神府矿区上覆采空区积水突水危险性分析

蒋泽泉，范立民

(1.陕西省煤田地质局一八五队，陕西 榆林 719000；2.陕西省地质环境监测总站，陕西 西安 710054)

近年来，我国煤矿水害研究取得许多重大成就，有效的减少了矿井水害，保护了矿工生命安全和地质环境。靳德武等[1]介绍了各类矿井水害技术新进展，建立了防治水技术体系基本框架，提出了隐伏导水陷落柱探查、侏罗纪煤田顶板砂岩水防治的具体研究思路。苗文韬等[2]通过对彬长矿区综采放顶煤工作面煤层赋存条件、裂隙带影响高度与开采工艺的研究，结合生产实践经验，提出了矿井继生充水含水层及离层、裂隙储水空间概念，分析了此类矿井的防治水方法。刘腾飞[3]研究了浅埋煤层开采导水裂隙带发育高度，为评价顶板含水层突水危险性提供了技术参数。范立民等[4-6]针对陕北煤炭开采区的地质环境问题，提出了保水采煤理念及实现途径，并进行了工程实践，有效解决了生态脆弱矿区采煤与地质环境保护的矛盾。顾大钊等[7]监测了神东矿区采煤对地下水的影响。张革委等[8]以神南矿区为例，研究了采空区储水机理，提出了风沙滩区有利于采空区形成储水盆地的新理念，进行了实例剖析。王双明、范立民等[9-10]对保水开采地质条件进行了论述，提出了保水采煤地质条件分区。杨虎雄等[11]研究了上覆采空区积水对下组煤安全开采的影响。以上研究，为促进矿井水害防治、地质环境保护起到了重大促进作用。

然而，神府矿区地处缺水地区，发育有5个煤组，每组含煤1～2层，20世纪80年代后期开发以来，最上部的1-2、2-2煤等上部煤层已经大面积采空，形成了采空区，采空区积水越来越受到煤炭安全生产的重视。但针对陕北浅埋多煤层赋存区，上部煤层开采后形成的采空区积水对下部煤层安全开采的影响，少见报道，为此，笔者根据实际勘查和开采实测资料，分析了神府矿区南梁上部2-2煤层开采后形成的采空区积水，探讨了上覆采空区积水对下部3-1煤层开采的突水危险性。

1 上覆采空区积水分析

1.1 采前水文地质条件

南梁煤矿主要含水层包括萨拉乌苏组和延安组裂隙水、烧变岩空隙裂隙水。研究区萨拉乌苏组含水层厚度0～11m。黄土裂隙孔隙弱含水层厚0～62.40m，平均厚20m。延安组砂岩裂隙承压含水层厚度152.45～293.36m之间，平均厚度236.03m，富水性较弱，风化带厚度2.85～37.00m，平均厚15.00m，上部8m左右为强风化层。烧变岩孔隙裂隙潜水含水层呈条带状分布于杨山沟和琵琶沟沟边地带，2-2煤火烧区宽0～700m，3-1煤火烧区宽0～300m，2-2煤和3-1煤火烧重叠区宽0～300m，据以往调查资料2-2煤烧变岩区泉水流量为0.11～0.22L/s，3-1煤烧变岩区泉流量0.08～0.22L/s，含水微弱。

1.2 采后含(隔)水层变化

南梁煤矿2-2煤开采后，上覆岩层会发生弯曲变形和破断，形成冒落带、裂隙带和弯曲变形带即“三带”，使南梁煤矿的含水层补给、径流、排泄条件都发生了变化，随着开采范围的扩大，地下水水流系也会发生改变，甚至形成以采空区为汇水中心的新流畅。

1)根据2-2煤开采导水裂隙带高度的计算，可确定导水裂隙带范围(图1)，位于井田北部小板兔川、满翁沟及南部红草沟、小则沟附近的煤层，由于煤层埋藏浅甚至在沟谷有出露，煤层开采后，导水裂隙带发育到地面，将地表的小板兔川、满翁沟等沟谷溪流切断，在雨季导致雨水直接进入矿井巷道或采煤工作面，而且改变了地表径流与地下迳流的比值。此时，矿井涌水量主要取决于降雨强度和降雨持续时间。

