放、井田及周邊老窖水分布、導(dǎo)水裂隙帶、礦井充水狀況，并對(duì)礦井涌水量進(jìn)行了預(yù)測，分析了永定莊煤業(yè)水害影響因素。研究結(jié)果表明，大氣降水和地表水方面，永定莊煤業(yè)所在地年降水量255.11～512.8 mm，礦井正常涌水量為2 865 m3/d，對(duì)礦井生產(chǎn)影響較??；地下水影響方面，3-5 號(hào)煤層突水系數(shù)在0.018～0.051 MPa/m，小于底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)0.06 MPa/m，煤層開采隱患較小；侏羅系采空區(qū)積水和山4 采空區(qū)積水較多，分別為434 843 m3和234 878 m3，采空積水對(duì)煤層開采具有隱患；采區(qū)內(nèi)目前未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水?dāng)鄬雍拖萋渲瑢?duì)礦井生產(chǎn)影響小。研究結(jié)果為永定莊煤業(yè)水害防控提供參考依據(jù)。