余吾矿水文地质条件及防治水研究

姚 宇

(山西潞安集团余吾煤业有限责任公司， 山西 长治 046100)

1 前言

余吾矿年核定生产能力为750万t，采用立井开拓，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。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600m以上，单台水泵的排水能力在450m3/h，排水管路选用直径325mm，壁厚13mm的无缝管，共布置3趟管路，2趟正常工作，1趟备用。

2 水文地质概述

2.1 地质条件

1)大气降水

根据统计资料，矿区年大气降水量在312～920mm，平均年降水量在600mm，夏季降水占据全年降水量的70%以上。

2)地表水体

井田范围内有魏村河、后苏村河、董家庄河、绛河交川河以及栗村河等小河分布，并有一座人工水库。

2.2 水文地质条件

矿井主要含水层结构如图1所示。

1)第四系孔隙含水层

该层含水层总体上呈现出南部后、北部薄趋势，厚度为0～140m，平均厚度为44.65m，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号煤层顶板砂岩裂隙水

3号煤层顶板含水层有基岩风化带含水层，二叠系上、下石盒子组含水层，二叠系下统山西组含水层。

图1 井田主要含水层结构示意图

(1)基岩风化带含水层。该层含水层受地质构造、埋深、环境气候及岩性等影响明显，层内裂隙发育不均衡，富水性差异明显。局部位置与上部第四系孔隙含水层联系或者直接出露地表，受到地表水、大气降水等影响显著。临近的常村矿井筒施工揭露基岩风化带含水层时井筒涌水量达到281m3/h。

(2)二叠系上、下石盒子组含水层。该含水层岩性以细、中砂岩为主，局部区域为粗砂岩，厚度为4.8～36.2m，平均厚度13.21m，以裂隙水为主。

(3)二叠系下统山西组含水层。该含水层由K7及砂岩构成，厚度4.21～9.75m，平均厚度6.05m，岩性以细砂、中砂为主，是3号煤层顶板的直接涌水含水层，以裂隙水为主。

3)上石统太原组含水层太灰水

该含水层岩性以碎屑岩、碳酸盐岩等为主，厚度10.68～18.96m，平均厚度15.04m。富水性与地质构造关系密切。

4)奥陶系中统峰峰组含水层

该含水层埋深较深，埋藏深度为510.35～798.32m,含水层厚度198.32～208.33m，平均厚度189.43m。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)。具体的含水层水文地质参数见表1。

表1 主要含水层水文地质参数

3 矿井充水因素及防治对策

3.1 地表水对开采影响及防治措施

矿井水的最高水位标高在+950m，矿井的工业广场以及井筒标高最低处分别为+956m、+957m，因此，矿井一般不会发生水倒灌现象。

3号煤层厚4.85～7.63m，平均6.02m，上覆岩层砂质泥岩、砂岩为主，属于中硬岩石。因此，3号煤层开采后的垮落带Hm、导水裂隙带最大高度Hli为

(1)

(2)

(3)

式中：Hm——垮落带高度，m；

Hli——导水裂缝带高度，m；

∑M——累计采厚，m。

经计算，3号煤层垮落带最大高度为16.11m，导水裂缝带最大高度分别为65.24m和54.16m，导水裂缝带最大高度取65.24m。3号煤层与地表垂直距离均大于470m，开采后其导水裂缝带不会达到地表。

正常地段地表水对3号煤层开采影响有限，但在断裂构造及沟谷附近，可以采用修建防洪渠，强化地表变形监测，对出现沉陷裂缝以及地面塌陷裂缝进行充填；对陷落柱引起的地面塌陷、裂缝应及时填塞；夏季做好降雨疏排；对河床底部可能存在的裂隙进行灌浆处理，并铺设黏土、防水土工布等；河下采煤可以采取留设防水煤柱等措施进行处理[2]。

3.2 含水层对开采影响及防治措施

1)第四系孔隙含水层

该层含水层下部有厚度较大的黏土层，隔水效果明显，且下部还有较厚的二叠系泥岩、砂质泥岩隔水层。该层含水层对煤开采影响较小。由于矿井开采历史悠久，在采空区上部塌陷区有地裂缝出现，可能会与第四系孔隙含水层发生水力联系，对煤层开采造成影响。

