蒋家河煤矿水文地质特征及防治水措施

文/张西寨

蒋家河煤矿水文地质特征及防治水措施

文/张西寨

蒋家河煤矿为彬县煤炭有限责任公司新建矿井，位于黄陇煤田中段的彬长矿区南部,主采煤层为侏罗纪延安组4号煤层优质长焰煤，位于白垩系洛河组砂砾岩含水层和侏罗纪直罗组砂岩富含水地层之下。煤矿在巷道掘进和工作面回采的过程中，巷道和回采工作面顶板淋水涌水严重，影响了正常生产。本文在蒋家河煤矿实际生产中不断摸索的基础上，结合矿区地质条件和区域水文地质特征，借鉴彬长矿区已经建成投产的大佛寺、亭南、下沟、火石咀等矿井在矿井水防治方面取得的成功经验，阐述有效的防治水措施，可实现富含水层下煤炭安全开采的目标，在彬长矿区具有一定的推广和借鉴意义。

一、地质特征

彬长矿区位于鄂尔多斯盆地南部的渭北隆起北缘的彬县—黄陵坳褶带，出露的地层有三叠系、侏罗系、白垩系、第三系和第四系。总体构造形态为中生界构成的NW缓倾的单斜构造，在此单斜上展布一些宽缓而不连续的次级褶皱构造。从南到北，矿区发育的背斜有太峪背斜、彬县背斜、路家—小灵台背斜及矿区北部的七里铺—西坡背斜。褶皱构造两翼多不对称，南缓北陡，南翼1°～3°，北翼4°～8°，它们对矿区煤层分布起着一定的控制作用，背斜轴部常缺失含煤地层及煤层。地表未发现断层，在矿区的水帘矿、火石嘴矿、下沟矿和蒋家河矿的生产矿井中，可见少量断距为1.2～6m的小断层。未见岩浆岩和火山岩侵入，该矿区为简单构造。

二、矿区水文地质条件

矿区地层平缓，未发现断层，地质构造简单，周边无老空积水区，无较大的地表径流水系。水文地质勘探类型属以裂隙充水为主，水文地质条件属于简单类型，即“二类一型”。煤层直接充水含水层为侏罗系中统直罗组砂岩裂隙含水层，以及侏罗系中统延安组煤层及其顶板砂岩含水层，充水方式为顶板进水。各直接充水含水层埋藏深，裂隙不甚发育，补给来源有限，导水性差，迳流滞缓，富水性微弱。

井田主采煤层4号煤层厚度为0.8～10.85m，平均厚度为5.29m，煤层底板标高550.97～723.24m，埋深322～636.80m，位于当地侵蚀基准面之下。煤层下伏岩层含水微弱，可视为相对隔水层。影响矿井生产的主要有洛河组砂砾岩含水层、直罗组砂岩含水层、延安组煤系含水层。

三、构造及煤厚分布特征

根据一采区首采工作面巷道掘进实测剖面的揭露情况（图1），在工作面走向上的煤岩层构造特征主要表现为一宽缓向斜褶皱。煤层厚度和展布特征为巷道中段厚，两端薄，且较厚部位恰好在向斜的轴部，最厚煤层为9.9米，最薄为1.7m米。二采区首采工作面也具有一采区首采工作面的构造特征和煤层分布特征，说明矿区煤层受赵坡向斜构造控制。

图1 一采区首采工作面剖面示意图

四、工作面涌水情况

蒋家河煤矿2010年底开始试生产运行，一采区首采工作面走向长度1750m，倾斜宽约150m，采用走向长壁式综合机械化放顶煤开采，采高约3.1m，放顶厚度约2.6m，根据该工作面试采推进过程中出水情况，涌水步距约90～100m，涌水量最大约35m3/h，最小约5m3/h。

二采区首采工作面走向长1400m，倾斜长151m，掘进期间顺槽主要以顶板淋水为主，淋水量衰减速度慢，淋水略带咸味，多在锚杆、锚索孔淋出。回风顺槽从172m至410m顶板局部有淋水，但不影响正常生产，从410m处开始至586m左右淋水增大，淋水区长度约176m，巷道淋水面积约700m2，淋水量约30m3/h，均为顶板淋水，运顺情况与回顺基本相似。

二采区首采工作面回风顺槽掘进至172m处遇到断距约3m的北倾正断层（图2），断距约2.6m，断层带宽度约0.5m，断面处煤岩破碎，瓦斯涌出增大，淋水量增大。运输顺槽掘进至83.5m处遇到断距约3.5m的北倾正断层（和回顺为同一断层），断层处均有顶板破碎、顶板淋水、瓦斯浓度升高的特点。

图2 断层示意图

五、水文地质因素分析

1．充水水源。工作面掘进和回采期间大气降水和地表水均未对矿井生产造成影响，因此依据两个采区首采工作面的充水特征，结合地质勘探成果，一采区首采工作面顶板涌水可能为延安组上段岩系含水或直罗组底部岩层含水；据二采区首采工作面掘进期间淋水特点及水量大小判断，也可能为直罗组和延安组含水层裂隙水。

2．充水通道。由于4号煤层上覆地层岩性以细砂岩、粉砂岩为主，其次为中粒砂岩，粗粒砂岩及泥岩，呈互层状结构。因此在冒落带高度较小区域，矿井充水通道为构造原生裂隙。

随着矿井的开拓，导水裂隙带的形成和扩展，白垩系洛河组砂岩孔隙～裂隙含水层中的地下水亦可能在局部地段通过透水“天窗”进入井巷系统。根据4号煤开采过程中所形成的导水裂隙带高度所能波及的范围，所确定的突水保护层的厚度为13.72m～105.82m，局部地段洛河砂岩含水层有可能与4号煤导水裂隙带贯通。

