万年矿奥灰水文地质条件及下组煤开采技术研究

李明

（冀中能源峰峰集团有限公司 万年矿，河北 邯郸 056302）

1 概 况

我国是能源大国，煤炭资源在能源结构中占有重要地位。我国部分矿区水文地质条件十分复杂，随着开采强度的不断加大，所产生的突水成因机制和防治方法也渐趋于复杂化。一大批煤矿快速进入深部开采阶段，采深超过千米的煤矿全国已有47处。国有重点煤矿中，东北、华北、华东地区的43 家煤炭企业近300 处矿井开采深度超过600 m。其中，河北开滦、山东新汶、辽宁沈阳、黑龙江鸡西、江苏徐州等矿区近200 处矿井开采深度超过800 m。中国矿业大学教授张农表示，我国探明煤炭资源中，60%埋藏深于800 m，且浅部资源已有较大消耗。我国煤矿开采深度正以每年8～12 m 的速度增加，中东部矿区以每年10～25 m 的速度进入深部开采，从资源赋存特点和开采延伸速度看，深部开采势在必行。矿井开采所呈现的高岩溶水压、高地应力、高地温以及强采矿扰动已严重影响煤矿的正常生产。特别是受承压水威胁日益严重，华北型煤田由于煤系地层底部奥灰含水层厚度大，岩溶裂隙发育，富水性强，随着开采煤层深度和广度的不断增加，矿井的奥灰水害问题更加明显。

万年煤矿和南洺河铁矿同属一个水文地质单元，铁矿井田范围呈镶嵌式紧邻，煤矿赋存于石炭、二叠系，铁矿为奥陶系与火成岩接触交代成矿，位于煤矿底部。矿区内水文地质条件复杂，矿井涌水量大，下部煤层承受压力大，对矿区的安全开采构成直接威胁。南洺河铁矿2010 年4 月投产以来，矿井排水量维持在30 000 m3/d 左右，万年矿区奥灰含水层总排水量达43 000 m3/d 左右。根据矿区奥灰水观测记录，地下水位在每年雨期再无回升现象，常年呈持续下降状态。受南洺河铁矿排水影响，万年矿奥灰水位现已降至-160.372 m，奥灰水位的下降解放了下组9 号煤层，-50 m 以浅水平的9 号煤层正在开采中，未来3 a 万年矿计划对矿井-150 m 以浅下组煤进行开采。

2 关键技术

（1） 通过对矿区水文地质边界条件的确定，分析研究该区的奥灰含水层排泄、补给及径流条件，找出该区的水文地质特点，对井田水文地质条件进行宏观研究和定性评价。

（2） 对南洺河铁矿排水量及万年矿奥灰观测孔水位变化量进行统计分析，计算该区的水力梯度，总结出万年矿区奥灰含水层动态变化特征，加深对奥灰含水层的认识。

（3） 对下组煤开采过程中矿井充水条件进行分析，包括对充水水源和可能的导水通道进行分析，分析下组煤开采区范围内地下水可能的补给来源及通道，利用已有钻孔资料和水位观测资料，对万年矿各水平突水临界水位计算，根据南洺河铁矿今后的排水预计标高，计算出下一步万年矿开采下组煤最低标高及相应可采煤量。

3 万年矿区区域地下水补给、径流及排泄条件

3.1 万年矿区地下水补给条件

万年井田百泉泉域内奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层，补给方式主要有裸露石灰岩直接接受大气降水补给和河流渗漏补给，其中河流多年平均渗漏量为6 m3/s，是该含水层的主要补给来源。天然条件下，奥灰含水层水以承压水形式赋存，静储量丰富。多年来，经人为开采，矿区奥灰水水位大幅下降，形成强烈的扰动流场，在此过程中其地下水主要接受的补给来源为矿区西北部裸露灰岩区降雨入渗和闪长岩表层的风化裂隙水、河流垂向渗漏补给和煤系地层垂向补给。

3.1.1 西部边界流量补给

西部边界流量补给主要来源于矿区西北部的裸露灰岩降雨入渗和闪长岩表层的风化裂隙水，其补给水量的大小主要受降水量的影响。矿区西北部店头村- 南马庄一带奥灰岩裸露面积约5.5 km2，奥灰岩地下水接受降水入渗和其周边闪长岩表层风化裂隙水的补给。2011 年4 月观测到2672 弃用水源地水井的水位标高为63.28 m，此次调查时观测水位标高为66.87 m（2016 年8 月），因此次观测的前两个月降水量较大，水位有所回升。可见，这一带奥灰水接受补给后，水位抬高，溢过闪长岩顶面，经上洛阳至西万年一带进入矿区，成为矿区奥灰岩地下水的补给来源之一。矿区西侧闪长岩，表部多受风化，强风化带深度15～20 m，最深可达30 m 以上，表层裂隙比较发育，风化带内含一定量的潜水，孔壁村一带民用井即取用该层水。在接触带附近，闪长岩中往往发育有构造和成岩裂隙，偶尔尚能见到溶蚀现象，有一定的透水能力。由于地形地貌有利于闪长岩风化裂隙带接受降雨补给，该带又与奥陶系石灰岩（或断层） 直接接触。因而在降水期间闪长岩风化裂隙潜水对奥陶系灰岩的补给量相应增大。

