双柳煤矿矿井开采充水条件分析及防治对策

张跃生，周长松

(1.山西省忻州市水利勘测设计院，山西忻州 034000;2.太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024)

双柳煤矿矿井开采充水条件分析及防治对策

张跃生1，周长松2

(1.山西省忻州市水利勘测设计院，山西忻州 034000;2.太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024)

以双柳煤矿区域地质环境条件为基础，从充水水源和涌水通道两方面对矿井充水条件进行了系统分析。结果表明井田范围内的地下水和老空水是最主要的充水水源，陷落柱和断层的存在破坏了煤层的连续性，构成煤矿采掘工程的障碍，容易产生冒项、突水事故。文章在上述充水条件的基础上对矿坑涌水量进行了预测，并据此提出切实可行的防治对策。研究结果对矿井安全生产及矿井水害治理具有一定的指导意义。

煤炭开采;地下水;充水水源;涌水通道;防治措施

汾西矿业集团公司双柳煤矿位于山西省柳林县城西北孟门镇白家焉村东，河东煤田三交3#井田西南部，是山西汾西矿业集团有限责任公司主要生产低硫煤的矿井。随着近十年煤炭开采力度的不断加大，采煤在带来巨大经济效益的同时，也带来了一系列的环境地质问题。煤炭的开采不仅改变了地下水的循环条件，同时在矿区形成大量的地面塌陷和地裂缝，使得采矿条件恶化并产生了大量的涌水，严重影响着煤炭的安全生产。本文以研究区区域地质环境条件为基础，分析矿井充水条件与煤矿安全生产之间的关系，提出切实可行的防治对策，为矿井的安全生产提供科学依据。

1 区域地质环境背景

1.1 区域地质特征

煤矿区在地貌上属黄土高原，总体地势由东向西、由山区向河谷逐渐降低。研究区最高点标高为1 000.5 m，最低点标高为644 m，相对高差356 m。石炭系、二迭系砂页岩为该区出露的主要地层，整个研究区含水层按地层时代可划分为奥陶系灰岩岩溶含水层、太原组岩溶裂隙含水层、山西组砂岩裂隙含水层、第四系孔隙含水层。其中奥灰水含水层水位标高为802.8 m，富水性较强;太原组含水层主要由灰岩组成，水位标高为790 m，深部单位涌水量0.001～0.013 L/s·m，富水性弱，浅部单位涌水量为 0.22～0.90 L/s·m，富水性中等;山西组含水层水位标高为730 m，含水层由砂岩组成，单位涌水量0.019 L/s·m，富水性较弱;第四系含水层主要分布在近代河谷附近，厚度在5～30 m之间，含水层由冲洪积砾石组成，富水性较好。

1.2 煤炭开采概况

双柳井田面积为31.03 km2，地质储量 4×108t，剩余可采储量为2.42×108t。双柳煤矿含煤地层以石炭系上统太原组和二叠系下统山西组为主，煤系地层主要岩性为砂质页岩、页岩夹薄层灰岩、泥岩、砂岩和煤层。井田内共有含煤地层 17 层，自上而下依次为 01#、02#、03#、1#、2#、3#、4#、5#、5下#、6#、7#、7下#、8#、8下#、9#、10#、11#，其中 2#、3#、8下#、10#为局部可采煤层，4#、8#、9#号煤为全区可采煤层(主煤层)，17层煤层总厚15.40 m，目前正在开采的煤层有山西组3#、4#及太原组的 8#、9#煤层。

自1998年以来，双柳煤矿煤产量逐年增加，截止2002年底年开采量达到150万 t。煤炭开拓方式一般为斜井式，个别为竖井式;采煤方法以短壁式、仓房式、高落式为主。为了进一步满足煤炭市场对离柳矿区环保型奇缺煤种的需求，最大限度地提高矿井的综合经济效益，双柳矿井生产能力将由现在的1.5×106t/a扩大到3×106t/a。

2 矿井充水条件分析

矿山井巷之所以有水涌入，是各种水源通过各种通道进入井巷造成的，其涌入水量的大小主要受矿床赋存与开采的具体条件控制［1］。因此，充水水源与通道是形成矿井涌水的必备条件，加上涌水强度诸因素，三者综合作用构成矿床充水条件。正确掌握充水水源及涌水通道对矿山安全开采十分重要。

2.1 矿床充水水源分析

通过对研究区水文地质条件和矿井开采资料分析，得出影响双柳井巷涌水的充水水源主要有大气降水、地下水和老空水，其中地下水和老空水是最主要的充水水源。

2.1.1 大气降水

在本矿井开采过程中，山西组4#煤(上组煤)直接充水含水层为山西组砂岩裂隙含水层组，4#煤回采冒裂带可以波及到下石盒子组。虽然山西组、下石盒子组在矿区沟谷处出露并接受大气降水补给，但由于含水层露头面积有限，且当地降雨量相对较少，因此补给量有限，大气降雨不构成矿井涌水的主要充水水源。

