临汾宏大豁口煤业9+10#煤层涌水量预测定向分析

李赛玉

（山西焦煤霍州煤电豁口煤业有限公司，山西 临汾 041000）

大同煤矿集团临汾宏大豁口煤业有限公司位于临汾市西北28 km 处，尧都区一平垣乡军地村南，行政区划隶属尧都区一平垣乡管辖。地理坐标为：东经111°20′26″～111°23′42″，北纬36°16′00″～36°18′17″。井田位于黄河流域汾河水系和昕水河水系交汇处，分水岭位于井田西部边界附近山梁，西北部为昕水河，东南部汾河水系。井田大部属汾河水系，只有西北角少部分属昕水河水系。沟谷内无常年水流，仅雨季有短期洪流，大雨后洪水排泄迅速，大部向东南汇入汾河，西北边界附近沟谷洪水则向西汇入昕水河，然后流入黄河。

1 充水水源分析

（1）大气降水

大气降水通过井田基岩裂隙及松散沉积物孔隙，沟通含水层以及通过煤层导水裂隙带渗入井下，成为矿井充水的间接但重要的补给来源。2、3 号煤层埋藏较浅，井田内2、3 号煤层露头大部出露，现已大部采空，采空区顶板垮落后形成的地表地裂缝、塌陷等变形，使大气降水和地表水渗入井下连通下部含水层，使矿井涌水量增大。

历年来工业广场附近最高洪水位为+1110 m，工业场地平场标高+1131 m，储煤场标高+1132 m，场地内主副井井口标高为+1 142.954 m、+1 148.954 m，回风立井为+1 129.954 m。最高洪水位低于工业广场及各井口标高，不会形成威胁。

（2）含水层水

井田内各含水层中，二叠系及碎屑岩孔隙—裂隙含水层富水性弱，易接受大气降水沿裂隙渗透补给。石炭系太原组碎屑岩夹碳酸盐岩岩溶裂隙含水层为10（9+10）号煤层的主要充水含水层，属富水性弱的岩溶含水层，故对矿井开采有一定影响。奥陶系中统碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层组赋存在煤系地层底部，其富水性强，井田推测奥灰水水位标高在+828～ +803 m 之间，低于井田内10（9+10）号煤层最低底板标高+940 m，所以奥灰水对本矿井开采不会造成威胁。

（3）井田内及相邻矿井古、老窑、采空区积水

矿井内外原生产小窑较多，但大部分已关闭，曾开采上组煤（2 号、3 号煤层），目前井田内2 号、3 号煤层已全部采空破坏，采空破坏面积较大，加之煤层埋藏较浅，通过垮落裂缝汇集大气降水，形成一定的采空积水，且2 号、3 号煤层采空积水会渗到10（9+10）号煤层采空区，对10（9+10）号煤层的开采造成威胁。采用《煤矿防治水手册》中老空区积水量公式进行估算，估算结果见表1，估算公式如下：

表1 10（9+10）号煤层采空区积水量估算表

式中：Q积为采空积水总量，m3；T为采空区平均采高或煤厚，m；F为采空积水区的水平投影面积，m2；α为煤层倾角，（°）；N为采空区充水系数。

10（9+10）号煤层有7 处采空区积水，采空区积水面积约351.22 km2，采空区积水量约28.2 万m3，其分布情况如图1。

图1 10（9+10）号煤层积水区及周边采空区积水区分布图

2 充水通道分析

（1）采空区垮落带、导水裂缝带

在煤炭开采过程中，由于机械振动以及煤层结构的变化，会对综采巷道四周的岩层稳定性产生影响，稳定性破坏的岩层会在内部形成交错的导水裂缝带，连通周边的含水层，使煤层的涌水量增大[1]。井田2 号煤层顶板一般为泥岩，属中硬岩石；3 号煤层距离10（9+10）号煤层间距为77.81 m 左右，两煤层之间的岩层为泥岩、砂质泥岩、砂岩和石灰岩，属中硬或坚硬岩石。根据有关标准规范，煤层垮落带和导水裂缝带高度计算见以下公式[2]：

2 号、3 号煤层：

式中：∑M为煤层累计采厚，m；Hm为垮落带最大高度，m；Hli为导水裂缝带高度，m。

通过公式计算出2 号、3 号和10（9+10）号煤层的垮落带最大高度和导水裂缝带高度，分别是2号煤层：8.23 m、35.30 m；3 号煤层：7.04 m、31.82 m；10（9+10）号煤层：24.23 m、85.90 m。2 号煤层和3 号煤层的埋深最大不超过210 m，即在煤层露头附近及浅埋处会与煤层上层地表径流连通，煤层涌水量受到降水量的影响比埋深深的煤层大[3]。10（9+10）号与3 号煤层的距离在80 m 左右，而10（9+10）号煤层导水裂缝带高度计算值为85.90 m，即该煤层的涌水量会受到3 号煤层采（古）空积水影响。