2)采动形成后，冒落带和裂隙带的发育将导致水文地质类型的变化。井田内岩性以砂岩、泥岩为主，在初期采动，未大规模冒落前，基岩中泥岩、粉砂岩层富水性极弱，随着采动范围扩大，岩层松动，裂隙发育，并形成裂隙网络，底部具有隔水层时，隔水岩层变为裂隙含水层，富水性变强，形成采空区积水区。

3)南梁煤矿2-2煤层开采后，煤层上覆延安组与直罗组泥岩、砂泥岩互层组成的隔水层发生松动、离层、开裂、塌落，变成了透水岩组，改变了岩层渗透性，使岩层在水文地质特征上发生了明显变化。

1.3 采空区水害

南梁煤矿3-1煤厚度1.47～4.62m，预计3-1煤导水裂隙带发育高度25.80～70.17m，而3-1煤与2-2煤间隔24.14～40.37m，3-1煤导水裂隙带高度绝大部分发育至2-2煤底板以上(图2)，因此3-1煤一旦回采，产生的导水裂隙带将发育至2-2煤采空区内，沟通上部积水区段，导致2-2煤采空区内的水涌入到3-1煤工作面内，对矿井的安全生产构成威胁。

图2 3-1煤层导水裂隙带最大高度达到2-2煤层范围

2 上覆采空区积水突水危险性分析

2.1 上覆采空区积水来源

井田范围内水文地质条件简单，各含水层富水性弱，2-2煤采空区充水的水源主要有大气降水、地表水和地下水。

大气降水：南梁煤矿地处神木县境内，神木县1956～2012年多年平均降水量434.1mm，其中7～9月降雨占全年的66%，以短时间暴雨为主，加之南梁煤矿范围内地形破碎，沟壑发育，降雨多以洪水径流的方式流失，少量通过采空区发育的裂缝入渗到煤矿采空区及采煤工作面，为2-2煤采空区积水的间接补给水源。

地表水：南梁煤矿范围内的主要沟流为小板兔川和琵琶沟从煤矿的北部通过；红草湾沟、红草沟、压沟、小则沟、水铜树渠汇入黄羊城沟从煤矿南部通过，黄羊城沟为小流量常年性河流，雨季有洪流，采煤工作面穿越沟谷底部、2-2煤导水裂隙带高度发育到地表，就会将河水直接导入矿井，为2-2煤采空区积水的间接补给水源。

地下水：南梁煤矿范围内地下水主要为基岩含水层中水，采用抽水试验及泉流量参数评价，含水微弱。2-2煤层之上的厚层状砂岩含水层，岩性为中、细粒砂岩，结构致密、裂隙不发育，虽为2-2煤采空区积水的直接补给水源，但富水性弱，补给量小。

2.2 上覆采空区积水量

2.2.1 采空区积水量理论分析。

南梁煤矿2-2煤开采后，裂隙带发育高度达到42.71m，影响范围内的顶板砂岩水将汇集到采空区，此外，沟谷(满翁沟、小则沟)附近由于煤层埋藏浅，导水裂隙带发育到侏罗系顶界面以上，沟谷地段发育到地面，使得采空区与地表水系直接连通，每年7～9月的雨季，雨水及沟流水会沿导水裂隙带进入2-2煤采空区。通过分析，2-2煤老空积水有以下两种情况：第一种情况，顶板完整时2-2煤采空区积水可能较小；第二种情况，裂隙发育或位于沟谷附近的采空区积水量可能较大，相应的对下部3-1煤开采威胁也就较大，由于采空区间循环条件差，采空区积水以静水储量为主。准确的预计积水量极其积水部位是老空防治工作的关键也是难点。因此可通过对老空底板起伏位置进行了准确的分析，划分并圈定积水地段，来预测积水量，积水量计算见式(1)。

(1)

式中：W为积水量，m3；M为煤层厚度，m；S为采空区淹没面积，m2；α为煤层倾角，o；K为含水系数。M、S、α皆为固定值，因此K的取值是采空区积水量计算准确性的关键参数。

