陕西省红石岩煤矿12409回风顺槽煤层底板异常涌水分析

高 午

(陕西省红石岩煤矿，陕西 延安 727307)

0 前言

陕西省红石岩煤矿位于黄陵县店头镇南川河西岸的曹家峪村。该矿井建于1968年，经过两次改扩建,现生产能力达120万t/a。主采煤层为侏罗系延安组2#煤层，煤层结构简单，厚度0.8～4.2m,平均2.53m,煤层倾角3～5°,构造简单,无冲击地压。矿井地质条件中等,水文地质条件为极复杂型。2016年平均矿井涌水量315m3/h。

1 涌水过程及出水点基本情况

1.1 涌水过程

经调查当班生产人员，2016年6月16日8:00进工作面时,断层及其附近正常，底板没有底鼓，巷道两帮断层破碎带没有出水迹象，11:40断层下盘突然底鼓，随后很快向出喷水，最大出水量约60m3/h,水头比底板高约20cm，水头上气流中H2S体积分数0.02%，CH4体积分数0.31%。之后马上撤出工作面人员，立即架起7.5kW的潜水泵(理论排水量20m3/h)开始排水，因泵能力较小，水流到距轨巷±320m处，水位快速上涨。

14:00，一台22kW的潜水泵(理论排水量50m3/h)开始排水，水位基本稳定，气流中H2S体积分数降到0.012%,水量约50m3/h。15:36，气流中H2S体积分数下降至0.008 4%，CH4含量0.2%，出水量变小,积水区水位下降。21:00, 气流中H2S体积分数0.006%，CH4体积分数0.06%，出水量继续变小,积水区水位下降,22kW的潜水泵停止抽水。23:00, 气流中H2S体积分数0.004 5%，出水量仍在变小,积水区水位继续下降，7.5kW泵间断性抽水，抽30min的水需停10min，以后出水量仍逐渐减少，H2S气体也逐渐下降。从16号的11：40—17号的7:30，异常涌水量约600m3。

1.2 出水点基本情况

出水点位于12409回风顺槽，距南翼轨道巷640m，距掘进正头约60m。出水点位于顺槽底板断层的下盘，两处均靠近顺槽两帮，当日17:00检查时，出水水头高于顺槽煤层底板2～3cm，顺槽顶和两帮均未发现有出水迹象(图1)。

出水点高程为912.51m，两侧均为实体煤，煤厚约3m，其南东150m已掘成的12409运输顺槽，170m是12408采空区。采空区内有积水，其泄水孔水位高程约为900.98m。

出水点对应地面基本上位于曹家峪沟下，此段渗漏水量不大，在12407采空区上方断流，目前，沟内流水量约为30m3/h。经陕西工程勘察研究院水土检测中心对曹家峪沟水样化验，水化学类型为HCO3-Ca·Mg型，属淡水(表1)。

2 地质及水文地质条件

2.1 自然地理

红石岩煤矿所在的黄陵矿区位于华北板块区鄂尔多斯断陷盆地的东南缘,地处鄂尔多斯盆地次级构造单元之陕北斜坡与渭北隆起的过度地带。矿区内主要的两个构造为南峪口背斜和芋园―秋林子向斜。

表1 水质分析成果

矿区地处陕北黄土高原南部的低中山丘陵地带，区内山峦起伏,沟壑纵横,梁川遍布,坡陡谷深,地形复杂,表现为典型的侵蚀地貌,全井田整体呈北西高，南东低之态势；井田及周边常年流水的河流有沮水河和南川河，沮水河位于井田北侧，南川河位于井田东南侧；井田内有秋林子沟、曹家峪沟和西房沟三条近东西向冲击沟(图2)。本区属暖温带大陆半干旱季风型气候，昼夜温差大，春季比较干旱。

图2 红石岩井田及周边水系Figure 2 Water systems in Hongshiyan minefield and periphery

2.2 地层及煤层

井田内地层由老至新依次为：三叠系延长群，侏罗系延安组、直罗组，第四系。延安组是区内主要含煤地层。

延安组共揭露煤层3层，分别为1-1、1-2和2号煤层。其中2号煤层为唯一可采煤层，其它煤层均不可采。

2号煤层位于延安组下部，平均厚度2.53m,属中厚煤层,最大埋深330.67m,最小埋深24.65m,一般埋深约240m，属较稳定煤层。

2号煤层部分区域有伪顶，厚度0.4～0.8m,为砂质泥岩;直接顶板主要以粉砂岩和细砂岩为主，厚3.5～38m,一般20m,属中等稳定-稳定类；老顶以细粒砂岩为主，属中等稳定不易冒落顶板。底板多为炭质泥岩和铝质泥岩，也有根土岩,厚度0.5～2.0m,遇水易膨胀;其下为三叠系砂岩,致密坚硬。

