山西慈林山煤矿水文地质特征及水害防治措施

2023-11-14李威

煤矿现代化 2023年6期

李威

（山西省煤炭地质一一四勘查院有限公司，山西长治 046000）

1 矿井概况

慈林山煤矿位于长子县慈林镇龙塘村至色头镇鲍寨村一带，北距长治市约30 km，207 国道和长治—晋城高速从矿区东侧通过，矿区距太焦铁路东田良车站约1km，交通运输十分便利。本区位于太行山脉西侧之长治盆地南部的低山中，区内沟谷纵横，地貌特征划为黄土陡崖冲沟、河漫滩低地和低山侵蚀3 种，由北部慈林山经南岭到南部鲍寨山顶，成一起伏脊线，分别向东西两侧逐渐降低，标高由+1208.8 m(鲍寨山顶)逐渐降为+960 m（东田良村）。井田内地表河流主要为鲍寨河，为季节性河流，位于井田南部，经鲍寨向东流，在色头镇转为北东向流出井田，现已干涸。

矿区内大部为第四系黄土覆盖，二叠系上、下石盒子组在局部地段出露。石炭系上统太原组和二叠系下统山西组为本煤矿的含煤地层。含煤地层总厚为154.99 m，煤层平均总厚13.49 m，含煤系数8.70%，含3、9、15 号等3 层稳定可采煤层。

矿区内构造受区域构造影响，构造总体为走向NE、倾向NW 的单斜，在此基础上发育轴向近EW向或NS 向的宽缓褶曲，地层产状平缓，倾角一般5°～10°，局部可达17°，共发现大小断层16 条，其中巷道掘进及工作面回采过程中揭露了13 条断层。矿内共发育有陷落柱50 个，其中43 个为采掘揭露，7 个为物探解译。

2 水文地质条件

2.1 水文地质单元

慈林山煤矿区域水文地质单元为三姑泉域。在甘润村南部的晋获褶断带及延河泉域构成三姑泉域的西部边界，其北以地表分水岭为界；北部边界在长治县韩店镇到荫城镇一带；柳树口到夺火一带的地形地貌分水岭、大箕至南石翁一带的近东西向弧形褶断带分别构成三姑泉域的东、南边界。

2.2 主要含、隔水岩组及其特征

2.2.1 含水层

1）松散层孔隙含水层。该含水层组的岩性主要是由亚粘土、砂石及砾石等构成，孔隙较发育，出露范围较大，含水层埋藏深度一般不大，渗透性良好，接受大气降水和地表水的补给，在局部地段含水丰富。

2）基岩风化带裂隙含水层。该含水层的岩性因地而异，在岩性、构造及地形等因素作用下，风化裂隙发育程度不一，该含水层埋藏深度一般在50～80 m，各地段富水性差异较大。

3）二叠系下统山西组及上、下石盒子组砂岩裂隙含水层组。为碎屑岩裂隙含水层组，矿区内上、下石盒子组均有出露。该含水层组岩性主要由中、细粒砂岩为主，平均厚度为8.68 m。K7 砂岩及3 号煤层顶板砂岩裂隙含水层构成3 号煤层采空积水的充水水源。在钻进过程中，据简易水文观测，该层位泥浆消耗量较大。

4）石炭系上统太原组岩溶裂隙含水层组。该含水层组由K2、K3、K4、K5 4 套灰岩构成，平均总厚度为17.88 m，一般不发育岩溶裂隙（个别钻孔除外）。钻进过程中，简易水文观测发现，除少量钻孔冲洗液漏失外，大部分钻孔变化不明显。

5）奥陶系中统峰峰组石灰岩岩溶裂隙含水层。该含水层组岩性主要由石灰岩、泥质灰岩及白云岩等构成，隐伏于15 号煤层之下，地表未见露头。奥陶系灰岩含水层埋藏深度大，厚度较大，承压水头较高，是矿区主要含水层组。

2.2.2 隔水层

1）上石盒子组中下部及下石盒子组隔水组。该层岩性组成是由泥岩、砂质泥岩夹薄层砂岩，在垂向上呈复合结构，裂隙较少存在，为相对石盒子组与山西组之间的相对隔水层。

2）山西组和太原组上部所夹透镜体状泥岩和砂质泥岩，以及松散层中透镜状分布的粘土，在一定程度上起着局部隔水作用。

3）石炭系上统太原组底部及中统本溪组隔水层。该层岩性组成是由塑性的铝土质泥岩、泥岩及砂质泥岩等，层厚8.50（522 孔）～27.96（513 孔）m，平均18.57 m，位于15 号煤层与奥陶系中统峰峰组之间，该层岩性致密，透水性差，其中本溪组底部铝土泥岩质地细腻，隔水性极好，是慈林山煤矿主要隔水层组之一，对隔断下部奥陶系岩溶水起着重要作用。

