神府礦區上覆采空區積水突水危險性分析

蔣澤泉，范立民

(1.陜西省煤田地質局一八五隊，陜西 榆林 719000；2.陜西省地質環境監測總站，陜西 西安 710054)

近年來，我國煤礦水害研究取得許多重大成就，有效的減少了礦井水害，保護了礦工生命安全和地質環境。靳德武等[1]介紹了各類礦井水害技術新進展，建立了防治水技術體系基本框架，提出了隱伏導水陷落柱探查、侏羅紀煤田頂板砂巖水防治的具體研究思路。苗文韜等[2]通過對彬長礦區綜采放頂煤工作面煤層賦存條件、裂隙帶影響高度與開采工藝的研究，結合生產實踐經驗，提出了礦井繼生充水含水層及離層、裂隙儲水空間概念，分析了此類礦井的防治水方法。劉騰飛[3]研究了淺埋煤層開采導水裂隙帶發育高度，為評價頂板含水層突水危險性提供了技術參數。范立民等[4-6]針對陜北煤炭開采區的地質環境問題，提出了保水采煤理念及實現途徑，并進行了工程實踐，有效解決了生態脆弱礦區采煤與地質環境保護的矛盾。顧大釗等[7]監測了神東礦區采煤對地下水的影響。張革委等[8]以神南礦區為例，研究了采空區儲水機理，提出了風沙灘區有利于采空區形成儲水盆地的新理念，進行了實例剖析。王雙明、范立民等[9-10]對保水開采地質條件進行了論述，提出了保水采煤地質條件分區。楊虎雄等[11]研究了上覆采空區積水對下組煤安全開采的影響。以上研究，為促進礦井水害防治、地質環境保護起到了重大促進作用。

然而，神府礦區地處缺水地區，發育有5個煤組，每組含煤1～2層，20世紀80年代后期開發以來，最上部的1-2、2-2煤等上部煤層已經大面積采空，形成了采空區，采空區積水越來越受到煤炭安全生產的重視。但針對陜北淺埋多煤層賦存區，上部煤層開采后形成的采空區積水對下部煤層安全開采的影響，少見報道，為此，筆者根據實際勘查和開采實測資料，分析了神府礦區南梁上部2-2煤層開采后形成的采空區積水，探討了上覆采空區積水對下部3-1煤層開采的突水危險性。

1 上覆采空區積水分析

1.1 采前水文地質條件

南梁煤礦主要含水層包括薩拉烏蘇組和延安組裂隙水、燒變巖空隙裂隙水。研究區薩拉烏蘇組含水層厚度0～11m。黃土裂隙孔隙弱含水層厚0～62.40m，平均厚20m。延安組砂巖裂隙承壓含水層厚度152.45～293.36m之間，平均厚度236.03m，富水性較弱，風化帶厚度2.85～37.00m，平均厚15.00m，上部8m左右為強風化層。燒變巖孔隙裂隙潛水含水層呈條帶狀分布于楊山溝和琵琶溝溝邊地帶，2-2煤火燒區寬0～700m，3-1煤火燒區寬0～300m，2-2煤和3-1煤火燒重疊區寬0～300m，據以往調查資料2-2煤燒變巖區泉水流量為0.11～0.22L/s，3-1煤燒變巖區泉流量0.08～0.22L/s，含水微弱。

1.2 采后含(隔)水層變化

南梁煤礦2-2煤開采后，上覆巖層會發生彎曲變形和破斷，形成冒落帶、裂隙帶和彎曲變形帶即“三帶”，使南梁煤礦的含水層補給、徑流、排泄條件都發生了變化，隨著開采范圍的擴大，地下水水流系也會發生改變，甚至形成以采空區為匯水中心的新流暢。

1)根據2-2煤開采導水裂隙帶高度的計算，可確定導水裂隙帶范圍(圖1)，位于井田北部小板兔川、滿翁溝及南部紅草溝、小則溝附近的煤層，由于煤層埋藏淺甚至在溝谷有出露，煤層開采后，導水裂隙帶發育到地面，將地表的小板兔川、滿翁溝等溝谷溪流切斷，在雨季導致雨水直接進入礦井巷道或采煤工作面，而且改變了地表徑流與地下逕流的比值。此時，礦井涌水量主要取決于降雨強度和降雨持續時間。

2)采動形成后，冒落帶和裂隙帶的發育將導致水文地質類型的變化。井田內巖性以砂巖、泥巖為主，在初期采動，未大規模冒落前，基巖中泥巖、粉砂巖層富水性極弱，隨著采動范圍擴大，巖層松動，裂隙發育，并形成裂隙網絡，底部具有隔水層時，隔水巖層變為裂隙含水層，富水性變強，形成采空區積水區。

3)南梁煤礦2-2煤層開采后，煤層上覆延安組與直羅組泥巖、砂泥巖互層組成的隔水層發生松動、離層、開裂、塌落，變成了透水巖組，改變了巖層滲透性，使巖層在水文地質特征上發生了明顯變化。

