薛湖煤矿矿井充水主控因素与矿井涌水量预测研究

肖家乐，徐家杰，薛 鲲

（河南省煤炭地质勘察研究总院，河南 郑州 450000）

煤矿水害事故发生后会造成人员伤亡和严重的经济损失，通过水文地质条件研究，快速识别煤矿井下涌水水害补给水源，有助于降低矿井突水风险、避免突水事故的发生[1-5]。矿井开采过程中存在矿井、废弃老窑区等多层采空区积水风险，回采过程中上覆煤层的开采对下覆煤层更具突水威胁性[6-9]。

薛湖煤矿在开采过程中受到了水害的影响[10-13]，该煤矿2008年10月完成建井，工作开采二2煤层，采用一对主井单水平、上下山开拓，水平标高-780 m。为了确保煤矿安全、高效生产，本次研究工作收集了矿井已有地质、水文地质资料，通过分析矿井水文地质条件，确定了矿区存在的水文地质问题。针对薛湖煤矿的水文地质特点，研究了矿井冲水的主控因素，优选2种方法预测并计算了矿井涌水量，为薛湖煤矿今后防治水工作实施提供了一定指导和依据，有助于保障矿井的安全高效生产。

1 研究区概况

1.1 自然地理

河南神火集团有限公司薛湖煤矿位于河南省永城市北部，位于淮河冲积平原北部，地势平坦开阔，总体为西北高、南东低。2008年10月完成建井工作，生产规模120万t/a，开采深度300～1 050 m。属淮河水系，地表水体不发育，主要河流为王引河，属季风型气候，年平均降水量约800 mm，多年平均蒸发量约1 800 mm。

1.2 地层

矿井发育奥陶系至第四系的全部地层，其中太原组、山西组、下石盒子组和上石盒子组为含煤地层。

马家沟组（O2m）主要为浅灰、灰色隐晶质—细晶质中厚—厚层状石灰岩，上部含黄铁矿，岩溶裂隙较发育。本溪组（C2b）上部由灰—深灰色砂质泥岩及泥岩组成，下部为灰—灰白色含菱铁质鲕粒铝土质泥岩或铝土岩，底部为含较多的铁质鲕粒和结核的紫花色铝土泥岩。太原组（C2t）为含煤地层，即一煤段，含薄煤3～4层，据区内钻孔揭露，未见到可采煤厚点，各煤层基本上无经济价值。

1.3 构造

本区主要发育高角度正断层，东部断层主要为北北东向，中部断层主要为北东向和近东西向，西部断层主要为近东西向。总体构造形态呈一走向北西西的单斜构造，由于受东西向构造和北北东向构造的控制和影响，而使其构造形态局部复杂化[14-18]。本区地层产状在西部为近南北向—北西西向，向西倾斜；中部走向北西至87勘探线转为近东西向，向北倾斜，倾角在浅部为25°左右，深部为5°～10°，沿走向及倾向均有小型起伏；62勘探线以东，受北北东向滦湖断层带影响，地层走向基本上为北50°东，并发育北北东向的背、向斜构造，其北端走向转为东西，向北倾斜。本区发育的主要褶皱有5个，即北西向的聂奶庙背斜、薛湖向斜，近南北向的侯寺向斜和北北东向的张营背斜、徐营背斜（图1）。

1.4 煤层

煤层赋存于石炭—二叠系含煤岩系，含煤岩系分4组7个煤段，即石炭系上统太原组（一煤段）、二叠系下统山西组（二煤段）与下石盒子组（三、四、五煤段）、二叠系上统上石盒子组（六、七煤段），含煤地层总厚度993.0 m，共含煤13层，煤层总厚度7.27 m，含煤系数0.73%。其中，上石炭统太原组与上二叠统上石盒子组仅含薄煤层及煤线，含煤性较差；下二叠统山西组和下石盒子组地层含可采煤层及局部可采煤层，含煤性较好，为该区主要含煤地层。

图1 薛湖煤矿构造纲要Fig.1 Outline of Xuecheng Coal Mine

1.5 区域水文地质条件

研究区永城背斜的核部和安徽濉溪县一带分别有石灰岩隐伏露头区，接受新生界含水层的天窗补给和渗入补给。薛湖煤矿所在区域为高角度正断层所围隔，大部分块段新生界地层与区内煤系地层对接，形成了相对隔水边界，区内含水层基本上失去了与外界含水层之间的水力联系。矿区煤系地层全部被厚度为51.3～545.1 m的新生界地层覆盖，由东向西逐渐增厚，近山麓地带与永城背斜轴部厚度明显减薄，古地形西部低、东部高，与冲积平原地势西高东低的特点不相一致。巨厚的新生界覆盖和周边隔水边界的存在，使永夏矿区形成一个相对独立的水文地质单元，该单元由于补给面积不大，没有明显的排泄场所，具有地下水径流不畅、水化学性质复杂的特点。但是连通性的岩溶裂隙发育仍为地下水形成了较好的储水空间和导水通道。

