辛置矿井涌水特征及影响因素分析

牛伟锋，王克勤，齐跃明

(1. 霍州煤电集团 辛置煤矿，山西 霍州 031400； 2. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

煤炭是我国的主体能源，目前仍占一次能源的60%以上。随着中东部浅部煤炭资源接近枯竭，煤炭开采转向深部开采。深部开采可能面临着复杂地质、水文地质问题，如煤层面临强富水、高承压岩溶含水层，使矿井涌水量增加，疏排水压力增大，生产成本急剧增加。

许多国有大中型煤矿采用先进综采设备使煤矿水害事故出现的情况已逐渐好转，但是强富水、高承压环境下突水仍然极具威胁[1]，矿井涌水特征和涌水规律的研究仍然十分重要。范立民等通过研究榆神矿区11处煤矿具体涌水情况得到榆神矿区矿井涌水量与煤炭产量直接相关，表明开采一定面积时，大气降水会影响矿井涌水量[2]. 杨永国、陈玉华利用刘桥二矿涌水量的混沌特征，进行建模，对矿井未来的涌水量进行了精确地预测[3]. 温文富等[4]，王红梅等[5]在原有矿井涌水量基础上运用水文地质比拟法对矿井的涌水量进行预测计算。王生全等依据大量生产资料，分析了锦界煤矿的充水因素、涌水规律，并总结了影响矿井涌水量的主要因素为煤炭产量、采空区面积及上覆风化基岩厚度[6]. 赵春景等在矿井充水水源的基础上，详细研究了林南仓矿的涌水特征。根据各生产水平涌水量的大小，分析了其与开采面积、开拓长度、产量、开采深度和大气降水之间的关系以及变化规律[7]. 王健华等建立了隧道岩溶管道型突涌水模型，进行了突涌水过程中动态演化特征分析，结果表明揭露岩溶管道型突涌水的动态演化无明显的时间效应，但空间特征呈现阶段演化的规律[8]. 上述研究成果为矿井涌水量特征和规律的后续研究提供了较好的理论和实践参考。

1 矿井概况

辛置煤矿处于霍西煤田中部，霍州矿区东南，井田面积59.083 4 km2. 区域出露地层由老到新：太古界、上元古界、古生界及新生界。具体表现为：东部霍山广泛分布太古界和上元古界地层；西部吕梁山区主要分布的是古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系；向东与汾河之间丘陵地区，主要分布着上第三系、第四系松散岩，沟谷底部则主要发育有石炭、二叠系碎屑岩。井田的北、西面皆以大断层与邻区为界；北界为F6(曹村断层)正断层，走向NE36°～45°，倾向NW，落差10～60 m. 井田东界为煤层在基岩面上的露头线，可采煤层为2#、5#、6#、9#、10#、11#煤层，目前生产2#、10#、11#煤，主要含水层有：第四系松散岩类孔隙含水岩组、上第三系砾石层及淡水灰岩含水岩组、二叠系砂岩裂隙含水岩组、石炭系上统太原组石灰岩岩溶裂隙含水岩组、奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水岩组。

2 矿井涌水动态特征

矿井涌水量是指单位时间内流入矿井的水量，用Q表示。目前，辛置矿的矿井涌水主要集中在540水平(平硐)、310水平(2#煤层)、450水平(平硐)以及东四1#水仓，通过对4处矿井涌水的统计，绘制出对应的涌水量动态变化,见图1.

图1 辛置煤矿涌水量统计图

2.1 540水平(平硐)

东区540水平目前所采煤层为10#煤，由图1中a曲线可知，随着开采的进行，涌水量逐渐增加，但增长较缓慢，涌水量整体在50 m3/h以下，说明补给来源一般，涌水量释放的主要是含水层的静储量，含水层富水性越好，静储量越大，对煤矿生产威胁越大。

2.2 310水平(2#煤层)

由图1中c曲线可知，310水平涌水量与开采时间呈现先增大后减小的关系，初始涌水量随时间慢慢增大，在2018年5月份达到峰值(368 m3/h)，属于涌水量大的等级。随后由于外侧水量的补给越来越少，涌水量呈现大幅度下降的趋势，说明煤层周围含水层对涌水量影响越来越小。

