山西望云3号矿山采空积水综合治理研究

郭鹏举，常宏伟

（山西省晋城市兰花科技股份有限公司望云煤矿分公司，山西 晋城 048400）

1 井田地质及水文地质概况

1.1 井田地质概况

1.1.1 地层

井田内西北部地表局部出露二叠系上统上石盒子组地层，东北部、中部、中南部局部出露二叠系上统上石盒子组和下统下石盒子组地层，南部局部出露二叠系下统山西组和石炭系上统太原组地层[1]。

1.1.2 构造

望云矿井处于沁水拗陷东南边缘，地层总体向北西倾伏，局部有次一级波状起伏，并伴随有断层构造发育。区域构造按方向大体可分为两组，南部晋城、高平一带为北东向的褶曲断裂区，基本属新华夏系构造体系，北部长治盆地以北则为近东西或北东东向构造区，以断裂为主，地层比较平缓。井田属于上述两组构造区的晋城-高平断裂褶曲区。

井田内断层及陷落柱分布较多，断层存在导通各个含水层，形成导水通道的可能，陷落柱等隐伏构造同样存在形成导水通道的可能，褶曲构造特征对区内地下水的运动、富集也起到重要的控制作用，也将使井田不同地段的富水性产生明显差异，亦有局部赋水的可能。

1.1.3 矿层

井田内主要含矿地层为下二叠统山西组和上石炭统太原组，山西组为一套陆相碎屑岩含矿地层，岩性以灰、灰黄色泥岩、灰黑色泥岩、砂质泥岩间夹灰、灰白色砂岩为主，含矿2层～4层，本组地层厚度33.94m～72.00m，平均63.41m。太原组为一套海陆交互相含矿地层，岩性以灰、灰黑色泥岩、砂质泥岩间夹灰色、灰白色砂岩和深灰色石灰岩为主，含有矿层4层～6层，该组地层厚度68.63m～120.19m，平均98.05m。

1.2 井田水文地质概况

1.2.1 井田主要含水岩组

井田内地下水类型与区域一致，现根据井田内WS1、WY-1号水文孔及西阳机井抽水试验成果资料，结合井田外东部申家庄井田内的ZK2-2号水文孔和井田外东北部凌志达井田内的1眼奥灰水源井资料，将井田分为以下主要含水岩组：奥陶系中统下马家沟组岩溶裂隙含水岩组、奥陶系中统上马家沟组岩溶裂隙含水岩组、奥陶系中统峰峰组岩溶裂隙含水岩组、石炭系上统太原组碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组、二叠系碎屑岩类砂岩裂隙含水岩组、第四系松散层孔隙含水岩组。

1.2.2 井田主要隔水层

（1）本溪组底至15号矿层底板隔水层。15号矿底板至奥陶系灰岩顶界，厚度11.02m～45.42m，平均25.44m，其有效隔水层厚度平均为20.40m；其中含多层塑性的泥岩、铝质泥岩或砂质泥岩，岩石致密细腻，裂隙不发育，区域上阻断了上下含水层之间的水力联系，具有较好的隔水性能。

（2）石炭、二叠系层间隔水层。主要由具塑性的泥岩、砂质泥岩组成，呈层状相间分布于各含水层之间，导致各含水层水位标高相差较大，说明其间水力联系较弱。因此这些岩层具有较好的隔水性能，可视为层间相对隔水层[2]。

井田内3号矿底板至奥陶系灰岩顶界，厚度101.55m～158.88m，平均120.40m，其有效隔水层厚度平均为114.00m；根据钻孔资料统计，3号矿层底板隔水层中泥质岩类岩石累计厚度为38.71m～91.64m，平均为65.38m；15号矿层底板隔水层中泥质岩类岩石累计厚度为6.94m～30.53m，平均为16.16m。

