山东省宁汶煤田鑫安煤矿3 煤层开采水害隐患分析

姜 星 孙 强 陆 宇

（1.山东省煤田地质局物探测量队，山东 济南 250104；2.山东观和集团有限公司，山东 济南 250104；3.山东省煤田地质局第五勘探队，山东 济南 250104）

矿井水害隐患对煤矿发展影响极大，地下水通过顶、底板通道涌入矿井，给矿井带来了巨大的经济损失与人员伤亡[1-5]。该文以山东省宁汶煤田鑫安煤矿3 煤层为研究对象，系统地分析了开采3 煤层的水害隐患，以期为矿井水害防治提供理论依据。

鑫安煤矿位于宁汶煤田东北部，属山东省泰安市宁阳县，含煤地层为月门沟群山西组和太原组，可采煤层为山西组3 煤层和太原组15下、16、17 煤层，主采煤层为山西组3 煤层，平均厚度4.63 m，采用走向长壁综采放顶煤采煤方法，全部垮落法管理顶板。矿井总体为一背斜构造，地层倾角11°～38°，大、中、小断层均发育，且断层有相互切割交叉现象，井田西部和中北部受岩浆岩侵入的影响，未发现岩溶陷落柱，地质构造复杂。

经过多年开采，3 煤层存在多处老空积水，3煤层的直接含水层为顶板砂岩含水层。另外，受构造影响，奥灰可能对矿井充水。

1 井田水文地质概况

鑫安矿位于区域水文地质单元东北部，宁汶煤田宁阳块段西南部，矿井内各基岩含水层均隐伏于第四系之下，第四系平均厚度44.63 m，矿井内无大的地表河流，仅存在一些排洪沟和路沟、季节性积水区。由于第四系及新近系地层中黏土类隔水层发育，因此，各基岩含水层与地表水、大气降水无直接水力联系。

1.1 矿井边界水文地质条件

矿井西部为F22 大断层，落差380 m，西升东降，煤系地层与对盘奥灰对接，为补给边界；东部、南部、北部均为人为技术边界，为补给边界。

1.2 含水层

矿井内含水层自上而下依次为第四系砂砾层、新近系砂砾层、白垩系砂岩含水层、3 煤层顶底板砂岩（简称3 砂）、太原组三灰、十下灰及奥陶系石灰岩，其中3 砂是开采3 煤层的直接充水含水层。主要含水层相关参数见表1。

表1 主要含水层相关参数

3 砂以灰白色、灰色中、细砂岩为主，局部为粗砂岩，平均30.18 m。据钻孔资料，岩芯较破碎，21 个钻孔中仅1 孔漏水。根据抽水试验成果，水位标高19.57～38.80 m，单位涌水量0.000 9～0.001 4 L/s·m，富水性弱，水化学类型属Cl·SO4-Na 型水，为开采3 煤层的直接充水含水层。矿井生产过程中揭露3 砂时偶有出水，出水点含水层岩性多为中砂岩、细砂岩，厚度4～8 m，最大水量8.2 m³/h，出水点无水压，一般最大出水量持续几小时后逐渐衰减。

三灰平均3.67 m，浅部裂隙发育，见溶蚀现象，局部岩芯破碎，未发现漏水孔。据抽水试验成果，三灰水位标高-3.71 m，单位涌水量0.000 3 L/s·m，富水性弱，水化学类型属Cl·SO4-Na 型水，水位恢复缓慢。结合区域三灰水文地质条件，三灰富水性很不均一，浅部富水性中等，深部富水性较弱。

矿井内奥灰最大揭露厚度达111.6 m，裂隙发育，充填或不完全充填方解石脉，见溶洞，局部岩芯破碎。据抽水试验成果，奥灰初始水位标高34.73～38.14 m，单位涌水量0.016 3～0.050 7 L/s·m，富水性弱，水化学类型为SO4·Cl-Ca·Na 型水。根据宁阳煤田上世纪80 年代的奥灰抽水试验成果，钻孔单位涌水量0.000 06～7.78 L/s·m，矿化度0.252～1.45 g/L，水化学类型以HCO3-Ca 为主。通过对含水层埋藏条件分析，奥灰浅部富水性强，埋深加大，含水层富水性变弱。

1.3 隔水层

矿井的隔水层主要为：第四系～新近系黏土类隔水层组（隔水层组Ⅰ）、古近系～白垩系隔水层组（隔水层组Ⅱ）、石盒子群隔水层（隔水层组Ⅲ）、17 煤至奥灰隔水层（隔水层组Ⅳ）。

隔水层组Ⅰ为松散层，由砂层与黏土、砂质黏土组成，其中的黏土类与砂层相间沉积使砂层含水层间的水力联系变弱或阻隔，从而形成隔水层组，可有效阻止大气降雨、地表水及砂层水对基岩含水层的直接补给。

