陕西省红石岩煤矿水害致灾因素分析

高 午

(陕西省红石岩煤矿，陕西黄陵 727307)

0 前言

矿区位于黄陇侏罗纪煤田黄陵矿区中东部，陕北黄土高原南部的低中山丘陵区，属温带半干旱季风型气候。矿井地处陕西省黄陵县店头镇曹家峪村，初建于1968年，之后经过两次改扩建，现生产能力为120万t/a。矿井采用斜井-平硐联合开拓方式，综合机械化采煤。矿井周边小煤窑密布，曾多次遭受水灾，尤以地表水为主。为了防止煤矿再次发生水灾事故，有必要对其水害致灾因素进行分析，以便制定相应措施，做到防患于未然。

1 地质及水文地质条件

1.1 地质条件

1.1.1 构造

矿区内地质构造较为简单，整体为走向北东、倾向北西的单斜构造，地层倾角1°～5°。在此之上，发育一系列北西、北西西向延展的褶曲构造。目前揭露的为正断层,产状340°∠45°～65°,落差2.1～2.7m。

1.1.2 地层及含煤地层

矿区内地层由老至新依次有三叠系上统永坪组，侏罗系中统延安组、直罗组、安定组，白垩系下统洛河组，第四系。

本区的含煤地层为侏罗系中统延安组,厚度30.47～74.37m。，在煤矿矿权范围内呈西南厚、东北薄。延安组为本区的含煤地层，共含煤3层，自上而下分别为1-1号煤、1-2号煤、2号煤。主采煤层为2号煤。

1.2 含水层

煤矿位于黄陵矿区南川二级水文地质单元的北部,主要为该水文地质单元的径流区,局部为排泄区,以下降泉排泄形式为主。矿内主要含水层分别是第四系孔隙潜水含水层、下白垩统洛河组砂岩裂隙含水层、侏罗系中统直罗组下段砂岩裂隙含水层、侏罗系中统延安组砂岩裂隙含水层和三叠系上统永坪组裂隙含水层。其中前4个含水层位于煤层以上，为矿井充水含水层；永坪组含水层位于煤层之下，富水性弱，基本不构成矿井充水含水层。

1.2.1 第四系潜水含水层

含水层以大气降水补给为主，在沟谷或下游河谷地带与地表水体呈互补互泄。径流方向主要受地形控制，由地势高的山梁向地势低的沟川地带排泄，在矿区由南向北径流和排泄，对煤矿生产不构成威胁。

1.2.2 下白垩系洛河砂岩含水层

为裂隙潜水。出露于矿区西、南部的沟谷中，最大厚度104.28m。该含水层位于当地侵蚀基准面以上，受到沟谷切割，以泉的形式排出，流量为0.01～0.3L/s,富水性弱，对矿井生产威胁不大。

1.2.3 侏罗系中统直罗组下段砂岩含水层

为裂隙潜水。陕西省一九四煤田地质有限公司于2018年3月15日至4月17日，在煤矿3#风井附近，施工了直罗组CG1和延安组CG2长观孔，并进行了抽水试验。CG1号钻孔抽水试验显示,单位涌水量平均为q=0.000 984L/(s·m)，渗透系数K=0.002 725m/d，富水性弱。

1.2.4 侏罗系中统延安组中部砂岩裂隙含水层

为裂隙承压水。据CG2号钻孔抽水试验，单位涌水量平均为q=0.002 611L/(s·m),渗透系数K=0.000 026 7m/d，富水性弱。

2 矿井充水条件分析

建矿以来，煤矿曾发生过7次突水事故，均是地表水通过老窑采空区和废弃巷道溃入井下造成的。距今最近的一次突水是发生在2013年的“7·22”突水事故。

2013年7月22日，黄陵县店头地区普降大到暴雨，导致曹家峪沟内洪水泛滥，以2160m3/h的流量全部涌入曹家峪沟口的曹家峪灾害治理坑，坑内积水沿被揭露的两条老窑采空巷道和采空区导水网溃入红石岩煤矿+910m水平行人下山巷，再涌入+880m水平大巷等其它巷道和硐室，致使煤矿+880m水平大巷、+880m中央水泵房、+880m水平配电室、+880m到+917m水平的主副斜井、集中巷一部分及全部生产设备被淹，矿井被迫停产。被淹巷道和硐室积水量总达37 000m3。

