浅谈龙峰煤业矿井水文地质及防治

王建勇WANG Jian-yong

（山西煤炭运销集团吕梁有限公司地测与防治水中心，吕梁 032300）

1 工程背景

山西煤炭运销集团龙峰煤业有限公司矿井井田属大陆性半干旱气候，春季干旱无雨，夏季炎热多雨，秋季温度适中，冬季寒冷干燥，风向大部分为西北风，风速3.49-5.20m，多年日平均最高气温23℃，最低气温-11.0℃，多年平均气温10℃，全年无霜期175 天，每年11 月冻结，翌年4 月中旬解冻。最大冻土深度0.30-0.91m，降水量为450-500mm，大多集中在6-9 月份，年平均蒸发量1300mm，蒸发量大于降雨量。井田位于黄河流域，属汾河水系。区内无常年性流水通过，沟谷中平时无水，仅雨季有短暂洪水流过。季节性河流阳泉河和虢义河，由西北至东南流经本井田中南部，工业广场附近最高洪水位标高为886-895m。

2 矿井水文地质

2.1 含水层

依据本区地层发育状况及其水文地质特征，将本区划分为松散岩类孔隙含水层、二叠系山西组砂岩裂隙含水层、石炭系太原组碎屑岩类及碳酸盐岩类裂隙含水层、奥陶系灰岩岩溶含水层，现由上至下分述如下：

①松散岩类孔隙含水层。第四系中、上更新统主要以砂质粘土、粘土、砾石层等组成，沉积厚度2.12-96.45m，平均厚度为60.00m，垂直节理发育，易接受大气降水的补给，含水层位在松散的砾石层中沿下部隔水层面流出，流量约为0.0063-0.231L/s·m，富水性弱-中等，水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg 型。

②山西组砂岩裂隙含水层。山西组地层厚57.00-63.00m 平均59.00m，K7 砂岩为其底部界线，岩性主要为泥岩、砂质泥岩及细粒砂岩等组成，含水层为砂岩裂隙含水层，据高家庄、羊寨井田山西组、石盒子组混合抽水试验资料，属弱富水性，渗透系数0.00485-0.137m/d，钻孔单位涌水量为0.0042-0.0839L/s·m，富水性弱，上石盒子组较弱，水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg 类型。根据2011 年山西省三勘院本井田内LS-2 水文孔山西组以上地层抽水资料，混合水位标高874.024m，单位涌水量0.0798L/s·m，渗透系数1.14m/d，水化学类型HCO3·SO4-Ca·Na 型。pH值7.75，矿化度0.4759g/L，总硬度267.9mg/L。

③石炭系太原组碎屑岩类及碳酸盐岩类裂隙含水层。太原组厚度80-95m，平均85m。岩性主要为泥岩、砂质泥岩、细粒砂岩及石灰岩等组成，地层中夹有4-6 层石灰岩，其中K2、K3、K4 三层灰岩全井田发育，层位稳定，是太原组9+10+11 号煤的直接充水含水层。其中K2 灰岩厚度为4.85-11.23m，平均7.55m，属弱至强富水性。据高家庄、羊寨井田资料，K3、K4 灰岩其厚度分别为6.60-10.57m 和2.95-3.56m，平均厚度分别为8.62m 和3.29m，裂隙发育。根据2011 年山西省三勘院本井田内LS-2 水文孔抽水试验结果，单位涌水量0.2273L/s·m，富水性中等。渗透系数0.1706m/d，水位标高820.764m，与1956-1958 年高家庄羊寨勘探时水位相比，水位有所下降，水化学类型HCO3·SO4-Ca·Na 型。pH 值6.94，矿化度0.4309g/L，总硬度275.5mg/L。

④奥陶系灰岩岩溶含水层该组含水层。主要为奥陶系石灰岩地层，在井田内属埋藏型，从井田西向东埋藏深度逐渐加大，主要岩性为白云质灰岩、泥质灰岩、灰岩。岩溶裂隙的发育程度在水平和垂直方向上都有明显差异，决定了岩溶含水层富水程度的不均匀性。在垂直方向上，从峰峰组至上马家沟组，岩溶发育程度逐渐增强。根据2011 年山西省三勘院在本井田内LS-1 号水文钻孔资料，井田内奥灰水位标高在530-540m 之间，单位涌水量26.01L/s·m，富水性极强，渗透系数10.9945m/d，水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Na 型，pH 值7.61，总硬度442.9mg/L。

