重庆鱼田堡煤矿矿井涌水量变化特征研究

陈正华，徐 洪，孙从露

(1.重庆地质矿产研究院重庆市地质灾害自动化监测工程技术研究中心，重庆 400042；2.重庆地质矿产研究院外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室，重庆 400042；3. 重庆地质矿产研究院煤炭资源与安全开采国家重点实验室重庆研究中心，重庆 400042)

重庆鱼田堡煤矿矿井涌水量变化特征研究

陈正华1,2,3，徐 洪1,2,3，孙从露1,2,3

(1.重庆地质矿产研究院重庆市地质灾害自动化监测工程技术研究中心，重庆 400042；2.重庆地质矿产研究院外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室，重庆 400042；3. 重庆地质矿产研究院煤炭资源与安全开采国家重点实验室重庆研究中心，重庆 400042)

鱼田堡煤矿是我国南方水害最为严重的矿井之一，在对其闭坑前7年矿井不同水平涌水量台账整理的基础上，通过分析不同地段涌水量变化曲线、涌水量突变点、以及各地段涌水量的占比变化情况，结合采掘活动得出以下结论：①不同水平顶板离层储水空间具有较好的连通性，在下水平成为主要涌水途径后，上水平的涌水量同步大幅减小；②同一开采水平不同石门间，当新掘进到新石门周边，形成新的涌水通道后，原石门涌水量先明显下降，之后随着覆岩逐步稳定，顶板离层裂隙逐渐变小，涌水量也缓慢降低；③最上部一水平总仓受降雨入渗直接补给，最下部三水平开采地段西4石门涌水量占全矿涌水量66.45%，受降雨影响明显，补给来源包含地表降雨以及受地表降雨补给的各类地下水。研究不同水平不同石门涌水量特征对深入了解矿区地下水的运移规律，以及类似条件矿区布置防治水工作具有参考价值。

岩溶；煤矿；涌水量；采动裂隙；动态规律

矿井的开拓延深及地面降雨量对于矿井的涌水量是非常重要的影响因素，有时起着决定性作用。一般，矿井的开挖量越大，地面降雨越多，相应的井下涌水量就越大[1]。许多学者[2-8]对矿区涌水量进行了研究，大量文献集中于利用各种方法手段对矿区整体涌水量预测，而对于分析不同水平巷道及石门涌水量变化过程及特征，以更精细化明确矿区涌水量变化规律的文献较少。鱼田堡煤矿是我国南方水害最为严重的矿井之一，累积了较为详细的矿区涌水量台账，于2015年底正式关闭。本文在对重庆鱼田堡煤矿近7年矿井不同水平涌水量整理的基础上，通过分析涌水量变化曲线、涌水量突变点、各地段涌水量的占比变化，结合采掘活动布置情况，查明不同水平和不同石门与开采活动及降雨的关系，进一步探讨采动条件下的不同地段涌水量变化规律。

1 研究区概况

1.1 水文地质

鱼田堡煤矿处于黔北高原与四川盆地过度的丘陵地带，地貌发育为构造侵蚀地形和岩溶地形，地势南北高，中部为嘉陵江组石灰岩岩溶溶蚀谷地，属亚热带盆地内陆性气候，温湿多雨，年降雨日超过200 d，年降雨量940.1～1 589.6 mm，主要集中在6月、7月。矿区内分布有刘家河、鱼田堡河两条主要河流及东翼的大石板河(小溪) ，受降雨影响大，矿井周边横向冲沟发育，有利于地表水的排泄。矿区大部分为岩溶地区，受到侵蚀基准面(+265 m)的影响，在+265 m 以上含水层含水性较强，岩溶十分发育，富水性好；+265 m 以下含水性较弱，深部含水极少，岩溶基本不发育，富水性差。研究区水文地质平面图及涌水量观测点分布见图1。研究区剖面图见图2。

图1 研究区水文地质平面图及涌水量观测点分布示意

1.2 开采历史及现状

矿井分东西两翼开采，其中东翼走向长1.4 km，西翼走向长2.3 km。对K3煤层开采布置了三个水平：+150 m以上为一水平，+150～-100 m为二水平，-100～-350 m为三水平。从1961～1984年开采K3煤层的第一水平；1984～1996年开采的第二水平；1997 年至今开采-100～-350 m水平的煤层。

