昭阳区石垭口煤矿充水因素分析及防治水对策

张荣敏

（昭通市昭阳区工业信息商务科技局，云南 昭通 657000）

昭通金寰矿业有限公司石垭口煤矿地处云南省昭通市昭阳区小龙洞乡，距昭通市区25km，是山东丰源集团股份有限公司实施做大做强、向外扩张战略，在山东省外投资建设的首个煤矿。2010 年10 月成立煤矿项目筹建指挥部，提交可研报告，2012 年8 月取得开工备案手续，2013 年3月正式动工兴建，目前已进入三期工程施工，矿井涌水量为230m3/h。本文以石垭口煤矿为研究对象，分析了该矿的充水因素，提出了防治水对策，指明了该矿今后的防治水工作的方向，具有针对性、可操作性，也可供周边矿井参考借鉴。

一、概况

（一）矿井规模及储量

根据全市煤炭资源储量、赋存条件、灾害程度，昭通市能源局组织专家编制了《昭通市煤炭产业高质量发展行业技术指导建议》，把昭阳区划分为六个区块，保留煤矿6个，其中：30万吨4个，45万吨和60万吨各一个。其中鲍家地矿区4 个区块，石垭口煤矿所属的鲍家地矿区第2 区块，面积33.8216km2，储量10000 万吨。石垭口煤矿主要可采煤层自下而上分别为M1、M4、M7，均厚分别为1.00m、1.52m、1.97m，低瓦斯矿井按高瓦斯设计，地质条件中等，水文地质条件复杂，矿井地质资源量69290.0kt，工业资源储量48264.0kt，设计可采储量为29617.4kt，设计生产能力450kt/a，资源储备及矿井主要生产设备配置具备扩大产能至900kt/a 的条件。

（二）地形地貌、水系及降雨量

石垭口煤矿位于云南省东北部乌蒙山脉东段，属构造侵蚀溶蚀高中山区，山脉走向与地层走向基本一致，总体呈近南北向展布。区内地势总体呈北西高南东低，标高一般在 +2700～+2100 m；最高点位于矿区西北角，标高 +2775 m，最低侵蚀基准面位于矿区东南角偏坡寨西沟溪出境口，标高 +2175 m，相对高差600 m，一般为300～500 m，地形切割剧烈。

本区地处洒渔河与模洛河分水岭地带，地表水系不发育，仅四条季节性溪沟，流量0.8～24 L/s，雨季流量较大，旱季多数断流。各溪沟一般由北向南径流，出境后汇入模洛河，属金沙江水系，模洛河在井田东边界，河床（最低侵蚀基准面）标高+2100m。气温垂直分带明显，每年5～10月为雨季，多年平均降雨量1009 mm，雨季降雨量约占全年80%左右。

（三）地层、构造及水文地质类型

井田范围出露最老地层为石炭系下统金子沟组、含煤地层为石炭系下统万寿山组、上覆地层依次为石炭系下统旧司组、上司组、摆佐组、中统威宁组，二叠系下统梁山组、栖霞组、茅口组、上统峨眉山玄武岩组及第四系，简述于下。地层水文地质特征见表1。

表1 地层水文地质特征表

石垭口煤矿总体为单斜构造，缓倾斜地层，倾角变化不明显。断裂构造较发育，较大断裂构造为F1、F2、F3，其余为小断层，且分布零星，矿井范围内未发现有其他构造，地质构造复杂程度为中等类型。水文地质条件复杂类型。

二、实见水文地质及充水因素分析

（一）煤系地层上覆含水层对矿井充水的影响

石垭口煤矿采用斜井开拓，主、副井口位于井田东部偏坡寨附近，井口标高为+2305m，25°下山，斜长1200 m；西回风立井位于井田西部距主副井口2065m，深度767m，井口标高+2555m。

