煤矿开采后对煤系上覆含水层疏干范围的影响研究

张 璐

（霍州煤电集团李雅庄煤矿环保科，山西 霍州 031400）

1 井田概况

霍州煤电集团李雅庄煤矿石炭系太原组14、15号煤层，开采深度+1359.99～ +599.99m。剩余可采区域分为2个盘区开采，其中一盘区面积为2.64km2，涌水量为302m3/d；二盘区面积为3.23km2，涌水量为672m3/d。石炭系太原组14、15号煤层上部发育有K2、K3、K4三层灰岩含水层。K2石灰岩厚3.79～7.06m，平均5.60m；K3石灰岩厚0.19～10.18m，平均4.14m；K4石灰岩厚1.10～3.97m，平均2.96m，K2、K3、K4总厚度M=12.7m，K2、K3、K4均属于承压含水层。

含水层含水性微弱，接受大气降水补给条件较差，主要接受河流的侧向补给以及各含水层之间的越流补给，由东南沿倾向西北径流。李雅庄煤矿在水文地质钻孔做过一次抽水试验，抽水层位为石炭系K2、K3、K4灰岩含水层。通过配线法计算得到了这三层含水层的平均渗透系数K、贮水系数μ*和导水系数T。通过公式：

式中：

S-抽水t时刻后距抽水井处水位下降值，m；

Q-抽水量，m3/d；

T-含水层导水系数，m2/d；

μ*-含水层贮水系数；

W（u）-Theis井函数；

r-计算点到抽水井的距离，m；

t-自抽水开始到计算时刻的时间，s。

得，μ*=3.4×10-4，导水系数T=0.024m2/d。石灰岩总厚度M=12.7m，含水层渗透系数K=T/M=0.00189m/d。

考虑到李雅庄煤矿井田范围内石炭系地层埋深较大，层位稳定变化小，将整个井田范围内的水文地质参数简化为单一的。

2 上覆含水层疏干范围计算思路分析

（1）计算出14、15号煤层开采后的冒落带、导水裂隙带高度。

（2）15号煤层计算结果小于14、15号煤层的间距时，取14、15号煤层的冒落带、导水裂隙带高度中的最大值为破坏高度；大于14、15号煤层地层的间距时，将14、15号2层煤作为整体综合计算冒落带、导水裂隙带高度。

（3）根据计算结果判断含水层的破坏情况。

（4）通过抽水试验计算几个含水层的平均渗透系数、贮水系数和导水系数，运用Theis公式计算不同时间、不同地点的水位降深，最终得到疏干影响半径和范围。

3 煤层开采后冒落带、导水裂隙带高度计算

14、15号煤层上覆岩层均为中硬岩层，冒落带、裂隙带高度预测选用以下公式：

式中：

H冒-煤层采空最大冒落带高度，m；

M-煤层厚度，m；

H导-煤层采空最大导水裂隙带高度，m；

n-煤层分层开采次数。

根据李雅庄煤矿12个地质钻孔资料，14、15号煤层单独开采后的冒落带、导水裂隙带高度见表1和表2。

由表2计算结果可知，15号煤层冒落带高度为14.2～15.84m，导水裂隙带高度为48.86～53.25m，而14、15号煤层的平均间隔为6.37m，15号煤开采后会将14号煤层的采空区导通，沉降加剧，冒落带、导水裂隙带高度比14、15号煤层单独开采更加发育，因此将14、15号煤层作为整体进行计算，具体数据如表3。

表1 14号煤层冒落带、导水裂隙带发育高度

表2 15号煤层冒落带、导水裂隙带发育高度

钻孔号 煤层厚/m导水裂隙带高度/m JX1 14.02 84.89 26.03 JX2 13.27 81.37 24.83 JX8 12.68 78.6 23.89 3-1 14.44 86.87 26.7梁上2 12.6 78.22 23.76冒落带高度/m

由表3计算结果可知，14、15号煤层开采后，煤系上覆石炭系K2、K3、K4灰岩含水层将被全部导通，这时将K2、K3、K4概化为一个整体含水层，渗透系数、贮水系数、导水系数均用平均值代替，水位标高为+1451.99～ +691.99m。

4 疏干范围的计算

第一阶段为开采14、15号煤一盘区，开采年限为4年，开采面积约为2.64km2，将其概化为半径917m的大井，涌水量为302m3/d。第二阶段为开采14、15号煤二盘区，开采年限为5.3年，加上一采区采空区，总面积约为5.87km2，概化为半径1367m的大井，涌水量为672m3/d。两个阶段主要破坏上覆太原组灰岩裂隙含水层（K2、K3、K4灰岩含水层），平均渗透系数K=0.00189m/d，贮水系数μ=3.4×10-4，导水系数T=0.024m2/d。

随着盘区煤层采空，冒落带和导水裂隙带直接将上覆K2、K3、K4灰岩含水层全部导通，矿井排水将这三层含水层疏干。在概化大井的半径范围内不适合应用Theis公式，整个半径范围内水位降深应为开采前K4灰岩含水层的水位标高与15号煤层底板标高的差值。在概化大井半径范围以外的区域，应用Theis公式计算不同地点的水位降深，当水位降深小于20m时，视为地下水水位疏干影响较小区域，见表4。

表4 4年水位降深预测

由表4计算结果可知，李雅庄煤矿开采4年时，一盘区全部采空，形成一盘区为中心的降水漏斗，将一盘区采空面积概化成半径917m的大井，概化半径范围内上覆太原组灰岩裂缝含水层（K2、K3、K4灰岩含水层）水位降深为K4灰岩含水层水位标高到15号煤底板标高的距离，约92m，概化半径以外区域用承压水的非稳定流Theis公式计算，在半径r=1900m时，水位降深为16m，所以将此时的影响范围定为该煤矿开采4年时对地下水的影响范围，面积为11.34km2，如表5所示。

该煤矿开采9.3年时一、二盘区全部采空，采空区面积约5.87km2。将其概化为半径为1367m的大井。概化半径内水位降深为92m；概化半径以外区域随着距离的增加，水位降深越来越小，在半径r=2 300m时，水位降深为13m，将此时影响范围作为该煤矿开采9.3年时对地下水的影响范围，影响面积为16.61km2。

表5 9.3年水位降深预测

5 结语

本文以李雅庄煤矿为例，通过冒落带、导水裂隙带高度的计算，判断了煤层开采后受破坏的含水层（K2、K3、K4），将这三层灰岩含水层概化为一层含水层，渗透系数和贮水系数用它们的等效渗透系数、贮水系数代替，且整个井田范围内水文地质参数简化为单一的。将整个采区概化为一个大井，应用非稳定流承压水的Theis公式计算了4年、9.3年后K2、K3、K4灰岩含水层的疏干半径和范围，为李雅庄煤矿的水害防治提供基础。