2.3 构造

2.3.1 断层

12409回顺揭露的断层为正断层，距南翼轨道巷640m，距掘进正头约60m，产状340°∠45～65°，落差2.1～2.7m。

2.3.2 褶曲

南峪口背斜:在井田西部,轴向北东延长10km左右,轴部延安组缺失或变薄。

芋园-秋林子向斜:轴向北东,由芋园井田过秋林子沟,从本井田南部边缘经过,延长10km以上,褶曲幅度50m左右,两翼倾角约2°。

南峪口秋林子背斜:为南峪口背斜之次级构造,轴向南东，褶曲幅度60m，最大倾角2°30′。

罗家峪向斜：在曹家峪沟内，中心沉降较边部深，似盆地，轴向北西(图3)。

图3 矿区构造纲要图Figure 3 Structural outline map of mine area

南吴庄背斜：在井田的西南角，轴向北西，褶曲幅度小于30m，东翼倾角1°30′，西翼2°。

2.4 含(隔)水层

2.4.1 含水层

根据含水层的岩性及其组合形式，将区内含水层分为：第四系孔隙潜水含水层；直罗组下段砂岩裂隙含水层；延安组中部砂岩裂隙含水层；延长群砂岩裂隙含水层。其中与主采煤层相关的含水层主要有：

1)直罗组下段砂岩裂隙含水层。据钻孔抽水试验：直罗组砂岩层厚度81.86m，水位埋深35.95m,水位标高+1 010.61m, 单位涌水量平均为q=0.000 984L/(s·m)，渗透系数K=0.002 725m/d，为裂隙水，弱富水性，矿化度2 178mg/L，pH值为8.32,水化学类型为SO4-Na·Ca型。

2)延安组中部砂岩裂隙含水层。该层厚度5.99～36.50m,为中、细粒砂岩,分选性差―中等，孔隙式铁泥质胶结。据钻孔抽水试验：水位埋深65.83m,水位标高+980.55m,单位涌水量平均为q=0.002 611L/(s·m)，渗透系数K=0.000 267m/d，为砂岩裂隙承压水，弱富水性，矿化度9177mg/L，pH值为7.94,水化学类型为SO4·Cl-Na型。

2.4.2 隔水层

1)延安组上部隔水层。以深灰色、灰黑泥岩为主，厚度大，分布稳定，是直罗组下段与煤系含水层的稳定隔水层。

2)延安组下部隔水层。主要以泥岩为主，为相对隔水层。

2.5 断层导水性

根据断层在12409回顺揭露情况，破碎带有20cm左右的断层角砾岩。煤层的伪底为厚约0.48m的炭质泥岩,之下的直接底为1.85m厚层状泥岩, 再下为延长群的中细粒砂岩,地层发生断裂,产生2.1～2.7m 落差后,中细粒砂岩的对应位置为炭质泥岩和厚层状泥岩,相当于一盘脆性岩层与另一盘的柔性岩层接触,具有微弱的透水性,在脆性岩层一盘,裂隙发育,地下水汇集;煤层之上的地层,在断层面两侧,有脆-脆接触、脆-柔接触和柔-柔接触。脆-脆接触的，断层破碎带含水；脆-柔接触的，有少许水；柔-柔接触的不含水或含水甚微，形成相对的隔水层。受采动影响，隔水层有可能成为透水层。

3 异常出水分析

3.1 地表水

12409回顺断层破碎带出水点，位于曹家峪沟南坡下，地面上目前没有裂缝，没有渗漏水处；只是位于12407采空区上方的沟里有断流现象；对应到地面，其西部约400m处有一个水塘，但水塘水未发现渗漏；曹家峪沟的水质化验结果，水化学类型HCO3-Ca·Mg型，属淡水，而12409回风顺槽异常涌水点的水化学类型Cl·HCO3-Na，属咸水，水质相差较大，说明不是地表水的可能性较大。