1.突水层位、突水形式及涌水量。2013 年10 月，在施工主、副井筒及西回风立井在揭露和穿过P1q+m（栖霞、茅口灰岩）岩溶强含水层时未发生突水，该岩溶强含水层接近地表，岩溶裂隙很发育，连通性好，浅部在雨季是地下水泾流的通道，深部裂隙基本全部被粘土充填满，成为了良好的隔水层；主、副井筒施工至二叠系梁山组（隔水层）底部、石炭系威宁组顶部，主斜井施工至423m 时发生底板突水，初始水量为17.8m3/h，副斜井施工至417m 时发生底板突水，初始涌水量约17.0m3/h，后主副井筒突水量分别逐渐增大至34 m3/h，主、副井初始突水（初见水位）标高+2125 m；2014 年3 月，在西回风立井施工至井深443m 的石炭系中统威宁组底界面和下统摆佐组顶界面附近位置（标高+2122m）发生突水，突水量由12m3/h 逐渐增大至32m3/h，由于排水系统不完善导致淹井。经完善主、副、风井排水系统恢复被淹井筒后继续施工，各井筒由上而下依次穿过前述的各含水层，揭露和穿过各含水层的过程中均出现突水，突水形式为岩溶裂隙水，突水点分散，单点的突水量不大。2017 年7 月矿井涌水量达到225m3/h，直到2017 年12 月轨道石门、运输石门穿过旧司组含水层进入万寿山组（C1w）煤系地层（弱裂隙含水层，可视为相对隔水层）时，矿井涌水量（西回风立井涌水量因未与主、副井贯通且独立排水，未计入）在200m3/h 上下波动，2018 年2 月西回风立井落平，2018 年5 月三井贯通（矿井已完成煤系地质上覆含水层及隔水层的所有开拓工程量4800m），2018年8 月－12 月矿井涌水量达到建矿以来的最大值270m3/h，2019 年2 月（旱季）达到一个谷值220m3/h，2019 年6 月（雨季）又升高到一个峰值256 m3/h，2020 年3 月（旱季）又降低到一个新的谷值160 m3/h。井筒及2 条石门揭露的绝大多数出水点由浅部至深部已逐渐疏干、断流。

2.各含水层水化学类型。在施工过程中遇到突水选择有代表性的点取水样送到有资质的水化学中心进行了工业全分析，分析结果见表2。

表2 分析结果

通过以上观测、水质化验及分析，可以得出几点结论：（1）矿井初见水位与当地侵蚀基准面一致。本矿东邻的漠洛河河床标高+2100m 应视为当地侵蚀基准面。该基准面（+2100m 水平面）以上的栖霞、茅口 (P1q+m)灰岩岩溶强含水层上部岩溶发育，出露部分呈卡斯特地貌特征，具备大量过水的岩溶通道，通道在旱季不含水，在雨季是主要的地下径流通道，该含水层下部被地下水所携带的粘土沉积并长期充填成为相对隔水层；井筒施工中的初见水位仅与最低侵蚀基准面（标高+2100m）相关，在这个标高以上掘进时无涌水，掘至该标高以下时开始出现涌水。《石垭口煤矿勘探报告》中关于“最低侵蚀基准面位于矿区东南角偏坡寨西沟溪出境口，标高+2175m”的论述有误。（2）开拓工程量是矿井涌水量增大的主要影响因素。从矿井涌水量与矿井掘进总进尺图可以看出：在2017 年底（揭露含水层面积达到最大）之前，矿井涌水量随着矿井开拓工程量的增加而增大，开拓工程完全揭露煤系地层上覆含水层（之后的井巷工程是在煤系地层万寿山组相对隔水层中施工）后矿井涌水量达到最大值。（3）降水量变化是矿井涌水量波动的主要影响因素。由于2018 年降水量与前后几年相对大一点，矿井涌水量增大到建矿以来的最大值270m3/h。（4）2018 水对矿井涌年之降水量的影响时间后，大致滞后10 个月。每年矿井涌水量最大值均要先于雨季最大降雨月份2 个月，看似矛盾，实则是降水对矿井涌水影响时间滞后所致，这与涌水点的埋深大，地表水补给时间长有密切关系。（5）浅部含水层水质类型以HCO3-Mg2+Ca2+型水质为主，深部含水层水质类型则以HCO3-Na+型水质为主，深部较早揭露（旧司组顶部、上司组底部）突水点水质类型为SO42-Ca2+Mg2+型，且有硫化氢（H2S）的刺鼻气味；水样的PH 值均大于7，呈碱性；标高越高（+2122.0m）、埋藏越浅地下水的流动性越强其矿化度越低（182.0 mg/L），标高越低（+1775m）、埋藏越深水的流动性越差其矿化度越高（1232mg/L≥1000mg/L，属微咸水）。（6）深部含水层处于最低侵蚀基准面以下，无排泄点，长期处在封闭缺氧的还原环境中，地下水对围岩的溶蚀作用导致岩溶水的矿化度高。初揭露深部含水层时突水水源以静储量为主，长期矿井排水形成了降落漏斗，处于降落漏斗之上的出水点逐渐干涸断流，而处于降落漏斗之下的突水点经长期疏排后，充水水源则由原来的以静储量为主逐渐转为以动储量为主，即深部含水层接受了浅部含水层水的径流补给，因而后来水样的化验结果矿化度低。（7）深部地下水中有H2S 气味是原岩中的水化学环境所致。上司组底部夹一层14～17m 厚的浅灰～灰黑色泥岩、粉砂质泥岩，局部含较多星点状黄铁矿结核及炭化植物碎屑。因该地层中含有黄铁矿（Fe2S）结核，遇水后产生化学反应：Fe2S+H2O+O2->Fe2O3·3H2O+H2SO4（煤矿地质学，煤炭工业出版社184 页第24 行）,在缺氧条件下经过(一般在地下深处封闭的地质构造中)生物化学还原（脱硫酸）作用生成H2S 气体。在有机物存在的条件下，当地下水中的SO42-,因微生物(脱硫细菌)的作用还原而生成H2S 时，水中的SO42-减少以至消失，而H2S 气体及HCO3-的含量增大（实测水样中HCO3-含量占阴离子总量的19.97 mmol %）。脱硫酸作用的化学反应式：SO42-+2C+2H20->H2S+2 HCO3-。在地下深处缺氧的封闭地质构造中(如紧闭背斜)和富含有机物的岩层(如黑色的石灰岩)常有利于H2S 的形成。

