永定庄煤业煤层充水评价与水害防治技术研究

常达

（晋能控股煤业集团永定庄煤业，山西 大同 037001）

1 概况

永定庄煤业位于大同煤田向斜中段东南侧，地理位置在大同市西南约23.5 km 处，井田为不规则多边形，面积9.077 9 km2，批采侏罗系8、9、11、12、14、15 号和石炭系山2、山4、2、3-5、8、9煤层，批采标高1 550-725 m，生产规模200 万t/a。井田内多为黄土覆盖，基岩仅出露于沟谷底部及山脊，根据以往地质勘探资料，井田内发育地层由老到新为太古界集宁群(Ar3jn)，寒武系(∈)，奥陶系下统亮甲山组(O1l)，石炭系中统本溪组(C2b)、上统太原组(C3t)，二叠系下统山西组（P1s），侏罗系下统永定庄组（J1y）、中统大同组(J2d)、云岗组(J2y)，第四系中上更新统(Q2+3)、全新统(Q4)。其中，石炭系中统本溪组、上统太原组和二叠系下统山西组为含煤地层。

本井田主要可采煤层为山西组山4 号煤层，太原组2、3-5、8 号煤层。山西组4 号煤层煤层厚度0～4.70 m，平均厚度2.18 m，一般含夹矸1～2层，属较稳定煤层，顶板为砂质泥岩，有时相变为中粒砂岩，底板为细粒砂岩；太原组2 号煤层位于太原组顶部，煤层厚度0～8.28 m，平均厚度1.86 m，一般含夹矸1 层，煤层属不稳定煤层，顶板岩性细粒砂岩，底板为砂质泥；太原组3-5 号煤层位于太原组中上部，是太原组最厚煤层，煤层厚度8.32～41.98 m，平均厚度24.96 m，一般含夹矸1 层，煤层属不稳定煤层，顶板岩性细粒砂岩，底板为砂质泥；太原组8 号煤层厚度0.50～13.40 m，平均厚度4.60 m，煤层结构简单，含夹矸1～2 层，煤层西南部较厚，东北部较薄，属较稳定煤层，顶板为粉砂岩，底板为炭质泥岩、粉砂岩。

2 水文地质条件

2.1 含、隔水分布特征

根据含水介质、孔隙类型及含水特征等，井田内自下而上，主要含水层为第四系冲积物孔隙含水层、云岗组砂岩裂隙含水层、大同组砂岩裂隙含水层、永定庄组砂岩裂隙含水层。第四系冲积物孔隙含水层岩性为砂砾石以及不同粒级的砂质，一般为10 m 左右；云岗组砂岩裂隙含水层在井田沟谷两侧出露，浅部由于物理风化作用而产生风化裂隙，易接受大气降水的补给，永定庄矿后沟泉泉水流量曾达1 570 m3/d；大同组砂岩裂隙含水层地下水赋存在煤层之间砂岩的裂隙中，属砂岩裂隙潜水、承压水，富水性弱；永定庄组砂岩裂隙含水层岩性为厚层状的中、粗砂岩和砂砾岩，主要赋存在本组的中下部，富水性较弱。

主要隔水层为本溪组隔水层、煤系隔水层、非煤系隔水层。本溪组地层，厚30.95～49.95 m，平均38.41 m，上部多为粉砂岩、砂质泥岩和薄层状细砂岩，下部多为铁、铝质泥岩，中夹1～2 层薄层状石灰岩，其中泥岩相对发育，为海陆交互相沉积；煤系地层泥岩隔水层层数多，与砂岩，煤层相间沉积，大部分呈透镜状分布，具隔水、半隔水作用，其中大同组煤层已经开采，煤层开采后导水裂隙带已达地表，隔水层已被破坏，已不具隔水作用；非煤系隔水层为永定庄组泥岩、砂质泥岩，岩石胶结致密，完整性好，具有良好的隔水作用。

2.2 地下水补给、径流、排放

井田地下水以大气降水为补给来源。大同组煤层基本已采完，采空区顶板冒落形成的导水裂隙带是大气降水入渗的良好通道，而采空区则是赋存大气降水的绝好空间。本区属口泉河水系，大气降水不仅通过面状入渗补给，而且通过口泉河汇集洪水呈带状补给，补给条件良好。永定庄矿2017-2019 年矿井排水量2 500 ～3 500 m3/d，上述排水一部分为开采大同组煤层时上覆积水构成，反映了大气降水补给条件好，大气降水、地表水转化为矿井水特征明显，从其多年矿井排水相对稳定分析，大气降水补给范围比较大，而且在井下汇水条件好的情况下，大同组采空区可聚集采空区积水。

