北辛窑煤矿南翼大巷突水机理研究

张颖鑫

0 引言

近年来，我国煤矿开采地质条件日趋复杂。其中奥灰水害造成的财产和生命损失极为严重，仅华北地区就有约160 亿吨煤炭储量受到影响[1]。同煤北辛窑煤矿位于宁武煤田北端、朔南矿区东南部，属于大同煤矿集团有限责任公司在建主要矿井之一。矿井设计生产能力4.00 Mt/a，主采煤层为太原组2、5、6号煤层，南翼为主采区，而南翼大巷奥灰水影响严重，多次发生涌水事故，对该矿安全生产构成一定危险。本文根据南翼大巷地质概况，结合国内外研究现状[2-6]，对南翼大巷突水机理进行研究，为矿井采取防治水措施提供了参考依据。

1 矿井地质及水文地质条件

根据矿井区域水文地质资料，井田地下岩溶水系统属神头泉域，井田位于神头泉域南部。本区总体为一向斜构造，东、西两侧大面积出露寒武系、奥陶系，煤田多被黄土覆盖，只在较大沟谷中有石炭、二叠系出露，含水层分为奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层组，石炭、二叠系砂岩裂隙含水层组和第四系河谷冲、洪积砂、砾石含水层。奥灰岩溶水属神头泉域，本区位于泉域南部，水位标高+1 060 m 左右。根据北辛窑矿井以往水文地质资料，井田内奥灰马家沟含水层水位为+1 056.56 m～+1 077.13 m，含水层单位涌水量为0.309 3 L/s·m～1.061 4 L/s·m，含水层富水性表现为中等至强富水。根据区内自然条件和煤系地层含、隔水层的赋存情况，总体来说，井田内2#煤层为裂隙充水含水层为主的矿床，局部煤层低于奥灰岩溶裂隙水，2#煤层水文地质条件中等，水文地质类型属二类二型；5、6号煤层由于受奥灰水的影响较大，以底板岩溶裂隙充水含水层为主的矿床，水文地质条件复杂，水文地质类型属三类三型。

2 南大巷涌水情况特征

2.1 工作面涌水情况

（1）2015年3月1日，在+1 040 m 水平南翼回风大巷掘进至7号联络巷前334 m时发生底板突水（即1号出水点），突水量超过300 m3/h。根据巷道掘进揭露情况分析，该区段本溪组下部岩层破碎，且存在两条小断层，落差分别为0.6 m和4 m～5 m，而突水点巷道底部距奥灰含水层顶面约12 m（如图1-a）。因此，存在掘进巷道直接与奥灰含水层导通的裂隙通道而发生突水。目前1#出水点水量基本稳定在约300 m3/h。

（2）2016年3月15日，在+1 040 m 水平南翼辅运大巷掘进至F11点前166.20 m时于巷道掘进头右下角发生底板突水事故（即2#突水点），表现为底板裂隙涌水，最大突水量约340 m3/h。根据现场查看，掘进头由于受构造影响地层节理发育，岩层破碎，有黄铁矿、铝土岩等分布，说明巷道底板已基本揭露上马家沟组顶面的风氧化不整合接触面（如图1-b），突水水源基本可以确定为奥灰水。该出水点后来逐渐减小，目前水量约为215 m3/h。

图1 矿井南翼大巷突水点剖面示意

3 突水机理分析

3.1 突水水源分析

根据北辛窑矿地址勘测资料，在南翼大巷井田范围内，布置奥灰观测孔BS1、BS2、BS3、BS4、BS5、BS6长期观测断层南部奥灰各长观孔水位变化情况，如图2。

图2 矿井各奥灰观测孔水位下降情况示意

3.2 突水机理分析

南翼井田奥灰水观测孔水质分析表如表1、表2。从表1化验结果可以看出，本井田奥灰含水层水质类型表现为HCO3-Ca、HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca等，水质类型表现相对比较杂乱。而根据北辛窑矿井水文补勘太原组含水层组水质化验结果统计资料，表2。太原组含水层组砂岩裂隙水水质类型基本为HCO3-Na·Ca 或HCO3·SO4-Na·Ca 型水，普遍表现为Na+含量较高，一般都在100 mg/l以上。

表1 矿井水文补勘奥灰含水层水质分析统计

表2 矿井水文补勘太原组水质分析统计表

另外，根据周边其它矿井奥灰含水层水质资料，阳煤集团榆树坡煤矿奥陶系马家沟组含水层水化学类型为HCO3-Ca 型或HCO3·SO4-Na·Ca，同煤浙能麻家梁煤矿奥陶系马家沟组含水层水化学类型为HCO3-Ca·Mg。而从神头泉域区域资料来看，北辛窑南翼大巷井田奥陶系马家沟组含水层水化学类型也为HCO3-Ca·Mg。

图3 矿井两突水点底板标高分布示意

根据矿井两次底板突水事故分析，1#突水点位于南翼回风大巷7号联络巷前334 m，该处巷道底板标高约为+1 045 m；而2#突水点位于南翼辅运大巷F11点前166.20 m处，该处巷道底板标高约为+1 058 m，说明矿井奥灰含水层水位标高大于+1 058 m，如图3。但从2#突水点涌水强度和高度情况来看，该区段奥灰含水层富水性较强且水量比较丰富，奥灰含水层标高高出+1 058 m 仅数米内，且另参考北辛窑水勘报告奥灰水水位等高线图，南翼三条大巷中奥陶系岩溶裂隙水水位标高为1 059 m～1 060 m，对矿井安全存在较大潜在威胁。综合以上分析，该区域奥灰含水层水质类型基本为HCO3-Ca·Mg 或HCO3-Ca 型水，而从突水点水质化验资料来看，水质Na 含量均偏小，水质类型为HCO3-Ca·Mg，经奥灰水水样水质化验资料对比，可以判别南翼大巷突水水源为奥灰水，南翼三条大巷奥灰水水位标高为+1 060 m左右。

3.3 注浆治理

南翼回风巷、胶带巷、辅运巷通过奥灰水注浆治理，经过对1#、2#突水点及F8 断层进行注浆治理，在南翼回风巷、胶带巷、南翼辅运巷经钻探验证和在掘进过程中，均无出水现象，实践证明在采取注浆治理措施后，确保巷道安全掘进。

4 结语

根据对同煤北辛窑煤矿南翼大巷突水水源以及机理分析，认为其南翼大巷突水，源为奥灰水，水位标高为+1 060 m 左右。故对其突水点附近优先疏水降压、进行井下物探和探放水工作，视涌水量变化情况实施注浆治理，实现了安全掘进，为今后矿井类似水文地质情况提供了积极有效的防治水手段。