3.2 采空区水

12408采空区水位为+900.979m,低于涌水点水位+912.5m，两处水质化验存在较大差异，12408采空区水化学类型为SO4-Na型，而12409回顺出水点水为Cl·HCO3-Na，虽都属咸水，但相差较大；12408运顺探槽未见出水，物探结果证明12409回顺进去方向左侧无明显低阻异常，出水量快速衰减，说明斜穿12407、12408到12409工作面的断层为非导水断层，这说明12408采空区水不是12409回风顺槽异常涌水的水源。

3.3 煤层顶底板含水层

区内煤层顶底板均为弱含水层,渗透系数很小,在没有离层蓄积的情况下,难以形成突然大量来水,况且12409回顺异常出水点由底板破裂带涌出,断层破碎带在顺槽的顶板和两帮上未出现淋水和渗漏水,说明异常涌水点的水源并非来自煤层顶板含水层。

底板延长群砂岩裂隙含水层。该层砂岩含水层在井田东部和北部局部出露。据车村附近的南川河钻孔观测结果，该孔单位涌水量0.135 L/(s·m)；而石牛沟的水1号孔观测水量为零。河谷中，风化裂隙发育好，补给充分，富水性较好，含水量大；远离河谷的区域，风化裂隙发育差，补给条件差，富水性弱，含水量小或无。延长群砂岩裂隙含水层,在异常涌水点附近为深埋区,富水性弱或不含水,渗透系数低,且在煤层与其之间存在大于1m的隔水层,难以形成突然大量来水,构成12409回顺异常涌水水源的可能性不大。

3.4 四采区水仓水

四采区水仓口高程900.709m,水仓深5.0m,容积300m3,而12409回顺出水点的底板高程912.510m，比出水点低，况且水仓水也不会满仓，即就满仓，也不会流到出水点，更不会存在水仓漏水导致出水点出水，因此说四采区水仓水不会导致12409回顺涌水点出水。

3.5 封闭不良钻孔水

距12409回顺出水点最近的钻孔约70m，位于出水点北西侧，工作面综合机械化掘进，采动影响较小，不会对钻孔产生影响，因此说封闭不良钻孔水造成出水点出水的可能性不大。

3.6 断层水

经分析,12409回顺出水点断层是一个张扭性断层,部分呈闭全状态,部分呈张开状态。在张开区域，会形成储水空间。从水样分析看，12409回风顺槽异常涌水点的水化学类型Cl·HCO3-Na，属咸水，直罗组下段砂岩裂隙含水层的水化学类型为SO4-Na·Ca型，微咸水，延安组中部砂岩裂隙含水层水化学类型为SO4·Cl-Na型，属咸水。水质相差较大，说明在12409回风顺槽处的断层与直罗组下段砂岩裂隙含水层、延安组中部砂岩裂隙含水层不连通或连通性很差，异常涌出的水不是直罗组下段砂岩裂隙含水层水和延安组中部砂岩裂隙含水层水，而是在漫长的地质历史时期形成的水。由于水量有限，当其被揭露时，水会快速释放，因缺乏动储量而呈快速衰减，这与12409回顺异常出水快速衰减相一致。

4 涌水机理

在12409回顺及其右帮侧一定范围内赋存有压力不大的断层水,在12409回顺掘进揭露初期,巷道煤层底板处于稳定闭合状态,煤层底板的泥岩对其下部的断层起到了隔水作用。揭露后岩层的固有状态被破坏，由于巷道的卸荷和泥岩的吸水膨胀使煤层底板破裂，形成导水通道，从而使断层水与12409回顺导通造成底板涌水。

5 结论与建议

1)分布在12409回顺异常涌水点周围的采空区积水、四采区水仓水、地表水、含水层水、封闭不良钻孔水均不具备造成12409回顺异常涌水的地质和水文地质条件，只有断层水具备异常涌水的条件。

2) 在12410工作面及后续工作面掘进过程中,要严格执行“有掘必探”的原则，加强地质和水文地质观测，确保安全生产。

3)井田边界的小煤窑较多,除车村二矿还生产外,其它的都已关闭,井田内的三条沟断流水从整体上说,应该是全部进到红石岩煤矿井下,在加大排水能力的情况下,还要继续对这三条沟漏水裂缝进行治理。