霍西煤田什林煤矿矿井水文地质探讨

2015-12-31刘文云

山西化工 2015年6期

刘文云

（山西省煤炭厅煤炭资源地质局技术中心，山西太原 030045）

煤矿企业的正常稳定发展是维持我国经济可持续发展的重要保障，而掌握矿井水文地质情况是煤矿资源开采的重要环节，是煤矿长期发展的重要保证。

1 煤矿概况

霍西煤田什林煤矿地处霍州市北部约5km处的退沙街道办事处退沙村后沟，行政区划属退沙街道办事处管辖。井田内可采煤层为2、6、10、11号煤层，生产规模90万t/a。井田内总体地势为北高南低。最高点海拔901.2m，最低点海拔616.5m，最大相对高差284.7m［1-2］。

本井田北部、东部与霍州煤电集团李雅庄煤矿相邻，南部与退沙井田相邻。井田内现无开采老窑，整合前有原临汾市什林煤矿、临汾市什林煤矿东北坑口、周村煤矿及师庄村煤矿。

2 地层构造

2.1 地层

井田内赋存的地层为：奥陶系中统峰峰组、石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组、二叠系上统上石盒子组和石千峰组、上第三系上新统、第四系中更新统、第四系上更新统［3］。

2.2 构造

井田构造总体为一地层走向以北东至北东东向为主、倾向南东至南南东的单斜构造，地层倾角为4°～13°；井田南部受什林断层的影响，在什林断层下盘300m～500m，地层走向骤变为近东西向，倾角为30°左右；在什林断层上盘地段，地层走向北东向，倾角为20°左右。另外，井田南部边界还发育有一向斜褶曲。井田内断层和陷落柱均发育。

截止2014年12月，井田内巷道及地表揭露共70条断层，均为正断层，落差≥5m断层共14条。其中，地面填图发现2条，在2号煤层开采中巷道揭露了11条，10号煤层在基建及试运转期间揭露了57条。井田内2、10号煤层开采过程中，共揭露143个陷落柱。其中，2号煤层巷道揭露85个陷落柱，10号煤层巷道揭露58个陷落柱。井田中部陷落柱特别发育，椭圆形，陷落柱内地层杂乱无章，柱壁倾角75°以上。详见第81页图1。

3 水文地质

3.1 含水层分布规律和特征

1）奥陶系中统峰峰组灰岩岩溶裂隙含水层

据本井田水文孔抽水试验资料，单位涌水量0.004L/（s·m）～4.090L/（s·m），渗透系数0.084 37m/d～2.520 00m/d，富水性弱—强。推测井田内奥灰水位标高480.0m～510.0m。岩溶水文地质单元位置处于郭庄泉域北部迳流区，井田内岩溶水流向南东，总体往郭庄泉方向迳流排泄。

图1 井田构造纲要图

2）石炭系上统太原组碎屑岩夹石灰岩岩溶裂隙含水层

该组以K2、K3、K4石灰岩为井田内最主要的含水层，其岩溶裂隙水具承压性，是开采10、11号煤层主要充水水源。其中，K2石灰岩含水丰富，单位涌水量为0.35L/（s·m）～0.85L/（s·m），渗透系数为2.52m/d，属中等富水性含水层。另外，该矿对10号煤层进行瞬变电磁勘探，划出含水异常区域8处。

3）二叠系下统山西组碎屑岩裂隙含水层

该组K7砂岩为主要含水层，静止水位标高637.60m～767.40m，属富水性弱的含水层。另外，该矿对2号煤层进行瞬变电磁勘探，划分出采空异常区域7处。

4）二叠系上、下石盒子组砂岩裂隙含水层

该组主要含水层为 K8、K9、K10、K11、K12砂岩含水层。据井田内656号钻孔抽水试验，K10砂岩单位涌水量0.010 2L/（s·m），渗透系数0.041 1m/d；K12砂岩单位涌水量0.023L/（s·m）～0.047L/（s·m），属富水性弱的含水层。

5）上第三系裂隙孔隙含水层

井田内孔隙溶洞均不大发育，流量为0.010L/s～0.081L/s，富水性弱。

6）第四系松散层孔隙含水层

井田内大部分被松散层覆盖，富水性弱，且受大气降水影响明显。

3.2 充水因素分析

3.2.1 矿井充水水源

1）大气降水和地表水

大气降水是矿坑水的重要来源，本区干旱少雨，年降水集中在7、8、9三个月，矿井涌水量随着降水量呈动态变化。

井田内地表水体不发育，各沟谷仅在雨季因降水补给有间歇性地表水水流很快向西南注入汾河，属黄河流域汾河水系。

据调查，井田内南部副平硐井口标高为617.5m，历年来最高洪水位标高为614.3m，井口标高仅高于最高洪水位标高3.2m，故平时应在井口修筑堤坎等排水工程。

2）煤层顶板砂岩裂隙水及灰岩岩溶裂隙水

2号煤层主要指顶板以上砂岩裂隙含水层，泉水流量为0.37L/s～0.84L/s，属富水性弱的含水层；6、10、11号煤层直接充水含水层为太原组灰岩岩溶裂隙含水层，灰岩裂隙发育，其含水丰富。

