煤矿深部含水层突水规律的研究

邢会安

(焦作市神龙水文地质工程有限公司，河南 焦作 454100)

焦作煤田是最典型的华北型煤田，是我国有名的大水矿区，其水文地质条件十分复杂。许多国内外的专家学者都在焦作研究过防治水工作。因此，研究焦作煤田的防治水工作对于我国煤炭事业的发展具有十分重要的意义。

焦作矿区历史上曾经淹井20次。1999年后，焦作矿区对L8灰含水层进行了底板注浆加固。这一措施对于防治L8石灰岩含水层突水起到了很好的作用，矿井突水事故大大减少，矿区排水总量大大降低。但是，随着煤矿生产开采深度的增加，矿井水压越来越大。因此深部含水层对煤矿生产的影响越来越严重。工作面被淹的突水事故多次发生，严重时整个矿井被淹。因此，深部含水层的治理已经刻不容缓，迫在眉睫。

神龙公司注浆堵水的历史已经有53年，完成煤矿注浆堵水工程已有一百多次。多年的实践，使在煤矿深部含水层的治理上有许多经验和教训。研究这些经验和教训，对于快速堵水，提高工程质量，增加经济效益，具有十分重要的意义。

1 地质背景

焦作煤田位于昆仑秦岭构造带北支边缘，祁吕贺山字型构造前弧东翼与新华夏系第三隆起带——太行山复背斜隆起带南段东翼山前倾斜平原地带，地层走向北60°东，倾向南东，倾角8°～12°，呈地堑、地垒、倾斜断块等组合形式，以断裂构造为主。

焦作矿区主要地层介绍如下：①奥陶系中统马家沟组。以厚层状石灰岩与白云质灰岩互层为主，厚度400～500m，平均厚度450m。②石炭系中统本溪组。主要为灰、灰黑色黏土岩，铝土质泥岩，厚度为3～50m，平均厚度20m。③石炭系上统太原组。主要由海相灰岩与陆相页岩、砂岩、砂质页岩及煤层交互相成。含灰岩6-9层。本组厚度一般为80～110m，平均厚度为90m。④二叠系下统山西组。主要为深灰、灰黑色砂岩，页岩，砂质页岩互层。本组厚度70～90m，平均厚度为80m。⑤二叠系下统下石盒子组。由砂岩、泥岩、粉砂岩互层，本组厚度110～140m，平均厚度为120m。⑥二叠系上统上石盒子组。主要为灰黄、黄绿、灰白色砂岩，粉砂岩、泥岩互层，层理不明显。本组钻孔揭露最大厚度超过400m。⑦第四系、第三系。岩性主要为棕黄、褐黄色亚黏土、砂土夹钙质结核，砂砾石及砾岩组成。从西北向东南方向逐渐增厚，从0m到900m以上。⑧石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。为主要含煤地层，主要开采煤层为二1煤。

1.1 含水层

焦作煤田奥陶系灰岩中，岩溶裂隙发育，为地下水提供了良好的储水空间和径流通道。地下水总体流向由北面的山西晋城流向南面的焦作，主要含水层简介如下：

第四系冲、洪积孔隙含水层：主要由砂、砾石、砾岩组成，现在水位标高+88m左右。

基岩风化裂隙带含水层：主要由风化的砂岩组成，一般厚20m左右，断层带附近可增大到30～70m。水位标高+92.07～+99.02m。含水性中等，对浅部煤层开采有一定影响。

二叠系砂岩裂隙含水层：由若干分层组成，富水性弱，水位标高+75m左右，导水性弱。为二1煤顶板直接充水含水层，对矿井安全开采无威胁。但当与上部含水层沟通时，对煤层开采有一定影响。

石炭系八层灰岩(L8)裂隙岩溶含水层：上距二1煤16～50m，厚6～8m。上部为泥质灰岩或夹泥灰岩；中、下部为厚层状隐晶灰岩，中夹燧石条带。为二1煤层底板直接充水含水层。充水量占矿井总充水量的70%，对矿井开采影响较大。

石炭系二层灰岩(L2)裂隙岩溶含水层：上距二1煤75～95m，厚8～12m。为厚层状隐晶灰岩，有时中夹薄层泥岩或泥灰岩。为二1煤层底板间接充水含水层。一般对矿井开采无影响，但可通过断裂带等补给L8灰岩含水层。

奥陶系灰岩(O2)岩溶裂隙含水层：富水性强，但极不均一。水位标高+70～+90m。为二1煤层底板间接充水含水层，一般对矿井开采无影响。

L2含水层和O2含水层一旦通过断裂带或底板裂隙进入矿井，将会给矿井安全造成极大威胁。

含水层的深浅是相对的。我们把第四系冲、洪积孔隙含水层、基岩风化裂隙带含水层、二叠系砂岩裂隙含水层、石炭系八层灰岩(L8)裂隙岩溶含水层，称为浅部含水层；把石炭系二层灰岩(L2)裂隙岩溶含水层和奥陶系灰岩(O2)岩溶裂隙含水层，称为深部含水层。