主采煤层充水因素分析

1.顶底板含水层对煤层开采时充水的影响。矿区位于上雄块向斜南部的西翼，地表以碳酸盐岩地层为主，而碎屑岩类地层分布范围局限，呈条带状形成了区域性岩溶含水层的隔水边界。矿区范围内P1q+m(栖霞、茅口灰岩)强含水层下伏有梁山组相对隔水层相阻，是该含岩溶发育（落水洞、凹陷的底限），对煤层开采时充水无直接影响。煤系为万寿山组（C1w）上覆地层为旧司组（C1js）、下伏为金子沟组（C1j），均为岩溶含水层，煤系弱裂隙含水层可视为相对隔水层。经计算M7回采时两带高度可达37m,大于局部地段该煤层与旧司组含水层的层间距；回采M1煤层时，下三带的深度为15m,大于局部地段该煤层与金子沟组含水层的层间距。因此，各煤层的直接充水水源为煤系地层弱含水层，M7间接充水水源为上覆旧司组灰岩岩溶裂隙含水层，M1煤层间接充水水源为下伏金子沟组灰岩岩溶裂隙含水层。2.断层对矿井充水的影响。矿区断层较发育，但对矿区各类含水层影响较大的仅有三条，即F1、F2、F3。断层可能导水，或因采掘活动影响致断层由不导水转为导水。3.地表落水洞对矿井充水的影响。石垭口井田范围内地表存在不少落水洞，这些落水洞由出露于地表的小型溶蚀洼地形成，大部分充填了第四系粘土，在雨季成为集水坑，雨水下渗沿岩溶裂隙在地下泾流。根据《石垭口煤矿勘探报告》及矿井施工时水文地质观测及素描成果可知，落水洞仅发育于地表浅层，因发育不深（基本以梁山组隔水层为底界），未造成四周岩层坍塌进而形成陷落柱构造，仅能称之为地表凹陷或落水洞，有些落水洞在地面上呈串珠状分布，在地下则相互连通，是浅层地下水径流的主要通道，对煤层充水无影响。

