义马煤田煤矿水害规律与防治技术

李松营，马自强，张许乐，任孟莉

1 煤田概况

义马煤田是河南省唯一的形成于侏罗纪的陆相煤田，面积近100 km2，地处豫西贫水地区，跨义马市和渑池县，整体上呈极不对称向斜构造，北起于煤层隐伏露头，南止于F16逆断层，东西为沉缺边界。可采煤层处于中侏罗统下阶义马组，分2组5层，自上而下分别是1煤组的1-1煤和1-2煤，2煤组的2-1煤、2-2煤和2-3煤；2煤组在深部合并[1,2]。煤层累计厚度3～40 m。煤种为长焰煤。煤层埋深2～1200 m。地表为丘陵地形，总体上南高北低。地层向南偏东方向倾斜，以砾岩、砂岩和泥岩为主，没有强含水层。

义马煤田分布有5对生产矿井和1个露天煤矿(图1)，合计年生产原煤约1300万t，累计生产煤炭2.3亿t，现有煤炭资源约4.5亿t。经过数十年开采，各矿采掘活动均转入深部2组煤层的合并区，最大采深1040 m。冲击地压、煤层自燃和水害是义马煤田矿井的三大重点灾害[3-9]，但相对于前者，矿井水害研究程度不足。

图1 义马煤田煤矿分布图

2 水文地质条件

2.1 大气降水和地表水

当地年均降水量约670 mm，主要集中在汛期7 ～ 9月份。涧河、石河2条季节性河流流经煤田东段浅部，从千秋、跃进和常村井田浅部穿过，是地表主要水体。石河常年干涸，雨季最大流量100 L/s；涧河枯水季节有时干涸，常年流量不足5 L/s，最大流量曾达1446.5 L/s。大气降水对天新露天矿坑直接充水，在煤田浅部透过地裂缝向矿井充水，是地下各含水层的主要补给水源。地表河水主要透过小煤矿河下采煤所形成地表裂缝、塌坑以及小煤矿滥采乱挖所形成的人工导水通道而向矿井充水。随着小煤矿关停，地表裂隙、塌坑和采场的连年治理以及生产向深部转移，大气降水和地表水对矿井的充水作用已明显减弱。

图2 义马煤田地层综合柱状

2.2 主要含水层

自下而上煤田内的主要含水层有(图2)：

1) 中侏罗统砂(砾)岩裂隙承压含水层：分布在煤层顶板，距煤层4.0 m～54.0 m，岩性为细砂岩、砂质泥岩与砾岩，砾石以石英岩、石英砂岩和石灰岩为主，平均厚度180 m，富水性弱，采后可通过导水裂隙直接进入工作面，是矿井直接充水含水层。水质类型为HCO3-Na·Ca型。渗透系数K=0.000405～0.0322 m/d，单位涌水量q=0.00007～0.00622 L/(s·m)。该含水层以静储量为主，连通性差，没有统一水位。主要在浅部露头区接受大气降水和河水补给，与上部含水层联系较弱，目前矿井疏水是其排泄的主要方式。

2) (上侏罗统+白垩系)巨厚砾岩裂隙承压含水层：厚度0～880 m，平均467 m，砾石以石英砂岩、石灰岩为主，分选性差。大部分区域胶结性好，富水性弱；局部地段裂隙发育，富水性较好。水质类型为HCO3- Ca型。K=0.2～1.47 m/d，q=0.0626～0.178 L/(s·m)。该含水层主要接受新近系含水层补给，在井田南部出露地段可接受大气降水直接补给，矿井疏水是其主要排泄方式。

3) 新近系泥灰岩岩溶承压含水层：厚度0～50.8 m，平均10.3 m，富水性中等。水质类型为HCO3-Ca型。K=1.079～1.56 m/d，q=0.0695～0.455 L/(s·m)。该含水层接受大气降水和第四系潜水补给，季节性变化大，目前人工取水是其主要排泄方式。

4) 第四系底部卵石潜水含水层：厚度小于2 m，水质类型为HCO3-Ca型。K=0.022～206.1 m/d，q=0.029～6.71 L/(s·m)。接受大气降水、河水补给，季节性变化大。

