神南矿区张家峁煤矿保水开采条件

王安良，蒋泽泉，院军刚

(1.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西 神木719300;2.陕西省煤田地质局一八五队，陕西 榆林719000)

近年来，由于陕北地区煤矿的连片集中开采，造成了区域性的地下水位下降，并引起了沟流和窟野河的持续性断流。1992年，范立民最早提出了陕北侏罗纪煤田的保水采煤问题及实现途径［1，2］，随后，他先后多次论述了采煤对地下水的影响及保水采煤对策［3－7］。近年来，王双明等研究了陕北煤田保水开采地质条件，提出了生态水位保护的新理念，划分了保水开采分区，为科学采煤奠定了基础［8，9］。张大民［10］调查了张家峁井田水文地质条件，查明井田内原有水泉115个，总流量42.95 l/s，由于小煤矿的开采，造成102个水泉干涸，总流量衰减95.8%，地下水位也同时下降。蒋泽泉等［11－14］也就神南矿区保水采煤进行了研究。本文在论述张家峁煤矿含水层水文地质条件基础上，分析了保水开采保护层发育特征和煤矿充水因素，提出了防治水对策。

1 保水开采的保护含水层

保水开采主要保护第四系萨拉乌苏组地下水和烧变岩地下水。

1.1 第四系萨拉乌苏组含水层

主要分布于张家峁井田西南部，该组厚度0～25.31 m，一般厚度2～10 m。上部为灰褐、灰黑色粉细沙夹亚沙土及沙质亚粘土;中、下部为黄褐色中粗粒沙，具有水平层理，夹亚粘土及淤泥条带或透镜体，结构疏松、透水性好。在地形低洼处，有利于地下水的汇集和储存，含水丰富，并与上覆风积沙常构成同一含水层。例如:张家峁井田西部边界附近的N355号钻孔，揭露该含水层段厚度为17.49 m，其上，覆盖有12.58 m 厚的风积沙，水位埋深 5.03 m，降深 5.81 m 时，涌水量8.53 L/S，单位涌水量1.47 L/s·m。乌兰不拉沟 q08号泉，流量14.5 L/s，出水层位为2－2号煤层烧变岩，但补给来源为上覆萨拉乌苏组潜水含水层。

1.2 烧变岩含水层(带)

张家峁井田内各煤层在露头处大部分自燃，烧变岩在沟谷区广为出露。煤层自燃后上部岩石受到烘烤变质，直至熔融并产生大量气孔。垮落后又形成大量的裂隙空洞，最大可达30 cm，个别地点裂隙率高达15%(常家沟南沟)，为地表水、大气降水的渗入和地下水的迳流、富集创造了有利条件［6］。烧变岩厚度各处不一，主要与煤层厚度、自燃程度及所处地貌部位有关，一般15～30 m，最厚可达40余 m。从钻孔简易水文地质观测可以看出，各钻孔进入烧变岩段时，发生不同程度的漏水现象，最大漏失量在15 m3/h以上。烧变岩的富水性差异极大，主要受补给条件、隔水底板发育程度及地貌形态控制，并与烧变裂隙的发育程度密切相关。

风沙滩地区的2－2煤层，由于煤层厚度大、出露层位高，因而大面积自燃，形成大范围的烧变岩，烧变岩中裂隙孔洞极为发育，与上覆第四系松散含水层发生水力联系，使萨拉乌苏组及松散沙层潜水进入烧变岩裂隙内，并沿煤层底板泥岩隔水层向低洼处汇集，并以泉的形式排泄。如乌兰不拉沟q08号。

黄土梁峁丘陵区的烧变岩，由于多面悬空，呈疏干状态，大多不含水。钻孔揭露后，其下部三叠系砂岩含水层的静水位低于烧变岩的底部深度，从而确定梁峁区烧变岩不含水。

先期开采地段其它煤层的烧变岩，由于所处位置较高，多被疏干，仅在局部地形低洼或隔水底板凹陷的地段，烧变岩下部含有少量裂隙孔洞潜水。

2 矿井涌水规律

张家峁矿井从2006年12月1日开工建设，2009年6月1日起试生产，这一时期矿井涌水量最大110.4 m3/h，最小30.2 m3/h，一般为60.3 m3/h。2009年6月1日 ～2011年9月31日，矿井涌水量最大为58.9 m3/h，最小25 m3/h，一般为35.5m3/h，2011年7月以来，矿井涌水量47 m3/h。生产时的矿井涌水量明显小于试生产，说明矿井水的疏排，以消耗充水含水层储存量为主，包括萨拉乌苏组在内的保护含水层可能被疏干。

