胡家河煤矿涌水特征及规律分析

2022-07-23赵贤顺张小萌韩定峰

陕西煤炭 2022年4期

赵贤顺，张小萌，韩定峰

(1.陕西煤田地质勘查研究院有限公司，陕西西安 710021；2.陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西咸阳 713602)

0 引言

矿井涌水量是指在矿井建设或生产过程中，矿井采掘工程直接或间接揭露或导通某种充水水源的水，使其在特定时段和区段单位时间内流入矿井的总水量，特定的时间段是指矿井所处的特定生产期间(如井筒建设期、首采面回采期、一水平开采期等)，特定的区段是指矿井某个生产区域(如水平、采区、工作面等)[1]。矿井涌水量是矿井水害防治工作的一个十分关键且具有基础意义的量，它是矿井从设计阶段就要用到且伴随矿井整个生产寿命的重要基础数据，是矿井生产系统特别是防排水系统设计及其水害防治技术方案与技术路线选择的基础。胡家河煤矿已采的几个工作面中，涌水量在工作面推进到一定长度后增长至峰值并趋于稳定，在采后一段时间内，涌水量衰减较慢。自切眼回采一定长度内，涌水量随产量和面积增加而增大，达到一定涌水量后基本维持稳定，不再发生大的改变。这与传统的水文地质理论计算结果相矛盾：无限边界条件下，采动影响的范围越大，则涌水量越大[2-3]。顶板砂岩裂隙承压水是陕西彬长矿区煤层开采面临的主要水害类型[4]。在矿井水害防治技术进程中，形成了多种关于矿井涌水量预测计算的理论和方法[5-6]。矿井涌水量计算的主要方法有：比拟法、数理统计法、水均衡法、解析法、数值法和物理模拟法等[7]。总结归纳工作面回采过程中涌水量的变化规律对于预测未来规划工作面涌水量和工作面的防治水工作有重要指导和参考意义。

1 矿井地质概况

1.1 地层

矿井区内大部分被第四系黄土及第三系红土所覆盖，区内地层由老至新依次有：三叠系上统胡家村组(T3h)，侏罗系下统富县组(J1f)、中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，白垩系下统宜君组(K1y)、洛河组(K1l)、华池组(K1h)，新近系(N)及第四系中更新统离石组(Q2)、上更新统马兰组(Q3)、全新统(Q4)。

1.2 煤层

矿井可采煤层为3号、4号煤层。3号煤层位于延安组第2段中上部，煤层埋深645～783 m。4号煤层位于延安组第1段底部，煤层埋深443～839 m，煤层厚度稳定。现阶段主采煤层为4号煤层。

1.3 含(隔)水层

含水层：含水层主要有第四系全新统(Q4)潜水含水层，第四系上更新统(Q3)透水层，第四系中更新统潜水含水层(Q2)，洛河组中粗粒碎屑岩含水层(K1l)，宜君组弱含水层，安定组、直罗组非煤系含水层，延安组含煤地层承压含水层。

隔水层：隔水层主要有第四系下更新统相对隔水层，新近系上新统隔水层，华池组隔水层，安定、直罗组及延安组结构性相对隔水岩组，富县组相对隔水层，三叠系隔水层。

2 矿井开采现状

胡家河煤矿采用立井单水平开拓方式，在工业广场内共开凿主立井、副立井、回风立井共3条井筒。全矿井共布置3组大巷，采用综采放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板，具备边采边掘的能力。煤矿先期开采盘区为401盘区和402盘区，开采煤层为4号煤层。401盘区的401101、401102、401103、401105工作面已回采完毕，402盘区的402102、402103工作面已回采完毕。矿井工作面接续顺序依次为401111、402104、401106工作面。如图1所示。

图1 矿井工作面分布Fig.1 Distribution of mine working face

3 矿井充水因素

3.1 充水水源

矿井首采区进行导水裂隙带发育高度探查。首采工作面401101回采后，采用钻液漏失量观测、钻孔窥视法开展顶板两带探查工作。钻孔探查结果显示最大裂高采厚比为22.32(采厚10～12 m)。矿井工作面接续顺序依次为401111、402104、401106工作面。工作面设计采厚均为14 m。利用矿井首采工作面实际探查最大裂采比22.32计算各钻孔处冒裂带发育高度，见表1。

表1 冒裂带发育高度计算值及波及地层统计Table 1 Calculation value of development height of caving zone and statistics of affected strata

根据表1计算结果可知，4号煤层回采将波及到洛河组含水层，因此煤矿充水含水层包括4号煤层顶部延安组含水层、直罗组含水层和洛河组含水层。洛河组含水层厚度较大，埋藏较浅、渗透系数较大、水循环交替较畅通。煤层回采形成的冒裂带发育至洛河组含水层上段，使胡家河煤矿生产过程中顶板形成较大的涌水。

3.2 充水通道

煤矿开采过程中，地下水通过采动裂隙进入矿井，若没有断层等其他导水通道，裂隙将成为主要突水通道[8]。采动裂隙是煤矿的主要充水通道，煤层回采过程中产生的顶板裂隙，将导致裂隙波及的顶板含水层水进入煤矿，成为煤矿的涌水来源。胡家河煤矿实测顶板破坏发育高度发现，主采4号煤冒裂带将波及洛河组，使延安组、直罗组和洛河组含水层水通过采动裂隙成为煤矿的充水水源。煤层开采后，顶板冒落，上覆岩层产生裂隙，成为上覆含水层水进入煤矿的通道。根据以往经验，开采面积及煤层厚度越大，发育的冒裂带越高，连通的含水地层越厚。因此，冒裂带发育高度是评价煤矿受水害影响程度的主要条件之一。