2 深部含水层的特点

2.1 含水层水压高

深部含水层距离开采煤层90～150m。由于深部含水层距离开采煤层较远，所以一般情况下不容易出水。即使出水，大部分出水点都予以封堵。因此，深部含水层的水位降低不大，水压较高。

随着煤矿开采深度的增加，含水层埋藏越来越深，因此，水压越来越大。

浅部的矿井在以前都已经开发完，因此有些矿井在矿井开采初期，含水层埋藏就很深。含水层埋藏的深度和水压成正比。含水层埋藏越深，水压越大。

2.2 含水层厚度大、含水性强

第四系冲、洪积孔隙含水层、基岩风化裂隙带含水层、二叠系砂岩裂隙含水层、石炭系L8灰岩裂隙岩溶含水层，含水性相对较弱、厚度较小(石炭系L8灰岩裂隙岩溶含水层厚度8m左右)。而石炭系二层灰岩(L2)裂隙岩溶含水层和奥陶系灰岩(O2)岩溶裂隙含水层，含水性相对较强、厚度较大(石炭系L2灰岩裂隙岩溶含水层厚度12m左右；奥陶系灰岩(O2)岩溶裂隙含水层达到400～500m。

奥陶系灰岩(O2)岩溶裂隙含水层，是焦作矿区地下水的根源。

2.3 L2灰岩含水层和奥陶系灰岩(O2)含水层实际上是一个含水层

L2灰岩裂隙岩溶含水层由于距离奥陶系灰岩(O2)岩溶裂隙含水层距离很近,所以，它们实际上是一个含水层。

3 深部含水层的突水规律

3.1 出水面积大，出水点多

深部含水层出水的情况是，不仅出水点多，而且出水面积大。古汉山矿11092工作面顶层出水点9个，底层出水点11个。当一个工作面出水时，刚上来水量一般不大，随着工作面的回采，出水量越来越大，一直到不能够回采时，工作面才停止回采。从工作面出水到停止回采的采空区面积，可以达到上万m2。

3.2 一旦出水，其水量较大

石炭系L2灰岩裂隙岩溶含水层，和奥陶系灰岩(O2)岩溶裂隙含水层由于距离煤层较远，所以一般情况下不容易出水。但是一旦出水，其水量远远大于浅部含水层的出水量。近几年，深部含水层出水点的水量都在每分钟十几t以上。只有个别点的水量在每分钟十几t以下。深部含水层出水点的水量，都使得工作面被淹而停止回采。

3.3 与潜伏裂隙有关

煤矿工作面底板和含水层之间存在着一个隔水层。如果这个隔水层有裂隙存在时，含水层的水就会顺着裂隙向上延伸。如果这个裂隙延伸至工作面底板时，那么采动后就会出水。然后，随着矿压的加大，裂隙逐渐变大，从而出水量也逐渐加大。当这种裂隙没有到达煤层工作面底板时，有人称这种现象为潜伏的水头。这种潜伏的水头一旦和工作面采动破坏的裂隙接轨，就产生工作面的突水。深部含水层的出水往往与潜伏裂隙有关。

3.4 底层出水与矿压有关

2006年以前，焦作矿区的顶层工作面只要不出水，那么，再往下的下层工作面就不会再出水。或者是只要顶层工作面出水后，下层工作面回采时水量不再增大。但是，2006年6月古汉山矿11092工作面的出水，就打破了这一规律。古汉山矿11091工作面顶层回采时水量并不大。但是11092工作面底层回采时，出水量达到每分钟25t。

下层工作面水量增大或增加出水点的原因，就是因为矿压增大。因为矿压增大后，对煤层底板的破坏深度增加。对煤层底板的破坏深度增加，就是煤层底板裂隙深度的增加。这种裂隙增加到一定深度后，就使得深部含水层的水沿着裂隙进入工作面。这就是深部含水层的突水机理。

3.5 有断层时出水，没有断层时也照样出水

在煤矿开采的初期，不管是巷道还是工作面，遇到断层时经常造成出水事故。因此，从20世纪80年代开始，对于稍微大一点的断层，都实行了一系列的技术措施。这样基本上避免了见断层导致出水的事故发生。以后随着开采深度的增加，水压越来越大，工作面的矿山压力也越来越大，因此深部含水层多次出现出水事故。也就是说，没有断层时，工作面也照样发生出水事故。