在建井过程中密切关注井巷涌水点及涌水量，其中副平峒工作面在施工到接近5－2煤层时，从2 690 m工作面顶板开始大量涌水，施工单位从2007年12月11日对其进行监测。涌水量基本稳定在70～80 m3/h，持续了约20 d，其中最大涌水量为81 m3/h(12月13日)，随后，涌水量随着时间的推移逐渐减小，最终基本稳定在38 m3/h，2008年1月15日结束监测(图1)。这一现象反映了副平峒穿过的岩层顶板含水层涌水量较大，但以静储量为主［7］。

图1 副平硐涌水量观测

3 矿井充水因素

张家峁井田为一个多煤层开采矿井，依据各煤层赋存条件及所处的水文地质单元，按侵蚀基准面分为二种类型:其一是在侵蚀基准面之上开采的2－2、3－1号煤层，矿床充水为大气降水型;其二是开采侵蚀基准面以下的 4－2、4－3、4－4、5－2号煤层，矿床充水相对较复杂，各煤层充水因素按先期开采地段和补充勘探区分析如下。充水通道主要是煤层开采形成的冒落、冒裂裂隙，其次为原生结构裂隙。

3.1 先期开采地段

张家峁井田煤层埋藏较浅，先期开采区内各可采煤层导水裂隙带高度均大于相邻两煤层间的距离，导水裂隙带互相叠加，直达地表，与保水开采的保护层(萨拉乌苏组)潜水沟通，造成地下水渗漏。

3.1.1 侵蚀基准面以上开采的煤层

先期开采地段2－2、3－1煤层位于当地侵蚀基准面以上，接受降水的入渗补给。由于地形属散流式，加之地表大面积覆盖新近系红土隔水层及弱透水的离石组黄土，涌水量动态与降水的变化过程相一致，具有明显的季节性变化和多年的周期性变化，丰水期可达到最大值。

2－2号煤层。先期开采地段仅有少量分布，煤层赋存于井田侵蚀基准面之上，直接充水含水层为顶板砂岩裂隙水及风沙滩地边缘潜水，大气降水直接补给，未来矿坑涌水量较大。

3－1号煤层。先期开采地段分布面积3.508 km2，煤层赋存于井田侵蚀基准面之上，与2－2煤层间距35.00～38.70 m，平均36.85 m。依据9－1号钻孔3－1号煤层顶板力学性质试验成果，2－2～3－1煤层之间其岩石饱和抗压强度4.1～25.9 MPa，平均 17.3 MPa，煤层倾角小于 3°，按平均抗压强度并选用现行《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB12719－91)所给公式(1)进行冒裂带高度计算。

式中:M为煤层开采厚度(m);n为煤分层层数。

计算结果表明，3－1煤层开采产生的冒裂带高度达42.71 m，导水裂隙穿透 2－2煤层底板以上 5.86 m。因此，3－1煤层坑道系统的直接充水含水层，除3－1煤层顶板砂岩地下水之外，在有2－2煤层上覆的区域，2－2煤层巷道系统水、风沙滩地边缘潜水、大气降水均有可能进入3－1煤层坑道系统。

综上所述，在先期开采地段，2－2、3－1煤层开采后，导水裂隙相互贯通，未来矿坑涌水量由东向西依此增大，并可能导致泉的干涸，沟流断流。

3.1.2 侵蚀基准面以下开采的煤层

如前所述，延安组各主采煤层底板为相对隔水的泥岩、粉砂岩，顶部为相对含水的砂岩含水层段，由于裂隙不发育，富水性弱，在天然状态下以静储量为主，矿坑涌水量小，容易疏干。

由于 4－2、4－3、5－2煤层的开采，岩体的完整程度遭到破坏。原岩裂隙加密、扩展，透水能力数倍于自然状态。因此，未来矿井充水因素主要应考虑煤层开采后，导水裂隙贯穿程度能否导致地表水体涌入矿井。

4－2号煤层。先期开采地段4－2号煤层分布面积10.679 km2，与 3－1煤层间距 39.15 ～46.90 m，平均 42.75 m。依据9－1、10－1号钻孔对4－2煤层顶板力学性质试验成果，其岩石饱和抗压强度 18.9 ～ 26.9 MPa，平均 23.65 MPa，采用式1，对其冒裂带高度进行计算，导水裂隙带最大高度58.06 m，裂隙带高与采厚比15.44倍。导水裂隙将穿透3－1煤层底板以上15.31 m。因此，4－2煤层坑道系统直接充水含水层，除4－2煤层顶板砂岩地下水之外，在有3－1煤层上覆的区域，3－1煤层巷道系统水均可能进入4－2煤层坑道系统。