随着鱼田堡煤矿向深部开采，涌水量的随着降雨量与采空区的动态变化而逐渐增大，并且在+150 m水平、-100 m水平、与-350 m水平出现不同的变化，而且东西巷道由于在+250 m以下都留设有安全煤柱，将+250 m以下的地下水划分为东、西两个相对独立的水文地质单元。

三水平东大巷2004年停采后，东大巷多年未进行采掘活动，直至2011年4～8月开采三水平东大巷3401中4工作面，随后一直停采到煤矿关闭。

三水平西大巷2009～2015年间主要开采-350 m水平煤层，自西2石门向西4石门方向推进，于2012年4月开始开采西4石门与刘家河之间的煤层，直至煤矿关闭停采时(2015年11月)，主要采掘工程仍位于西4石门与刘家河之间的煤层。

图2 研究区剖面图

2 近7年矿区涌水量特征

2.1 整个矿区涌水量曲线特征

总观鱼田堡煤矿2009～2015年全矿月涌水量(图3)，自2012年起涌水量大幅上升，每年年内全矿涌水量会出现1～2个高峰，均出现在雨季，说明全矿涌水量与降雨量有非常密切联系。

2.1 各水平涌水量曲线特征

图4～10分布显示三个水平多处地点涌水量在近7年间的变化趋势：一水平总仓于2011年涌水量大幅下降，变幅减小；二水平西大巷与二水平东大巷月涌水量变幅小，无明显上升和下降趋势；三水平西4石门在2013年月涌水量大幅上升约200 t/h；三水平西2石门在2013年月涌水量大幅下降变幅减小；三水平E1石门与E3石门月涌水量都在2011年出现突变，前者月涌水量明显增大且变幅增大，后者涌水量突增后又下降到更低的水平保持稳定。

图3 全矿月涌水量趋势图

图4 一水平总仓月涌水量趋势图

图5 二水平西大巷月涌水量趋势图

图6 二水平东大巷月涌水量趋势图

图7 三水平西4石门月涌水量趋势图

图8 三水平西2石门月涌水量趋势图

图9 三水平E1石门月涌水量趋势图

图10 三水平E3石门月涌水量趋势图

3 矿区月涌水量突变点分析

根据对近7年不同水平不同地点涌水量变化趋势(图3～10)进行对比，明确存在以下两个时间点的变化。

3.1 2011年5月涌水量突变

1)一水平总仓月涌水量开始大幅减小并稳定在50 t/h(图3)。

2)三水平E1石门月涌水量从28 t/h大幅增加到162 t/h，随后稳定在60～140 t/h 之间(图9)。

3)三水平E3石门月涌水量从57 t/h大幅增加到206 t/h，但迅速下降并维持在20～30 t/h之间(图10)。

4)据查这三个地段涌水量变化与2011年4～8月开采三水平东大巷3401中4工作面有关。2011年5月19日夜班3401中4工作面下顶导致三水平E1石门排水释放压力，同水平E3石门涌水量减小，+150 m泄水巷道地下水水位下降低于+150 m以致干涸，致使一水平总仓水量同步减小，水量集中到E1石门释放，说明一水平+150 m泄水巷道地下水与三水平(-350 m)东大巷是连通的，采掘活动造成地下水径流排泄条件发生改变。

3.2 2013年5月涌水量突变

1)三水平西4石门涌水量从206 t/h大幅增加到366 t/h，随后居高不下，基本维持在400～500 t/h之间(图7)。

2)三水平西2石门在2013年雨季西4石门涌水量突增时未出现涌水量增大反而呈现下降趋势，并在此后维持在50～150 t/h之间随降雨小幅波动(图8)。

3)推测与2012年6月至2013年5月期间开采西4石门西侧4#煤层3404W2采区有关，于2013年5月正好采完这段煤层，使之与西4石门东侧和西2石门之间的采空区相连，覆岩受扰动，采区上部离层向西4石门移动，导致离层中赋存部分地下水由西2石门转移到西4石门，在西4石门成为地下水主要排泄途径之后，西2石门涌水量骤减，约有200 t/h的西2石门涌水自2013年5月转移到4石门涌出。同样说明采掘活动造成地下水径流排泄条件发生改变。

4 矿区月涌水量占比变化分析

由于西2石门只观测了2009年4～7月，以及2011～2015年涌水量数据，为了方便对比，我们选取2011～2005年每年12月以及2009年5月涌水量制作饼图(图11～16)分析2009～2015年随着采掘活动不断深入，地下水涌水量的变化过程。