防治水措施：在防治水工作中，要定期调查地面塌陷、地裂缝发育程度，掌握采空塌陷区地表水的变化，对下渗水的塌陷坑应及时对其回填及防渗处理，及时消除大气降水、地表水渗漏隐患[3]。

2)3号煤层顶板裂隙水含水层

3号煤层开采后，导水裂隙带与上覆K8和K10砂岩含水层连通，应运用地面物探、采掘工作面物探和钻探相结合的工作方法，探测其顶底板断层构造、陷落柱和富水区段发育和分布情况。

防治水措施：根据物探和钻探结果，富水性、充水因素、充水形式、水量及其变化规律，掘进巷道与回采工作面，可采取放水钻孔疏放、利用巷道进行疏放水、采取巷道顶板隔水措施等防治水技术措施。

3)3号煤层底板太灰水

该层含水层是矿井3、9、12号煤层底板直接充水水源、厚度较薄，岩溶程度低，富水性弱，同时富水性受地质构造影响明显。同时井田内断层、陷落柱较多，受到地质构造影响，煤层开采期间可能会出现突水事故。

防治水措施：应运用地面物探、采掘工作面物探和钻探结合的工作方法，探测工作面内部及其顶底板断层构造、陷落柱发育情况以及和富水性，及时做好疏、排、堵工作[4]。

4)奥灰水

奥灰水水位高度在+650～+680m，煤层开采属于带压开采。同时奥灰水与3号煤层之间隔水层厚度较大，且奥灰水最大突水系数小于0.06MPa/m，对3号煤层开采影响不大。但是由于断层、陷落柱等地质构造会切断隔水层，因此，在地质构造发育区应强化勘探，确保生产安全。

防治水措施：在3号煤层开采时，应采用分区或者分水平隔离开采方式，并留设合理宽度的隔水煤(岩)柱、建立防水闸门，配备突水监测仪、施工探放水孔等措施，根据勘探结果，必要时底板含水层采用注浆等措施。

3.3 采空区积水对开采影响及防治措施

3号煤层已经有多年开采历史，有大片采空区，部分采空区充水，给矿井生产安全带来一定威胁。根据调查资料，井下采空区部分凹陷处有积水，采用式(4)对3号煤层采空区积水量进行估算，具体估算结果见表2。

Q积=KMF/cosα

(4)

式中：Q积——采空积水总量，m3；

M——采高，m；

F——水平投影面积，m2；

A——煤层倾角，(°)；

K——充水系数，取0.30。

表2 本井田采空区积水量估算表

余吾矿现阶段采掘活动距离井田边界较远，临近矿井采空区积水对本矿生产安全影响较小。矿井主要受到本矿采空区积水制约，在有积水采空区附近进行采掘作业时，应做好探放水以及通风工作，避免出现安全事故。

3.4 构造对煤层开采的影响及防治措施

井田开采范围内已发现陷落柱119个，多数陷落柱不导水，断层190条，其中39条断层落差大于5m，前苏村、余吾两条逆断层落差分别为46m、10～98m。

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转变成导水陷落柱或者断层。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连通时，会增加煤层开采危险性。因此，应强化对地质构造探测、地质构造导水性研究工作，避免出现突水事故。

4 结论

(1) 余吾矿开采煤层受到矿区所在区域气候、煤层赋存地质条件等影响。矿井开采时受到3号煤层顶板砂岩裂隙水、底板太灰以及奥灰承压水影响明显，同时井田地质构造复杂育，部分地质构造有导水性。矿井开采时应有针对性的做好防治水工作。

(2) 余吾矿开采的煤层均处于奥灰水水位之下，属于带压开采煤层。煤层开采时应强化对地质构造探测工作，降低奥灰水对采掘工作影响。

(3) 矿井主采煤层3号层开采时，涌水主要来至于顶板裂隙水，应强化对导水裂隙带发育高度研究，以及地表沉陷裂隙监测。避免地表水体通过沉陷裂隙与3号煤层上覆裂隙含水层贯通，给3号煤层开采带来不利影响。