2 矿井水文地质特征

矿井位于永城复背斜北部扬起端，处于基岩地下水的径流带。东部的滦湖正断层系，以F110和F112断层为主，将外围地层抬升70～200 m，使得外部岩溶强含水层与矿井内煤系地层对接，构成矿井东部供水边界；西部太灰含水层埋深大于1 000 m，富水性渐弱，可视为无限边界；北部太灰含水层埋深大于1 000 m，地下水径流条件微弱，再加之八里庄断层的阻水作用，可视为隔水边界；南部为太灰含水层隐伏出露区，可接受上覆新近系孔隙水的微弱补给，可视为弱补给边界。

2.1 含水层和隔水层

对矿井充水和工农业供水有意义含水层（组）共有六大组（图2）：新生界孔隙水含水组（Ⅰ）、基岩风化带裂隙含水层（Ⅱ）、下石盒子组与山西组砂岩裂隙含水组（Ⅲ）、太原组上段灰岩岩溶裂隙含水组（Ⅳ）、太原组下段灰岩岩溶裂隙含水组（Ⅴ）和中奥陶统马家沟组灰岩岩溶裂隙含水层（Ⅵ）。

矿井对应主要有3大隔水层：新生界含水层间隔水层，隔水性能较稳定；下二叠砂岩裂隙含水层间隔水层，为一良好隔水层；石炭系上统含水层间隔水层，为区域隔水层，正常情况下可隔断其上、下含水层间的水力联系。

2.2 主要含水层富水性分析

煤系地层的二叠系砂岩裂隙含水层是危害矿井生产的主要含水层，是矿井日常涌水的主要组成部分，通常以追踪工作面顶板淋水形式出现。根据矿井及邻区实际资料表明，该含水层多以静储量为主，含水性弱，径流滞缓，通常在矿井生产初期水量很大，随着生产的进行，顶板砂岩水多被疏干，对生产的安全不会造成很大的影响。

图2 薛湖煤矿含隔水层与主采煤层关系对照示意Fig.2 Schematic diagram of the relationship between aquifer and main coal seam in Xuecheng Coal Mine

3 矿井充水因素

3.1 矿井充水水源

二2煤顶板充水水源包括上覆基岩含水层、风化带水及上覆松散层水。通过矿井水文地质调查和勘探抽水试验证明，其基岩含水层富水性弱，补给条件差，径流几乎处于停滞状态，排泄方式以矿坑水排出，消耗静储量为主，易疏干，对矿山开采不会构成大的威胁。

薛湖矿目前已开采多个工作面，根据工作面推进方式和方向及煤层底板高程分布特征，西翼工作面向东、北推进，因此往东、北工作面将受到已回采工作面的采空区积水的影响；另外，回采煤柱资源时，也会受到两侧已回采区域采空区积水的影响。3.2 矿井充水通道

二2煤导水途径主要有裂隙、断层和封闭不良钻孔3种。

（1）裂隙有2种类型：①人工导水裂隙。主要指二2煤层采空区顶板自然陷落后，在煤层顶板形成的冒落裂隙带，其高度>39.7 m，可将二2煤层顶板砂岩裂隙含水组（平均厚12 m）地下水导入矿坑。②混合导水裂隙。二2煤层采掘过程中，煤层形成上下贯通导水通道，太原组上段岩溶水和二2煤底板砂岩裂隙水导入矿坑。

（2）断层裂隙亦属于构造裂隙范畴，但断裂错动所形成的裂隙导水性较强，且破坏了隔水层的连续性及隔水性能，甚至造成下伏强含水层与煤层直接对接，通过断层裂隙向矿坑突水，将会造成重大事故。开采过程中，需要对薛湖煤矿断层的发育特点、规律，断层的导水特征、探查及防治手段进行研究。

（3）封闭不良钻孔是矿井突水的通道之一。薛湖矿井内外部均见此类钻孔，在施工遇钻孔时还是应先探测、再施工。对于导通奥灰岩含水层的钻孔，则需按有关规定采用地面和井下封堵相结合的方法进行处理，有条件的可直接将水接入供水系统。

