余吾矿水文地质特征及涌水量计算

姚 宇

（山西潞安集团余吾煤业有限责任公司，山西 长治 046100）

矿井涌水量是在生产过程中一定时期内流入井巷内水量的总和[1]。矿井涌水量的预测十分有必要，通过矿井涌水量提前制订防治水方案，以避免发生突水事故，影响矿井的安全生产[2-3]。但是，矿井涌水量的预测既繁琐，在计算中又存在难点，导致矿井涌水量的计算结果欠科学、准确[4-6]。本文以余吾煤矿为研究对象，分析了矿井水文地质条件，采用“大井法”对矿井的涌水量进行计算，通过计算结果为矿井的防治水提供依据。

1 矿井概况

余吾煤矿年核定生产能力为7.50 Mt，全矿布置有5个井筒，即1个主井筒、1个副井筒，3个回风井。矿区地层由老到新，主要有上元古界震旦系、古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生界三叠系、新生界第三系、第四系。矿井主采煤层为3号煤层，划分为一个水平，水平标高为+400 m。煤层厚4.85～7.63 m，平均6.02 m。3号煤顶板为泥岩、粉砂质泥岩，局部为细砂岩；底板为黑色泥岩、粉砂岩。矿井建有内、外两个水仓，水仓总容量为4922 m3。地面水泵房配备有5台多级离心泵，型号为MD450-60/84×10，其中2台日常工作，2台备用，1台用以检修，水泵的扬程达到600 m以上，单台水泵的排水能力在450 m3/h；排水管路选用直径为325 mm，壁厚为13 mm无缝管，布置3趟管路，2趟正常工作，1趟备用。余吾煤矿实测目前井下正常涌水量为291.1 m3/h，最大涌水量为378.4 m3/h。

2 水文地质特征

井田主要煤层、含水层及主要隔水层结构见图1。

图1 井田主要煤层、含水层及主要隔水层结构

2.1 主要含水层

（1）第四系孔隙含水层

该层含水层总体上呈现出南部厚、北部薄趋势，厚度在0～140 m间，平均厚度为44.65 m。岩性以黏土，粉砂、粗砂以及砂砾等组成。含水层的富水性跟砂砾层发育程度有关。

（2）3号煤顶、底板砂岩裂隙含水层

3号煤顶、底板砂岩厚约6.58～40.32 m，平均28.28 m。3号煤层顶板为基岩风化带含水层、二叠系上、下石盒子组含水层、二叠系下统山西组含水层。该层是3号煤层开采时的直接充水含水层。基岩风化带含水层岩性以中粒砂岩为主，为3号煤层间接或间接充水含水层。二叠系上、下石盒子组含水层等砂岩为主要含水层，单位涌水量为0.02～0.042 L/s·m，渗透系数0.0289～0.0524 m/d，为弱富水性含水层。二叠系下统山西组含水层岩性以砂岩为主，单位涌水量为0.024 L/s·m，渗透系数0.0249 m/d，一般富水性弱，对3号煤层开采影响较小。

（3）上石统太原组含水层

上石统太原组含水层厚度为10.68～18.96 m，平均厚度15.04 m。主要分布在3号煤露头附近，上距3号煤平均57.48 m，为3号煤开采的直接充水含水层。岩性以三灰岩为主，单位涌水量0.0121～0.1338 L/s.m，富水性弱-中等。

（4）奥陶系中统峰峰组含水层组

该含水层埋深较深，含水层厚度在198.32～208.33 m，平均厚度189.43 m。以岩溶水为主，岩溶发育程度跟距奥灰距离有关，从奥灰顶部到下部岩溶裂隙呈现出不发育到发育趋势（部分受构造带影响除外）。

2.2 主要隔水层

（1）石炭系上统太原组底部及中统本溪组隔水层

该隔水层的厚度为8.32～44.45 m，平均20.76 m，厚度变化较大。主要由泥岩、砂质泥岩，铝质泥岩夹粉砂岩、细粒砂岩等构成，底部为铁质粉砂岩。该层裂隙不发育，完整程度高，透水性差，起到了阻隔煤层上、下含水层的作用。