3.1.2 河流垂向渗漏补给

南洺河于西南角磁山铁路桥处自西向东进入矿区后，折向北—北北东，呈蛇曲流经罗峪、下洛阳、西万年、城二庄而出矿区。南洺河西南部河床底部直接为奥陶系灰岩，河岸陡崖可见裸露灰岩，成为河水补给奥灰岩地下水的联系通道。河水对奥灰岩地下水的补给形式为“底渗帮漏”，即通过河床冲积层下渗和河岸裸露灰岩隙洞漏灌，当河床表流不大，表流及潜流以“越流”的方式下渗补给奥灰水。洪水期，河水位可能抬高至两岸裸露灰岩处，通过岩溶裂隙，直接补给奥灰水。据调查，2016 年7 月19 日，南洺河发洪水期间，在南洺河铁矿±0 开采水平出现约50～100 m3/h 的渗漏量，对万年矿井下浅部有一定影响。

3.1.3 煤系地层垂向补给

煤系地层在矿区内整个覆盖于奥陶系灰岩含水层之上，两者犹如相互独立的巨大含水体。在矿山排水后，煤系地层水位整体高于奥灰岩水位，煤系地层地下水自上而下补给奥灰岩地下水，万年矿煤矿排水消耗一部分，但不能完全截流。煤系地下水作为奥灰水的主要补给源之一，其对奥灰地下水的补给通道为构造裂隙，补给量受构造裂隙的导水能力所控制。

3.2 万年矿区区域地下水径流条件

区内北东向构造体系与南北向构造体系成为区域内的主要控水构造，是控制地下水径流与岩溶泉形成的主要因素。北西向构造和东西向构造使得地下水水力联系密切，形成了岩溶水向东径流的总趋势。万年矿区奥陶系岩溶发育具有水平及垂直分带的规律，在水平方向上西部弱而东部强。垂向上，上部充填物多，中部充填物少，且岩溶极发育，底部岩溶不发育。由于岩溶发育的不均一性，致使含水层具有各向异性，局部岩溶发育形成强径流带。区域地下水自西北、西、西南沿白马河强径流带、七里河强径流带、沙河强径流带及北洺河强径流带向达活泉和百泉汇集。

区域内岩浆岩比较发育，主要为燕山期闪长岩类岩浆岩，岩性多为花岗闪长岩、闪长玢岩。矿区西部F1 断层以西有大面积侵入；矿区南部，侵入奥陶系的岩浆岩深埋于地下，构成了奥陶系石灰岩的隔水底板；矿井东部及东南部地区，根据地面补勘孔资料显示，F13 断层下盘附近WX26 勘探孔、WX27 勘探孔4 号煤层以岩株、岩床形式侵入，侵入范围在立体空间内形成相对封闭块段。岩浆岩发育至向西在东孔壁、磁山一带出露地表，即磁山岩体。该处岩体厚度大于600 m，连续性较好，隔断了矿区与西部区域岩溶地下水的联系，形成了矿区西部的隔水边界。岩浆岩顶面虽有起伏，但总的趋势是西高东低、北高南低，向SEE 倾斜。根据岩性及侵入形态分析，岩浆岩侵入方向可能是自南东向北西方向进行的。东北及西北部发育的岩浆岩切割了万年矿区地下水的主要径流通道，大大削弱了区域内地下水的过水能力。总之，区内岩浆岩的侵入控制了岩溶的发育程度，因而也控制了地下水径流带的形成和空间分布。

3.3 万年矿区区域地下水排泄条件

区域地下水排泄主要以泉群排泄为主，人工排泄次之，地下水沿单斜构造顺含水层向东部埋藏区运移，到东部井田边界断层受阻，且无明显的天然排泄区，地下水以储存量的形式赋存于含水层之中。随着地下水位的不断下降，大量泉群干涸，后者已逐渐占据主要地位。通过对峰峰矿区和万年矿区水文地质条件的比较，得出二者属于两个不同的水文地质单元，区域地下水的补给、径流及排泄条件也不尽相同，对万年矿区奥陶纪灰岩水的治理可以另辟蹊径。再对万年矿区区域及万年矿水文地质边界条件、富水情况进行分析，找出万年矿区奥灰水位动态特征，形成一套不同于峰峰矿区奥灰水的治理方法，解决高承压水对回采工作面的影响，达到安全生产的目的。