（2）地表裂缝

矿井现开采10（9+10）号煤层，煤层厚度4.82～6.40 m，平均5.78 m，采用放顶煤方法开采。9+10 煤层开采后导水裂隙带可以导通2 号、3 号煤层采空区。对8807工作面上覆地表裂缝进行了调查，调查结果见表2。

表2 地表裂缝统计表

（3）地质构造

地质构造中的断层一方面会破坏含水层与不含水层之间岩层的隔水性能[4]，另一方面会沟通含水层的水力联系[5]，断层是矿井导水的主要通道[6-8]。9+10#煤层所在矿井的西部发育一条F1 正断层，断距为24 m，近东西向贯穿井田，横跨井田西北部沟谷，两侧基岩裂缝比较发育，巷道中平时有轻微渗水现象，雨季较为严重，是矿井导水的重要因素。

井田揭露断层共15 条，其中落差5 m 以上断层1 条，落差5 m 以下断层14 条。正断层12 条，逆断层3 条，其中F1 正断层是井田内地表出露的唯一较大断层，走向近东西，在井田西南侧土门乡煤矿附近，落差10 m 左右，在豁口煤矿井下巷道遇到该断层，落差24 m，下降盘煤层因断层牵引现象严重。主要断层特征见表3。

表3 主要断层特征表

3 矿井涌水量预测

（1）资料分析法预测涌水量

以上分析了矿井涌水充水水源和充水通道，可以看出煤层涌水量的影响因素很多，影响机理复杂，精准计算矿井涌水非常困难。目前临汾宏大豁口煤业9+10#煤层涌水的确定，主要依据历史矿井涌水记录来预测，记录的主要内容有出水点位置、出水量以及出水时间，通过记录数据绘制涌水量与影响因素的关系对比图，估算后期开采期内涌水量。据调查，10（9+10）号煤层在探放水工作时井下有淋水点，主要突水点为顶板淋水，均为上部含水层渗水。现8805 顺槽掘进巷2 个出水点已枯竭，8803顺槽掘进巷1 个出水点已枯竭，8804 工作面现已封闭。在308 回风巷尾留有2 个出水口，截至2018年12 月底，出水量5 m3/h，经由308 轨道巷尾采区水仓排至地面矿井水处理站，见表4。

表4 10（9+10）号煤层井下突（出）水点情况表

根据豁口煤矿2016 年、2017 年、2018 年3 个观测年实际排水量观测如下：

2016 年1 月—2016 年12 月 矿 井 涌 水 量 为20.83～45.97 m3/h，2017 年1 月—2017 年12 月矿井涌水量为40.99～44.49 m3/h，2018 年1 月—2018 年12 月矿井涌水量为21.39～45.32 m3/h。

涌水量与煤炭产量、降水量关系图如图2。

图2 矿井涌水量与煤炭产量、降水量对比图

从图2 中可以看出，矿井涌水量随着降水量的增加而增大，煤炭产量对其影响不大。

（2）动力学计算预测涌水量

基于以上分析，采用动力学计算方法进行9+10#煤层涌水量预测计算。通过打孔测试，测量测试孔内水位参数进行涌水量预测计算，计算公式见下式。

式中：Q涌为矿井涌水量，m3/h；K为地层渗透系数，m/d；H为测试孔的水柱高度，m；h为地层水头高度，m；M为矿井含水层的厚度，m；S为修正系数，大小为5×10-5。

通过测量和推导，测孔获取的水文参数见表5。

表5 测孔测量的水文参数表

通过动力学计算方法得出9+10#煤层最小涌水量为38.86 m3/h，最大涌水量为44.54 m3/h。而根据2016—2018 年井下实际调查，2016 年、2017 年、2018 年的月平均正常涌水量为38.80 m3/h，最大涌水量为47.45 m3/h。可以看出二者相差不大，说明涌水量预测结果准确。

（3）对比测算法预测涌水量

通过收集对比矿区多个煤矿的地质资料，发现一处矿井煤层地质结构组成相似的煤矿，利用相似矿井已经获取的涌水量资料，通过开采规模对比计算该矿井涌水量。对比测算公式见式（7）：

式中：Q1为预测矿井涌水量，m3/h；Q2为对比矿井涌水量；N1为预测矿井规模，56 Mt/a；N2为对比矿井规模，24 Mt/a。对比煤矿正常涌水量为17.44 m3/h，最大涌水量为19.17 m3/h。则计算，9+10#煤层正常涌水量为40.69 m3/h，最大涌水量为44.73 m3/h。

4 结语

本文对临汾宏大豁口煤业9+10#煤层的涌水影响因素和涌水量预测进行研究。影响涌水量的因素主要从充水水源和充水通道两个角度分析，计算确定了10（9+10）号煤层7 处采空区积水量约28.2万m3，采空区垮落带、导水裂缝带、地表塌陷、地裂缝、地质构造和煤层露头对涌水量的影响机理；通过动力学方法和对比测算预测了涌水量，并通过2016—2018 年涌水量与煤炭产量、降水量的关系对比，预测了临汾宏大豁口煤业9+10#煤层未来降水量情况。二者预测结果基本相同，9+10#煤层最小涌水量约为38 m3/h，最大涌水量约为45 m3/h。