1.3 采空區水害

南梁煤礦3-1煤厚度1.47～4.62m，預計3-1煤導水裂隙帶發育高度25.80～70.17m，而3-1煤與2-2煤間隔24.14～40.37m，3-1煤導水裂隙帶高度絕大部分發育至2-2煤底板以上(圖2)，因此3-1煤一旦回采，產生的導水裂隙帶將發育至2-2煤采空區內，溝通上部積水區段，導致2-2煤采空區內的水涌入到3-1煤工作面內，對礦井的安全生產構成威脅。

圖2 3-1煤層導水裂隙帶最大高度達到2-2煤層范圍

2 上覆采空區積水突水危險性分析

2.1 上覆采空區積水來源

井田范圍內水文地質條件簡單，各含水層富水性弱，2-2煤采空區充水的水源主要有大氣降水、地表水和地下水。

大氣降水：南梁煤礦地處神木縣境內，神木縣1956～2012年多年平均降水量434.1mm，其中7～9月降雨占全年的66%，以短時間暴雨為主，加之南梁煤礦范圍內地形破碎，溝壑發育，降雨多以洪水徑流的方式流失，少量通過采空區發育的裂縫入滲到煤礦采空區及采煤工作面，為2-2煤采空區積水的間接補給水源。

地表水：南梁煤礦范圍內的主要溝流為小板兔川和琵琶溝從煤礦的北部通過；紅草灣溝、紅草溝、壓溝、小則溝、水銅樹渠匯入黃羊城溝從煤礦南部通過，黃羊城溝為小流量常年性河流，雨季有洪流，采煤工作面穿越溝谷底部、2-2煤導水裂隙帶高度發育到地表，就會將河水直接導入礦井，為2-2煤采空區積水的間接補給水源。

地下水：南梁煤礦范圍內地下水主要為基巖含水層中水，采用抽水試驗及泉流量參數評價，含水微弱。2-2煤層之上的厚層狀砂巖含水層，巖性為中、細粒砂巖，結構致密、裂隙不發育，雖為2-2煤采空區積水的直接補給水源，但富水性弱，補給量小。

2.2 上覆采空區積水量

2.2.1 采空區積水量理論分析。

南梁煤礦2-2煤開采后，裂隙帶發育高度達到42.71m，影響范圍內的頂板砂巖水將匯集到采空區，此外，溝谷(滿翁溝、小則溝)附近由于煤層埋藏淺，導水裂隙帶發育到侏羅系頂界面以上，溝谷地段發育到地面，使得采空區與地表水系直接連通，每年7～9月的雨季，雨水及溝流水會沿導水裂隙帶進入2-2煤采空區。通過分析，2-2煤老空積水有以下兩種情況：第一種情況，頂板完整時2-2煤采空區積水可能較小；第二種情況，裂隙發育或位于溝谷附近的采空區積水量可能較大，相應的對下部3-1煤開采威脅也就較大，由于采空區間循環條件差，采空區積水以靜水儲量為主。準確的預計積水量極其積水部位是老空防治工作的關鍵也是難點。因此可通過對老空底板起伏位置進行了準確的分析，劃分并圈定積水地段，來預測積水量，積水量計算見式(1)。

(1)

式中：W為積水量，m3；M為煤層厚度，m；S為采空區淹沒面積，m2；α為煤層傾角，o；K為含水系數。M、S、α皆為固定值，因此K的取值是采空區積水量計算準確性的關鍵參數。

1992版《煤礦安全手冊》給出的K取值范圍為0.25～0.5，且與采煤方法、回采率、煤層傾角、頂底板巖性及其工程地質條件、采后間隔時間等因素有關，而對采空區充水系數影響最大的因素是煤層頂板巖性及其碎漲程度，而影響的結果最終都直觀地表現為地表下沉。充水系數(K)及地表下沉量(H)都與工程地質條件、采煤方法等諸因素有關，經過論證，它們之間存在著某種必然的聯系，充水系數可以通過下沉量數值關系推導。

地面沉降的主要原因有兩種，一是采礦工程造成；二是超量開采地下水造成。南梁煤礦的地表下沉屬于采礦工程成因。南梁煤礦2-2煤層近水平，用走向長壁綜采法開采，全部垮落法管理頂板，勻速推進開采，采后形成“三帶”，其中垮落帶雜亂無章，塊體間空(裂)隙多而大，初次放頂之初在橫向上產生一些離層裂隙(可以形成離層水富集)，隨后這些橫向裂隙及大部分縱向裂隙又逐漸彌合，開采完畢后，經過一段時間，巖層移動達到穩定，張性裂隙和離層裂隙彌合，宏觀上巖層整體下移、體積沒有改變；緩慢變形帶裂隙很少，只是整體彎曲、下沉，而巖層體積沒有變化。

因此，2-2煤層開采后，采空區體積一部分被垮落巖石碎脹后增加的那部分體積充填，其余部分體積則通過上覆巖層的下移被轉移到地表，最終表現為地表沉降。所以關系式(2)成立。

V=V1+V2

(2)

式中：V為采空區體積，m3；V1為下沉盆地的體積，m3；V2為垮落帶巖石的殘余碎脹體積，m3。采空區積水體積V’應等于垮落帶巖石碎塊間的空隙體積之和，見式(3)。