三、防治水对策

1.严格落实《煤矿防治水规定》（国家安全生产监督管理总局令第28 号 ）等法律法规有关防治水的规定。2.煤矿企业要加强防治水主体责任意识，要高度重视防治水工作，设立防治水机构，配备防治水专业技术人员，设立建立健全水害防治岗位责任制、水害防治技术管理制度、水害预测预报制度和水害隐患排查治理制度；建立健全探放水制度、重大水患停产撤人制度，编制专门防治水设计、措施等；定期组织开展水患排查活动，研究制定治理措施。加强对职工防治水知识的培训和教育，保障防治水所需的人力、物力和资金，必须坚持“预测预报、有掘必探、有采必探、先探后掘、先探后采”防治水原则，采取“防、堵、疏、排、截”的综合治理措施，切实落实各项防治水措施，遏止水害事故的发生。3.疏放含水体积水，对于采掘活动附近的含水体积水，采掘活动前需要对其进行提前疏放，生产过程必须坚持“有掘必探、有采必探”的防治水原则，巷道掘进前进行井下超前探测，对于物探解释的异常区需进行钻探验证。4.严格执行井下探放水的各项规定，在煤层掘进和回采工作面探水前，必须编制探放水设计，确定探水线、警戒线，并采取防止瓦斯和其他有害气体危害等安全措施，严格按设计进行探放水。井下探放水必须使用专用的探放水钻机，严禁使用煤电钻探放水。在探水钻孔钻进过程中，发现煤岩松软、片帮、来压或者钻眼中水压、水量突然增大和顶钻等透水征兆时，应当立即组织所有受水害威胁区域人员撤到安全地点，分析原因，采取有效措施进行处理。5.在采掘工程平面图上标明积水区及其最低点的具体位置和积水外缘标高，积水外缘外推30m 标出探水线，探水线外推40m 标出警戒线。当掘进工作面进入积水警戒线后，必须超前探放水，并在距积水实际边界30m 处停止掘进，进行打钻放水，在确证积水已被基本放净后，才允许继续掘进。以平面图、剖面图确切反映积水区与采掘工作面的空间关系。要分析其主要的充水因素，预计可能的积水量和动水量。超前探放老空积水，同时要制定预防有害气体溢出伤人的专门措施。6.在掘进回采前需采用物探方法进行勘探，并结合井下钻探和化探等手段进行验证，并采区相应防治水措施。7.加强对周边小煤矿积水情况的探测，采用物探方法进行勘探，并结合井下钻探和化探等手段进行验证，探查采掘工程附近老空水的具体位置、积水量大小和压力，将验证已确认的老空水，必须采取超前探放水或留取保护煤柱，确定无突水危险时方可采掘。8.完善井下排水系统，井下排水系统应进行经常性的维护工作，保障整个排水系统的畅通，对于排到地面的矿井水，应当妥善处理，避免再渗入井下。9.建立水害监测系统，备足设备，施工抗灾水仓，一旦发生突水意外及时强排。10.制定矿井防治水预案：包括人员组织、水情观测、防治措施等诸多环节。加强全矿井防治水的安全技术培训，在井下明显标志出矿井防治水避灾路线，并保持畅通。并配备专人负责这项工作，定期定时定点观测水情变化，出现异常情况，应加密观测次数，以免延误时机；当出现透水征兆时，应迅速撤离人员，观测发展变化的趋势，启动防治水预案，采取相应的防治水工作。11.每年雨季来临前，防治水领导组必须组织各部门对井口、工业广场的防洪设施（包括拦水坝、桥涵、护坡、导水渠等），生产、辅助、生活建筑物和设施进行全面检查，发现问题及时维修、清理。同时储备充足的防洪抢险工具、物资、材料，专人管理，所储工具、物资、材料不得挪作他用。12.做好现有排水设施的维护清理工作，组织有关人员疏通清挖工业广场流水通道，对漏水的沟渠进行排查分析，并制定措施进行封填、改道，必要时维修加固。严禁将矸石、炉灰、垃圾等杂物堆放在山洪河流可能冲刷到的地方，对场地内堆放的废弃物及时清理。13.每年雨季前，对井田范围内的地表裂缝、地表塌陷进行全面调查，重点是往年开采的范围，并将裂缝、塌陷区的分布情况、规模、范围填绘在井上下对照图上。较大的塌陷坑和裂缝塌陷区外围，应根据地形、地质条件筑提包围或挖拦水沟截水，不能让雨水汇集。在雨季，每次降雨时和降雨后，必须派专人检查矿区及其附近地面有无裂缝和塌陷等现象，若有，必须及时堵塞。裂缝、塌陷区治理必须保证质量，能够有效阻止降水入渗。