林南仓井田充水特征分析及防治水建议

2021-04-09刘伯

煤炭与化工 2021年2期

刘伯

（开滦能源化工股份有限公司，河北唐山 063018）

1 概况

林南仓井田位于河北省玉田县蓟玉煤田，是一座设计生产能力为每年120 万t 的大型矿井。矿区地质和水文地质条件较为复杂，断层多，井巷工程涌水频繁，煤系地层中软岩极发育，井巷工程施工条件差，维护成本高，防治水工作难度较大。加强矿区水文地质基础工作，强化防治水工作管理，是矿井安全生产的现实需要。

林南仓井田是蓟玉煤田东北部一孤立的向斜盆地，东西长约7 km，南北宽3.5 km，面积约22 km2。全区被新生界地层覆盖，冲积层厚度为140～440 m，区内地形平坦，地表标高为1.0～6.91 m，区内无河流。

1.1 井田地质条件

林南仓井田属华北晚古生代聚煤盆地成煤区域构造转换部位，燕山沉降带中段南缘，北依燕山褶皱带，其特殊古地理位置决定了井田范围内构造的特殊性和复杂性。井田主要含煤地层为石炭系上统至二叠系上统，石炭系上限为11 煤顶板细粉砂岩之顶界，与上覆二叠系地层呈整合接触，下限为奥陶系灰岩顶面，二者呈平行不整合接触。林南仓井田发育有多条大中型断层，井下实见小构造非常发育，断层发育密度大。井田内岩浆岩主要分布于西一采区西部，西二采区大部，西四采区和东一采区局部。

矿区煤系地层中沉凝灰岩（包括凝灰质粗砂岩、凝灰质中砂岩、凝灰质细砂岩、凝灰质粉砂岩）十分发育。从A 层至12 煤顶板均有不同程度的凝灰质岩石，由于此类岩石极易风化和水化，对工程施工影响较大。主采煤层顶、底板岩层中粘土矿物含量高（主要为蒙脱石、高岭石等），特别是煤6 顶底板、煤8-2 底板，煤9 顶底板、煤12 顶板，岩性松软，遇水膨胀，极易片帮冒顶，巷道支护困难，变形严重，难以维护。

1.2 井田水文地质条件

林南仓井田赋存于一个不对称的构造盆地之中，伏于第四纪冲积层之下，基岩面北高南低，高差达100～200 m。第四纪冲积层厚度变化较大（143～434 m），其底部卵、砾石层含水丰富。下伏奥陶纪灰岩含水丰富，井田西部断层发育，有岩浆岩侵入，水文地质条件较为复杂。矿井直接充水含水层包括 5 煤顶板、5～12 煤、12～14 煤、14煤～K3 这4 个砂岩裂隙承压含水层（组）；矿井间接充水含水层为第4 系孔隙含水层和奥陶系岩溶裂隙承压含水层。由于冲积层内有较好的隔水层存在，深部含水层不能就近接受大气降水的补给。冲积层和煤系各含水层之间均有较好的隔水层赋存，一般情况下地下水径流自北向南主要沿层间流动。

历史最大涌水量为19.53 m3/min（1981 年10月）。自建井至今，共发生突水淹井事故3 起（主井井筒施工期间），突水量大于1 m3/min 的事故28起（表1），最大突水量9.25 m3/min。其中断层水害11 起，钻孔水害2 起（井下钻孔突水），煤层顶底板水害15 起，矿井突水水源来自于含煤地层内部的5 煤以上0～100 m 段砂岩裂隙含水层、5～12煤砂岩裂隙含水层、12～14 煤砂岩裂隙含水层和14 煤～K3砂岩裂隙含水层。

表1 突水点基本情况Table 1 Basic situation of water inrush point

2 矿井充水特征

矿井涌水水源主要为煤12 下伏地层，占矿井涌水量的70%以上。井下突水点大部分集中在12煤及其底板中。林南仓井田水文地质条件具有十分明显的区域特征，矿井涌水受区域地质和工程地质特性的控制，矿井总涌水量不大(历史最大涌水量为19.53 m3/min)，但突水点较多，且集中在构造发育部位，突水多发生在煤12 以下层位中。涌水点水量变小或消失较快，但不都是处于疏干状态，多数情况是软岩膨胀堵塞裂隙所致。工程施工中突水征兆不明显，涌水具有突然性。奥陶系灰岩含水层是矿井主要的间接充水水源，矿井涌水最终来源主要为该含水层水。受岩石遇水软化膨胀的影响，采空区充水系数一般较小（0.1～0.2）。