3.4 试验结果

（1） 通过对万年矿区周边区域的水文地质边界条件和地下水补给、径流及排泄条件进行分析，与万年矿范围内的水文地质条件比较，得出万年矿井田与南洺河铁矿共属百泉泉域一个相对独立次一级水文地质单元，与峰峰矿区其他矿井分属不同的水文地质单元，万年矿区与周边区域水文地质富水条件呈“外弱内强”的特点，万年矿区特殊的地理位置，为奥灰含水层水位的人为疏降创造了必要条件。

（2） 通过南洺河铁矿排水量与矿区内奥灰水位疏降统计表看出，南洺河铁矿与万年矿在同一个水文地质单元的前提下，奥灰水位随排水量的变化整体会出现“同增同降”的变化趋势。同时本区奥灰水位会随枯水、丰水期的变换而有所变化。南洺河铁矿与万年矿奥灰水位在排水疏降的过程中，同期也存在明显的差值，南洺河铁矿位于井下排水为低点的地层水位疏降漏斗中心，万年矿处于漏斗边缘侧，2016 年前两矿的奥灰水位差在5 m 左右，随着铁矿排水量的增加，2016—2017 年南洺河铁矿与万年矿水位差值在12.5 m 左右，至2019 年9月差值缩小至9 m，随着疏降漏斗的减小两矿之间的水位差值也将逐渐缩小。

（3） 9 号煤底板隔水层承受水压的强度可按В·Д·斯列萨列夫公式计算，斯列萨列夫计算公式和强度理论是根据含水层承压水的压力及矿体底板与下含水层间隔水层抗弯强度的比值，预测采空破坏后产生突水的可能。计算公式如下：

式中：H安为岩石可承受的最大水头值，m；L为回采工作面悬顶距，m；γ 为隔水层岩石的平均容重，t/m3；KP为隔水层岩石的抗张强度，t/m2；M为隔水层厚度，m。

根据式（1） 可以计算不同开采水平所需的有效隔水层厚度，其中9 号煤层底板岩石单轴抗拉强度一般在100～150 t/m2，抗剪强度在300 t/m2以上（区域经验值），因此Kp取100 t/m2；平均容重γ 取2 t/m3；回采工作面最大悬顶距离L取20 m；仅考虑有效保护层的阻水能力，其平均厚度M按15 m计算（底板采动破坏深度按10 m 计算），底板破坏深度按10 m 考虑，回采工作面最大悬顶距离取20 m，-50 m 水平以上9 号煤开采奥灰水位须在+67.5 m 以下，计算结果见表1。

目前，由于南洺河铁矿疏降开采，井田西侧奥灰水位在-140 m 左右，在目前水位条件下，按照奥灰突水临界水压公式计算，开采-75 m 水平以浅的9 号煤资源是相对安全的。上述计算可以说明9号煤底板隔水层的阻抗水能力，同时也能说明开采标高与临界水位之间的定量关系。这对于本区在南洺河铁矿疏水降压条件下开采下组煤具有重要的参考价值。南洺河铁矿排水量与奥灰水位变化曲线如图1 所示。

图1 南洺河铁矿排水量与奥灰水位变化曲线Fig.1 Curv of water discharge and Ordovician limestone water level change in Nanminghe Iron Mine

表1 万年井田9 号煤开采奥灰突水临界水压计算一览Table 1 Calculation list of critical water pressure of water inrush from Ordovician limestone in No.9 coal seam mining

4 南洺河铁矿与万年矿间的水力联系

本区位于阴山及秦岭两个巨型纬向构造体系之间，西临新华夏系太行隆皱带，东接华北沉降带，处于新华夏系两个不同构造单元的过渡地段。受纬向构造应波的影响，引导出一些东西向宽缓褶皱，新华夏系主要发育有北北东向断裂构造，两种构造体系的组合，构成了本区以北北东向断裂为主，展布有东西向的向南东缓倾的褶皱平缓开阔的单斜层，结合历年的矿区内奥灰水位观测资料分析，本区形成了以南洺河铁矿井下排水为低点的地层水位疏降漏斗，矿区奥灰水流向如图2 所示。

（1） 南洺河铁矿刚复工后罗峪观测孔与万年矿±0 水平W12 间的水力坡度。分别取同一时间南洺河罗峪观测孔水位17.2 m 和万年矿±0 水平W12 观测孔水位22.1 m（同取2010 年7 月），两个观测孔之间水平距离为1 255 m。水力坡度=（22.1-17.2） /1 255=4‰。