2.3 井田及周边老窖水分布

永定庄矿业批采煤层为侏罗系的8、9、11、12、14、15 号煤，石炭- 二叠系的山2、山4、2、3-5、8、9 号煤，目前侏罗系和山4 号煤层开采结束，山3-5 号煤层正在开采。侏罗系采空区共有积水434 843 m3，其中8 号层积水233 224 m3，11 号层积水51 443 m3，14 号层积水150 176 m3。山4号煤层现有采空区积水234 878 m3，3-5 号煤层现有积水124 321 m3。

采空区积水是根据煤层底板形态、采掘过程中含水层的涌水量、探放水成果、采空时间等进行估算的，可以由下式表示：

式中：Q为相互连通各积水区总积水量，m3；K为采空区充水系数，取0.25；M为煤层厚度，m；F为采空区积水投影面积，m2；α 为煤层倾角，取3°。

由于井田周围分布其他矿井，因此需要分析周边矿井老窖水分布情况。永定庄煤业周边相邻煤矿包括砂石煤矿、三道沟煤矿、泉岭煤业和同忻煤矿。砂石煤矿位于井田东南部，位于井田内，2 号煤层有积水30 896 m3；三道沟煤矿位于井田东南部，位于井田内，2 号煤层有积水58 634 m3；泉岭煤业位于井田南部，与永定庄煤业相邻处3-5 号煤层采空区有积水113 834 m3；同忻煤矿开采3-5 号煤层，与永定庄煤业西部相邻处有采空区积水548 267 m3。表1 为相邻煤矿采空区积水统计，井田及相邻矿井采空区积水分布如图1 所示。

图1 井田及相邻矿井采空区积水分布Fig.1 Distribution of accumulated water in goaf of field and adjacent mines

表1 相邻煤矿采空区积水统计Table 1 Statistics of accumulated water in goaf of adjacent coal mines

2.4 导水裂隙带

3-5 号煤层覆岩分别为中硬岩，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，导水裂隙带最大高度计算公式可由下式确定：

式中：Hli为导水裂隙带高度，m；m为采煤厚度，m。

根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》，导水裂隙带最大高度由下式确定：

由于侏罗系地层中煤层存在大面积的采空区及小窑破坏区，且有不同程度的积水，可能会对未来3 a 的3-5 号煤层的开采造成一定影响，导水裂隙带计算结果见表2。

表2 导水裂隙带最大高度计算取值Table 2 Calculation value of maximum height of water conduction fracture zone

通过计算，3-5 号煤层开采后形成的导水裂隙带最大高度为591.44 m。

2.5 矿井充水状况与预测

永定庄煤业开采3-5 号煤层，主要由两部分构成，一是石炭- 二叠系煤层开采井巷揭露的含水层，涌水点涌水量一般在3～7 m3/h；二是煤层回采后沿密闭流出的积水。根据2016-2019 年矿井涌水量统计，矿井排水量分别为1 215 358 、1 049 405 、997 849 、920 803 m3。总体来看，历年矿井排水量总体变化不大，矿井涌水量变化与大气降水及开采地段上覆采空区积水的补给有一定的关系，可利用统计法根据该矿4 a 矿井涌水量平均值作为矿井正常涌水量，即2 865 m3/d（119.40 m3/h），最大值为矿井最大涌水量，即3 657 m3/d（152.38 m3/h）。

根据相邻大同煤矿集团同忻矿在开采3-5 号煤层时的含水系数，对永定庄煤业矿井涌水量进行预测。据统计，大同煤矿集团同忻矿井最大吨煤含水系数为0.44 m3/t，一般含水系数为0.210 3 m3/t。当永定庄煤业的煤炭年产量达到200 Mt 时，日产原煤量约6 061 t（按年生产时间330 d 计算），现采用富水系数法预测矿井涌水量：

式中：q为矿井涌水量；u为煤层含水系数；T为原煤日产量。估算得出在开采石炭系3-5 号煤层时，预估的矿井最大涌水量为2 666.84 m3/d（111.12 m3/h），与统计法所得到的涌水量基本一致。

3 永定庄煤业水害影响分析

根据永定庄煤业2020-2022 年对3-5 号煤层实际开采情况，结合矿井水文地质条件，分析3-5号煤层开采水害影响程度，如图2 所示。

图2 永定庄煤业采掘水害特征Fig.2 Water disaster characteristics caused by mining and excavating of Yongdingzhuang Coal Industry

3.1 大气降水、地表水影响

永定庄煤业所在地年降水量255.11～512.8 mm，其中6～9 月份降水量最多，约占年总降水量的80%。山4 号煤层开采后形成的导水裂隙带最大高度为71.30 m，3-5 号煤层开采后形成的导水裂隙带最大高度为513.97 m，煤层叠加开采使导水裂隙带到达地表，大气降水及地表水可以通过采煤形成的导水裂隙带进入矿坑。图3 为矿井涌水量与降水量、产量相关性曲线，可以看出，涌水量与降雨量有一定的相关关系，即在雨季矿井涌水量会相应增大。

图3 矿井涌水量与降水量、产量相关性曲线Fig.3 Correlation curve of mine water inflow with precipitation and yield