隔水层组Ⅱ、Ⅲ中的砂质泥岩、粉砂岩厚度大，为基岩中的相对隔水层，可阻止上部含水层对其下伏含水层垂直补给，形成隔水层段。

隔水层组Ⅳ岩性主要为泥岩、铝质泥岩及石灰岩，由于17 煤层与奥灰间距较小，且岩芯较破碎，不能有效阻断奥灰水对采煤的影响。

1.4 断层导、富水性

矿井内共有44 个孔见断层但均未发现漏水。建井时，在轨道及胶带暗斜井中揭露F34 及F43 断层，均只有淋水现象。生产过程中揭露的断层均不含水、不导水。

矿井内落差大于100 m 的断层有24 条，这些断层可缩短奥灰与3 煤层、奥灰与三灰的距离，甚至对口接触。因此，在采掘工程接近断层时，留设足够的断层煤柱，以防奥灰水突入矿井。

1.5 地下水补给、径流与排泄

各充水含水层，其补给、径流、排泄条件均属不良，含水层水以静储量为主。第四系砂层主要接受大气降水和沉积边缘的基岩补给，其他含水层则主要通过露头接受第四系砂层水的渗透补给。矿区基岩含水层，在构造及裂隙发育区富水性好，构造及裂隙不发育区富水性差，浅部富水性较好，深部富水性减弱。

1.6 相邻矿井

鑫安煤矿为独立块段，周围无相邻矿井。矿井东北部有保安煤矿、伏山煤矿，与该矿井口相距20 km；西南部为新驿矿井，井口相距15 km，中间有F1 大断层相隔。不存在相邻矿井对开采造成影响。

2 3 煤层开采水害隐患分析

2.1 大气降水与地表水水害分析

鑫安煤矿区内地形平坦，地面标高+54.53～+57.96 m，地势东北高西南低，地形坡度0.80‰。矿井为温带半湿润季风区，属于大陆性气候，四季分明。平均年降水量688.86 mm，最小237.02 mm（2013 年），最大1 186.0 mm（1964 年），降雨多集中在7～8 月份，日最大降雨量177.1 mm（1965年7 月9 日）。矿区内无大的地表河流，仅存在一些排洪沟和路沟、季节性积水区，矿井内仅东部有一条南北向赵王河，该河目前常年干涸。

矿井内第四系平均44.63 m，3 煤距第四系底的间距≥90.06 m；新近系平均厚度102.43 m。第四系～新近系黏土类地层可阻隔地表水、大气降水的向下补给，故大气降水与地表水对3 煤层开采没有影响。

2.2 上覆含水层水害分析

2.2.1 水害来源

3 煤层上覆含水层：第四系砂砾层、新近系砂砾层、白垩系砂岩含水层、3 砂含水层。

由于3 煤层上覆隔水层Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的阻隔，使得第四系砂砾层、新近系砂砾层、白垩系砂岩含水层对矿井3 煤层开采影响不大。

3 砂是开采3 煤层的直接充水含水层。导水断裂带波及范围内含水层厚度增大，对矿井的充水危险性就会增大，反之，则低。矿井未测量3 煤层的实际导水断裂带高度，本次采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》中介绍的公式计算导水断裂带高度：

式中：H为导水断裂带最大高度，m；M为煤层厚度，m；Σm为累计采厚，m。

根据计算，式（2）计算的结果符合矿井实际（见表2）。从表2 可以看出，3 煤层导水断裂带高度在42.25～57.71 m 之间，主要发育在山西组，稍微波及石盒子群底部，山西组上覆石盒子群最大残留厚度709.82 m，平均厚度349.76 m，故导水断裂带不会波及白垩系。石盒子群为隔水层，故3 煤层上覆含水层水害主要来自3 砂。

表2 导水断裂带发育高度 m

2.2.2 水害影响程度分析

1）充水危险性划分标准

按导水断裂带范围内含水层厚度，本次把3 煤层顶板含水层的充水危险等级划为三个等级：m＜7 m，划为一般区；m=7～11 m，划为中等区；m＞11 m，划为严重区。

2）充水危险性划分结果

根据上覆基岩导水断裂带内含水层厚度，绘制了顶板含水层充水危险性评价图如图1 所示。从图1 可以看出，矿井中部开采3 煤层的顶板含水层充水危险性强，由中部向南北两侧3 煤层顶板含水层充水危险性逐渐减弱，至矿井南部开采3 煤层的顶板含水层充水危险性弱。

图1 顶板含水层充水危险性评价图

2.3 下伏含水层水害分析

2.3.1 水害来源

3 煤层的下伏含水层主要有三灰、十下灰、奥灰。

3 煤层下距三灰平均63.20 m，三灰以静储量为主，富水性弱，井下掘进揭露时一般无水或少量出水，正常情况下三灰不会威胁3 煤层开采。受构造的影响，缩短三灰至3 煤间距，在落差＞100 m 的断层附近，三灰与奥灰接近或对口接触。三灰在浅部富水性较强，在-300 m 以下含水性较弱，仅表现为滴水、淋水形态，且为静储量。三灰是3 煤开采的间接充水含水层，生产中要注意防范。