2.1.2 地下水

地下水是本矿井涌水的主要水源之一。因此需要加强对地下水的研究分析，以便降低矿坑突水的几率。与矿井开采相关的主要含水层包括山西组砂岩裂隙含水层和太原组裂隙岩溶水含水层。山西组4#煤层以顶板砂岩为直接充水含水层，涌水量稳定在100 m3/h左右。随着采空区面积扩大及掘进长度增加，采动裂隙增加，各含水层之间水力联系增强，矿坑涌水量有增大的趋势。

(1)自混凝土入模至浇捣完毕的3 d内，每隔2 h测温1次，此后每隔4 h测温1次，温度下降阶段每8 h测温1次。一般在14 d后可停止测温；或温度梯度<20 ℃时，可停止测温。

太原组8#、9#煤层沿顶板掘进时将贴近 L1灰岩(见图1)，煤炭开采时顶板灰岩水将直接涌入巷道。开采过程中形成的冒落带高度为10.50～14.0 m，顶板垮落层位为 L1～L3，裂隙带将贯穿L4和L5灰岩层。富水性中等的L1～L5作为太原组统一含水层构成为充水水源时，对下组煤层的开采有较大影响。

2.1.3 老空水

统计资料显示［2］，我国许多老矿区的浅部分布着大面积的老空区，老空区中积蓄着大量的老空水。由于废弃时间长，大部分老空区积水范围不明，连通复杂，水量大且水压高，当后续的矿井接近或冒裂带导通它们时，极易造成突水［3］。本矿在开采下组煤层时，顶板冒裂带最大高度为65.35 m。从下组煤煤层开采剖面图(图2)可以看出，冒裂带的发育高度虽未到达上组煤层，但在开采上组煤层时存在底板破坏带，且破坏深度可达10 m，从而下组煤层可通过冒裂带和破坏带导通上组煤层的采空区，使采空区中的积水成为充水水源。

图1 太原组下组煤顶板柱状示意图

2.2 矿井涌水通道分析

矿体周围的水只有通过某些通道才能进入井巷形成涌水［4］。对于双柳井巷来说，主要涌水通道有:陷落柱通道、顶板冒落裂隙通道、地层裂隙与断裂带、钻孔通道。

2.2.1 陷落柱通道

导水陷落柱通道形成于太原组碳酸盐岩地层中的垂直柱状坍落体，本矿井在生产过程中共揭露14个陷落柱，除编号为X12的陷落柱出水外，其余均未见出水。X12陷落柱长轴约10 m，宽约5 m，出水水源为太原组岩溶裂隙水，初始出水量为 3 m3/h，一周后水量减至 0.5 m3/h，水压为 0.3 ～ 0.5 Mpa。随着下组煤的开采，井田内太原组岩溶裂隙水逐渐疏降，从而增大了与奥灰水之间的水压差，陷落柱的下段(L1灰岩至奥灰)容易“活化”为新的导水通道。

图2 下组煤开采顶部岩层破坏形态示意图

采用崩落法采矿造成的透水裂隙，如抵达上覆水源时，则可导致水源涌入井巷，造成突水［5］。因此煤层顶板含水时，则要进行顶板管理，不许冒裂带抵达诸如地表水、老空水或接受降水补给的煤层等强含水层。黄河从本井田西缘流过，河床标高为650 m，太原组4#煤层为340 m，河底与煤层落差达310 m，其间岩性为砂质泥岩、砂岩等。经计算，导水裂隙带最大高度为100 m。当煤矿开采引发的冒裂带在井田范围内特别是井田西缘黄河一带裂隙到达地表时，使地表水通过裂缝流入煤矿上部含水层，进而威胁到煤矿的生产安全。因此，在井田西缘开采应按有关技术规程留足保安煤柱。

2.2.3 地层裂隙与断裂带

一般情况下充水层起蓄水作用，裂隙起输水作用［6］。在矿井生产过程中，当井巷揭露充水层或与充水层有水力联系的裂隙时，地下水会不断地流入井巷，地层的裂隙或断裂带在此条件下可能成为涌水通道。本井矿在生产过程中共揭露20条断层，其中18条为高角度正断层，落差小于5 m，不含水也不导水，对生产影响较小。另外2条走向近东西向的正断层(F1和F2)组合构成聚财塔地堑，其中F1倾向南，落差为100～135 m;F2倾向北，落差为108～135 m(如图3所示)。根据调查，F1断层破碎带已胶结，原始状态下导水性较差，但由于断层向西延伸穿过黄河，因此在此断层附近开采时，若未留下足够的保安煤柱，可能诱发断层导水。

图3 聚财塔地堑剖面示意图

2.2.4 钻孔通道

在进行勘探时，打通的钻孔一般可沟通煤层上下各含水层或地表水［7］。当钻孔封孔质量差、工作面或巷道揭露钻孔时，钻孔极易成为导水通道，从而造成突水事故。由于本矿区钻孔少，未遇到因钻孔而造成的大量突水事故。