3.3 矿井充水特征

薛湖煤矿排水系统比较完善，观测方式采用浮标法及流速仪法，从2008年至今，矿井涌水量一直较稳定（120～150 m3/h），以矿井顶板淋水为主。据矿井排水记录，井下各出水点的涌水量与动态观测资料及井巷开拓进度等资料，综合研究分析认为矿井充水具有如下特征。

（1）矿井充水绝大部分为岩巷顶板裂隙淋水及瓦斯抽压孔排出的二2煤顶、底板砂岩裂隙水，其水源为山西组砂岩裂隙水，其次为太原组上段岩溶裂隙水和井筒壁裂缝渗出的上覆下石盒子砂岩裂隙水及新生界孔隙水。

（2）岩巷顶板裂隙淋水初期较大，其后渐小，终被疏干，具有先期淋水点为后期淋水点所取代的特点；太灰岩溶水充水量不大，但较稳定；井筒向巷道充水随季节变化明显。

（3）矿井排水量主要受巷道揭露出水点的多少控制，尤其连续揭露多个新出水点后，矿井排水量明显增大，导致短期内排水量曲线突变。

（4）从2年来矿井年平均排水量来看，矿井排水量亦随巷道开拓长度增加而增加。

3.4 断层对矿井田充水的控制与影响

矿区西部发育近东西向断层，东部发育以北东向断层为主，72—82线之间浅部发育北西向断层，落差较大的断层主要集中分布在勘探区东西两侧。29采区三维地震勘探发现断层大于30 m的2条，以高角度正断层为主，断层破碎带厚度一般在10 m以下，本区落差大于30 m的断层将造成底板突水风险增大，是底板太灰含水层充水的主要通道。在将来矿床开采时，断层带可能成为导水通道。根据矿井的采掘规划，薛湖矿在今后的回采和掘进区域内，可能会受到DF115断层及其次生断层、F119断层及其次生断层和其他小型断层的影响。

3.5 底板隔水层突水可能性分析

矿井29采区内穿过煤层直接底板隔水层的钻孔共计12个，所揭露隔水层地层岩性主要为粉砂岩和少量的砂质泥岩、泥岩，厚度一般40 m左右。自2008年至今，薛湖矿钻进了23个井下水文观测孔，主要针对L8层进行观测。根据其观测资料，观测初期水压较大，随着巷道开拓，水压逐渐减小稳定，甚至观测不到水压，如2号孔从2008年1.7 MPa到2013年0.2 MPa，9号孔从2009年7.4 MPa到2013年0.5 MPa；随着29采区的开拓，越往深部水压将会越大。

4 矿井涌水量预测

结合矿井开采状况及矿井采掘规划等，未来数年二2煤主要活动区段在东29采区。本次预算仅选取比拟法和稳定流解析法对东29采区矿井涌水量进行计算，对于矿井最大涌水量则采用区域上正常涌水量的1.2倍系数予以确定。

4.1 比拟法计算涌水量

由于矿井正在进行采掘工作，根据矿井开采实际情况，29采区位于21采区北缘，29采区水文地质条件与21采区比较相似，故以21采区作为比拟矿井进行计算。

（1）比拟计算公式选择。本次比拟法预算，主要考虑现矿井涌水量与开拓降深和开拓面积的相关关系，选用经验比拟公式：

（1）

式中，Q、Q0分别为拟求、已知矿井的涌水量；S、S0分别为拟求、已知矿井水位降深；F、F0分别为拟求、已知矿井面积。

（2）比拟计算参数选取。21采区实测涌水量Q0=100 m3/h，水位降深S0=832.41 m，开拓面积F0=130 000 m2；本矿井设计疏排降深S=982.41 m（疏降含水层水位平均标高+32.41 m），矿井面积F0=5 140 000 m2。

（3）涌水量计算。将上述参数代入式（1）得，矿井二2煤层29采区正常涌水量Q=656 m3/h。

（4）最大涌水量计算。东29采区矿井最大涌水量Qmax=1.2Q=787 m3/h。

4.2 解析法预算涌水量

4.2.1 水文地质模型概化

东29采区东西部为二2煤层由西向东径流方向，可视为无限边界；南部为DF115断层，与先期开采区域顶板砂岩相接，具有一定补给作用，可视为补给边界；北部为二2煤埋深>1 000 m的深埋区，含水层径流条件极弱，可视为相对隔水边界。总之，先期开采地段可概化为一边进水、一边隔水、另二边无限的水文地质模型。

