煤矿充水因素评价及涌水量预测

2024-03-20崔耀明

山西化工 2024年2期

崔耀明

（山西乡宁焦煤集团通合煤业有限公司，山西临汾 042100）

0 引言

煤矿水害事故会造成人员伤亡与经济损失，影响井下生产作业高效有序进行。分析研究矿井充水主控因素，准确地预测矿井涌水量，可以对后期作业中排水防水设施进行合理安排、制订相应排水方案，为煤矿安全生产和提高经济效益提供重要保障[1]。本文结合山西省某煤矿实例对矿井充水因素进行分析，并合理预测涌水量，为今后水治理提供了针对性意见。

1 工程概况

山西省某煤矿1552 工作面位于太行山脉西侧，煤层顶板到地面的垂直厚度约为180～152 m，井下与地面相较于基础面标高分别为739～809 m、919～968 m，地面无水体，均为植被覆盖区与耕种区。1552工作面南侧为运输巷道，北侧为安全煤柱，东侧采空区，西侧为基础工作面。15#煤层平均长度为1 222 m，平均煤层厚度为3.0 m，平均倾角3°，煤层顶部部分区域存在溶洞及破碎现象，已探明可采煤炭储量约209 万t。

2 矿井水文地质条件

2.1 含水层

第四系含水岩组。在该矿区内占比较大，在中上更新统富水性较差，且多为透水但不含水，随着季节的不同差异较大；全新统冲积层位于矿区东北部谷底，多为条形，富水不均匀，富水性从南至北呈增加趋势。

新近系上新统水岩组。该矿区内范围很广，上为红粘土，下为半胶质砂砾，砂砾较厚；分选性、磨圆性、胶结性、多孔性、开张性、延展性较好好，导水能力强，但补给源少、富水性差。

二叠系上统上石盒子含水岩组。基本为S4 与岩层之间的砂岩裂隙含水层构成，砂岩裂隙无明显发育，富水性差，涌水量不超过0.1 L/s。

二叠系下统山西组、下石盒子组含水岩组。其中二叠系下统山西组和下石盒子组的砂岩裂隙含水层组，由S2、S3 和层间的砂岩裂缝含水层构成。裂隙发育均匀度较差，富水性不强。该含水岩组钻孔涌水情况，如表1 所示。

表1 二叠系下统含水岩组钻孔涌水情况表

石炭系上统太原组含水岩组。主要包括煤层、泥岩、砂岩和石灰岩。在这其中，砂岩和石灰岩被确认为含水层，它们夹杂在泥岩中。裂隙在这一地层中得到良好的发育，然而，对补水方面的调查显示水资源总体呈现弱势分布，而在局部区域却呈现中等水平的富水性。石炭系上统太原组钻孔涌水情况，如表2 所示。

表2 石炭系上统太原组钻孔涌水情况表

奥陶系中统上马家沟组含水岩组。该含水岩组位于矿区东南河塔村东沿县川峡谷地区，其岩性以白云质灰岩、泥灰岩、石灰岩为主，岩溶裂隙发育，具有丰富的地下水，富水性呈现西部极强，自西至东逐渐变弱的特点。

2.2 隔水层与地下水情况

研究发现，在煤矿地质层序中，新近系的红黏土、石炭系和二叠系层间泥质隔水层，以及13#煤层与奥灰顶之间的隔水层，在防治水方面具有显著作用。特别是碳酸盐岩层，其存在于不同基岩含水岩群之间，通过岩溶和裂隙的发育表现出卓越的隔水功能，从而保持了地质层序的完整性和连续性。这些碳酸盐岩层不仅形成了有效的隔水层，而且相对于其他岩组，成功地降低了它们之间的水力联系[2]。

矿区紧邻某泉域排泄处，形成奥灰岩溶水径流带，水源补给位于矿区外地区西与南方，呈东北流向，该区域为西南泉群的最终排泄地。含水层补给机制主要包括大气降水和地质构造的影响。在这一过程中，地形和构造成为关键控制因素。地下水的流向通常与地层趋势相同，形成地下水流体系。排水方式多样，其中峡谷内泉水是显著的一种形式，最终将这些地下水引导至黄河。另一方面，浅层地下水排放主要通过人为开采和地表蒸发实现。

3 煤矿充水因素评价

奥陶系中统上马家沟组所含岩溶裂隙表现出卓越的富水性，在煤矿环境中扮演主要补给角色。相较之下，剩余的孔隙水和裂隙水由于水性较弱，补给源相对有限，因而并未给煤矿开采带来太多影响。值得强调的是，地面雨水、地表水体以及采空区积水等诸多因素，在后期煤矿的安全开采中起到了严重而不可忽视的作用。

3.1 大气降水与地表水

在矿区西部及西北部，两个煤层呈浅埋状态，从而造成采空区变成一个导水裂隙带。这一裂隙带具有导水的特性，可以与地表或松散层的各个含水层相连接，进而联通地表的季节性冲沟。由此产生的效应是，大气降水和地表季节性洪水通过这一裂隙直接注入井下，引发了矿井水害。这一现象的发生机制在于裂隙带的存在，其作用是将地表水系与地下水系有效地耦合。该矿井口高于黄河和旁边区域最大洪峰水位，同时排水系统较为完备，因而一般情况下不存在地表水流入矿井。

