工作面采空区老空水形成因素分析

刘 兵

(山西汾西矿业集团资源管理办公室，山西 介休 032000)

0 引言

老空水是已采掘旧巷及旧工作面的空间内，由于地质、物理等多种力学或环境因素所形成的大量积水[1-2]。老空水是煤矿安全生产的一大隐患，是煤矿防治水工作的重点关注对象。然而，在煤矿实际生产过程中，采空区积水的形成具有很多不确定性，其形成过程是建立在一定的地质特征和开采因素之上的[3]。因此，通过归纳可知，对于老空水的成因，主要具备3个要素，即老空水来源、充水通道及聚水空间[4-5]。文中结合1303工作面水文资料、巷道布置和工作面地质构造分析老空水的成因和特征。

1 工程概况

1.1 工作面地质构造

矿井现采1303工作面属于一分区3#煤层(+235水平)，煤层整体形态为一宽缓的向斜构造，向斜核部约在3煤胶带运输大巷以西1 469.0 m处，向斜两翼不对称，煤层产状变化较大，西翼走向221°，倾向131°，东翼走向105°，倾向195°，煤层倾角8°～12°，平均10°，倾角的变化对工作面的回采有一定影响。煤层走向坡度也存在较大变化，以开切眼为起点，0～710 m 范围为10°～-2°下坡，710～830 m范围为0°平坡，830～1 950 m 范围为1°～3°爬坡，坡度的变化决定了工作面由俯采、平推到仰采的过程。

1.2 工作面煤层特征

现采的3煤赋存稳定，煤层结构较复杂，含夹矸1～3层，夹矸厚0.27～1.29 m，本区域煤层厚度变异系数为42%，煤层厚度5.52～6.56 m，平均厚度6.04 m；坚固性系数1.57。掘进工作面煤层构造较简单，整体为一宽缓的向斜，向斜核部在顺槽中部偏西，西翼走向为106°，倾向为196°，东翼走向为215°，倾向为125°，煤层倾角8～12°，平均10°，无其他地质构造。

顶板伪顶为炭质泥岩，厚度0.02 m，灰黑色，性软，有炭屑。直接顶为泥岩与粉砂岩交杂存在，厚度4.94 m，灰黑色，块状，含炭屑，岩体内裂隙较多，岩质较脆，易变形。底板直接底为泥岩，厚度0.62 m，灰黑色，块状，含炭屑。老底为粉砂岩厚度1.07 m，呈现出灰黑交错的颜色，粉砂状粒度大小，其中节理处参差不齐，岩性偏软，受力易产生形变，节理裂隙较多。

1.3 采区巷道布置及区段煤柱

矿区采用主斜井、副立井、风立井的综合开拓方式布置。煤矿采用综合机械化放顶煤的开采工艺。该矿现采工作面1个，为1303工作面，另有3个掘进工作面。

根据矿井的开拓方式，首采面(1301工作面)投产时沿3煤层开凿4条倾斜大巷，两翼布置回采工作面进行开采。4条大巷分别为一条回风大巷、一条胶带运输大巷和2条辅助运输大巷。胶带运输顺槽的胶带输送机搭接于大巷胶带输送机，无溜煤眼，辅助运输大巷采用平车场与各辅助运输顺槽相连接。工作面采用留煤柱开采，1303工作面与1301工作面之间的保护煤柱为18.6 m。

2 水文地质

2.1 砂岩含水层

3煤层顶板含水层为侏罗系中统西山窑组中段弱含水层组，划分为4个砂岩含水层。

V1含水层：岩性以灰白-灰色中粗砂岩、砂砾岩为主，多为钙泥质胶结，一般厚度4～20 m，均厚9.38 m。该层一般呈厚层—巨厚层状，局部为4～5个单层组合，富水性弱。

V2含水层：由于2煤层的不稳定性，也造成了该含水层的不稳定，含水层平均厚度在1.0～5.0 m之间，局部可达17.6 m，一般为1～2个砂岩层，富水性弱。

V3含水层：下距3煤顶板约90～120 m，富水性较弱，岩性为粗、中砂岩，厚度约为20～40 m，含水层间岩体节理裂隙发育明显。

V4含水层：3煤底板含水层，上距3煤层8～11 m左右，岩性为粗、中砂岩，厚度10 m左右，为弱含水层，3煤辅运大巷二初次揭露该含水层时，涌水量在3 m3/h左右。

2.2 老窑水及火烧区水

1303开切眼以西880.0 m处为井田范围内第三火烧区的东边界，火烧区东侧依次分布着新瑞、西域、兴鑫、南兴、东方5个老窑，据已有勘探资料显示，火烧区水与老窑水有一定的水力联系，为老窑水的补给源。火烧区面积4.45 km2，分布于井田范围内的火烧区面积为2.66 km2。火烧区内地下水静储量为5 004×104m3，最高水位标高为+414.0 m(15-1孔)，1303开切眼上口标高为+236.6 m，两端高差177.4 m，则塌陷半径为102.4 m。1303开切眼下口距老窑探水线244.0 m，上口距老窑探水线30.0 m，探水线距老窑边界150.0 m，老窑积水位置、标高等基本清楚。1303开切眼以西煤柱大于150.0 m，其塌陷范围不会影响到小窑和火烧区。

2.3 钻孔水

18-2、20-2孔在1303工作面内，分别位于1303胶运顺槽1 560 m、590 m位置，南距胶运顺槽约15 m，已查明20-2孔标高260.6 m 以上段为稠泥浆封堵，标高260.6 m以下段为水泥砂浆封堵，封孔质量特级。18-2孔标高238.3 m以上段为稠泥浆封堵，标高238.3 m以下段为水泥砂浆封堵，封孔质量特级。