（2）二叠系砂岩含水层层间隔水层

该隔水层主要由泥岩、砂质泥岩等构成，每一层的厚度为0.50～17.22 m。由于泥岩岩性的原因，隔水性强。该层呈多层存在各砂岩含水层之间，与含水层形成平行复合结构，能够起到隔水的作用。

（3）第四系底部隔水层

该隔水层主要由粘土、砂质粘土等构成，厚度为1.51～20.27 m。仅局部存在，透水性差，在局部起到隔水的作用。

3 充水通道

余吾煤矿井田内已发现190条断层，落差大于5 m的断层共39条，发育119个陷落柱。井田中部有余吾、前苏村逆断层，落差分别为10～98 m和46 m。据抽水试验及采掘揭露，断层大部分不导水。但由于断层影响范围广，抽水试验具有局限性，不排除断层局部有导水的可能性。根据试验结果，矿井除X52陷落柱表现一定的透水性外，揭露的其他陷落柱透水性较弱。矿井主采3号煤层及开拓准备等大巷均位于奥灰岩溶水的高水头压力之下。因此，当工作面推进至陷落柱附近时，存在突水的可能性，应进行先探后掘。

陷落柱、断层等地质构造导水性随着外界环境变化而发生变化。受到采掘活动影响，部分不导水陷落柱或者断层可能活化成导水陷落柱或者导水断层。同时由于开采煤层下部有承压的奥灰水，当断层及陷落柱将奥灰水与开采煤层联通时，势必增加煤层开采危险性。因此，应强化地质构造探测、地质构造导水性研究工作，避免出现突水事故。

4 矿井涌水量计算

根据充水因素分析，3号煤层的直接充水含水层为3号煤层顶底板砂岩(简称3砂)、三灰。采用大井法无限边界的承压—无压公式计算矿井涌水量Q1：

式中：K为渗透系数，m／d；M为含水层厚度，m；r为大井半径，取值，m；R为采边界线到未被排水破坏的含水层加权平均距离，m；H为静水位至隔水底板高度，m；R为引用影响半径，R=r+R1，m；F为井田各含水层面积，m2。

余吾煤矿号3煤直接充水含水层3砂、三灰各参数，见表1。

表1 3煤主要充水含水层参数

余吾煤矿目前开采3号煤层，通过计算，井下正常涌水量为316.61 m3/h，最大涌水量为398.4 m3/h，计算结果稍大于目前井下正常涌水量(291.1 m3/h)及最大涌水量(378.4 m3/h)。矿井自投入生产后未遇重大突水事故。井下遇断层出水量最大70 m3/h，X52陷落柱出水量10～13 m3/h，已采取注浆堵水措施。

5 井田及周边地区老空水分布状况

余吾煤矿3号煤已经回采多年，存在大面积采空区，部分采空区低凹处有积水，有发生采空区突水的隐患。根据该矿地质资料，采用经验公式对3号煤层采空区积水量进行估算，则积水量Q2为：

式中：Q2为采空积水总量，m3；M为采空区平均采高线或煤厚，m；F为采空积水区的水平投影面积，m2；α为煤层倾角，°；K为采空区充水系数，一般取0.25～0.50，本次取0.30。

根据计算，对余吾煤矿采空区技术量估算值见表2。

余吾煤矿现阶段采掘活动距离井田边界较远，采空区积水对本矿生产安全影响较小。通过计算预计3煤采空区积水量为381.7 km3。因此，今后在靠近采空区积水区域进行开采时，应进行探放水工作，防止水害事故发生。

表2 余吾煤矿采空区积水量

6 结语

1）以余吾煤矿为研究对象，介绍了矿井的水文地质特征，分析了3号煤的直接充水含水层为3号煤层顶、底板砂岩和三灰。由于矿井断层、陷落柱等地质构造多且复杂，为矿井充水提供了通道。

2）采用大井法无限边界的承压—无压公式计算余吾矿正常涌水量为316.61 m3/h，最大涌水量为398.4 m3/h。并通过计算得到本井田及相邻矿3号煤层采空区积水量为381.7 km3。据此，目前相邻煤矿采空区积水对本矿生产影响不大，本井田采空区积水对本矿生产影响较大。