山西河东煤田沙坪煤矿延深水平回风大巷突水水源判断

李如燚

(山西省晋神能源有限公司,山西 忻州 036500)

0 引言

山西省晋神能源有限公司沙坪煤矿位于山西省河曲县城东南约32km的黄河东岸，生产能力400万t/a，2010年投产。现采8号煤层即将资源枯竭，2017年矿井主、辅运大巷延深至13号煤层，配采9、10、11、12号煤层，延深水平建设周期3a，预计2020年投产。延深水平回风大巷为矩形断面，净断面为5.8 m×4.2m，锚网支护，以+5‰的坡角延13号煤层顶向前掘进。

2018年5月21日，延深水平回风大巷掘进至373m时，巷道顶板锚索孔淋水，水量4 m3/h，呈无水压自流状态，水质透明无味，持续30d水量无增减；2018年6月22日掘进至700m时，超前探水钻孔突水，水压0.14MPa，涌水量76m3/h，水质透明无味；2h后水压降至0.05MPa，涌水量稳定至56m3/h。突水点底板标高低于奥陶系岩溶水位带压掘进，2h内涌水量达152m3，沙坪煤矿担心奥陶系岩溶水介入，决定该工作面立即停止掘进，突水水源的准确判断成为影响沙坪煤矿延伸水平建设施工的关键因素。

1 矿井地质及水文地质条件

1.1 地层、构造

沙坪井田位于河东煤田北部的河曲矿区，地表为侵蚀性黄土丘陵地貌，大部为新近系、第四系松散层覆盖，基岩主要出露于井田西部、北部的沟谷及其两侧，地势东高西低。区内赋存奥陶系中统上马家沟组，石炭系上统本溪组、太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组，二叠系上统上石盒子组，新近系上新统保德组，以及第四系中上更新统和全新统等。地层总体呈向北西倾斜的平缓单斜构造形态，据8号煤层采掘揭露，井田内未见落差大于1m的断层和岩溶陷落柱，无岩浆岩侵入，地质构造简单。

沙坪井田主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，含煤地层平均厚107.33m，含煤10层，其中8、13号煤层全区稳定可采，9、10、11、12号煤层大部稳定可采，6、7、14、15号煤层不可采，煤层总厚34.53m，含煤系数32.17%。

1.2 水文地质条件

沙坪煤矿水文地质类型为中等，主要含水层为奥陶系中统岩溶裂隙含水岩组(富水性中等―极强)，石炭系、二叠系及三叠系砂岩裂隙含水岩组(富水性弱―中等)，新近系上新统松散层及砾岩孔隙、裂隙含水岩组(富水性弱)，以及第四系松散层孔隙含水岩组(富水性弱)；隔水层主要为本溪组和石炭、二叠系含水层之间泥岩类地层。

沙坪井田位于天桥泉域西部边缘，奥陶系岩溶水由井田东部、北部接受补给，向西南运移；煤系砂岩裂隙水和新近系、第四系松散层孔隙水补给来源主要是大气降水和上部含水层的越流补给，煤系砂岩裂隙水径流方向与地层倾向一致(由南东向北西)；新近系、第四系松散层孔隙水与地表水径流方向基本一致(由东向西)，最终汇入黄河。矿井主要充水水源为大气降水、地表水、采空水、煤系砂岩裂隙水和奥陶系岩溶水，主要充水通道为地表塌陷、裂缝和地下采动破坏。

本区地表水系属黄河流域，黄河为区域侵蚀基准面，历史最高洪水位+842.46m，丰水期最高水位+835m，枯水期最低水位+832m；历年最大洪峰流量10 300m3/s，河床坡降0.07%。沙坪井田位于黄河东岸县川河汇水区，县川河为季节性河流，位于井田南部，是黄河主要支流，井田内沟谷纵横，无常年河流和水体，仅发育季节性冲沟，平时干涸无水，雨季由东向西汇入黄河。

沙坪井田内奥陶系中统底部发育20～50m碳酸盐岩3～4层，岩性以灰岩、白云质灰岩及泥灰岩为主，岩溶发育，透水性好，为煤系下部主要含水层；据区内钻孔资料，单位涌水量0.337～22.67L/(s·m)，渗透系数0.122 9～14.432m/d，矿化度0.395g/L，总硬度390.73～1 142.28mg/L，pH值7.79～7.9；富水性中等―极强，井田奥陶系岩溶水位标高843～848m，水质类型为HCO3―Ca·Mg 和SO4·Cl―Ca·Na·Mg型。