2.2 隔水层

各基岩含水岩组之间泥质岩类岩层，均起到隔水作用，使各含水岩组之间无水力联系或水力联系微弱，为隔水层或相对隔水层，分述如下。

①中上更新统粘土类隔水层。该隔水层由黄色亚砂土、亚粘土、砂质粘土、钙质结核层组成，厚约0～60m，该隔水层夹在新生界砂、砾层之间，分布稳定，隔水性较好。

②石炭系、二叠系含水层间隔水层。该隔水层由泥岩、砂质泥岩和煤层组成，厚几米至几十米，夹在各砂岩和石灰岩含水层之间构成平行复合结构，起层间隔水作用。

③本溪组和太原组底部隔水层。该隔水层由泥岩、铝质泥岩，砂质泥岩和薄灰岩组成，厚约66.40～70.75m，为奥陶系岩溶裂隙含水层和石炭系石灰岩间夹砂岩裂隙岩溶含水层之间的隔水层，岩性致密，分布稳定，隔水性良好。

2.3 井田及周边地区老窑水分布状况

井田内采空区主要分布在井田西部、中、南部。2017 年6 月，山西地宝能源有限公司为本矿进行了水患补充调查工作，本次引用《山西煤炭运销集团龙峰煤业有限公司煤矿水患补充调查报告》中采空区积水的调查成果，并结合龙峰煤业在工业广场南部施工一排水孔（鼎峰排水孔）及主斜井穿过2、4、5-2、9+10+11 号煤层时未发现积水情况，作为本次积水区划分的依据。

采空区积水量[1-2]的估算依据《煤炭安全手册》第五篇矿井防治水中的经验公式进行，如下：Q采=（K·M·F）/COSα

其中：Q采-相互连通的各积水区总积水量（m3）；K-采空区的充水系数，以往各煤矿都为仓房式或房柱式开采，留有大量煤柱，回采率极低，充水系数取0.05-0.10；M-采空区的平均采高或煤厚（m）（采用煤层平均厚度）；F-采空区积水的投影面积（m2）；α-煤层倾角（°）（一般平均5°）。

井田内2 号煤层积水区18 处，其中采空积水区16 处，分布于原鑫泰、鼎峰、龙泉源、坤达煤矿范围内，原鼎峰煤矿内有两处巷道积水区，井田内2 号煤层积水面积为2013870m2，积水总量为20.71 万m3；4 号煤层采空积水区7处，分布于原鼎峰、龙泉源、坤达、敬仁、维安五个煤矿，积水面积为1354247 万m2，积水总量为6.79 万m3；5-2 号煤层积水区6 处，其中采空积水区5 处，分布于原鼎峰、龙泉源、敬仁、维安四个煤矿，巷道积水区1 处（原鼎峰煤矿），积水面积为2191983m2，积水总量为13.26 万m3；9+10+11 号煤层积水区8 处，其中采空积水区6 处，分布于原国能祥和、维安、安家、胜利、坤达、鑫泰六个煤矿，巷道积水区2 处（原维安、安家），积水面积为2375161m2，积水总量为85.29 万m3。综上，井田内各煤层积水总量为126.05 万m3（表1）。

表1 井田内各煤层采空区积水情况一览表

未来三年采掘过程中，副斜井掘进将会受上部2 号煤层Q4、Q5 采空积水区、4 号煤层Q2 积水区、5-2 号煤层Q2 及巷道积水1 区的影响，回风大巷、西主运大巷、西辅运大巷等将不同程度的受上部2 号煤层Q2、Q3 采空积水、4 号煤层Q1 采空积水、5-2 号煤层Q1、Q2 采空积水的影响，11905 工作面掘进中将靠近4 号煤层Q2、Q3、Q5 积水区，受5-2 号煤层Q2 积水区及9+10+11 号煤层侧帮Q5积水区的影响。故采空积水是本矿的主要充水水源，一旦采掘工程揭露发生突水，后果十分严重。采空积水极有可能成为本矿的透水水源。因此，采掘前必须对上部及侧帮有影响的采空积水提前做好探放工作后，方可进行掘进。