4.2.2 计算公式选取

（1）二2煤层顶板砂岩裂隙含水组涌水量选用承压—无压井流公式：

（2）

（2）二2煤底板砂岩含水层与太原组上段灰岩含水层涌水量选用承压井流公式：

（3）

4.2.3 计算参数确定

（1）顶板砂岩含水层涌水量预算参数。①渗透系数K。矿井在73-2孔对顶板含水层抽水试验，校正渗透系数值0.002 7 m/d，但该孔处于弱富水地段，另邻区顺和煤矿参数和本区较相似，较小，且没有发生大的突水事故，为安全起见，取陈四楼矿水文参数K=0.036 3 m/d，认为取二者平均值较适宜，即取K=0.019 5 m/d。②含水层厚度M。取其含水层平均厚度，M=12 m。③水柱高度H。取静止水位标高+27.67 m减去-950 m水平含水层底板标高-947.70 m得，H=975.37 m。④其他。疏排区大井折算半径r=1 279 m；R=2 602 m。

（2）底板砂岩含水层涌水量预算参数。①渗透系数K。取顶板预算参数K=0.019 5 m/d。②含水层M。取其含水层平均厚度，M=8 m。③疏排降深S。S=977.67 m。④其他。疏排大井折算半径r值同上；R=2 644 m。

（3）底板C2t上段含水层涌水量预算参数。①渗透系数K。因井田抽水试验孔远离富水区，其参数难以代表井田水文地质条件，仍借用邻区陈四楼矿抽水参数平均值K=1.03 m/d。②含水层厚度M。取全区稳定的L12与L8灰岩相加之平均值，M=11.30m。③疏排降深S。取含水层水位标高+38.00 m减去疏排标高-950 m，得S=988.00 m。④其他。疏排大井折算半径r值同上；R=11 306 m。

4.2.4 涌水量计算

（1）顶板砂岩含水层涌水量。正常涌水量Q=84 m3/h；最大涌水量Qmax=101 m3/h。

（2）底板砂岩含水层涌水量。正常涌水量Q=28 m3/h；最大涌水量Qmax=34 m3/h。

（3）底板C2t上段含水层涌水量。正常涌水量Q=692 m3/h；最大涌水量Qmax=830 m3/h。

4.3 矿井涌水量预算结果及评价

采用比拟法和解析法预算了二2煤层东29采区矿井正常涌水量、最大涌水量。稳定流解析法计算的全矿井正常涌水量为804 m3/h，最大涌水量为965 m3/h；比拟法计算的全矿井正常涌水量为656 m3/h，最大涌水量为787 m3/h。

比拟法计算的全矿井正常涌水量、最大涌水量比较符合近年来矿井充水的实际情况，可以作为下一步矿井开采的依据。但随着开采水平的不断延深，太灰岩溶水向矿井突水的概率也将大大提高，若出现短期内多点突水情况，将会超过比拟法预算的最大涌水量，这一点需高度警惕。

对于永城矿区而言，二2煤层底板下伏奥灰间接含水层向矿井突水是各煤矿随时可能发生的重大隐患，区域上煤层底板突水峰值为正常涌水量的1.36～4.01倍。本矿的奥灰突水量以正常涌水量的3倍计算，仅29采区其突水峰值就将超过2 000 m3/h，这一点应引起矿方高度警惕，防患于未然。

5 结论

（1）二叠系下统山西组为薛湖煤矿主采煤层，矿区发育六大含水层（组）和三大隔水层（组），煤系地层的二叠系砂岩裂隙含水层是危害矿井生产的主要含水层，顶板砂岩水随着生产的进行多被疏干，对生产的安全不会造成很大的影响。二2主采煤层存在直接充水水源、间接充水水源和采空区积水3种类型的充水水源。二2煤的导水途径主要有裂隙、断层和封闭不良钻孔3种。高角度正断层可能成为导水通道，越往深部开采水压将会越大，构造和裂隙的发育增加了底板水涌入矿井的危险。

（2）比拟法计算的全矿井正常涌水量为656 m3/h、最大涌水量787 m3/h比较符合近年来矿井充水的实际情况，可以作为下一步矿井开采的依据。但随着开采水平的不断延深，太灰岩溶水向矿井突水的概率也将大大提高，若出现短期内多点突水情况，将会超过比拟法预算的最大涌水量。这一点应引起矿方高度警惕，防患于未然。