依据岩石物理力学性质试验成果，4－2～5－3煤层之间，岩石饱和抗压强度 11.0 ～ 39.9 MPa，平均 25.19 MPa，采用式1对其冒裂带高度进行计算。4－3煤层埋藏深度45.97～253.07 m，与 4－2煤层间距 17.25 ～25.60 m，平均 21.94 m。冒裂带高度16.09 m，4－3煤层开采后，导水裂隙最大高度距4－2煤底板 5.85 m。因此，4－3煤层坑道水仅由 4－3煤层顶板砂岩水补给。5－2煤层埋藏深度 91.20 ～302.72 m，与 4－3煤层间距45.18～56.93 m，平均 50.65 m。冒裂带高度可达63.34 m。5－2煤层开采后，导水裂隙将穿透 4－3煤层底板以上 28.91 m，并超出 4－2煤层底板 12.69 m。因此，5－2煤层坑道系统地下水，除来自本身顶板砂岩地下水外，4－2、4－3煤层坑道水都将进入5－2煤层坑道系统。

从以上计算与分析可以看出，下部煤层开采之后，所产生导水裂隙将导致上部煤层坑道水进入下部煤层。依据采矿设计，张家峁井田先期开采地段由东到西，依次开采5－2、4－4、4－3、4－2、3－1煤层，那么矿坑水量将向下部煤层集中。由于各煤层间含水层含水性极弱，一般不会对煤层开采造成威胁。但当采掘至西部2－2煤层下部时，由于其含水较为丰富，导水裂隙相互穿透，将使5－2煤层坑道系统水增大，应引起足够重视。

3.2 后期开采区

该区位于张家峁井田东部，而西部大多为风沙滩地，是以孔隙含水层为主的充水矿床。其水文地质条件相对较为复杂，按煤层位于当地侵蚀基准面之上、之下类型分述:

3.2.1 侵蚀基准面以上开采的煤层

预留区2－2、3－1煤层位于当地侵蚀基准面以上，其分布面积依次为 11.370 km2、19.886 km2。，侵蚀基准面至上采煤，必然导致地下水渗漏和泉的干涸［3，13－14］、河川径流量的衰减。

2－2煤层。主要分布在风沙滩地区，其上覆砂岩多为风化、破碎，直接充水含水层为顶板砂岩和上覆潜水混合含水层，未来矿坑涌水来自潜水，虽然部分潜水沿沟谷自行排泄，但上覆松散层水量丰富，矿井涌水量仍然较大。

3－1煤层。大部分分布在风沙滩地区，少量位于吃开沟以南的边角地带，前者因导水裂隙带高度穿透2－2煤层底板，将使3－1煤层矿坑涌水量大增，后者因沟谷的排泄作用，3－1煤层矿坑涌水量将锐减。

综上所述，预留区2－2、3－1煤层矿坑涌水量具气候型或降雨型水文地质特征。因此，遇强降雨时，防止地表迳流灌入矿坑。

3.2.2 侵蚀基准面以下开采的煤层

4－2、4－3、4－4、5－2煤层，除具有上述的各项充水因素外，因上覆风沙滩地潜水和常家沟水库水的存在和导水裂隙的影响，会使 4－2、4－3、4－4、5－2煤层井巷涌水多元化，最显著的特点是涌水量加大和充水因素复杂化。所以，未来矿井采煤时应有充分准备，加强防范力度。

4 防治水措施

4.1 探放水

探放水是防止矿井水害发生的重要方法。矿井今后开采过程中要坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原则，对可能发生突(透)水的地点，应组织专业探水队详细探明基岩裂隙发肓程度、含水层富水强度、富水位置以及断裂破碎带的分布位置及其富水性，并有针对性的进行放水，以减轻煤层顶部水压，减小初次跨落时的矿井涌水量及回采过程中矿井涌水量。

15201 工作面为5－2煤层首采工作面，加之上部及附近有4－2煤层和5－2煤层烧变区，烧变区含水相对较大。依据先期开采地段涌水情况分析，15201工作面回采前要做好排水系统，确保安全。对4－2煤层和5－2煤层烧变区所含水，在回采前应采用探放水的方法，释放该含水层水。

4.2 加强涌水量动态观测

先期开采地段西部局部存在富水地段，采矿过程中应加强涌水量动态观测，防止造成不必要的经济损失。

4.3 注浆堵水

注浆堵水工艺和使用的设备比较简单，是防治矿井涌水行之有效的措施。对于主、副平峒、回风斜井，水平大巷等永久性的设施因穿层等引起的涌水、透水，可采用高压注浆的办法予以封堵，通过注浆减小涌水量，从而达到防治水的目的。主、副平峒穿过烧变岩区时，曾采用注浆堵水的方式顺利通过该区。

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