3 老空水形成因素分析

3.1 老空水水源

由于不同矿区气候、地形、水文地质条件等具有明显的差异性，老空水充水水源也有很多种类型。但总而言之，大气降水、河流等地表水、松散层含水层的含水、煤系顶板砂岩裂隙水、矿井工业用水等往往是老空水的主要充水来源。而且，在有些地质条件极为复杂的矿区，其老空水甚至可能为以上几种水源混合形成的结果。

对于文中所研究的煤矿，其位于新疆哈密市境内。而哈密地区则属典型的温带大陆型干旱气候，晴天多，雨天极少，年降水量33.8 mm，年蒸发量3 300 mm，其蒸发量接近降雨量的100倍。矿区周围无地表水系，3煤埋藏深度也大于100 m，故可排除地表水、大气降水是含水层的情况。

据现有物探资料，结合1301工作面回采期间积累的水文资料，1303工作面上方最近含水层为V3含水层，工作面回采过程中受此含水层组影响较大，工作面在距3煤胶带运输大巷以西745～1 114 m范围内，地表基本被侏罗系中统西山窑组上段弱含水层全覆盖，该含水层通过地质历史时期大气降水的补给，在岩石孔隙、裂隙发育地段富水。

因此，综合考虑其水文地质构造可得，形成于1301工作面采空区的老空水水源主要为3煤层顶板砂岩V3含水层。该含水层下距3煤顶板约90～120 m，为距3煤顶板最近含水层，且裂隙发育，岩性为粗、中砂岩，厚度约20～40 m。

3.2 充水通道

充水通道是指聚水空间或采空区与充水水源的直接连接通道，不同特征的充水通道往往导致老空水水压等水文条件的变化。深入分析充水通道特征，是得出解决矿井老空水成因和预测煤柱稳定问题的关键。

根据所研究区域老空水的地质资料可知，其所处区域距老窑水及火烧区水的位置较远，也并未封闭不良钻孔，在1301工作面开采中也并未有顶板淋水事故产生，因此可知，所研究区域老空水通道是顶板破坏过程中形成的导水裂隙带，形态为线状，成因是开采扰动，动力特征为渗滤。其结构特征如图1所示。

图1 采空区积水覆岩结构

3.3 老空水形态特征

老空水形态特征，即老空水形成后所在区域的聚水空间状态。根据不同情况的充水水源及充水通道，最终所形成区域也有所不同。然而，不同特性的岩层，具有明显的不同的导-储水特征，当其导水特性较大而所测老空水区域水量恒定时，表明不断有水进入积水区域，这时，其老空水将表现出动态水流的特性，其水压测定将无法按照静水压力的方法进行。而当老空水区域围岩具有良好储水特征时(大多数情况)，在其积水水量保持稳定后，最终形成的积水区，其形态特征往往与蓄水池相似，事实上，此时采空区的积水就可以看做一个微型的地下水库。因此，研究老空水所在区域的顶底板岩性对于构建煤柱体受力模型将有十分重要的意义。

通过对1301及1303工作面煤层柱状图及地质资料分析可得，3煤伪顶为炭质泥岩，质地较软；直接顶为泥岩与粉砂岩，厚度4.94 m，灰黑色，脆性较大，遇到外力作用易变形，局部裂隙发育。直接底为泥岩；老底为粉砂岩，厚度1.07 m，岩性偏软，受力易产生形变，节理裂隙较多。

由此可知，所研究区域内的顶底板岩性组合在采动影响下形成的冒落带、裂隙带直接关系到老空水的形成。由于伪顶为泥岩，直接顶为泥岩和粉砂岩，因此，在跨落后的较易形成积水空间，老顶为砂岩，其断裂形成的裂隙带则与上方含水层部分沟通，最终形成线状的导水裂隙；而底板为泥岩，留有底煤，采动冒落后泥岩与煤吸附能力强，吸附了上方含水层留下来的水后，发生膨胀，形成一个隔水层，以便使水积聚于冒落带内，最终，形成一个类似于水库特征的老空积水区。

同时，结合1301工作面回采期间积累的水文资料，所研究的含水层位于距3煤胶带运输大巷以西745～1 114 m范围内，此区域基本位于工作面宽缓向斜的核部区域，整体煤岩层赋存呈一“盆形”构造，也为上覆含水层的渗滤过程创造了条件。其位置可如图2、图3所示。

图2 采空区积水位置平面图

图3 采空区积水位置剖面

为探明老空水的具体形态特征，矿方在1303辅运顺槽先后施工11个探水孔，其中4个探水孔位于老孔积水区内，这4个探水孔标高分别为192 m、188 m、187 m、191 m，当探水孔发现老空水1周后，积水水量与积水标高保持恒定，矿方定义为静态水体。通过矿方监测并对比矿区地质资料，最终可得，积水标高为192 m，积水水量为12 222 m3，最大水压值为0.26 MPa，最小所测值0.028 MPa。

4 结论

(1)1301工作面采空区的老空水水源主要为3煤层顶板砂岩V3含水层，该含水层下距3煤顶板约90～120 m，裂隙发育，岩性为粗、中砂岩，厚度约为20～40 m。

(2)所研究区域老空水的充水通道，来自于顶板破坏过程中形成的导水裂隙带，形态为线状，老空水成因是上区段工作面的开采扰动，动力特征为渗滤。

(3)所研究区域老空水为静态水体，积水标高为192 m，积水水量为12 222 m3，最大静水压力为0.26 MPa，最小为0.028 MPa。