大陽煤礦3#煤層三采區充水條件分析及涌水量預測措施

文/李志強

大陽煤礦3#煤層三采區充水條件分析及涌水量預測措施

文/李志強

煤礦井下開采往往由于突水事故造成停產，人身傷亡，使財產遭受損失。山西蘭花集團大陽煤礦三采區現在處于開拓階段，為了確保三采區順利開采，主要從礦井充水水源、充水通道及影響因素等幾方面深入分析充水條件，并采用大井法對采區涌水量進行了預測。

一、地質構造概況

通過三維地震勘探，大陽煤礦三采區3#煤層的賦存形態總體為一走向近南北的背向斜構造，該區內地層變化較小，傾角在1°～10°之間。區內3#煤層埋深總趨勢為西南部埋藏深，東部埋藏淺。該區查明落差大于或等于5m的正斷層2條，直徑大于或等于25m的陷落柱20個，均為陷落了3#9#15#煤層。

二、水文地質特征

1.含水層

根據地層、巖性、含水空隙特征及埋藏條件等，將礦區地層劃分為七個含水層，奧陶系中統石灰巖巖溶裂隙含水巖組、石炭系上統太原組含水層、二疊系下統山西組含水層、二疊系下石盒子組砂巖裂隙含水層、二疊系上石盒子組砂巖裂隙含水層、基巖風化殼含水層、第四系砂礫石層孔隙含水層。

2.隔水層

石炭系上統太原組底部及中統本溪組隔水層；二疊系砂巖含水層層間隔水層；第四系松散層下部粘土隔水層均為該區的良好隔水層。

3.地下水的補徑排條件

中奧陶統馬家溝組灰巖為區內富水性相對較強的含水層，主要接受東部和南部的灰巖裸露區及半裸露區大氣降水補給，局部接受河道地表水滲透補給及上覆含水層的越流補給，集中向西南方向的延河泉及下河泉排泄。

大氣降水垂直入滲，是巖溶地下水的重要補給來源。此外，松散巖類孔隙水及其他含水層的地下水，通過導水通道也可成為巖溶地下水的另一補給來源。

石炭、二疊系地層具有含水層、隔水層相間成層的特點，對大氣降水及地表水的補給存在不利因素，特別是深部巖層裂隙不發育，接受大氣降水和地表水主要受地形限制，在切割較深處以裂隙下降泉的形式排出地表，只有少量垂向補給深部含水層。

第四系松散巖類孔隙含水層多沿山坡及溝谷低凹地帶分布，主要接受大氣降水及基巖風化裂隙水補給，向地形低凹處和下伏地層排泄。該含水層具有透水性強、富水性強弱不均的特點。

三、采區充水條件分析

1.大氣降水對采區充水的影響

該采區部分地段由于各煤層埋藏相對較淺，因此大氣降水是礦坑水的主要來源，即大氣降水通過基巖裂隙、松散沉積物孔隙滲入井下，在基巖裂隙相互溝通的情況下進入采掘工作面，或者通過采空區地表塌陷、裂縫直接進入井下，由于降水量的季節變化，礦井涌水量具有明顯的動態變化特征，一般雨后5～10天，礦井涌水量即顯著增加。

2.地表水對采區充水的影響

位于采區內的地表水體主要是長河及鄰近的萬里水庫。河流流量和水庫水量均受季節影響，夏季水量較大，雨后山洪暴發，流量激增。這些地表水體通過巖層裂隙和采煤引起的地表塌陷、裂縫補給煤層上部的含水層，可對井田基巖地下水及礦坑水產生一定的影響。將來開采至其附近時，應采取有效措施，防止雨季地表水通過采空區地表塌陷、裂縫涌入井下，造成水災事故。

3.地下水對采區充水的影響

三采區開采3#煤層直接充水含水層為煤層上部的砂巖裂隙水，和下石盒子組底部K8含水層地下水，該含水層厚度約15.0～20.0m，含水層單位涌水量0.000153～0.0042L/s.m，滲透系數0.00152～0.0051m/d，富水性弱。對礦井充水量不大。