3.2 奥陶系岩溶裂隙水

矿井内的奥陶系灰岩出现溶蚀裂隙，水流充沛，表现出中至极强的水化性质。奥陶系灰岩水位维持在843～848 m 之间，高于各煤层的最低底面高程。除了8#煤层外，别的可采煤层正在进行局部上带压开采，而西北方向则开展带压开采。现阶段8#煤层的带压开采区域已经成功完成。

通过《煤矿防治水细则》计算来看，在进行带压煤层开采时，压力对突水系数的影响显著。研究表明，在底板受构造破坏块段，突水系数临界值较低。带压区域相对较安全，前提是未发生构造破坏和陷落柱情况。此时，各可采煤层奥灰涌水概率较小。这一发现为煤层开采提供了一定的安全性评估依据，特别是在考虑到地质构造对突水影响的情境下。

3.3 采空区积水

该矿区范围内采空区46 处存在积水情况，总面积超113 万m2，积水总量约为78 万m3；矿区附近某煤矿过去曾开采13#煤层，与之相邻处存在1 处采空区积水情况，积水量约为0.8 万m3。

4 矿井涌水量预测

常用的矿井涌水量预测方法有富水系数比拟法、垂直渗流-侧向径流法、地下水数值模型法、灰色系统理论、时序分析法等，目前富水系数比拟法研究进展迅速，且预测准确率高。本文结合该矿井冒落带与导水裂隙带测量参数，利用富水系数比拟法对该矿井涌水量进行预测分析

4.1 导水裂隙带与冒落带观测方案设计

根据矿井现场实际条件以及此次观测的时间要求，确定导水裂隙带高度观测点设置在该煤矿1152工作面附近1153 工作面回风平巷中。

导水裂隙带观测孔：15#煤层平均厚度3 m，根据现场分析，在1153 回风平巷观测点设置了2 个导水裂隙带，在实际观测中，必须严格控制观测流速和精确度；研究钻孔观测数据，我们能够将导水裂隙带的高算出来。若发现数据存在一定误差或不正确，因此需要进行二次观测以确保准确性。

导水裂隙带对比孔：通过所布设导水裂隙带观测数据时，若发现其未能充分反映其发育高度的情况，需要在没有挖掘区域重新设立对比孔。这一操作的关键在于，我们必须巧妙地结合观测孔与对比孔所得的数据，以推算导水裂隙带的实际高度。在研究中，确保数据的准确性至关重要，而通过重新设置对比孔并运用差异推导方法，可以更精准地获取导水裂隙带高度信息[3]。

冒落带观测孔：沿1153 工作面回风平巷到1152工作面钻冒落带观测孔2 个，要求两孔倾斜。因钻孔需要穿越采空区上部的破碎岩层，所以在完成钻孔后需用高压水冲孔，并在钻具撤离后尽快开展观测工作，以避免出现破裂的岩体和不规则孔壁对观测造成影响。在钻井过程中，对钻机的卡钻、钻速等也需进行详细的记录。导水裂隙带观测孔、对比孔与冒落带观测孔相关参数，如表3 所示。

表3 导水裂隙带与冒落带观测孔参数表

导水裂隙带观测孔、对比孔与冒落带观测孔布设刨面示意图如图1 所示。

图1 导水裂隙带与冒落带观测孔布设刨面图

4.2 观测结果分析

将观测孔观测数据通过GMS 软件分析可得，该导水裂隙带发育高度为41.99 m，因该工作面15#煤层平均厚度3 m，计算可知裂采比为13.99。对冒落带高度观测两钻孔（4#钻孔与5#钻孔）孔壁微观分析，发现两钻孔中岩层都存在着明显的断裂分区，并且两个钻孔的断裂区域对比明显。

通过对冒落带高度观测结果的深入研究，我们发现在4#钻孔和5#钻孔的孔壁微观分析中存在显著的断裂分区。它们断裂区域呈现出显著的对比特征。根据冒落带高度观测两钻孔全长测段孔壁裂隙分布，计算得出冒落带上部边界分别为4#钻孔孔深35.7 m，5#钻孔孔深30.3 m。结合现场测量钻孔轨迹，两钻孔实际倾角为：4# 钻孔21.83°，5# 钻孔27.42°。计算可得两钻孔冒落带距煤层垂直距离：H4#=35.7×sin 21.83°=13.28 m，H5#=30.3×sin 27.42°=13.95 m。

由上述计算结果可知，冒落带发育高度实际值约为13.95 m。

结合上述冒落带与导水裂隙带测量数据分析结果，利用水文地质比拟法进行涌水量预测计算，如式（1）所示：

式中：Q 为矿井涌水量；P 为同时期内矿井开采量，K为裂采比拟系数。计算可得结论如下：该煤矿正常生产情况下，15#煤层产量为每小时90 万t，此时矿井平均涌水量预测值为单位时间10.13 m3，最大涌水量预测值为单位时间12.96 m3。