1.2.3 地下水补、径、排条件

深部奥陶系灰岩在区域东部、北部均有出露，主要接受大气降水和地表水的入渗补给，为主要补给区。

井田位于三姑泉域西北部径流区，主要接受东部奥陶系灰岩基岩裸露区或半裸露区的补给、径流后，总体向西南方向径流，并在井田外向西南、南方向的巴公、北石店、晋城城区一带汇集，在晋城市区及以南，由于受高平～晋城褶断带和丹河小“山”字型构造前弧阻隔，岩溶水折向南东，最终向郭壁泉、水掌泉、三姑泉一带排泄。

石炭系、二叠系含水岩组，在接受地表大气降水和季节性河流以及上覆含水层的入渗补给后，顺岩层由东向西运移，人工凿井取水或矿山生产排放矿坑水形式为排泄方式之一。

2 5号矿层首采区充水因素分析

2.1 充水通道

2.1.1 断裂构造

望云井田内以往共发现断层50条，落差最大的F1（庄头正断层）为60m左右，落差大于或等于5m的断层28条，其中正断层25条，逆断层3条；落差小于5m的22条，主要以小断层为主。根据井下实际揭露情况，小断层局部出现淋水情况，在下组矿15#矿层未开采区域，导水断层仍可能存在，矿井仍必须加强注意断层导水和富水性探查。

2.1.2 岩溶陷落柱

望云井田内目前共发现陷落柱39个，形状多成不规则状和椭圆形，规模相对较小，下组矿15号矿层东区不存在带压开采问题，陷落柱不成为底板奥灰水的导水通道。根据开采接露，陷落柱未出现含（导）水情况，但是对下组矿15号矿层开采未接露的陷落柱探测资料缺少，在下组矿15号矿层开采过程中必须加强陷落柱的发育情况及含（导）水性探查工作，防治陷落柱导通15号矿层顶板以上含水层（体）（包括原3号矿层接露未导水，但3号矿层开采后可能存在活化情况的陷落柱），对矿井安全带来影响，因此，矿井必须提前做好探查和治理措施，全面确保矿井安全生产。

2.1.3 导水裂缝带

矿层顶板水、地表水、采空区水等充水水源可通过工作面回采顶板冒裂带进入矿井，工作面回采后顶板岩体在开挖的影响下，应力重新分配，造成矿层顶板岩体变形、移动、破坏、断裂甚至是垮落，因此，这些垮落、裂隙成为矿层以上水体进入采掘空间的通道。

2.2 充水水源

矿区充水水源为大气降水和地表水、第四系松散孔隙水、二叠系砂岩裂隙水、太原组奥陶系灰岩岩溶裂隙水。

3 号矿层采空积水情况分析

3.1 充水因素分析

3.1.1 充水水源

根据原地质报告，3号矿层为稳定全区可采矿层，顶板多为泥岩、砂质泥岩、细砂岩为主，较完整，裂隙一般不很发育。

首采区范围内原3号矿层埋深54.12m～149.78m之间，平均98.94m，3号矿层顶板基岩厚度53.62m～149.78m之间，平均92.53m，而3#矿层导水裂缝带发育高度44.12m～58.50m，一般高度52.67m。3号矿层埋藏深度相对较深，只有首采区南部外W7钻孔导水裂缝带可发育至地表，因此，大气降水和地表水只在3号矿层导水裂缝带发育至地表区域有一定补给。

首采区范围内原3号矿层顶板距离下石盒子组底面（K8砂岩底板）厚度24.47m～65.71m之间，平均47.26m，而3号矿层导水裂缝带发育高度44.12m～58.50m，一般高度52.67m，因此，3号矿层导水裂缝带大面积发育至下石盒子组K8砂岩含水层。

3号矿层导水裂缝带发育高度44.12m～58.50m，一般高度52.67m，3号矿层上距2号矿层22m左右，望云井田2号矿层采空区主要分布于东区上扶村、刘家庄一带，在2号矿层采空区下方3号矿层已经开采完毕，由于3号矿层采空区开采后形成的最大导水裂缝带可导通2号矿层采空区，故上部含水层水进入2号矿层采空区后直接下渗到3号矿层采空区，3号矿层采空区和2号矿层采空区已经贯通，而东区2号矿层局部可采，开采范围较小，后续主要以评价3号矿层为主。