4.采空區積水對采區充水的影響

影響礦井生產的充水水源主要為3#煤層采空區積水。由于3#煤層的采空，在一些低洼部位常形成積水。這些積水的來源有兩方面：一方面是采空區上覆含水層水，沿采動裂隙流入井下；另一方面是生產過程中的人工補給水，三采區在開采時要注意留好防水保安煤柱，防止一采區采空區積水涌入采區內。

四、采區充水通道

1.頂板導水裂隙帶

根據勘探資料分析，區內部分煤層埋藏較淺，多數地段基巖風化裂隙帶與3#礦坑頂板冒落導水裂隙帶之間相互溝通。頂板充水是井田3#煤層沖水的主要來源之一。

根據《煤礦水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》（MT/ T1091-2008）關于煤層開采導水裂隙帶高度計算公式，結合煤層頂板堅硬程度來確定。

3#煤層頂板為砂質泥巖、泥巖、中細粒砂巖等，根據頂板巖性，采用下列公式計算其導水裂隙帶高度：

式中Hf—導水裂隙帶高度（包括冒落帶的最大高度）m，

M—煤層厚度（3#煤層厚度4.63~7.15m），

n—煤層開采次數（一次采全高，取值為1）。

采區內3#煤層一次采全高是產生的導水裂隙帶最大高度為70.59～105.80m，導水裂隙帶最大可溝通上部下石盒子組地層下部的K8砂巖含水層及下石盒子組地層中部砂巖含水層。

2.斷層構造

采區勘查時發現的3條大小斷層不富水或富水性較弱。其中兩條正斷層落差分別為16m、15m，具有導水性，貫通頂板砂巖裂隙含水層，在連續的開采中將此斷層作為劃分采區邊界，留好防水保安煤柱。

3.陷落柱

陷落柱導水，采區范圍內共有陷落柱20多個，主要分布在采區四周，一般不富水或富水性極弱。但陷落柱內的巖性比較復雜，且膠結程度較差，它往往又能與基巖風化帶和頂板裂隙帶含水層溝通，因此對礦井開采影響較大。

4.地裂縫

該采區內存在大規模的地裂縫，易形成對大氣降水、上層風化帶裂隙水及3#煤層上部裂隙含水層地下水的礦井充水通道。故在開拓及開采過程中要防治地裂縫導水。

五、采區涌水量預測措施

大井法是最常用的涌水量預測方法之一。礦井在發生涌水的過程中，隨著水位的下降，可形成以涌水通道為中心的降落漏斗，當工作面煤層開采后頂板垮落，影響到頂板含水層時水就流向采空區，在采空區周圍會形成一個降落漏斗。

當礦井排水時，頂板含水層的水位會降至底板，所以就可以開采工作面分布范圍，就可以假設為一個理想的大井。通過分析，大陽煤礦三采區3#煤層坑道系統充水水源，主要為其頂部的砂巖裂隙層壓水，厚度穩定，結構單一，采區內無明顯的供排水邊界，礦井在排水過程中，必然會形成以坑道系統為中心的降落漏斗，在降落漏斗的相當范圍內，承壓水位已降至隔水頂板以下，所以選用穩定流承壓轉無壓的地下水動力學預測比較適合。

六、結論

根據所收集的地質資料，在大陽煤礦三采區的地質、工程地質與水文地質條件基礎上，進行采區充水條件的研究，根據大陽煤礦的勘探程度及其本身的地質情況采用水動力法來預測礦井涌水量是科學合理的，水動力法不需要大量的理論計算公式，受各種因素的影響較小，這種預測公式避開了各種復雜的地質因素，靈活地預測了大陽煤礦三采區的涌水量并能保證一定的精確度。

（作者單位：山西朔州山陰蘭花口前煤業有限公司）

（責任編輯：李元）