（2） 罗峪观测孔与万年矿±0 水平W15 间的水力坡度。分别取同一时间南洺河罗峪观测孔水位-32.26 m 和万年矿±0 水平W15 观测孔水位-28.1 m（同取2014 年1 月），两个观测孔之间水平距离为581 m。水力坡度=（|-32.26|-|-28.1|）/581=7‰。

（3） 南洺河井下观测孔与地面杨二庄观测孔间的水力坡度。分别取同一时间南洺河井下观测孔水位-185 m 和地面杨二庄观测孔水位-169.26 m（同取2019 年9 月），两个观测孔之间水平距离为1 008 m。水力坡度=（|-185|-|-169.26|）/1008=16‰。

（4） 南洺河井下观测孔与万年矿井下-500 采区W34 观测孔间的水力坡度。分别取同一时间南洺河井下观测孔水位-185 m 和万年矿井下-500 采区W34 观测孔水位 -160.372 m（同取 2019 年 9月），两个观测孔之间水平距离为5 220 m。水力坡度=（|-185|-|-160.372|） /5 220=5‰。

（5） 杨二庄观测孔与万年矿井下-500 采区W34 观测孔间的水力坡度。分别取同一时间杨二庄观测孔水位-169.26 m 和万年矿井下-500 采区W34 观测孔水位-160.372 m（同取2019 年9 月），两个观测孔之间水平距离为5 985 m。水力坡度=（|-169.26|-|-160.372|） /5985=1.5‰。

图2 万年矿区奥灰水流向预想Fig.2 Forecast of Ordovician limestone water flow direction in Wannian mining area

5 万年矿奥灰水动态特征

经对万年矿与南洺河铁矿之间水文地质条件分析，万年矿受矿区封闭水文地质单元限制，井田范围内奥灰水位主要受南洺河铁矿、井田范围内供水孔排水及自然水力坡度影响，水位降深在枯水期明显，丰水期受大气降水直接补给出露奥灰含水层，导致雨季期间井田奥灰水位有少量上升，而后又会呈下降态势逐步下降。受自然水力坡度影响南洺河铁矿井下排水点呈强力疏排水漏斗最低点，矿区东南方至西北方自然坡度陡峭，水力变化明显；西北方至东南方自然坡度略陡，水力变化略显湍急；东北方至西南方自然坡度舒缓，水力变化较为平缓。总之越靠近疏降漏斗南洺河铁矿，奥灰水位变化越为明显，向北部越远离南洺河铁矿，奥灰水位变化越为平缓。整体万年矿奥灰水位以南洺河铁矿为中心呈漏斗式进行逐年下降。

6 矿井-150 m 水平以浅下组煤采区水文地质情况

-150 m 水平下组煤采区东与-240 南二、南一、北一、北二采区相邻；西、南、北以井田边界为界，本区构造以NNE 及NE 向构造为主，地层产状变化较大。本区煤岩层总体上呈单斜构造，煤层倾角0～20°，平均10°左右。由于受构造的挤压、牵引作用，局部地层倾角变化较大。共查明断层18 条，按照落差分类，其中落差≥30 m 的6条，落差≥20 m 的7 条。根据计算，万年井田-150 m 水平9 号煤开采预计矿井正常涌水量为181 m3/h，最大涌水量为277 m3/h；-150 m 水平石门揭煤大青灰岩的稳定涌水量为86.3 m3/h；奥灰水疏降到-150 m 水平时稳定涌水量为1 264 m3/h。区内9号煤层埋深210～335 m，本煤层位于太原组中下部，上距8 号煤层3～5 m。煤层厚厚1.3～3.16 m，一般厚度2.12 m。有0.2 m 的夹石2～3 层，夹石不稳定，岩性为粉砂岩，9 号煤全部可采，属较稳定性煤层，煤质牌号为无烟煤。

7 结 论

（1） 此次研究为相对封闭的水文地质单元的条件下，安全开采受承压水威胁的下组煤层提供了一条新技术途径，遏制了煤矿底板突水多发势头，解决了生产效率低及资源紧张难题。

（2） 矿井开采水害防治与地下奥灰水环境及水资源保护的“治保”统一，减少矿井涌水量，保护地下水资源，实现绿色开采。

（3） 本文的研究既解决了南洺河铁矿开采的威胁，也解决了万年矿下组煤下部承压水的威胁，实现了奥灰含水层上、下铁矿和煤矿的联合开采，保障了南铭河矿、万年矿的安全生产。