2.3 主要隔水层

中侏罗统义马组2煤顶板泥岩隔水层：厚度4.0～54.0 m，平均28.0 m，为2煤直接顶板(图2)。掘进巷道对围岩的破坏有限，该隔水层能阻止上覆含水层水涌入，起到良好隔水作用；工作面回采后，上部导水裂隙可穿过该层延伸至上覆含水层，其阻隔水作用有限。

3 水害规律

根据统计，义马煤田各矿井自投产以来共发生突水79次。按水源划分，顶板砂砾岩水最多，38次，占总数的48.1%；老空水次之，34次，占43%；地表河水7次，占8.9%。按规模划分，特大型和大型突水，分别3次，共6次，占7.6%，水源全部为地表河水；其余为中小型突水，水源主要为顶板砂砾岩水和老空水。从时间上看，1997年以前，各种水害类型都有；1997年以后，全部为顶板砂砾岩水，突水规模以中型为主，突水量60～450 m3/h(表2)。

3.1 大气降水与潜水

大气降水是天新露天煤矿的主要充水因素，起直接充水作用。其它煤矿在+200 m高程以浅生产时，采深一般不足300 m，采后顶板导水裂隙向上延伸可沟通上覆新近系泥灰岩、第四系松散层甚至地表，大气降水可透过导水裂隙形成的导水通道或以新近系、第四系潜水渗漏的方式向矿井充水，使得矿井涌水量在上一世纪九十年代之前表现为明显的季节性特征。随着矿井生产向深部转移和井田浅部地表塌坑、裂缝的连年充填治理，大气降水对矿井的充水作用趋于减弱；矿井生产转入深部后，涌水量已不再显示季节性特征。

3.2 地表河水

由于留设有足够的防水煤柱，涧河、石河本来不对矿井起直接充水作用；但由于上一世纪八十年代部分小煤矿在河道露天开采、在河床建矿或在河下滥采乱挖，破坏了防水煤柱的防隔水功能，造成当期地表水对矿井充水作用明显[10]，汛期还造成多次淹井、淹采区事故(表1)。地表河水威胁区段集中在涧河、石河流经区域，呈条带状分布，耿村、杨村两矿不受地表河水影响。随着小煤窑报废停产和河床塌坑、裂缝的连年充填治理，当前，地表水对矿井的充水作用有限。

表1 主要地表河水事故简表

3.3 小窑水

据统计，义马煤田范围内共有小煤矿(窑)700多个，其生产区域主要在+200 m高程以浅。20世纪90年代之前，矿井在浅部生产，与小煤矿采空区相邻，受到小窑水威胁，小窑水曾是重要充水因素。随着矿井生产向深部转移而远离小煤窑采空区，以及绝大部分小煤窑相继报废、关停和封填，小窑水的威胁趋于减弱。小煤窑采空区与大矿采空区连通，加之煤质较硬导水通道不易堵塞，浅部小窑采空区不易形成大范围积水。

3.4 顶板水

浅部生产时，顶板水充水作用较弱，以淋水或小型突水形式出现，不曾对工作面正常生产造成影响。矿井转入深部生产时，顶板突水灾害增多，突水量增大，严重影响工作面正常生产，甚至威胁工作面和采区安全(表2)。其中，跃进煤矿25080工作面回采至375 m靠近F2-3断层尖灭位置时，出现顶板突水，初期涌水量10 m3/h，1995年11月19日～21日，涌水量稳定在450 m3/h左右，之后缓慢下降，100天以后仍在150 m3/h以上，工作面累计涌水达260万m3以上。千秋煤矿21172工作面在穿过断层时，出现顶板突水，最大涌水量超过300 m3/h，之后，涌水量长期稳定在200～250 m3/h，截至2013年6月，已累计涌水380万m3。