V′=V2=V-V1

(3)

充水系數見式(4)。

(4)

從而得到充水系數K與地表下沉量H的關系式(5)。

(5)

因此，可通過對地表下沉量的觀測，利用上述公式確定充水系數。

2.2.2 采空區積水量及分布區域。

根據采煤工作面底板等高線變化及采空區充水條件，確定了13處積水區，對積水面積、積水量進行了預計，其中7號積水區積水量達15.3萬m3，其余0.32萬～9.70萬m3不等，總計積水量達45.76萬m3。由于采空區積水是一個逐漸積累、積少成多的過程，因此，采空區積水量一定時間后還會有所增加，采空區積水對3-1煤安全開采將構成嚴重的威脅。因此，對采空區積水要采取有效的防治水措施。

2.3 上覆采空區積水對3-1煤開采危害分析

根據上述采空區充水原因和煤層采后水文地質條件分析，采空區充水水源主要是地下水，其次大氣降水，局部地表水；充水通道主要為冒落帶及裂隙帶。

2.3.1 上覆采空區水害特點

陜北淺埋煤層采空區積水作為突水水源，與其他礦區類似，但南梁煤礦采空區積水水害還具有自身特征。

1)南梁煤礦2-2煤層采空區積水多以靜儲量為主，補給來源有限，形成“頂盆水”突水隱患源，當下部3-1煤層開采時，煤層覆巖厚度較小，煤柱強度小于“頂盆水”的靜水壓力或開采煤層覆巖導水裂隙帶直接波及到“頂盆水”的盆底時，就會發生突水。

2)南梁煤礦2-2煤層采空區積水與其他突水水源沒有水力聯系，其突水特點是瞬時突水量大，衰減快，疏干時間不會太長。若采空區積水與其他水源具有水力聯系，如與地表河流、溝流溝通，就可形成長時間的突水，并加劇裂隙發育程度，進一步擴大突水水源范圍，將附近的地表水、含水層水導入井下，形成地下水強烈滲漏區，對煤礦安全生產的危害變大。

2.3.2 上覆采空區積水對3-1煤開采的危害

2.3.2.1 巷道掘進水害隱患

1)2-2煤開采底板破壞深度。2-2煤層開采影響底板破壞程度的主要因素是采深、采厚、工作面規格(長度和推進長度)、頂板管理方法、煤層底板巖石強度、巖層組合及原巖工程地質條件等。根據南梁煤礦2-2煤開采特點，煤層采動底板導水破壞深度可依據《“三下”采煤規程》公式(8)及式(9)計算。

h=0.7007+0.1079L

(8)

h=0.303L0.8

(9)

式中：h為底板采動導水破壞帶深度，m；L為壁式工作面斜長，m。

2-2煤工作面斜長為225m，采用式(8)及式(9)計算底板采動破壞深度分別為24.98m和23.04m。

2)巷道掘進水害隱患部位分析。根據鉆孔統計2-2煤與3-1煤間距，2-2煤與3-1煤間距為15.55～40.37m，平均34.14m，根據上述公式計算2-2煤底板采動導水破壞帶深度可取23.04～ 24.98m。由此可知，2-2煤回采后部分間距較小區域(小于25m)，底板破壞范圍達到3-1煤層，在此區域3-1煤巷道掘進時上部采空區積水就會涌入井下，井田南部及西北部采空區積水危險性極高，在3-1煤巷道掘進前就要對采空區積水徹底疏排。

2.3.2.2 3-1煤工作面水害隱患分析

根據前面分析，南梁煤礦3-1煤開采工作面都會不同程度受到其上覆2-2煤采空區積水的影響和威脅，特別是位于井田內河流、溝谷的中下游地段位置下的工作面，2-2煤采空區積水量可能更大，對3-1煤工作面開采的水害威脅更應引起高度重視。

2-2煤導水裂隙帶大部分能連通至風化基巖底界，在溝谷附近，3-1煤露頭附近開采的工作面，受2-2煤開采地表裂隙的影響，在雨季時大氣降水及山洪會沿地表采動裂隙帶側向為主進入3-1煤開采工作面，對礦井生產造成威脅。

3 結論

1)神府礦區南梁煤礦2-2煤開采后采空區具有45.76萬m3的積水，積水區底面與3-1煤間隔水巖組厚度24.14～40.37m，3-1煤開采的導水裂隙帶發育高度25.80～70.17m，可以導通上覆采空區的積水，2-2煤采空區積水是3-1煤開采的直接充水水源。

2)神府礦區為多煤層發育區，各煤層間距一般15～50m，目前上部煤層開采區域不斷擴大，形成了大面積的采空區，多數采空區裂隙直達地表，極易接受大氣降水的入滲補給，從而形成采空區積水，對下部煤層開采形成水害隱患，采空區積水將成為神府礦區未來重要的突水水源。

3)具有上覆采空區積水的下部煤層開采前，應探明采空區積水位置、積水量、與地表水及強含水層的水力聯系，評價采空區積水突水危險性，科學制定防治水技術方案，確保煤礦安全。

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