2.3 东四1#水仓

东四采区开采主要是11#煤，由图1中b曲线可知，涌水量随着开采时间的增大而增大，说明涌水量与开采面积紧密相关，特别注意的是，图中显示涌水量每次增大都是跳跃性的，然后稳定，2019年1月9日之后，又突然增大，反映开挖工作面可能遇到了新情况，比如断裂构造、节理裂隙发育带，使得涌水量增大。从中可看出，该工作面煤层或巷道开挖造成的开采扰动对涌水量的影响还是比较大的。

2.4 450水平(平硐)

图1中d曲线表明，450水平的涌水量在40 m3/h上下浮动，接受周期性的补给，但是由于涌水量整体低于50 m3/h，比较小且没有明显的增大趋势，显示矿井涌水对矿井生产影响不大。

3 涌水水质特征

为了调查和分析影响辛置煤矿涌水量的因素，在2-112工作面对2#煤涌水及10-408、10-425、10-427、10-428处对10#煤层涌水水样进行了水样采集和分析，得到2#煤水质Piper三线图(图2)和10#煤水质Piper三线图(图3)，从图2和图3可以清晰地看到，2#煤水质类型属于HCO3SO4-Na，而10#煤除了10-427工作面水质类型为SO4HCO3-Na，其他工作面水质类型基本都为SO4-CaMg，所以无论是2#煤还是10#煤的工作面水质特征都是比较稳定的，都是由相对固定水源对其进行补给。

图2 2#煤水质piper三线图

图3 10#煤水质piper三线图

4 影响因素分析

4.1 含水层

区内影响煤矿生产的含水层有山西组砂岩含水层、太原组灰岩含水层以及奥陶系灰岩含水层。由水质分析可知，2#煤和10#煤都是由固定水源对其进行补给，2#煤开采时涌水多表现为顶板淋水，其顶板含水层是山西组K8砂岩水，由于K8砂岩含水层受补给条件及裂隙发育程度的限制，含水层富水性弱，随着涌水过程的不断进行，K8砂岩水静储量就会越来越少，涌水量也会相应的减少。这种情况与310水平工作面现场实测情况保持一致，所以2#煤开采涌水量主要与顶板砂岩含水层有关，威胁不大。同理，10#煤主要受到顶板太原组灰岩含水层的影响，但是由于其富水性总体弱-中等，局部强的特点导致煤层开采受到的威胁具有不确定性，与540水平涌水量特征保持一致，应准备好疏排水设备，加强观测和疏排，以保障矿井正常生产。

4.2 构造因素

井田内断层和陷落柱比较发育，是影响矿井生产的重要因素。目前，井田内揭露大小断层已近2 500条，揭露陷落柱超过200个。根据水质分析，10#煤中10-427工作面检测的水质类型和2#煤层相同，经计算得到10#煤采动所产生的导水裂缝带在井田大部区域不会沟通2#煤层采空区，所以可能是存在断层错动使得10#煤工作面沟通了2#煤层采空区，导致水质类型相同。因此，开采时应做好超前探查，尤其是在断层及陷落柱发育部位。

4.3 老空水

11#煤层与10#煤间距10.5 m左右，11#煤层开采形成的垮落带15.11 m，11#煤层顶板主要以10#煤层采空积水形式向11#煤层充水，随着采掘的进行，在开采扰动的情况下涌水量相应的增加，与东四1#水仓涌水量表现的特征一致，所以应该按《煤矿防治水细则》规定进行探放水，避免采空区积水造成突水事故。

5 结 论

通过统计540水平(平硐)、310水平(2#煤层)、450水平(平硐)以及东四1#水仓推进过程中涌水量的大小，分析不同工作面的水质特征，得到以下结论：

1) 310水平反映了2#煤的涌水量特征，主要受到顶板砂岩含水层因素的影响，由于含水层富水性比较弱，所以威胁不大。

2) 540水平反映了10#煤的涌水量特征，主要受到顶板灰岩含水层的影响，在构造发育段，也会受到2#煤采空积水的影响，应做好超前探放水和防水煤柱的留设工作，避免受到水害威胁。

3) 东四1#水仓反映了11#煤的涌水量特征，主要受到10#煤采空积水影响，应按规范规定进行井下探放水，以避免采空区积水造成生产事故。