1992版《煤矿安全手册》给出的K取值范围为0.25～0.5，且与采煤方法、回采率、煤层倾角、顶底板岩性及其工程地质条件、采后间隔时间等因素有关，而对采空区充水系数影响最大的因素是煤层顶板岩性及其碎涨程度，而影响的结果最终都直观地表现为地表下沉。充水系数(K)及地表下沉量(H)都与工程地质条件、采煤方法等诸因素有关，经过论证，它们之间存在着某种必然的联系，充水系数可以通过下沉量数值关系推导。

地面沉降的主要原因有两种，一是采矿工程造成；二是超量开采地下水造成。南梁煤矿的地表下沉属于采矿工程成因。南梁煤矿2-2煤层近水平，用走向长壁综采法开采，全部垮落法管理顶板，匀速推进开采，采后形成“三带”，其中垮落带杂乱无章，块体间空(裂)隙多而大，初次放顶之初在横向上产生一些离层裂隙(可以形成离层水富集)，随后这些横向裂隙及大部分纵向裂隙又逐渐弥合，开采完毕后，经过一段时间，岩层移动达到稳定，张性裂隙和离层裂隙弥合，宏观上岩层整体下移、体积没有改变；缓慢变形带裂隙很少，只是整体弯曲、下沉，而岩层体积没有变化。

因此，2-2煤层开采后，采空区体积一部分被垮落岩石碎胀后增加的那部分体积充填，其余部分体积则通过上覆岩层的下移被转移到地表，最终表现为地表沉降。所以关系式(2)成立。

V=V1+V2

(2)

式中：V为采空区体积，m3；V1为下沉盆地的体积，m3；V2为垮落带岩石的残余碎胀体积，m3。采空区积水体积V’应等于垮落带岩石碎块间的空隙体积之和，见式(3)。

V′=V2=V-V1

(3)

充水系数见式(4)。

(4)

从而得到充水系数K与地表下沉量H的关系式(5)。

(5)

因此，可通过对地表下沉量的观测，利用上述公式确定充水系数。

2.2.2 采空区积水量及分布区域。

根据采煤工作面底板等高线变化及采空区充水条件，确定了13处积水区，对积水面积、积水量进行了预计，其中7号积水区积水量达15.3万m3，其余0.32万～9.70万m3不等，总计积水量达45.76万m3。由于采空区积水是一个逐渐积累、积少成多的过程，因此，采空区积水量一定时间后还会有所增加，采空区积水对3-1煤安全开采将构成严重的威胁。因此，对采空区积水要采取有效的防治水措施。

2.3 上覆采空区积水对3-1煤开采危害分析

根据上述采空区充水原因和煤层采后水文地质条件分析，采空区充水水源主要是地下水，其次大气降水，局部地表水；充水通道主要为冒落带及裂隙带。

2.3.1 上覆采空区水害特点

陕北浅埋煤层采空区积水作为突水水源，与其他矿区类似，但南梁煤矿采空区积水水害还具有自身特征。

1)南梁煤矿2-2煤层采空区积水多以静储量为主，补给来源有限，形成“顶盆水”突水隐患源，当下部3-1煤层开采时，煤层覆岩厚度较小，煤柱强度小于“顶盆水”的静水压力或开采煤层覆岩导水裂隙带直接波及到“顶盆水”的盆底时，就会发生突水。

2)南梁煤矿2-2煤层采空区积水与其他突水水源没有水力联系，其突水特点是瞬时突水量大，衰减快，疏干时间不会太长。若采空区积水与其他水源具有水力联系，如与地表河流、沟流沟通，就可形成长时间的突水，并加剧裂隙发育程度，进一步扩大突水水源范围，将附近的地表水、含水层水导入井下，形成地下水强烈渗漏区，对煤矿安全生产的危害变大。

2.3.2 上覆采空区积水对3-1煤开采的危害

2.3.2.1 巷道掘进水害隐患

1)2-2煤开采底板破坏深度。2-2煤层开采影响底板破坏程度的主要因素是采深、采厚、工作面规格(长度和推进长度)、顶板管理方法、煤层底板岩石强度、岩层组合及原岩工程地质条件等。根据南梁煤矿2-2煤开采特点，煤层采动底板导水破坏深度可依据《“三下”采煤规程》公式(8)及式(9)计算。

h=0.7007+0.1079L

(8)

h=0.303L0.8

(9)