3.6 出水时经常有底臌现象，底臌的地方就是出水点

煤矿工作面停采线处底板底臌，是深部含水层出水的最重要表现形式和特征。底臌的速度和高度，是深部含水层出水的尺度。

底臌的地方就是出水点的地方。实际上，煤层底板底臌就是矿压和水压共同作用所形成的新的断层。这种新的断层就是出水通道。

煤矿工作面底板突水时，认真准确收集工作面底板鼓起的速度和高度，对于预测突水、分析、发现出水的通道具有重要意义。

3.7 出水点的水量在停止回采后一般会逐渐变小，但特殊情况下会增大

煤矿深部含水层出水点的水量在停止回采后，一般情况下是逐渐减少。例如：九里山矿14101工作面出水后，水量由每分钟28t逐渐减少至15t；中马村矿25煤柱工作面出水后，水量由每分钟15t逐渐减少至10t；方庄二矿23082工作面出水后，水量由每分钟15t逐渐减少至不到10t；方庄二矿20052工作面出水后，水量由每分钟7.23t逐渐减少至4.50t；古汉山矿11092(西)工作面出水后，水量由每分钟25t逐渐减少至14t；古汉山矿11092(东)工作面出水后，水量由每分钟16.70t逐渐减少至5t；古汉山矿11101(东)工作面出水后，水量由每分钟11t逐渐减少至6.50t。

煤矿深部含水层出水点的水量逐渐减少的原因是：随着时间的推移，工作面逐渐下沉、塌实，阻碍了出水通道，使出水通道逐渐变小，以致出水量变小。

特殊情况下，深部含水层出水点的水量在停止回采后也会增加。例如：古汉山矿13051工作面在停止回采后水量不仅不减少，而且有所增加。2010年2月18日，古汉山矿13051工作面在停止回采后，出水量每分钟12.80t左右。2010年4月1日，古汉山矿13051工作面水量，在没有采动的情况下增加到每分钟14t左右。

近几年，深部含水层出水点的水量增加的案例只此一例。其原因是因为：水压高；工作面中间有断层；一边回采，一边打钻堵水；注浆钻孔封闭质量不合格。

3.8 出水后，随着工作面的回采水量逐渐加大

工作面刚上来出水一般不大，但随着工作面回采长度的增加，水量逐渐增大，直至不能够回采。

古汉山矿11092工作面出水情况案例：

2006年7月20日，11092东工作面发生突水，水量不大。2006年7月22日水量增大，此时工作面内有三个出水点，出水量分别为1.0m3/min、1.0m3/min和2.0m3/min。2006年7月23日，工作面停产，工作面的水量增大到16.7m3/min。期间巷道底臌严重。

3.9 工作面改造后照样出水

对于浅部含水层的出水，特别是对于石炭系L8灰岩裂隙岩溶含水层的出水，过去治理的方法大多采用留一段煤柱改造开切眼的方法治理。使用这种方法，对于石炭系L8灰岩裂隙岩溶含水层的出水点是行之有效的。但这种方法对于深部含水层的出水点是不行的。古汉山矿11092工作面改造了6次，仍然出水。因此，深部含水层的出水点必须经过注浆堵水及注浆加固后，才能够保证不再出水。

4 深部含水层的突水规律的研究意义

4.1 对煤矿注浆堵水具有重要意义

以前，在找出水通道时，一直把断层作为重要依据。根据煤矿深部含水层的突水规律，知道深部含水层出水时往往没有断层。因此，煤矿深部含水层的出水通道往往与矿压有关。可以根据矿压来找到出水通道。底臌就是工作面底板的出水通道。

4.2 对煤矿安全生产具有重要意义

深部含水层的水压高，厚度大、含水性强，一般情况下不容易出水，一旦出水、其水量较大，往往会淹井或淹采区。因此，要采取各种手段来避免深部含水层出水。另外，在注浆堵水时，首先要防止水量增大的问题。注浆堵水的很多案例说明，在注浆堵水时，水量的增大足以淹井。

4.3 对煤矿防治水的方法具有重要意义

过去留煤柱改造开切眼的方法治理浅部含水层的出水点是可行的。根据本研究成果，深部含水层的出水点的治理，必须经过注浆堵水及注浆加固后才行。

深部含水层的出水大多数表现为L2灰岩含水层。在对其治理的时候，很多人都认为注浆堵水钻孔施工到L2灰岩含水层即可。根据以往经验，注浆堵水钻孔必须施工到O2灰岩含水层。这样做，才能够从根本上治理出水事故。否则，不仅施工钻孔数量大大增加，而且堵水率很低。

5 结论

1)深部含水层水压高、厚度大、含水性强。一般情况下，深部含水层不容易出水，但一旦出水，不仅出水点多，出水面积大，而且水量较大。

2)L2灰岩含水层和奥陶系灰岩(O2)含水层实际上是一个含水层。

3)深部含水层的出水，往往与矿压、潜伏裂隙有关。因此，有断层时出水，没有断层时也照样出水。出水时经常有底臌现象，底臌的地方就是出水点。出水后，随着工作面的回采，出水点的水量会逐渐加大。在工作面停止回采后，出水点的水量一般会逐渐变小，但特殊情况下会增大。

4)研究深部含水层的突水规律，对煤矿注浆堵水和煤矿安全生产及煤矿防治水的方法具有重要意义。