4.1 一水平总水仓涌水量占比变化

一水平总水仓涌水量2009年占到36.2%，到2011年开始急剧下降到9.66%，最后逐渐下降到2015年时仅为5.43%，反映出2011年4～8月开采东大巷3401中4工作面对一水平总仓涌水量的影响过程。

4.2 二水平涌水量占比变化

二水平东大巷和西大巷涌水量占比在2009～2015年间很小且变化不大，说明在2009～2015年间开采三水平时期，已结束开采的二水平采掘工作面上覆岩相对稳定后顶板采动离层、导水裂隙有大幅度减小，以致“地下水库”在上述稳定地段基本未向巷道涌水。

4.3 三水平东大巷涌水量占比变化

三水平E1石门涌水量在2011年开采煤层时急剧上升到23.07%，结束开采后2012年急剧下降到13.24%，随后保持稳定并缓慢下降到2015年时为10.06%；三水平E3石门涌水量2009年最高，到2011年受采掘活动影响地下水转移到E3石门排泄而急剧下降到4.25%，随后保持稳定并缓慢下降。反映出2011年4～8月开采东大巷3401中4工作面对三水平东大巷E1石门和E3石门涌水量的影响过程，采掘活动结束后，涌水量缓慢下降。

4.4 三水平西大巷涌水量占比变化

三水平西2石门在2009～2012年涌水量占比逐渐增大，与西2石门周边采区面积增大有关，同期西4石门涌水量占比基本保持恒定；自2013年起，由于采掘工作面转移到西4石门以西，西2石门大量涌水量转移到西4石门涌出，导致西4石门涌水量占比突增，而西2石门涌水量占比陡降，反映出开采工作面转移对三水平西大巷两个石门涌水量占比的影响。

图11 2009年5月各涌水量占比图

图12 2011年12月各涌水量占比图

图13 2012年12月各涌水量占比图

图14 2013年12月各涌水量占比图

图15 2014年12月各涌水量占比图

图16 2015年12月各涌水量占比图

5 涌水量曲线表现形式

根据对近7年涌水量变化过程和突变点的分析，以及各涌水量占比对比，分析鱼田堡煤矿不同水平不同地段涌水量变化特征有以下几类表现形式。

5.1 受降雨影响明显

涌水量曲线或多或少体现出随降雨变化的趋势，根据变化的幅度，主要以一水平总仓和三水平西4石门变化幅度最大。一水平总仓涌水量受地表降雨入渗直接补给，反应迅速，一般降雨后1 d时间明显增大；三水平西4石门一般为降雨后3 d涌水量大幅上涨，补给来源中包含地表降雨以及受地表降雨补给的各类地下水。

5.2 部分地段涌水量保持稳定

以二水平东大巷和二水平西大巷涌水量为主，体现出涌水量与采掘活动基本无关的变化，说明1984～1996年开采的第二水平结束开采后上方覆岩早已稳定，并不随三水平采掘工程活动区域、开采强烈程度、开采起止时间、采空区面积扩大等因素变化。

5.3 采掘前后发生明显变化

1)采掘后涌水量变大。以三水平E1石门和三水平西4石门涌水量为主，当开采对应石门周边的采区时，涌水量呈现出明显上升趋势。体现出涌水量与采掘活动密切相关的现象，说明正在开采的第三水平上方覆岩受到扰动，顶板离层水在工作面剪切裂缝涌出。

2)采掘后涌水量变小。以三水平E3石门和三水平西2石门涌水量为主，当本石门已采过，开采本水平的其他石门采区时，本石门涌水量呈现出明显下降趋势。说明第三水平上方覆岩开采过后逐渐稳定，上部离层裂隙变小，大量顶板离层水转移到开采工作面涌出。

5.4 涌水量的转移

主要有2次涌水量转移，均与采掘活动密切相关。一是3401中4工作面下顶后+150 m泄水巷道地下水干涸导致一水平总仓涌水量减小，同时三水平E3石门涌水量减小，减少的地下水转移到三水平E1石门排泄；二是开采西4石门采区时，约有200 t/h的地下水自西2石门转移到西4石门排泄。

5.5 总量基本保持不变

上述转移的发生也与采掘活动密切相关，在转移发生的同时(2011年、2013年)，矿区全矿涌水量没有发生变化，总量基本保持不变，全矿涌水量与整个矿区地下水的补给来源及范围有关。