3．充水强度分析。蒋家河矿二采区4号煤层含水层下开采论证分析认为：导水裂缝带波及不到白垩系含水层时，侏罗系最大涌水量Q=150m3/h，二盘区最大涌水量为225m3/h。导水裂缝带波及到白垩系含水层时，白垩系最大涌水量Q=2637m3/h。因此，可得出白垩系含水层和侏罗系含水层涌水量为2862m3/h。地质勘探成果认为全井田矿井正常涌水量：145.99m3/h；井田南北两个透水“天窗”的总充水量为529.89m3/h。可行性研究报告分析认为矿井正常涌水量为150m3/h，矿井最大涌水量为230m3/h。

两个采取首采工作面的实际生产数据测算表明，矿井正常涌水量为160m3/h，最大涌水量为314.4m3/h。说明首采工作面的掘进和生产还未导通白垩系地层含水，淋水和涌水主要为延安组和直罗组地层含水。随着巷道掘进和回采形成的采空区逐步增大，顶板冒落高度及导水裂隙带的进一步发育，矿井可能有大量的地下水涌入，对矿井的安全生产造成较大的影响，应该引起足够的重视。

六、地质影响因素分析

1．围岩岩层力学特征。主采4号煤层底板主要为泥岩、页岩，特别是遇水泥化的铝土质泥岩，单轴干燥抗压强度27.1～48.44MPa，坚固系数集中在0.9～1.2，RQD值35.67～47.70，软化系数0～0.35，泥岩的泥化比为1.51～3.35，属于遇水易泥化岩石。整体而言，4号煤层底板岩层属于稳定性很差、易膨胀软化、坚固性差、强度低的岩层。

主采4号煤层赋存的侏罗纪地层具有泥类岩层所占比例较大，上覆岩层为软硬互层，而且具有软岩单层厚度大、岩石力学强度低等特征，总体为中硬偏软弱的岩层，主干强硬岩层比例较低，容易形成大范围的采空垮落区域，造成导水裂隙带延伸高度加大。

2．防隔水层厚度分布不均。二采区首采工作面所在区域钻孔表明，此工作面需要通过井田北部“透水”天窗所在部位，该区段老顶厚度约23m左右，主要为粉砂岩、粗砂岩和细砂岩，其上无厚度较大粘土隔水层，依据勘探报告导水裂隙带最大高度160.73m，突水保护层的厚度仅为13.72m，最大充水量为262.14m3/h，因此在该工作面及其相邻的工作面掘进和开采过程中需做好防透水、突水预案和防范措施。

3．扰动矿压的影响。一采区和二采区首采工作面均为整个矿井的首采工作面，初次扰动该区域上覆岩层，矿山压力显现将会比较明显，加之工作面中部煤层厚度较大，扰动就更加强烈，因此对造成上覆岩层次生裂隙逐步增加，地层含水沿次生裂隙大量涌入巷道和工作面。

七、综合治理措施

1．采前探测。采前探测导水裂缝带高度和导水裂缝带高度，为合理开采厚度提供依据；探测煤层厚度和侏罗系岩层厚度，确保实际的安全煤岩柱垂高不小于设计尺寸；及时核实和调整开采厚度，在工作面掘进期间通过向巷道顶板打探测孔的方法探测顶煤的厚度，并根据探测到的煤厚情况对巷道进行调整；掘进时要密切注意可能出现的断层，对可能导水的有关断层进行超前探测，根据断层的具体情况留设断层煤柱。

2．疏干降压。为了防止直罗组、延安组含水层向工作面过量充水，采前在疏水顺槽内布置部分仰上探放水钻孔，预先疏降延安组、直罗组含水位，疏水钻孔的间距初定为50～200m，根据钻孔出水量的大小调整钻孔间距。

3．采用合理的开采工艺。加强工作面支护，特别是在老顶初次来压和周期来压期间，做到及时支护，并搞好工作面端头支护；采取合理的推进速度，尽量做到回采工作面连续快速和匀速推进，防止冒顶事故的发生；结合具体情况研究制定切实可行的放煤措施，仔细检查核实放出煤量，并与设计放煤厚度进行对比。

4．建立完善排水系统。建立健全畅通的矿井和采区疏排水系统。加强排水设备的维修与管理。定期清理水沟和水仓，确保疏排水系统的正常。及时排水，在工作面可能出现涌水或淋水现象的块段内提前施工区段水仓。

八、结论

1．侏罗系直罗组砂岩含水层和延安组砂岩含水层是矿井的直接充水含水层。白垩系洛河宜君组砂砾岩孔隙～裂隙含水层分布范围广，厚度大，富水性强，是矿井的间接充水含水层，随着矿井的开拓会造成较大的安全威胁，应该引起重视，提前做好防范措施。

2．二采区“透水天窗”是矿井地下水比较容易进入的区域，需要提前制定科学可靠的防范措施。

3．一二采区首采工作面掘进和回采期间涌水均为延安组及直罗组地层含水，涌水量和涌水强度不是很大，可以采取及时安全的措施予以防治。随着矿井开拓和开采面积的逐步扩大，导水裂缝带波及到白垩系含水层时，可能有较大的涌水量，将会造成较大的安全威胁，也是矿井在未来生产中需要切实防范的安全隐患。

4．蒋家河煤矿的生产实践表明，采取合理的开采工艺，制定切实可行的防治水措施，4号煤层可以实现富水层下安全开采，同时也为彬长矿区矿井防治水积累了丰富的经验。

（作者单位：陕西彬县煤炭有限责任公司）

（责任编辑：庞永厚）