3）奥灰岩溶裂隙水对矿井开采的充水影响

井田内各可采煤层均存在带压开采。根据《煤矿防治水规定》中突水系数计算公式来计算井田内各煤层最低点的突水系数，见式（1）。

式中：T为突水系数，MPa/m；P为底板隔水层承受的水头压力，MPa；M为底板隔水层厚度，m。

经计算，2、6、10、11号煤层突水系数分别为0.067、0.100、0.268、0.398MPa/m。

井田内2号煤层最低底板突水系数大于有构造破坏的临界突水系数0.06MPa/m，小于正常块段内临界突水系数0.10MPa/m；6、10、11号煤层最低底板突水系数大于有构造破坏的临界突水系数0.06MPa/m，也大于正常块段内临界突水系数0.10MPa/m。考虑到井田内断裂、陷落柱较发育，随时都有发生突水的可能。特别是当采掘至断层、钻孔、陷落柱附近时，要加以注意。同时，还应注意隐伏导水构造的影响，加强矿井水文地质工作。

4）采空区、小（古）窑破坏区积水对矿井开采的影响

井田内基建前各小煤矿开采的2号煤层存在不同程度积水。调查可知，井田内2号煤层有7处采空积水、2处小窑破坏区积水和1处巷道积水。对于现暂无积水的其他采空区，不排除将来积水。建议在临近采空区开采时进行探测和疏排，以免影响正常生产。

5）井筒水对矿井充水的影响

当井筒穿过所揭露地层范围内的含水层时，势必沟通各含水层的水力联系，导致一定量的地下水沿井筒流入矿坑，成为矿坑充水的水源。

3.2.2 矿井充水通道

井田开采煤层的充水通道主要为煤层顶板岩层裂缝、开采煤层的导水裂隙带、断层、陷落柱、钻孔等。

1）导水裂缝带

据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》计算各煤层垮落带及导水裂缝带，选用公式（2）～（5）计算各煤层垮落带最大高度及导水裂隙带高度。

2号煤层：

6、10 、11 号煤层：

式中：Hm为垮落带，m；Hli为导水裂缝带，m；M为累计采厚，m。

经计算，2号煤层导水裂隙带会沟通K8砂岩裂隙水；6号煤层导水裂缝带会沟通2号煤层采空区及以上含水层；2号煤层与10号煤层层间距平均为75.81m，井田内有大断裂，10、11号煤层导水裂隙带会沟通2号煤层及太原组的多层灰岩及砂岩岩溶裂隙含水层，使2号煤层采空区积水由导水裂隙带涌入到10、11号煤层。建议该矿在开采时密切关注顶板涌水，加强探放水工作，及时疏排采空区水，确保安全生产。

2）断层及陷落柱

井田内断层和陷落柱较发育，根据井下采掘揭露的断层及陷落柱，均有淋水和渗水现象。瞬变电磁勘探成果中，断层及陷落柱均部分含水，因此，在开采邻近断层及陷落柱两侧时，一定要留足保安煤柱。同时，在今后的建井及生产中一定要重视对断层、陷落柱的发现和研究，防止淹矿事故的发生。

3）钻孔

井田内及周边有39个钻孔，封闭的钻孔均未进行启封检查。采掘工程通过封堵不良钻孔时，可沟通大气降水及地表水、各含水层水，会使大气降水及含水层水渗入和灌入井下巷道，故在开采至钻孔附近时，提早采取封堵措施或采用留设防水煤柱等方法加以防范，预防突水事故发生。

4）矿压破坏带

本矿矿压扰动破坏深度为14m，在该范围内隔水层将失去阻水抗压能力。2、10号煤层开采后对底板形成的破坏深度是勾通各煤层含水层的通道。

3.3 煤矿及周边老空区分布状况

3.3.1 井田内老空水

据调查，井田内2号煤层约有采空积水120 000m3。但周边其他小煤窑的开采情况、采空区范围、废弃巷道和老空水积水量尚不清楚。

3.3.2 周边矿井老窑、老空水分布状况

该矿北部、东部与霍州煤电集团李雅庄煤矿相邻，南部与退沙井田相邻。霍州煤电集团李雅庄煤矿位于本井田的下山部位，且采空区位于井田内东南部，距本矿边界约1.5km。对本井田煤层开采影响相对较小。