表2 主要顶板水害事故简表

义马煤田矿井顶板水害有以下规律：

1) 顶板水害主要出现在-50 m高程以深、采深大于700 m的区域。此区域靠近F16逆断层并处于义马向斜核部(图3、图4)，顶板砂(砾)岩裂隙较浅部发育，富水性较浅部强；砾岩厚度普遍超过400 m，储水能力大。图4地层走向剖面表明，义马煤田中部凹陷构成向斜核部，是储富水的主要部位。跃进矿深部正处于向斜核部，顶板水害威胁最为严重，其次是千秋、常村两矿的相邻区域。

图3 48线倾向地质剖面

2) 顶板裂隙含水层富水性极不均匀，连通性差。断层带或其尖灭端裂隙发育，富水性强，回采通过时易发生顶板突水[11]。一个工作面出水后，相邻工作面仍可能出水。

3) 顶板突水与采煤周期来压关系密切。

4) 顶板突水与采煤厚度关系密切。采用放顶煤开采工艺，最大采煤厚度超过20 m，对顶板破坏较大。根据有关经验公式计算，采后顶板导水裂隙发育最大高度可达300 m以上，能够穿过上覆泥岩隔水层、中侏罗统砂(砾)岩裂隙含水层进入(上侏罗统+白垩系)巨厚砾岩含水层。

5) 顶板突水初期，水质类型一般为HCO3-Na型，持续出水后，则转化为HCO3- Ca型(表3)。说明突水初期水源主要来自中侏罗统砂(砾)岩裂隙含水层，后期则以上侏罗统巨厚砾岩含水层为主。这也是工作面发生顶板突水后，涌水量长期保持稳定的主要原因。

图4 义马煤田深部走向地质剖面(AA′线)

前期顶板淋水mg/lmeq/lmeq%后期老塘涌水mg/lmeq/lmeq%阳离子K++Na+18411736836K++Na+2011080630Ca2+1964049111Ca2+10581264416Mg2+486020460Mg2+7949327516NH+4100006070NH4+100006050阴离子Cl-35100991130Cl-4467126990SO2-448030501140SO42-5668059930HCO-339236643731HCO3-613861006794CO2-31135019420CO32-54000914PH800PH760

4 防治技术

4.1 大气降水和地表水

定期巡查煤田浅部、河道及其阶地，发现塌坑、裂缝等应及时充填治理并夯实。

4.2 小窑水

充填已关闭小煤矿井筒并定期巡查，若小煤矿井筒充填不实或周边出现塌坑、裂缝应及时处理。

4.3 顶板水

顶板水是义马煤田各矿井今后防治水工作的重点和难点。

1) 进一步总结研究煤田的富水规律和突水规律,指导工作面防治水工作。可利用“三图—双预测法”技术，结合构造、顶板砂砾岩含水层厚度等做出富水性分区图，结合隔水层厚度、采厚和导水裂隙发育高度等做出顶板垮裂安全性分区图，再综合分析做出顶板突水条件综合分区图，对顶板突水的水源、通道和强度做出预测和评价[12-17]。

2) 采用地面三维地震和井上下瞬变电磁勘探等方法对生产采区的地质构造和顶板富水性进行探测；综合分析物探成果，圈出疑似富水区域[18-20]。

3) 工作面回采之前，对疑似顶板富水区可采前钻孔预疏放，以减轻回采过程中顶板水对生产的影响。

4) 工作面采前应构成完善的排水系统，并有足够的排水能力。采区和矿井排水能力也需要相应提高。工作面防排水应立足运输巷(下巷)，运输巷尽可能实现正坡度掘进，始终保持里高外低，避免顶板涌水后淹巷或淹工作面。

5 结语

义马煤田存在多种水害，大气降水、地表河水、小窑水和顶板水危害并存。随着煤田浅部小煤矿关闭及其井筒封填、连年的河道疏浚治理与地裂缝、塌坑充填，以及大矿采掘活动向深部转移，矿井水害由地表河水、小窑水转化为采煤工作面顶板水。防治采煤工作面顶板水是义马煤田各矿井今后防治水工作的重点和难点。针对顶板水害，应研究富水规律，可采用“三图—双预测法” 对顶板突水的水源、通道和强度做出预测和评价；采用井上下物探方法，圈出顶板疑似富水区，并进行采前预疏放；可立足“以排为主”，完善工作面排水系统，提高抗水灾能力。

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