据统计，近年来，矿井涌水量随采空区面积的增加呈逐年增大趋势。2018年矿井平均涌水量377.6m3/h，最大涌水量630.7m3/h。

煤矿正常涌水水源主要来自大气降水、地表水、地下水、采空区水,突水则主要来自于大气降水和地表水。充水主要通道是煤层采动裂隙、采空区密闭墙，其次为含水层空隙(包括孔隙和裂隙)，潜在导水通道主要是封闭不良钻孔。

2.1 充水水源

2.1.1 大气降水

本区属温带大陆性半干旱气候,年平均降水量614mm,而蒸发量则大于1 300mm,降水量小而蒸发量大决定了黄陵矿区为区域性地表水和地下水的补给强度较小。

大气降水的充水途径，一是通过煤层上覆地层的天然裂隙和人工采动裂隙直接涌入矿井，二是通过补给地表水和地下水间接进入井下。

煤矿降水多集中在6、7、8三个月，由于地形起伏较大，沟谷切割严重，地表径流畅通，不利于大气降水在地表的渗流，故大气降水对地下的含水层补给较差。由于受采动影响，使导水裂隙带、地裂缝发育到地表，这些区域的大气降水及其形成的洪流由此进入井下。因此，大气降水既是矿井充水的直接水源，又是间接水源。

2.1.2 地表水

矿区内有三条沟,分别是西房沟、曹家峪沟和秋林子沟，沟内水均已断流。南川河从矿区边界外的南东部通过，在店头汇入沮水河。

1)西房沟。沟里四季有水,但水量很小,平均5～10m3/h。在沟内的九道山半山坡上村民建有养殖场，养殖场在此拦坝取水，下渗水量很少。

2)曹家峪沟。沟内四季有水,枯水期水量20～25m3/h,但受采动影响,在距三号风井约200m处,2018年11月6日检查时，发现区内岩移观测点Y17点附近的沟内流水发生断流,水直接进入12408采空区。若在雨季，流量大于30m3/h时，水会从沟里流出进入南川河。由于沟内四季有流水，煤矿每年对沟内采动裂缝都要进行治理。

3)秋林子沟。沟内常流水,枯水期流量10～15m3/h。秋林子村在12406采空区上方建有拦水设施,村民生活用水取之于此。此处煤层上覆地层约150m，导水裂隙带到不了地表。但在12404采空区上方，发现裂缝，村民取用沟内水前，沟里流出的水就从12404采空区上方的裂隙进入采空区。在持续降中到大雨时，有水从沟里流出。

4)南川河。属洛河二级支流，自南向北流经本矿区的东南侧，在店头镇汇入沮水河。全长44km，流域面积464km2，平均流量0.655m3/s，在厚子坪观测流量0.058～6.437m3/s。南川河河道位于河谷东侧谷坡坡底，在河道与矿区之间建有焦化园、秋林子村和曹家峪村，两村的地基是建在两个灾害治理区回填并压实的基坑上面，在灾害治理坑开挖过程中，煤矿对揭露的小煤窑巷道进行了封堵；对秋林子新村后靠山体侧，煤矿通过采用物探和钻探手段，对查出的老巷进行了注浆封堵。因此说，南川河对红石岩煤矿安全生产威胁不大。

2.1.3 老窑和采空区积水

煤矿开采历史悠久，过去矿区周围小煤窑密布，随着小煤窑的逐渐关闭和矿区边界的的两次缩小，目前，阿党镇北川煤矿、车村一号煤矿和车村二号煤矿仍在生产，除车村二号煤矿没有和红石岩煤矿打通外，其它小煤窑或多或少都与红石岩煤矿有贯通之处，因此，在煤矿矿区内蓄有大量的老窑水，从而加大了煤矿排水强度。