3 充水条件及突水危险性评价

3.1 矿井充水条件

通过对含隔水层岩组特征、地下水的补给、径流、排泄条件及其水力联系等条件进行分析，并结合临近矿井充水因素，综合得到对本矿煤层开采有影响的充水水源主要有大气降水及地表水、含水层水、底板奥灰水、采空积水。

3.1.1 充水水源

1）大气降水及地表水。区域内年平均降水量在449.90～634.10 mm，平均558.80 mm，大多集中在7、8、9 月份。各井口标高都高于其附近最高洪水位标高，一般不会发生洪水溃入井下。根据各煤层导水裂隙带高度，3 号煤层采空区积水的可以由大气降水及地表水补给，有可能影响到9、15 号煤层开采。

2）含水层水。3 号煤层顶板及以上砂岩裂隙含水层水可直接补给3 号煤层采空区积水，对矿井充水有影响。石炭系上统太原组岩溶裂隙含水层组总共由4 套灰岩构成，即K2、K3、K4、K5 层，该含水层组属于弱富水性含水层，为开采9、15 号煤层的直接充水含水层。根据采掘揭露情况，在向斜轴部存在顶板涌水量异常增大现象，特别是在15 号煤层北翼回风大巷、轨道大巷开拓过程中，顶板淋水异常增大，在30～50 m3/h 之间，根据矿方提供近3 年矿井涌水量台账，现已降至18 m3/h。根据物探成果，在其北部存在物探解释异常区（相对富水异常区三、四、五），根据煤层底板等高线其北侧为最低点，且靠近慈林山断层，其北部在未来采掘过程中可能存在顶板水突水危险。15 号煤层底板奥陶系灰岩含水层埋藏深度大，厚度较大，承压水头较高。井田内推测奥灰含水层水位标高为+640.00～+644.50 m。庄头断层以西（上盘）15 号煤层带压地段为奥灰水突水的危险区。

3）采空积水。3 号煤层采空区积水共12 处（其中1 处已完成探放），9、15 号煤层采空区经调查不存在积水。未来矿井开采9、15 号煤层，9、15 号煤层距离3 号煤层较近，可能会沟通3 号煤层采空区积水，对矿井安全生产有影响。

3.1.2 充水通道

断层和裂隙密集带、陷落柱、煤层顶板、底板破坏形成的导水通道、未封堵和封堵不良的钻孔及岩溶塌陷等均是可能的充水通道。矿区内断层在井巷揭露时均未出现涌水增大，仅有少量渗水，说明揭露断层导水性相对较差。

在揭露的陷落柱内的充填物，一般为泥岩、砂岩及煤块的混合物，棱角明显，形状不规则，排列紊乱，大小混杂；揭露时无水，经后期监测无水，陷落柱不导水。

井田开采3 号煤层后，两带最大高度可达二叠系下石盒子组地层中下部，从而使3 号煤层上部山西组砂岩含水层受到破坏。钻孔507、522 附近3 号煤层埋藏浅，导水裂隙带高度达地表（见表1）。井田开采9 号煤层后，两带最大高度可达上部石炭系上统太原组地层中上部，从而使9 号煤层顶部石炭系上统太原组岩溶裂隙含水层遭到破坏。考虑到3 号煤层采掘活动对底板的破坏，9 号煤层可能会沟通3 号煤层采空区积水。井田开采15 号煤层后，两带高度能达到上部石炭系上统太原组中下部及9 号煤层，从而使15 号煤层上部石炭系上统太原组岩溶裂隙含水层受到破坏。15 号煤层可导通9 号煤层采空区积水。

表1 3 号煤层导水裂隙带高度

3.1.3 充水强度

根据慈林山煤矿2019-2022 年煤层实测涌水量值进行计算，开采9 号煤时富水系数为1.30 m3/t，开采15 号煤时富水系数为1.39 m3/t，均小于2 m3/t，充水强度为弱。