因此，3号矿层采空区直接充水水源主要为下石盒子组K8砂岩水，其次大气降水、地表水（局部导水裂缝带发育至地表区域为主）间接成为3号矿层采空区充水水源。

3.1.2 充水通道

井田东区3号矿层主要充水通道为矿层开采后形成的顶板导水裂缝带和以往废弃的老窑井筒及巷道，这些裂隙、井巷成为矿层顶板含水层、大气降水、地表水进入3号矿层采空区的主要通道。

3.2 采空积水区积水量估算

本次根据矿方提供资料，15号矿层主斜井位于原3号矿层主斜井下方，井口标高+903.407，15号矿层主斜井在穿越标高+877m左右后，顶板出现异常涌水，矿井开挖了原3号矿层主斜井，到达标高+877.27m时发现3号矿层主斜井已经大量积水。2014年1月24日开始安装两台IS125-100-250水泵（一用一备）排水，排水量基本上112m3/h（根据望云矿2015年12月9日24h实测数据平均值），截至2015年12月10日水位降至+865m左右，截至目前水位仍维持在+865m左右，但排水一直正常进行，积水水位基本处于静止状态。

根据上述情况推断，东区3号矿层采空区积水线在+865m以下，即除东部边界附近以外东区3号矿层采空区几乎全部积水，而且目前原3号矿层主斜井积水基本处于稳定状态+865m左右，根据排水及水位稳定情况，分析原3号矿层采空区系统动态补给量基本上大于112m3/h，同时根据原3号矿层顶板导水裂缝带的发育（经验公式计算）高度，补给水源主要来源于3号矿层顶板砂岩水，其次为第四系潜水、大气降水和地表水。

根据以往望云井田钻孔数据，东区原3号矿层底板标高+772.40m～+866.57m，平均标高+824.96m，矿层底板标高自井田东、西两侧向中部逐渐降低，最低处位于东区中南部，矿层底板标高自东向西逐渐降低。

根据原3号矿层主斜井井筒目前采空区积水水位+865m左右，结合原3号矿层开采系统、工作面布置，原3号矿层开采系统基本上全部积水，积水区域主要包括回采工作面积水、井筒及巷道积水两部分。东区3号矿层采空区积水范围以+865m标高为积水边界，低于+865m标高的采空区全部圈定为积水区，包括各条巷道，并对采空区积水量重新进行了估算。

矿井防治水之采（古）空区积水估算公式：

Q采=K·M·F/cosα；

Q采—采（古）空区积水量k（m3）。

K—采（古）空区的充水系数，本次采（古）空区充水系数采用0.25，积水巷道充水系数采用0.50；（望云矿3#矿层采空区形成时间较久，长期以来矿层顶板冒落压实，K值选取较小值，建议在对采空积水疏放过程中对3#矿层采空区充水系数进行实测，修正矿井3#矿层采空区积水量）。

M—矿层厚度或采高（m），东区3号矿层平均4.40m。

F—采空区积水的投影面积k（m2）。

α—矿层倾角,由于井田内矿层倾角不大，在3°～27°之间，一般在9°左右，取9°。

经估算，井田内东区3号矿层采空区积水合计有19处，总积水面积4659252m2，积水量5125177m3积水巷道长合计16631.10m，积水量总计61540m3；3号矿层采空积水量共计5186717m3。

3.3 3号矿层采空积水排水情况

根据矿方提供资料，2014年1月24日矿方于3号矿层主斜井安装两台IS125-100-250水泵（一用一备）排水，排水量基本上112m3/h（根据望云矿2015年12月9日24h实测数据平均值），截至2015年12月10日水位降至+865m左右，但排水一直正常进行，积水水位基本处于静止状态。

4 结论

本文通过对3号矿层采空积水区资料以及15号矿层的充水条件进行系统分析，采取措施对3号矿层采空积水进行探放、治理，达到有效减少15号矿层充水水源、合理封堵充水通道，有效预防了矿井水害事故。