式中：h为底板采动导水破坏带深度，m；L为壁式工作面斜长，m。

2-2煤工作面斜长为225m，采用式(8)及式(9)计算底板采动破坏深度分别为24.98m和23.04m。

2)巷道掘进水害隐患部位分析。根据钻孔统计2-2煤与3-1煤间距，2-2煤与3-1煤间距为15.55～40.37m，平均34.14m，根据上述公式计算2-2煤底板采动导水破坏带深度可取23.04～ 24.98m。由此可知，2-2煤回采后部分间距较小区域(小于25m)，底板破坏范围达到3-1煤层，在此区域3-1煤巷道掘进时上部采空区积水就会涌入井下，井田南部及西北部采空区积水危险性极高，在3-1煤巷道掘进前就要对采空区积水彻底疏排。

2.3.2.2 3-1煤工作面水害隐患分析

根据前面分析，南梁煤矿3-1煤开采工作面都会不同程度受到其上覆2-2煤采空区积水的影响和威胁，特别是位于井田内河流、沟谷的中下游地段位置下的工作面，2-2煤采空区积水量可能更大，对3-1煤工作面开采的水害威胁更应引起高度重视。

2-2煤导水裂隙带大部分能连通至风化基岩底界，在沟谷附近，3-1煤露头附近开采的工作面，受2-2煤开采地表裂隙的影响，在雨季时大气降水及山洪会沿地表采动裂隙带侧向为主进入3-1煤开采工作面，对矿井生产造成威胁。

3 结论

1)神府矿区南梁煤矿2-2煤开采后采空区具有45.76万m3的积水，积水区底面与3-1煤间隔水岩组厚度24.14～40.37m，3-1煤开采的导水裂隙带发育高度25.80～70.17m，可以导通上覆采空区的积水，2-2煤采空区积水是3-1煤开采的直接充水水源。

2)神府矿区为多煤层发育区，各煤层间距一般15～50m，目前上部煤层开采区域不断扩大，形成了大面积的采空区，多数采空区裂隙直达地表，极易接受大气降水的入渗补给，从而形成采空区积水，对下部煤层开采形成水害隐患，采空区积水将成为神府矿区未来重要的突水水源。

3)具有上覆采空区积水的下部煤层开采前，应探明采空区积水位置、积水量、与地表水及强含水层的水力联系，评价采空区积水突水危险性，科学制定防治水技术方案，确保煤矿安全。

[1] 靳德武，刘英锋，刘再斌，等.煤矿重大突水灾害防治技术研究新进展[J].煤炭科学技术，2013，41(1)：25-29.

[2] 苗文韬，苗合坤，牛中平.矿井继生充水含水层的涌水特征及其水害防治措施[J].煤田地质与勘探，2013，41(2)：46-50.

[3] 刘腾飞.煤矿开采导水裂缝发育高度及影响因素分析[J].煤田地质与勘探，2013，41(3)：34-37.

[4] 范立民.论保水采煤问题[J].煤田地质与勘探，2005，33(5)：50-53.

[5] 范立民，蒋泽泉.榆神矿区保水采煤的工程地质背景[J].煤田地质与勘探，2004，32(5)：32-35.

[6] 王双明，范立民，马雄德.生态脆弱区煤炭开发与生态水位保护[C]//2010年全国采矿科学技术高峰论坛论文集，2010：212-216.

[7] 顾大钊，张建民，王振荣，等.神东矿区地下水变化观测与分析研究[J].煤田地质与勘探，2013，41(4)：35-39.

[8] 张革委，蒋泽泉，李涛.陕西榆神府矿区采空区储水机理研究[J].陕西煤炭，2012，31(2)：32-34，47.

[9] 王双明，黄庆享，范立民，等.生态脆弱矿区含(隔)水层特征及保水开采分区研究[J].煤炭学报，2010，35(1)：7-14.

[10] 范立民，马雄德，杨泽元.论榆神府区煤炭开发的生态水位保护[J].矿床地质，2010，29(S1)：1043-1044.

[11] 杨虎雄，田取珍，王旭杰，等.采空区积水对下组煤开采影响分析[J].煤矿安全，2013，44(6)：196-198.