4 矿井充水状况

4.1 矿井涌水现状

自矿井投产以来，矿井涌水量总体呈增长趋势。每增加一个工作面，矿井涌水量均产生相应增长的现象。2019年4月开始，矿井涌水量逐渐缓慢下降并趋于稳定。矿井涌水量由采空区涌水量、回采工作面涌水量、掘进面涌水量、大巷涌水量、井筒涌水量构成，其中掘进面、大巷、井筒涌水量总计约为110 m3/h，在矿井涌水量中占比较少，矿井涌水量主要由采空区涌水量和回采工作面涌水量构成，如图2所示。

图2 矿井历年涌水量曲线Fig.2 The water inflow curve of the mine over the years

4.2 矿井涌水量变化规律

根据已采工作面的涌水情况和水量大小变化数据，对矿井各区域工作面的涌水规律进行初步分析。

401盘区401101和401102的2个工作面相邻且前后相继开采，首采面生产时期涌水量较大，增长较快；随后开采的401102工作面回采时期涌水量峰值有所降低，降低幅度在30%左右；当401102工作面出现涌水后，401101工作面的采后出水量衰减速度增大，后逐渐稳定至原水量50%左右；说明相邻工作面之间存在一定的相互影响作用。但2个工作面的总水量依旧呈增长的趋势，如图3所示。

图3 401101和401102工作面涌水量变化曲线Fig.3 Variation curve of water inflow in 401101 and 401102 working face

402103工作面为402盘区首采工作面，402102和402103这2个工作面相邻。402103工作面回采阶段随着工作面的推进涌水量逐渐增大，工作面推进至1 275 m时涌水量达到最大值450 m3/h，回采结束后涌水量缓慢下降。402102工作面随着工作面的推进涌水量逐渐增大，当402102工作面出现涌水量明显增大时，402103工作面的采后出水量衰减速度明显增大，说明相邻工作面地下水之间存在一定的相互影响作用。402102工作面生产时期涌水量稳定峰值阶段为280 m3/h，较402103工作面生产时期涌水量稳定峰值阶段450 m3/h的涌水量有所降低，降低幅度为38%左右。当402102工作面出现涌水后，402103工作面的采后出水量衰减速度增大，后逐渐稳定至原水量50%左右。当402102工作面出现涌水量明显增加后，401101/401102工作面的采后出水量衰减速度增大，逐渐稳定至原水量的50%左右，如图4所示。

图4 402103和402102工作面涌水量变化曲线Fig.4 Variation curve of water inflow in 402103 and 402102 working face

401103工作面回采阶段涌水量较其他工作面明显偏少，是由于401103工作面东侧为盘区大巷，西侧为回采结束的401101、401102工作面导致，回采过程中和回采结束后的涌水量总体保持平稳，如图5所示。

图5 矿井各工作面涌水量曲线Fig.5 The water inflow curve of each working face in the mine

401105工作面距离其他工作面较远，回采阶段随着回采工作面的推进涌水量增大，增长幅度较快，回采结束后涌水量缓慢下降随后保持平稳。401103工作面回采开始之后401105工作面涌水量出现下降，两工作面涌水量有一定的相互影响作用。

在工作面的回采过程中，涌水量在工作面推进到一定长度后增长至峰值，并趋于稳定，在采后一段时间内，涌水量衰减较慢。据矿井台账资料，401101工作面在开采至900 m时，涌水量增加至550 m3/h左右并趋于稳定；401102工作面在回采至850 m时，涌水量增加至470 m3/h并趋于稳定；402103工作面在回采至900 m时，涌水量增加至450 m3/h并趋于稳定；401103工作面在回采至850 m时，涌水量增至210 m3/h并趋于稳定；401105工作面在回采至910 m时，涌水量增至550 m3/h并趋于稳定；402102工作面在回采至1 000 m时，涌水量增至290 m3/h并趋于稳定；402103工作面在回采至1 275 m时，涌水量增至450 m3/h并趋于稳定，见表2。

表2 回采工作面稳定峰值涌水量及工作面推进长度统计Table 2 Statistics of stable peak water inflow and advancing length of working face

通过对矿井涌水量特征规律分析，回采工作面的顶板涌水量变化呈现如下规律：自切眼回采至约850～1 275 m范围内，回采工作面涌水量随产量和面积增加而增大，达到一定峰值涌水量后基本维持稳定，不再发生大的改变。相邻工作面，后开采工作面涌水量峰值明显低于先开采工作面涌水量峰值，生产工作面涌水量峰值较临近已采工作面回采阶段涌水量峰值降低幅度约为30%～38%，生产工作面涌水量出现明显增加并趋于稳定时，临近已采工作面涌水量会出现明显降低，降低幅度约为50%。

矿井工作面接续顺序依次为401111、402104、401106工作面，401111工作面东侧为已采401101工作面，402104工作面西侧为已采402103工作面，401106工作面北侧为已采401105工作面。根据矿井前期开采过程中涌水量变化特征和规律，可以预测接续工作面回采过程中的涌水量情况。

矿井涌水量计算的方法有很多种，实际应用中要根据概化的矿井水文地质模型和所获得的各项水文地质参数情况选择不同的预测方法。本文中根据矿山实际开采工作中回采工作面的涌水量规律预测规划工作面的涌水量也是一种比拟法。