目前，对红石岩煤矿安全生产构成威胁的老窑和采空区水主要有主、副井筒周围小煤窑采空区水、二采区采和四采区采空区水及其老窑水。

2.1.3.1 主、副井筒周围老窑水

主、副井筒周围采空区埋藏浅，大气降水后滞留时间短，降水一般1d后水量就有明显变化。2004年，由西安科技大学设计并实施了红石岩煤矿井筒渗漏水治理工程，在两个井筒泄水巷的防水墙上装有可控泄水管，老空水通过可控水管流入中部水仓，涌水量占矿井总涌水量的50%左右(表1)。

表1 主副井筒水仓及采区涌水量

2.1.3.2 二采区采空区水及老窑水

二采区采空区位于南吴庄背斜的东翼，曹家峪沟和秋林子沟之间的山梁下。采区三条巷道(轨巷、机巷和回风巷)的两侧，北西侧为偶数面(12202～12212)，南东侧为奇数面(12201～12215),都是高档普采，采高2.5m。偶数面的涌水量与奇数面的涌水量截然不同。这主要是奇数面与煤矿的采空区及秋林子村办矿的采空区沟通，地层倾向南东，也就是煤层底板高程由北西的偶数面向南东的奇数面降低，地层中水的流向也是由北西的偶数面向南东的奇数面方向，先采的是南东的奇数面。受采动影响，导水裂隙带发育到了延安组和直罗组含水层，地下水进入了工作面(采空区)，从而使偶数面上的含水层水流入奇数面，这就是偶数面开采时水量少的原因。而奇数面与越界开采的秋林子村办矿沟通，秋林子村办矿又与康崖底二号矿打通，这两个矿的采高在4m以上，其导水裂隙带除导通延安组和直罗组含水层水外，裂隙带在某些地方达到了地表，接受地表水和大气降水的补给。

2003年8月，黄陵县区域内降大到暴雨，店头镇山洪暴发，河水猛涨，南川河发生断流，洪水和河水从红石岩煤矿主副井筒周围的采空区溃入其井下，造成淹井事故。与红石岩煤矿相邻的秋林子村办矿、康崖底二号矿、车村一号煤矿和曹家峪石牛沟煤矿，由于它们在浅部开采，煤层底板高，在红石岩煤矿880大巷被淹后，随着河水和洪水的猛烈溃入，水位持续上涨，很快漫及它们的井下。由此说明，这些煤矿之间是有水力联系的。

随着时间的推移，已关闭的秋林子村办矿和康崖底二号矿井下的老空水越积越多，直至与红石岩煤矿的采空区水沟通。这两个煤矿在地表都有裂缝和塌陷，这些老空区除接受含水层补给水外，还接受从裂缝和塌陷坑进入的地表水和大气降水。

2.1.3.3 四采区采空区水及老窑水

四采区采空区位于曹家峪沟、秋林子沟和北石牛沟之间的山梁沟谷下，南翼三条大巷的南西侧。在其煤矿南东边界内，由北东到南西分布着康崖底南川二号煤矿、车村一号煤矿和曹家峪石牛沟煤矿，在煤矿边界的南西侧有车村二号煤矿。

四采区采空区由北东向南西依次是南峪口-秋林子背斜、罗家峪向斜、A5-A6背斜、A10-A11向斜(图1)，除煤矿的12401—12409采空区外，还有和红石岩煤矿曾打通的车村一号煤矿和曹家峪石牛沟煤矿(已关闭)的老空区，老空区内积有老空水。在四采区的北东部，罗家峪向斜槽部位于红石岩煤矿的四、六采区，煤层底板900～910m等高线从小煤窑破坏区到红石岩煤矿的12216—12409采空区及正在回采的12410工作面和六采区，这个面积内水是相通的；而在四采区的南西部，A10～A11向斜(斑鸠向斜)槽部，已到红石岩煤矿的12408采空区，煤层底板900～910m等高线从车村一号煤矿和曹家峪石牛沟煤矿的采空区经红石岩煤矿12216—12409采空区到正在回采的12410工作面及六采区，这个范围的水是有水力联系，是相通的，除车村一号煤矿还生产外，康崖底二号矿和石牛沟曹家峪煤矿已关闭多年，这三个煤矿都曾打通过，用单砖或双砖砌有密闭墙，没有防水墙，强度差，透水能力强，这些煤矿开采的煤层厚度都在4m左右，在山沟和山坡都有裂缝，地表水和大气降水沿裂缝进入井下，随着时间的推移，采空区水越来越多。