2.1 充水形式

矿区充水水源主要是砂岩裂隙含水层，而裂隙充水形式多以滴淋水向井下巷道涌水，一个新裂隙出水后，老裂隙出水点涌水量减小或消失，深部巷道涌水后，浅部巷道涌水即减小或无水，呈此起彼落现象。矿井坑道充水时以底板涌水和顶板淋水为主要形式。采面和巷道开拓后，坑道充水主要来源于5 煤顶板和12 煤至14 煤间的岩巷，二者占矿井总涌水量的70%～80%。地下水同层位联系很强，不同层位联系很弱，当深部采面或巷道出水后，同层位的浅部采面或巷道即被袭夺而干涸。煤系各含水层以露头区补给为主，所以矿井涌水量在巷道或采面沿走向的采掘长度暂时不变时，矿井总涌水量将出现在暂时稳定阶段，在此阶段可出现强出水点袭夺弱出水点，边部出水点袭夺中间部出水点的现象，而矿井总涌水量的变化甚微。由于井田内断层较多，如果断层将其它含水层的水导入巷道，将会局部的改变充水条件，使巷道充水条件复杂化。

2.2 涌水规律

全矿区矿井涌水量基本维持在比较稳定的水平，一般为7.5～12.0 m3/min，但各水平涌水量趋势有所不同，-240 m 水平呈先升后下降趋势，-400 m 水平逐渐下降，-500 m 水平呈先升后下降趋势，-650 m 水平的涌水量还在增大。矿井涌水量的变化规律与开采面积、开拓长度、产量、开采深度等因素有一定关系。

（1）矿井涌水量与开采面积、开拓长度、产量的关系。由于矿井涌水量主要由14 煤～K3、12～14 煤2 个含水层涌水组成，回采工作面涌水量来源于5 煤～12 煤含水层，此含水层含水性较弱，工作面单位涌水量为0.1～0.5 m3/min，而矿井涌水量为6～19 m3/min，故矿井涌水量与开采面积、产量关系不大。矿井涌水量主要与开拓活动有关，由于含水层整体含水性较弱，补给差，富水性不均匀，造成了突水点水量稳定性较差，所以矿井涌水量与开拓长度关系不密切，与开拓层位和开拓工程的连续性密切相关。

（2）矿井涌水量与开采深度的关系。-240 m水平开拓工程完工后，水平最大涌水量13.78 m3/min （1979 年 12 月），-400 m 水平开拓工程基本完工后，最大涌水量10.95 m3/min（1982 年11月），水源皆来自12 煤～14 煤、14 煤～K3含水层（不包括5 煤以上0～100 m 段含水层），可以看出在矿井基建阶段由于含水层含水性不丰富（含水中等），矿井涌水量受含水层静储量影响较大，以消耗含水层静储量为主。含水层扩展半径进展缓慢，影响较之前者不成比例，所以就造成了矿井涌水量与开采深度关系不大，但随矿井开采年限加长，矿井涌水量变为以后者影响为主，并随开采深度增大而增大。

3 有待研究的水文地质问题

3.1 -240 西翼回风巷突水水源的确定

1991 年2 月，在-240 西翼回风巷掘进中发生突水。该巷道沿14 煤层掘进，在连续穿过5 个小断层后发生滞后底鼓突水，最大突水量达9.25 m3/min。经探查，巷道突水位置前方48 m 处为F2断层，突水原因为由断裂破碎带导致强烈底鼓引起的，但对突水水源没有进行深入的分析和研究，对矿井水文地质条件的划分留下技术上隐患。

3.2 2123 工作面风道突水水源的确定

2013 年4 月，2123 风道掘出中发生突水，最大水量2.0 m3/min。在随后进行的钻探探查工作中，与突水点相距仅25 m 的中1 个钻孔涌水量水达2.4 m3/min，但突水点水量没有变小。出水形式表现为煤12 顶板集中出水，但水质类型却为底板含水层水，由于没有临近的水文地质长期观测孔，没有获得地下水位变动的相关资料，其突水水源难以确定。