3.4 涌水量构成和主要突水点位置及处理

3.4.1 涌水量构成

矿井涌水量由地表水、大气降水、构造裂隙水、顶板含水层水及采（古）空积水构成。其中，主要是顶板含水层水及采（古）空积水。

3.4.2 涌水量预测

根据富水系数法预算，当生产能力达到90万t/a时，2号煤层矿井正常涌水量为20.83m3/h，最大涌水量为62.5m3/h。目前，矿井处于基建期间，10号煤层正常涌水量为5m3/h，最大涌水量为15m3/h。矿井巷道掘进及工作面回采期间，尚未发生过煤层顶、底板突水现象以及老空水透水事故。

3.4.3 主要涌水点位置及防治措施

目前，矿井处于基建期间，井巷开拓及工作面揭露，不同时间同天涌水量观测，观测到主要出水形式为淋水，出水通道为顶板裂隙出水，涌水量较稳定。

1）技术措施

地面防治水：矸石和炉渣等固体废物不得弃于沟谷中，在雨季前组织有关人员踏勘井田是否有采空塌陷裂隙、裂缝、塌陷洞，并用黄土、黏土、碎石及时填封，用黏土夯实。

井下防治水：掘进时，必须按矿井设计留设防水煤柱；发现透水预兆，必须停止作业，采取措施；经常清挖井下水仓，保证水仓有足够容量。

2）管理措施

平时加强防汛宣传，建立探放水管理制度，做好防水计划；成立“雨季防汛”指挥部，组织雨季前“三防”大检查等。

3.5 煤矿开采受水害影响程度和防治水工作难易程度

3.5.1 开采受水害影响程度评价

该矿未来开采过程中所受的水害影响主要为顶板砂岩水、K2灰岩水、O2岩溶水及采空区积水。

1）开采2号煤时，主要水害隐患是2号煤层采空区积水和砂岩水。

瞬变电磁勘探工程成果中，在2号煤剩余资源附近圈定了采空异常区，为未来此区域的采掘活动提供了参考资料。今后，应加强老窑水探查及疏放工作，提前制定具有针对性的探放水技术措施，并留设合理的隔水煤岩柱，避免水害的发生。顶板砂岩含水层富水性弱，在保证矿井正常排水能力条件下，对矿井安全生产不会构成威胁。

2）开采10号煤时，主要水害隐患是K2灰岩水和奥灰水。

太原组K2灰岩含水层富水性中等，在遇到导水构造的情况下可能会有较大涌水，可通过超前物探、钻探等手段查明富水区，提前进行处理。

10号煤层井田内最大突水系数为0.268MPa/m，井田内断层及陷落柱发育，奥灰局部富水性好，故防范开采煤层底板出水，探查导水构造、裂隙带和封闭不良钻孔等导水通道是今后防治水的工作重点。该矿未来3年，10号煤层采掘活动区域底板标高在＋460m～＋580m，大部分区域不带压。因此，一般情况下，未来3年，10号煤层采掘活动不会发生奥灰突水。

但是，10号煤开采时，上部存在大面积2号煤采空区，且采空区内不同程度存在积水，断层、陷落柱较发育。若遇此类导水构造，未来3年，将对10号煤层开采造成威胁。

综上所述，该矿开采下组煤过程受水害影响程度现状是，全井田采掘工程受水害影响，且威胁矿井安全。煤矿开采受水害影响程度综合为复杂。

3.5.2 对矿井防治水工作难易程度的评价

该矿未来几年的矿井防治水工作主要包括以下内容：1）下组煤生产系统开拓过程中的超前探查构造、富水异常区；2）北部剩余2号煤周围老窑水探查；3）下组煤排水系统的完善以及水文动态监测系统的建设；4）下组煤防治水工作。

老窑积水是该矿安全生产的重大隐患之一。对于这类水患的防治，物探成果中基本圈定了采空区范围。但在今后的采掘过程中，仍需采用井下物探与钻探验证2种手段进行超前探查，防止老窑水害的发生。回采过程中，在掌握积水区域及预测积存水量的基础上，进行采前疏放或者留设足够的防水煤柱，也是防止老窑透水事故的有效手段之一。同时，还应完善排水系统，为探放水做准备。建立水文动态观测系统，与相邻矿井联网，实时动态监测水位变化情况，以降低突水发生的可能性。对于顶板砂岩水，含水层富水性弱，只要保证矿井排水能力即可。

总之，2号煤层防治水工作简单，防治水难易程度中等；10号煤层工程量较大，防治水难易程度复杂。