图1 红石岩矿区构造纲要图Figure 1 Structural outline map of Hongshiyan mine area

2018年的7月8～13日降小雨、15～16日小雨、雷阵雨，导致四采区采空区水位升高。7月19日，正在回采的12409工作面的运输顺槽水仓(罗家峪向斜的轴部最低处)附近的12408采空区，积水水位达2m高，12409运输顺槽靠12408采空区侧帮的上部锚杆，距顺槽顶板0.4m眼内有水流出；中部锚杆眼往出喷水，水平射程约1.5m。之后在帮上往采空区打眼,安装控水管,将水逐渐排到四采区水仓。如果不及时增大泄水量，水就有可能压垮“防水墙”，造成突水事故。

随着红石岩煤矿采空区面积的增加,矿井涌水量也在不断增大。

2.2 充水通道

2.2.1 煤层顶板

在距三号风井300m的下游地段，煤层开采后，导水裂隙带已发育到地表(图2、图3)。

图2 曹家峪沟水从岩移观测站Y17附近进入井下 Figure 2 Caojiayu Gully water flows from strata displacement observation point Y12 nearby into pit

图3 岩移观测站Y15处裂缝Figure 3 Strata displacement observation point Y15 fissures

岩移观测站Y17的地面高程为1 027.3m,煤层底板高程为904m，煤厚3.0m,上覆岩层厚度120.3m。岩移观测站Y15的地面高程为1025.2m, 煤层底板高程为903m,煤厚3.0m,上覆岩层厚度119.2m。显然，采动后形成的导水裂隙带高度远大于采用经验公式计算的高度，说明上述两经验公式不适合红石岩煤矿。

覆岩的破坏与其岩性有密切的关系，不同的顶板，其破坏程度不同。如果采用《矿井地质及矿井水文地质》(淮南煤炭学院、焦作矿业学院等五院校编)中根据覆岩的岩性及其赋存状态，从直接顶到老顶确定的四种类型之第三种类型：软弱-坚硬型，确定煤层开采后的导水裂带高度为采高的30～35倍则比较接近。再以P35孔为例：HLi=3.08×35=107.8(m)与实际比较接近。

按35倍的采高计算导水裂隙带的高度，最大采高按3.5m计算,导水裂隙带发育的最大高度都达不到洛河组,但大部分达到直罗组。因洛河组砂岩、直罗组砂岩及延安组砂岩均为富水性弱的含水层，所造成的矿井涌水量一般不大，不会给矿井生产和安全带来威胁。但在采动后,某些导水裂隙带的高度会发育到沟谷和一些山坡上,成为地表水和大气降水进入井下的主要通道。

2.2.2 煤层底板

煤层底板以泥岩、砂质泥岩为主，为相对隔水层。煤层采动后，会对底板产生一定的破坏，但由于三叠系永坪组砂岩补给条件差，富水性弱，不会造成矿井突水和涌水事故。但对断层而言，就有可能成为充水通道。

2.2.3 断层裂隙带

在矿区内,目前揭露的断层只有一个,为正断层,位于12409回顺距南翼轨道巷640m,产状340°∠45°～65°，落差2.1～2.7m，破碎带有20cm左右的断层角砾岩。2016年6月16日11：40，断层破碎带底板发生异常涌水，涌水量最大达60m3/h，至后快速减少，17日7：30，总异常涌水量约600m3，经过物探、坑探、水样分析(直罗组下段砂岩裂隙水为SO4-Na·Ca，延安组中部砂岩裂隙水为SO4·Cl-Na·Ca，断层水为Cl·HCO3-Na，曹家峪沟水HCO3-Ca·Mg)，异常涌水源为断层水，没有沟通直罗组下段砂岩裂隙含水层水和延安组中部砂岩裂隙含水层水。