3-5 号煤层8102 工作面上覆顶面对应有口泉河支流后沟，8106 工作面上覆顶面对应有里南沟支沟，大气降水形成的洪水会通过沟谷的地裂缝进入矿井，使矿井涌水量增大。矿井正常涌水量为2 865 m3/d（119.40 m3/h），矿井最大涌水量为3 657 m3/d（152.38 m3/h），大气降水、地表水对矿井充水强度总体不大，对矿井生产影响小，由于大气降水和地表水是采空区积水的补给来源，因此仍不能忽视大气降水和地表水的危害。

3.2 地下水影响

永定庄煤业大同组煤层资源已接近枯竭，开采后侏罗系含水层大部分已被破坏且含水层富水性弱，对未来3-5 号煤层开采影响较小。

井田内3-5 号煤层含寒武- 奥陶系岩溶裂隙承压含水层，是石炭- 二叠系开采煤层下伏的间接充水含水层，静止水位标高为950—990 m，而3-5号煤层底板标高为761.59—1 060 m，存在带压开采的可能。为准确判断寒武- 奥陶系岩溶承压水是否会对上述煤层开采产生影响，依据《煤矿防治水细则》对发生突水的危险性进行评价：

式中：Ts为突水系数，MPa/m；P为隔水层承受水压，MPa；M为底板隔水层厚度，m。

经过计算，3-5 号煤层突水系数在0.018～0.051 MPa/m。《煤矿防治水细则》规定，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。3-5 号煤层突水系数最大值0.051 MPa/m，小于底板受构造破坏块段突水系数0.06 MPa/m，且断裂构造不发育，开采3-5 号煤层为安全区，如图4 所示。

图4 3- 5 号煤层带压开采安全区示意Fig.4 Safety zone of No.3-5 coal seam mining under pressure

3.3 采空积水影响

侏罗系8、9、11、12、14、15 号煤层2014 年开采结束，山4 号煤层2019 年结束开采，3-5 号煤层正在开采。开采结束的侏罗系采空区共有积水434 843 m3，山4 号煤层现有采空区积水234 878 m3，正在开采的3-5 号煤层现有积水124 321 m3。上述积水数据表明，侏罗系采空区积水和山4 采空区积水较多，积水瞬时突水量大，对3-5 号煤层开采带来隐患。

3.4 导水断层、陷落柱影响

采区内目前未发现导水断层和陷落柱，由于岩溶发育具有不均一性，而断层和陷落柱是岩溶发育的主要影响因素，因此日常工作不能忽视对隐伏导水断层、陷落柱的探查，防患于未然。

4 永定庄煤业水害防治技术

目前永定庄煤业主要对3-5 号煤层进行采掘，根据水文地质条件勘测，3-5 号开采主要水害影响为上覆侏罗系8、11、14 号煤层采空区积水及山4、3-5 号煤层采空区积水的影响，其次是3-5 号煤层回采后大气降水、地表水通过地裂缝、导水裂隙带进入矿井对矿井生产的影响。针对上述问题，提出水害防治技术。

（1） 加强采空区范围及积水情况的探测，做好探放水工作，对采掘工作面有威胁的采空区积水，坚持“有掘必探，先探后掘”的原则，采用“物探先行、化探跟进、钻探验证”综合探测手段，严格执行“探掘分离”“探放水作业优先”的探放水制度。

（2） 针对每年的汛期和雨季要按照相关管理制度，组织抢险队伍，储备充足物资；定期对地表塌陷、地表裂隙、积水情况进行摸排，针对性的提出安全防治措施，并根据防治水规划投入专用经费。

（3） 顶板水为矿井井下涌水量的主要来源，主要以顶板淋水的形式进入矿井，但该含水层为弱富水性含水层，生产中容易疏干，需定期检修矿井排水设备，及时清理排水沟道和水仓，保证排水通畅。对于瞬变电磁勘探解释的煤层顶板含水层富水异常区，尤其是强富水异常区，需进行井下钻探验证、必要时对其进行疏放。

5 结语

本文根据永定庄煤业现有资料，研究了该矿含（隔） 水层特性分布、地下水补给、径流、排放、井田及周边老窖水分布、导水裂隙带、矿井充水状况，并对矿井涌水量进行了预测，分析了永定庄煤业水害影响因素。研究结果表明，大气降水和地表水方面，永定庄煤业所在地年降水量255.11～512.8 mm，矿井正常涌水量为2 865 m3/d，对矿井生产影响较小；地下水影响方面，3-5 号煤层突水系数在0.018～0.051 MPa/m，小于底板受构造破坏块段突水系数0.06 MPa/m，煤层开采隐患较小；侏罗系采空区积水和山4 采空区积水较多，分别为434 843 m3和234 878 m3，采空积水对煤层开采具有隐患；采区内目前未发现导水断层和陷落柱，对矿井生产影响小。研究结果为永定庄煤业水害防控提供参考依据。