石炭系上统太原组含水层由太原组底部S1中粗粒砂岩、上部9、10号煤层间的砂岩透镜体、以及本溪组顶部L1灰岩组成。砂岩节理裂隙较发育。据区内钻孔资料，单位涌水量0.002 6～0.015 1 L/(s·m)，渗透系数0.014～0.326m/d，矿化度0.558～1.3g/L， 总硬度545.13～892.5mg/L， pH值7.6～7.7，富水性弱―中等，水质类型为HCO3―Ca·Mg和HCO3―Na·Mg·Ca型。

图1 沙坪井田采空积水区分布Figure 1 Shaping minefield gob water areas distribution

二叠系下统山西组、下石盒子组砂岩含水层主要由S2、S3、S4砂岩标志层及其层间砂岩组成，砂岩裂隙发育不均衡，据区内钻孔资料，单位涌水量0.000 9～0.187L/(s·m)，渗透系数0.002 3～2.016m/d，矿化度0.35～0.5g/L，总硬度199.20～1 964.62mg/L，pH值6.8～7.7，富水性弱―中等，水质类型为HCO3―Ca·Mg型。二叠系上统上石盒子组含水层主要由S4砂岩标志层及其层间砂岩组成，砂岩裂隙不发育，据邻区和区域水文地质资料，单位涌水量小于0.1L/(s·m)，富水性弱，水质类型为HCO3―Ca·Mg型。

沙坪煤矿为资源整合矿井，井田8号煤层已进入末采，采空积水区主要分布于已采工作面低坳区和部分整合煤矿采空区(图1)，北部、中部较多，地表塌陷、裂缝均已回填。采空积水区共12处，积水面积20.53万m2，积水量23.73万m3；老(古)空区集中于井田东部煤层露头附近，主要分布在井田北部边缘、东部及南部，古窑开采历史较长，采煤方法简单，采掘深度不超过50m；老(古)空积水区仅存在于8、9、13号煤层，其中8号煤层7处，积水面积14.75万m2，积水量10.43万m3，9号煤层8处，积水面积75.48万m2，积水量35.98万m3；13号煤层10处，积水面积23.44万m2，积水量22.29万m3。

2 突水水源判断

延深水平回风大巷突水可能来自地表水、煤系砂岩裂隙水、采空积水或奥陶系岩溶水等水源，及其两种或两种以上水源的混合。通过现场调查和资料分析，结合延深水平回风大巷淋水、突水、地表水以及奥陶系岩溶水水质化验结果，利用排除法对突水水源做出判断。

2.1 地表水

沙坪井田地面无常年水体，延伸水平回风大巷373～700m地表位于菅家沟北坡(图1)。据河曲县气象资料，2018年5、6月的月降雨量30～50mm，日降雨量小于10mm，均为短时小雨。井田内废弃井口均永久封闭，矿井高程最低的副平硐井口标高+846.471m，高出黄河历史最高洪水位4m；突水点上部为8号煤层主、辅运大巷，无采空和小窑破坏区，无封闭不良钻孔；经现场踏勘无地质构造，地表未见采空裂缝、塌陷和地质滑坡等基岩活动迹象，首先排除大气降水及地面水体溃入井下的可能。

表1 沙坪井田水质化验结果

注：地表水—沙坪煤矿2018年5月2日取自黄河东岸；回风大港淋水—山西省地质勘查局217队，2018年5月21日取；回风大巷突水—山西省地质勘查局217队，2018年6月22日取；奥陶系岩溶水—山西省地质勘查局217队2018年5月21日取自沙坪煤矿水源井；裂隙带淋水—沙坪煤矿2018年7月3日延伸水平回风大巷812m取。

2.2 采空积水

延深水平回风大巷突水点位于沙坪井田中部偏西(图2)，北部有8号煤层采空积水3处与大石沟煤矿老空积水1处，积水面积3.73万m2，积水量3.35万m3，水平距离130～900m；西部有火山煤矿9号煤层老空积水区1处，积水面积4.47万m2，积水量3.3万m3，水平距离970m；南部有8号煤层采空积水区1处，积水面积0.16万m2，积水量0.12万m3，水平距离550m。延深水平回风大巷373～700m巷道底板标高+839～+890m，对应地面高程+1 000～+1 050m，埋深161～170m，地层倾角2°～4°，上部8、9、13号煤层130m范围内无采掘活动，其间未揭露地质构造；北部3处及南部1处采空积水为8号煤层2008—2015年采空区，无小窑破坏，地层未形成采动裂隙及弯曲下沉，采空积水无法到达。