十下灰平均厚度5.41 m，未发现漏水孔，下距奥灰40.49 m。落差≥50 m 的断层，可使其与奥灰对口。矿井目前未揭露十下灰，一般情况下，十下灰对矿井3 煤层的开采没有影响。

3 煤层下距奥灰远，正常情况下不会对3 煤层开采造成影响，但在大断层附近，3 煤层可能与奥灰对口接触，需注意防范。

综上所述，对3 煤层开采有影响的下伏含水层主要为奥灰含水层。

2.3.2 底板奥灰影响程度分析

鑫安煤矿内设置了3 个奥灰水文长观孔，当前奥灰水位值为+8.14～47.39 m，高于矿井内3 煤层的底板标高值，因此矿井开采3 煤层属于带压开采。本次采用“突水系数法”对3煤层带压开采进行评价。

1）评价方法

采用公式：

式中：T为突水系数，MPa/m；P为隔水层底板承受的水压，MPa；M为隔水层厚度，m。

根据《煤矿防治水细则》，底板受构造破坏的地段突水系数一般不得大于0.06 MPa/m，隔水层完整无断裂构造破坏的地段不得大于0.1 MPa/m。

2）奥灰含水层水位情况

根据矿井内3 个奥灰水文长期观测孔观测数据可知，矿井内奥灰含水层水位正常呈现出东南部高、西北部低的趋势，实测奥灰水位为+8.14～47.39 m。

3）3 煤层底板隔水层赋存情况

矿井内有3 个钻孔同时揭露3 煤层与奥灰，平均间距在180 m 左右，岩性以中砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩与煤层为主。

4）3 煤层隔水层底板承受水压情况

参照奥灰水位、顶板标高，计算出3 煤层底板隔水层所承受的水压为4.5～13.5 MPa，整体呈现出西部低、东部高的趋势。

5）3 煤层底板奥灰突水系数

根据矿井内奥灰含水层水位信息、奥灰含水层顶界面赋存情况、3 煤层底板与奥灰含水层顶面间距情况等，计算了3 煤层底板奥灰突水系数约为0.025～0.075 MPa/m，整体呈现出西部低、东部高的趋势，并绘制了3 煤层底板奥灰突水系数等值线图如图2 所示。

图2 3 煤层底板奥灰突水系数等值线图

在正常条件下，由于3 煤层距离奥灰较远，奥灰含水层对3 煤层的开采没有影响。但在构造发育条件下，特别是断层的发育导致煤层距离奥灰间距减少，且隔水层的完整性受到了破坏，煤层开采受奥灰含水层的威胁增大。井田东部的突水系数已经大于了0.06 MPa/m，鑫安煤矿内断层发育较为规律，特别是在断层构造发育区均留设了防隔水煤岩柱。综上所述，在构造发育区必须加强对断层导富水性的探查、分析，评价底板奥灰含水层对煤层开采的影响。

2.4 老空积水水害隐患分析

鑫安煤矿为独立块段，周围无相邻矿井，不存在相邻矿井泄水、贯通巷道。

矿井内存在原沙庄煤矿老空区。原沙庄煤矿面积约1.7 km2，开采水平为-147 m，开采范围主要集中在-147 m 水平大巷以上的浅部区域。积水三处，积水面积29 500 m2，积水量17 500 m3，积水线、探水线及警戒线三线明确。根据矿井开采方案，原沙庄井扰动开拓范围内的煤层将不再开采，原沙庄井开拓范围南部煤层露头部位为煤焦混合区，亦不开采。矿井已在-147 m 水平修建了防水墙，防水墙设计服务年限与矿井同年限，该防水设施能较有效地防止-147 m 大巷以上采空区涌水的威胁。

据2005 年至2022 年矿井涌水量观测，沙庄矿老空来水占矿井涌水量的30%左右。因此，矿井开采接近积水区警戒边界时，应严格执行防治老空水措施，保证矿井安全。

3 结论

鑫安煤矿主采3 煤层，开采3 煤层的水害隐患主要来自3 砂水、奥灰水和老空积水。3 砂是矿井的直接充水含水层，富水性弱，正常情况下发生较大水患的可能性不大，其对3 煤层的强充水区主要位于矿井的中部。在正常条件下，奥灰对3 煤层的开采没有影响，但在构造发育条件下，尤其在矿井东部，奥灰突水系数大于0.06 MPa/m，煤层开采受奥灰含水层的威胁增大。矿井采掘工程接近浅部老空积水时，应警惕老空积水对矿井充水。此外三灰作为开采3 煤层的间接底板充水含水层，虽然其以静储量为主，富水性弱，但在断层附近或井巷工程揭露三灰时，亦会对矿井产生充水影响。