2.2.4 封闭不良钻孔

据了解，陕西省一九四煤田地质有限公司于1971～1976年在此进行煤田勘探时，有的孔因无煤未封闭，有的钻孔部分封闭。这些钻孔可能成为煤层采动后和含水层、地面沟通的通道，形成矿井的充水通道。

2.3 充水强度

矿井充水强度主要决定于地表水和地下水体隐患、地层构造以及煤层顶板以上含水层的富水性、厚度及导水裂隙沟通各含水层的程度，采煤方法、开采强度和大气降水特征等因素。

2.3.1 地表水体

随着煤层的开采，裂隙不断地产生，山沟和山坡上不同程度地产生裂隙， 这些裂隙一旦沟通地表与井下产生水力联系，特别是曹家峪沟、秋林子沟，将会导致矿井涌水量快速急剧增加，甚至出现溃水现象，会对煤矿生产造成严重影响。

2.3.2 采空区水

主、副井筒周围老窑水、二、四采区采空区水，从近三年涌水量看，涌水量在逐年增加。

主、副井筒老窑水，涌水量占矿井总涌水量的50%左右。2018平均涌水量168.7m3/h，最大涌水量236m3/h。每年汛期，老窑水不同程度地从防水墙向外流水和喷水，从主、副井筒料石碹上往下淋水和喷水，防水墙和主副井筒承受着很大的压力。如果水压过大，水极有可能把主副井筒某个薄弱碹体压垮，发生突水事故，后果将非常严重。

二采区采空区2018年平均涌水量96.0m3/h,占矿井总涌水量的25.5%。2017年和2016年的平均涌水量分别是88.3m3/h和78.0m3/h，涌水量也呈逐年增大趋势。采空区内积有大量的老空水。进入雨季时，地表水和第四系潜水会大量补给采空区，从而大大提高矿井充水强度，甚至会出现地表水直接涌入井下。

四采区采空区也积有一定量水。从2018年7月19日12409运输顺槽帮上靠12408采空区侧出水的情况，就足以说明，四采区采空区有一定量老空水，当密闭墙上安装的可控泄水管不能及时将采空区水有效排出时，就有可能发生突水事故。

3 预防措施

3.1 地表裂隙及时治理

要经常对矿区内及其附近的地表进行检查,特别是汛期,对发现的裂隙要及时处理；对有堵塞的排水沟渠，要及时清理，使水流畅通；对有积水可能的低洼处，要填平或做好出水口，使水能快速流走。

3.2 加强采空区及其密闭墙管理

无论是主、副井筒周围的采空区，还是二采区和四采区的采空区，都要查清其积水范围、积水量，以便采取相应的治理措施。对二采区的采空区，从二采区轨道运输巷分别向12205和12209的联络斜巷打泄水孔泄水，减轻汛期密闭墙上的压力。对四采区采空区到水仓的水沟，进行扩大、加深，使水沟排水量加大，减轻四采区密闭墙和煤柱上的压力，使采空区水快速排出。

4 结论和建议

1) 红石岩煤矿矿井充水水源有大气降水、地表水、地下水和采空区积水。地下水和老空水为直接充水源，大气降水和地表水既是直接充水水源，又是间接充水水源。

2)矿井充水通道为顶板导水裂隙带、底板岩层破坏裂隙带、采空区密闭墙和封闭不良钻孔，其中煤层顶板导水裂和老巷的密闭墙是主要充水通道。目前采用的黄泥灌浆封堵导水裂隙只是其中的一个办法，可采用新技术、新材料如用超高水材料充填导水裂隙和地表裂缝。

3)在掘进中，要严格执行“有掘必探”的原则；每个工作面回采前，必须先采用物探手段查清工作面是否存在断层和构造水，是否有封闭不良钻孔。