3.3 软弱地层对矿井防治水工作影响的分析

林南仓井田煤层顶、底板岩性多为凝灰质的细砂岩、粉砂岩或粘土岩，泥质胶结。特别是煤6 顶底板、煤8-2 底板、煤9 顶底板、煤12 顶板，岩性松软，遇水膨胀，极易片邦冒顶。软岩地层对防治工作的影响也是明显的，如容易形成抽冒，形成局部积水体，使防水煤岩柱尺寸需要增大，探放水钻孔施工成孔困难导致成本增加，探放水钻孔堵塞导致泄水效果差等。此外，由于软岩地层吸水后膨胀，具有隔水性能，大大增加了工作面开采后形成“离层积水”发生意外水害事故可能性。林南仓井田存在的软岩地层对矿井防治水工作的影响程度还没有进行过系统的研究和评价，有必要开展相应的工作。

3.4 煤12 底板～K3 含水层水位异常问题

煤12 底板～K3含水层是矿井开采主要直接充水含水层，生产中出水事故多发生在该层位。随着矿井开采范围增大其水位本应大幅度的降低，但从目前资料分析，其水位下降并不符合矿区规律，下降幅度偏小，特别是在F1、F2 断层区域存在高水位异常（图1），是煤系地层中可能存在导水陷落柱主要特征之一，应引起重视。

图1 林南仓井田煤12 底板～K3 含水层等水位线Fig.1 Isowaterline of 12 coal floor～k3 aquifer in Linnancang minefield

4 强化矿井防治水工作的建议

4.1 提高防治水工作的针对性

（1）矿井水文地质工作的开展应结合井田实际情况进行，制定一套适用矿井生产需要的防治水工作模式和工作方法，即制定该矿井防治水工作规范。

（2）建立健全水文地质动态观测系统，特别是煤12 底板含水层和奥陶系灰岩含水层，应形成水文动态观测网，以便能准确把握其对矿井开采的威胁和影响程度。

（3）应加强含水层之间的水力联系研究，特别是煤12 底板以下砂岩至奥陶系灰岩之间的水力联系，其对工作面涌水量或突水点水量大小有决定作用，关系着防治水措施的制定和排水设施的准备工作。

（4）老空积水探放放工作是矿井防治水的重点之一，应及时进行积水资料的分析整理，严格按《煤矿防治水细》要求组织进行探放水。

（5）井下突水点通常为小～中等突水点，突水量不会太大，一般发生在构造发育部位，局部（单个工作面）排水设施可按此考虑。

4.2 不断强化水文地质基础工作

强化水文地质基础工作，加强防治水工作的日常管理，及时、动态地进行水文地质资料分析工作，找出矿区水文地质工作中存在的重点和难点问题，并采取针对性措施。

4.3 防治构造出水是井田防治水工作的重点和难点

（1）断层水害防治是林南仓矿防治水工作的重点，井田内大、中型断层发育，落差大于20 m的有18 条，最大落差达到138 m，其中有7 条大断层直接切至奥灰岩。特别是对一些落差较大的张性断裂，必须严格落实相关规定，做好超前探测工作和煤柱留设工作，新采区投入和水平延深中要超前考虑区域性防治水工作。

（2）陷落柱是本矿井开采过程中不能回避的问题，虽然到目前为止尚未有资料记录陷落柱的存在，但矿井有几次突水事故中有奥陶系灰岩水参与的现象，且原因没有查明。如1992 年12 月在-400 m 西二轨道发生突水，水量5.5 m3/min；1993年1 月在-240 m 西翼回风巷发生突水，水量为9.25 m3/min；1998 年 3 月-400 水平东一轨道上山就曾发生过裂隙突水，最大水量4.33 m3/min，水源为奥灰水；2013 年4 月2123 风道突水，水量2.0 m3/min，随后在对出水点探查时，钻孔涌水达2.4m3/min （其间突水点水量无变化），且出水量长期稳定，水质类型与奥陶系灰岩水相近。因此，建议应开展相应工作，立项进行了研究。