2.4 周边煤矿积水情况

本井田周边现有两座生产矿井，即北部的山西煤炭运销集团龙山煤业有限公司矿井和南部的山西煤炭运销集团利民煤业有限公司矿井。各矿井在本井田周边均有积水，且积水区多与本矿贯通。经调查积水情况如下：经本次调查估算，周边利民煤矿2 号煤层采（古）空区积水面积约为736512m2，积水量约为11.12 万m3；周边鼎峰煤矿4 号煤层采（古）空区积水面积约为11724m2，积水量约为1.12万m3；周边利民煤矿9+10+11 号煤层采（古）空区积水面积约为39247m2，积水量约为2.73 万m3（表2）。

表2 周边矿井采空区积水情况一览表

这些采空区均位于现采煤层上部或浅部，采空区位于煤层上山一带，从底板等高线上看西北部高，采空区有积水会向南东部运移积聚。下一步开拓到采空区附近或下方时要注意，一定要执行经审批的探放水措施。而未来三年采掘区域远离周边矿井，因此，未来三年基本不受周边采空积水的影响[3-4]。

2.5 矿井充水状况

2.5.1 矿井涌水量情况

井田内重组前的九个煤矿，2008 年前先后开采2、4、5-2、9+10+11 号煤层，上组煤层2、4、5-2 号煤矿已全部采空，9+10+11 号煤层在矿区西部、西南部也形成较大面积的采空区。据调查，鼎峰煤业井下有一处涌水点，涌水量为199m3/d，为煤层顶板水，为此鼎峰煤业在停产后一直在抽排积水，其余各矿井于2010 年10 月前封闭，井下抽水设备均在关闭前拆除。近三年本矿一直处于基建状态，基建中矿井将水量及涌水量见表3，近三年最大涌水量与正常涌水量见表4。可以看出，矿井涌水量与大气降水的相关性均较小。

表3 龙峰煤业降雨量、涌水量统计表

表4 龙峰煤业近三年最大涌水量与正常涌水量统计表

本次利用水文地质比拟法[5-6]，根据周边煤矿山西孝义利民煤矿矿井涌水量参数，预测开采9+10+11 号时的矿井涌水量。公式如下：

式中：Q-预计矿井涌水量（m3/d）；Q0-现采矿井实际排水量（m3/d）；P0-实际生产能力（万t/a）；P-设计生产能力（万t/a）。

原山西孝义利民煤矿实际生产能力为30t/a，正常涌水量为680m3/d，最大涌水量为750m3/d，采用比拟法计算当本矿井开采9+10+11 号煤层达到设计生产能力120 万t/a 时，矿井正常涌水量为2720m3/d（113.33m3/h），最大涌水量为3000m3/d（125m3/h）。以上正常涌水量与最大涌水量均不考虑井下探放水的影响，所以在设置防排水系统时，应结合探放水量进行必要的调整。

2.5.2 充水通道

龙峰煤业矿井充水通道有断层、陷落柱、导水裂隙带、封闭不良钻孔及废弃井筒，这些导水通道可造成可采煤层顶、底板含水层发生水力联系，造成矿井充水，或导致工作面被淹。

3 结论

①在回风西巷已揭露5 条空巷，后期应加强该区域采空积水的探测、探放措施。限于目前的探查技术及其他影响因素，采空区积水不排除有漏查、漏探的可能，因此，生产中必须严格执行“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”，防止采空区积水危害矿井安全。同时，限于采空区及积水区调查的时效性，矿方需定期对其采空区及积水情况进行重新调查圈定。②应定期巡查井田周边尤其是沟谷附近的小窑井口封堵情况，发现毁坏应及时采取措施重新构筑；对塌陷、滑坡形成的堆积物及时清理，防止堵塞河道，对采空形成的地表裂缝及时填埋。每年雨季前应对地表塌陷、裂缝进行全覆盖调查，雨季加密巡查，发现隐患及时治理，确保顺利行洪泄洪；雨季期间加强对地表洪水和井下涌水量变化的监测，并根据矿井涌水量变化情况及时调整防排水设施。③井田内有些钻孔可能会因年代过长及其它原因导致封堵不良，当工作面或巷道揭露这些钻孔后，有可能使不同含水层发生联系，有可能形成导水通道造成水害。因此采掘过钻孔时需提前进行探查。根据规划情况，采掘前对富水异常区应加强探测，有条件时对综放开采“两带”发育高度进行观测。在主斜井落底时，应优先进行排水系统的建设。