6 总结矿区涌水量规律

1)涌水量与开采活动密切相关，开采导致上方覆岩受到扰动，全矿大部分的涌水为顶板离层水在工作面剪切裂缝涌出，采掘工作面的推进改变了地下水的径流排泄条件。

2)不同水平的涌水量对比显示：在下水平成为主要涌水途径后，上水平的涌水量同步减小。说明不同水平顶板离层储水空间具有较好的连通性，当有更低处成为汇水的地段，高处顶板储存的地下水运移到最低处涌出。

3)同一开采水平不同石门间，当新掘进到新石门周边，形成新的涌水通道后，原石门涌水量先明显下降，之后随着覆岩逐步稳定，顶板离层裂隙逐渐变小，涌水量也缓慢降低。

4)涌水量的变幅反映受降雨影响大小，一水平总仓与三水平西4石门变幅约100 t/h，最为明显，说明每次降雨过程中，上部一水平总仓受入渗直接补给，最下层三水平开采中西4石门补给来源包含地表降雨以及受地表降雨补给的各类地下水。

[1] 沈照理,朱宛华,钟佐桑.水文地球化学基础[M].北京:地质出版社,2007.

[2] 朱宏军.鸳鸯湖矿区矿井涌水量预测方法研究[D]. 北京：煤炭科学研究总院，2014.

[3] 冯更辰,郝俊杰,谭俊, 等. Visual Modflow 模型在白涧铁矿区矿井涌水量预测中的应用[J].中国岩溶,2011,30(3):271-276.

[4] 程军,姚光华.鱼田堡煤矿水文地质特征及深部突水模式分析[J].中国煤田地质,2007,19(5):31-34.

[5] 李海伟,李利娟,赵明,等. 大平煤矿矿井导水因素及涌水量变化规律[J].煤,2011 (5):52-54.

[6] 曹雪春.谢一矿充水因素分析及矿井涌水量变化特征研究[D].合肥：合肥工业大学，2011.

[7] 徐海洋.重庆鱼田堡煤矿矿井充水条件分析及治理方案[D].成都：成都理工大学，2009.

[8] 陈利娟.鱼田堡煤矿矿坑水动态分析及涌水量预测[D]. 成都：成都理工大学，2009.

Study on characteristics of water inflow change in Chongqing Yutianbao coal mine

CHEN Zhenghua1,2,3，XU Hong1,2,3，SUN Conglu1,2,3

(1. Chongqing Engineering Research Center of Automatic Monitoring for Geological Hazards, Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources,Chongqing 400042, China; 2. Chongqing Key Laboratory of Exogenic Mineralization and Mine Environment, Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources, Chongqing 400042, China; 3. Chongqing Research Center of Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources， Chongqing 400042, China)

Yutianbao coal mine is one of those mines mostly influenced by water catastrophes in the south of China. Based on the water inflow ledger of different levels over seven years before mine closure，through the analysis of water inflow change curve in different sections, water inflow mutation point and water inflow proportion change in different sections, combined with mining activities, we draw the following conclusions: ①different levels of roof separation and water storage space has better connectivity, when lower level becomes the main inflow way, upper level inflow synchronically decreases; ②When new exploitation approaches the new Shimen and forms a new channel, original Shimen water inflow greatly decreases at first and then gradually stabilizes. Roof separation cracks gradually become smaller, water inflow decreases slowly; ③Uppermost level one is directly supplied by rainfall infiltration, lowermost level three is significantly affected by rainfall and its recharge sources are rainfall and all types of groundwater supplied by rainfall. Mining area west Shimen four water inflow accounts for 66.45% of the entire mine water inflow. The study on characteristics of water inflow in different levels and different Shimen provides information for understanding of groundwater migration laws and water prevention and control in mining area.

karst; coal mine; water inflow; mining fracture; dynamic laws

2016-10-08

重庆市国土资源和房屋管理局2014年科技计划项目资助(编号：CQGT-KJ-2014019,CQGT-KJ-2014046); 国土资源部公益性行业科研专项资助(编号：201411083-6)

陈正华(1983-)，女，硕士，工程师，主要从事矿山水文地质研究工作，E-mail：chenzhenghua369@126.com。

P641.4

A

1004-4051(2017)03-0151-06