3 矿井涌水量预测

矿井实际情况表明，开采上组煤时矿井涌水水源为顶板砂岩含水层，涌水通道为开采过程形成的导水冒裂带，其开采水文地质条件明确简单，开采阶段矿井正常涌水量为175 m3/h，最大涌水量为230 m3/h，因此适当对含水层采取防治措施，不再进行涌水量预测。目前下组煤开采程度低，根据前面矿井充水条件的分析得知，下组煤矿井涌水水源主要来源于顶板太灰含水层，而上组煤采空区积水和奥灰含水层对之影响有限，因此，这里只对下组煤顶板含水层采用解析法和数值法两种方法进行涌水预测。

3.1 解析法

解析法是根据地下水动力学原理，结合矿床疏干实际需要，对不同条件下流向各井、巷及巷道系统的地下水流建立相应的偏微分方程，用解析方法计算他们的涌水量。本次采用的公式为承压完整井流的Dupuit公式:Q=2.73KMS/(lgR－lgr)

Q为预计涌水量，m3/h;r=为大井半径，m;R=10S+r，为引用影响半径，m;M为含水层平均厚度，m;S为疏排水位降深，m;K为渗透系数，m/d。

通过计算得出不同开采水平时下组煤稳定涌水量为118～179 m3/h，见表1。正常涌水量取开采水平为400时的涌水量Q正常=141 m3/h，最大涌水量取开采水平为200时的涌水量 Q最大=179 m3/h。

表1 不同开采水平时矿井稳定涌水量

3.2 数值法

通过前面对矿井充水条件的分析可知，研究区的形状很不规则，矿井充水水源以承压水为主，涌水通道类型多，各通道延深的水平差异大，同时各通道存在着一定的水力联系，据此，可用有限元法进行涌水量预测。用有限元发计算时可分成两步:第一步，据现有巷道的涌水量和观测孔水位拟合，反求参数;第二步，进行巷道延伸时的涌水量预测。在本次预测的过程中，取各疏干孔水头将至计算水平时的疏干孔壁为第一类水头边界，并进行定水头阶段的疏干模拟，直至水头相对稳定，最后计算出稳定条件下各水平标高的稳定矿坑涌水量，计算结果见表2。通过分析得知矿井正常涌水量取开采标高为400水平时的涌水量Q正常=141 m3/h，最大涌水量取标高在270水平时的涌水量Q最大=179 m3/h。

表2 不同开采水平时矿井稳定涌水量

根据双柳矿开采以来采区实际涌水量统计数据，得出解析法计算的数值偏小，相对而言，数值法预测的结果更符合实际。因此，将数值法的预算数值作为下组煤涌水量的最终预测结果。通过以上分析，未来开采上、下组煤时正常涌水量可达279 m3/h，最大涌水量可达360 m3/h。

4 防治对策

为了减小双柳煤矿矿井的涌水几率，根据实际情况可采取如下措施加以防治。

(1)回填法。开矿弃渣不运出矿井，而将其充填到采空区，以增强采空区围岩的稳定性，避免产生裂缝。

(2)防水法。填堵地下进水通道，汇集矿区内原分布的水体并排除;修筑边缘排水沟等地表防、排水工程，以拦截外围流来的降水漫流、浅部潜水，并将其引出矿区影响范围之外。

(3)疏水法。当开采矿床的直接顶底板含水或直接顶底板虽有一定的厚度的隔水层，但间接含水层水压过高有突水危险时，可采用从地表进行预先疏干或降压的方法，以便达到安全采矿的目的。

(4)防渗法。对于透水天窗、通过井巷的断裂带采用注浆工程，在地下筑成不透水体，切断井巷进水通道，用以隔绝涌水水源或大量减少矿井涌水量。对于一些老采区，特别是已闭坑的采区，可采用灌浆方法治理。

(5)在开采煤炭时，要按照规定留足安全煤柱，以降低顶板冒落的几率。

［1］房佩贤，等.专门水文地质学［M］.地质出版社.1987.

［2］卢兰萍，白峰青，缑书宝.小煤矿矿井充水因素分析和防治水措施探讨［J］.煤炭工程.2005(5):37－39.

［3］董书宁，虎维岳.中国煤矿水害基本特征及其主要影响因素［J］.煤田地质与勘探.2007，35(5):34 －38.

［4］张杰坤.矿山环境工程地质学［M］.武汉地质学院北京研究生部.1986.

［5］季翔，伍佑伦，李江武.崩落法开采时复杂顶板的崩落过程分析［J］.金属矿山.2007(4):23 －25.

［6］缪协兴，王安，孙亚军，等.干旱半干旱矿区水资源保护性采煤基础与应用研究［J］.岩石力学与工程学报.2009，28(2):217－227.

［7］王家臣，许延春，岳尊彩.奥陶系石灰岩含水层钻孔隐性漏水机制与防治方法［J］.岩石力学与工程学报.2009，28(2):343－347.

TD823.83

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1004－1184(2012)03－0192－03

2012－03－12

张跃生(1960－)，男，山西忻州人，高级工程师，主要从事水文地质与工程地质方面的研究工作。