北部大石沟煤矿和西部火山煤矿均为2006年整合关闭矿井，2处老空积水，其间隔水煤柱完整，无矿山压力显现，老空积水被隔离。

突水点距8号煤层露头线2.6km，经地面物探和8号煤层采掘验证，附近无古窑采空。延深水平回风大巷373m顶板淋水水质化验结果表明，其Fe3+质量分数偏低，pH值呈弱碱性(7.16～7.43)，与采空水pH值呈酸性、Fe3+质量分数偏高相背离，表明延伸水平回风大巷突水非采空积水水源。

2.3 奥陶系岩溶水

延深水平回风大巷突水点底板标高+839m(图2)，奥陶系岩溶水位标高+844.5m， 突水点巷道底板标高低于奥陶系岩溶水位5.5m，带压0.55MPa，隔水层厚度62.81m，属奥陶系岩溶水带压区。突水2h后涌水量由76m3/h减小为56m3/h，水压由0.14MPa降至0.05MPa，远小于奥陶系岩溶水水压0.55MPa。延深水平回风大巷突水后，373～700m巷道顶板锚索孔淋水明显减小，突水点水压明显降低，涌水量减小并稳定下来，表明突水水源水量有限；水质化验结果中的质量分数和pH值等水化学特征相同，表明延伸水平回风大巷淋水与突水为同一水源。

2.4 煤系砂岩裂隙水

沙坪煤矿矿井正常涌水量48.85m3/h，在同一开采深度上，与采空区面积增量相关性较弱(图3)，与大气降水相关性不强。2015―2018矿井涌水量变化幅度较小，最小32 m3/h(2018年2月)，最大69.9m3/h (2015年9月)，年均49.07m3/h，矿井涌水量基本稳定。

图2 延深水平回风大巷井上下对照Figure 2 Deepening level main return way surface-underground contrast drawing

日期图3 矿井涌水量相关曲线Figure 3 Mine water inflow growth correlation curves

据沙坪煤矿8号煤层采掘揭露，矿井充水主要表现为掘进巷道煤层顶板裂隙的渗水、滴水和淋水，且涌(淋)水点位置随巷道的掘进进度间断出现，均为临时或短期性的，一般持续7～20d，个别点达3个月，之后水量逐渐枯竭。

沙坪煤矿自2010年投产以来井下各涌(淋)水点涌水量大小不等，最小0.13m3/h，最大9.4m3/h(不含本次突水)，均为顶板淋水且持续时间较短，大多都是静储量为主的顶板砂岩裂隙水，补给条件较差，短期疏干后枯竭。由此可见，煤层顶板的裂隙涌(淋)水是矿井涌水主要组成部分，矿井涌水量主要来自煤层顶板砂岩裂隙水和部分采空积水的排放。

综上所述，沙坪煤矿延深水平回风大巷突水水源非地表水馈入，非采空积水水源，亦非奥陶系岩溶水水源；同时其突水水量有限并呈现逐渐减小趋势，具砂岩裂隙水水化学特征，因此认定延深水平回风大巷突水水源为煤系砂岩裂隙水。因其水量有限，水压较小，不会影响延深水平回风大巷的正常掘进，建议沙坪煤矿完善临时排水系统后立即回复掘进。

3 验证情况

2018年6月22日延深水平回风大巷掘进至700m突水后停掘，突水点涌水量76 m3/h，2h后稳定在56 m3/h；完善临时排水系统后于次日恢复掘进，突水点涌水量56 m3/h；2018年6月24日突水点涌水量降至30m3/h，次日10m3/h，一周内逐渐减小至淋水。延深水平回风大巷突水涌水量总计3 600 m3，持续10d，呈现迅速下降并逐渐枯竭趋势，验证了延深水平回风大巷突水水源水量有限的判断。

延深水平回风大巷自700m突水点向前掘进112m时，出现一组2～5cm宽的张扭性裂隙带，裂隙走向与巷道延伸方向斜交(图2)，贯穿巷道四壁，其上部8号煤层巷道相应位置亦有揭露，裂隙揭露时有淋水现象。裂隙带揭露2d前突水点表现为淋水，揭露后突水点淋水消失；通过对延伸水平回风大巷812m裂隙带淋水点取样化验，结果表明裂隙带淋水水化学特征与突水点相同，验证了突水水源为煤系砂岩裂隙水，而该裂隙带构成延深水平回风大巷突水的导水通道。

4 结论

2)在煤矿井下采掘过程中，当回采工作面或掘进头遇到水情时，应立即停止采掘活动，采集水样化验并获取水化学分析结果，结合井田内地表水、砂岩裂隙水、奥陶系灰岩水以及采空积水等水源的水化学特征，综合分析矿井地质及水文地质条件，查明矿井水充水条件、充水因素、涌水量构成以及井田各可采煤层的积水情况，迅速、准确判断水源，并依据判断结果制定可靠有效的防治措施后尽快恢复生产。