3.2 突水危险性评价

根据山西省煤炭工业厅晋煤行发[2017]128 号文及《煤矿防治水细则》附录四中“底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa/m，正常块段不大于0.1 MPa/m”的规定，结合矿井断裂发育程度，本次采用一个分区系列：在对矿井导水断裂构造、陷落柱发育程度综合分析的基础上，以突水系数0.06 MPa/m 为划分标准，划分为①突水威胁区（突水系数小于0.06 MPa/m），该区带压水头小，突水危险发生的可能性较小，或即使发生突水危险其可能造成的破坏影响较小，但是在断裂构造附近存在突水事故发生的可能性；②突水危险区（突水系数大于等于0.06 MPa/m），该区带压水头较高，不仅在断裂附近发生突水的危险性高，而且一旦发生突水事故造成的破坏亦较大，在煤矿安全生产和建设过程中，必须制定专门的带压开采设计，施工必要的防治水工程，在开采前务必做好应急预案。

由于庄头断层以西（上盘）1201 孔底板隔水层厚度为11.50 m，计算突水系数为0.16～0.31 MPa/m＞0.10 MPa/m。因此，庄头断层以西（上盘）15 号煤层带压地段存在奥灰水突水可能性。本井田未来采掘区域位于庄头断层以东，庄头断层以西带压区域“三区”划分结果为禁采区。故奥灰水对未来9、15 号煤层开采影响较小。井田西部庄头正断层落差约200 m，导致庄头断层以西（上盘）的15 号煤层直接与奥灰接触，有底板突水可能，并且奥灰水在此处可能水平渗流进入矿井。在未来采掘接近庄头断层时，应按煤矿防治水细则留设物理隔水煤柱，同时高度注意奥灰水涌入矿井。

4 矿井水害防治措施

根据本矿现已知的水文地质条件以及充水因素，针对地表水害、老窑水害以及顶板水害作出评价，就本矿目前所存在的问题提出以下建议。

4.1 地表水防治

对采掘区内存在积水及地裂缝及时进行排水和填埋地裂缝，避免雨季地表水渗漏涌入煤层采空区造成水害事故。在雨季，专门人员每周均应对地面裂隙、废弃井筒及封闭不良钻孔、塌陷的老空区和废弃巷道等情况进行观测。应当在收到暴雨灾害预警信息和警报之后，实行24 h 持续巡视，对地表塌陷区及地裂缝区要进行及时封填治理，在较危险的地段要设置警示牌和警戒线。

4.2 采空区积水防治

采空区积水是矿井充水的重要因素，采掘工程一旦意外接近或揭露，便可能突然溃出，发生对煤矿安全生产和建设的威胁较大的透水事故。

1）老空积水区调查。井田内老空区分布及积水区已基本查明，但是老空区积水处在动态变化过程中，随时间的推移，无积水区会逐渐成为积水区。所以，在煤矿采掘过程中必须开展矿区内实地检验和调查周边矿井老采空区积水情况等，避免矿井水害事故的发生。

2）加强采空积水区的探测工作。井下物探，探查异常区。采用井下瞬变电磁或直流电法等方法进行超前探，以掘进、回采工作面前方异常水文地质特征探查为重点，避免由于接近或揭露前方采空积水区而造成矿井突水事故。

3）探放水前准备工作。严密组织探水掘进，在有足够帮距、超前距和控制密度的钻孔掩护下，掘进巷道逐步接近它，利用物探和钻探探明、核实积水区的积水量及范围，调查清楚积水线、探水线和警戒线的确切方位。对需探放的老空积水分析、查明后，在确定的探水线位置布置钻场和积水区下部布置辅助水仓等排水设施进行探放水前的准备：科学计算采空区积水量，依据煤矿排水能力和水仓容量，设计合理的放水流量，避免透水事故引起淹井；另外，还需专门人员水文监测钻孔水位及出水情况，测定水量和水压，建立台账并做好记录。

4）老空水疏放水工作。在全面了解采空区积水情况的基础上，科学编制探放水设计，根据设计要求实施探放水工程，确认无水害情况下开展采掘活动。

4.3 封闭不良钻孔的防治

本井田内部分钻孔未进行启封检查，当巷道及工作面接近钻孔时，应严格执行探、放水作业或留足够的保安煤柱，之后再行掘进。以确保安全生产。

4.4 煤层顶板碳酸盐岩岩溶裂隙水防治

在煤层开采后，顶板垮落，导水裂隙带发育高度将沟通上覆各个含水层，将含水层水导入采空区形成矿井水。井田内太原组岩溶裂隙水补给条件一般，总体富水性弱，局部富水性强。顶板水易于疏干。防治水工作以井下探放水为主。采用直流电法或坑透法在掘进工作面和回采工作掘进头进行超前探测，目的是探查掘进头前方构造（导水断裂）和水文地质条件异常区域，以防因揭露或接近含水体（层）而导致突水事故的发生。井下放水建议采用预疏干和采动疏干相结合的方法。减少超前探水的工作量。以钻探为主，物探资料要有钻孔验证。