霍西煤田什林煤礦礦井水文地質探討

劉文云

（山西省煤炭廳煤炭資源地質局技術中心，山西 太原 030045）

煤礦企業的正常穩定發展是維持我國經濟可持續發展的重要保障，而掌握礦井水文地質情況是煤礦資源開采的重要環節，是煤礦長期發展的重要保證。

1 煤礦概況

霍西煤田什林煤礦地處霍州市北部約5km處的退沙街道辦事處退沙村后溝，行政區劃屬退沙街道辦事處管轄。井田內可采煤層為2、6、10、11號煤層，生產規模90萬t/a。井田內總體地勢為北高南低。最高點海拔901.2m，最低點海拔616.5m，最大相對高差284.7m［1-2］。

本井田北部、東部與霍州煤電集團李雅莊煤礦相鄰，南部與退沙井田相鄰。井田內現無開采老窯，整合前有原臨汾市什林煤礦、臨汾市什林煤礦東北坑口、周村煤礦及師莊村煤礦。

2 地層構造

2.1 地層

井田內賦存的地層為：奧陶系中統峰峰組、石炭系中統本溪組、石炭系上統太原組、二疊系下統山西組和下石盒子組、二疊系上統上石盒子組和石千峰組、上第三系上新統、第四系中更新統、第四系上更新統［3］。

2.2 構造

井田構造總體為一地層走向以北東至北東東向為主、傾向南東至南南東的單斜構造，地層傾角為4°～13°；井田南部受什林斷層的影響，在什林斷層下盤300m～500m，地層走向驟變為近東西向，傾角為30°左右；在什林斷層上盤地段，地層走向北東向，傾角為20°左右。另外，井田南部邊界還發育有一向斜褶曲。井田內斷層和陷落柱均發育。

截止2014年12月，井田內巷道及地表揭露共70條斷層，均為正斷層，落差≥5m斷層共14條。其中，地面填圖發現2條，在2號煤層開采中巷道揭露了11條，10號煤層在基建及試運轉期間揭露了57條。井田內2、10號煤層開采過程中，共揭露143個陷落柱。其中，2號煤層巷道揭露85個陷落柱，10號煤層巷道揭露58個陷落柱。井田中部陷落柱特別發育，橢圓形，陷落柱內地層雜亂無章，柱壁傾角75°以上。詳見第81頁圖1。

3 水文地質

3.1 含水層分布規律和特征

1）奧陶系中統峰峰組灰巖巖溶裂隙含水層

據本井田水文孔抽水試驗資料，單位涌水量0.004L/（s·m）～4.090L/（s·m），滲 透 系 數0.084 37m/d～2.520 00m/d，富水性弱—強。推測井田內奧灰水位標高480.0m～510.0m。巖溶水文地質單元位置處于郭莊泉域北部逕流區，井田內巖溶水流向南東，總體往郭莊泉方向逕流排泄。

圖1 井田構造綱要圖

2）石炭系上統太原組碎屑巖夾石灰巖巖溶裂隙含水層

該組以K2、K3、K4石灰巖為井田內最主要的含水層，其巖溶裂隙水具承壓性，是開采10、11號煤層主要充水水源。其中，K2石灰巖含水豐富，單位涌水量為0.35L/（s·m）～0.85L/（s·m），滲透系數為2.52m/d，屬中等富水性含水層。另外，該礦對10號煤層進行瞬變電磁勘探，劃出含水異常區域8處。

3）二疊系下統山西組碎屑巖裂隙含水層

該組K7砂巖為主要含水層，靜止水位標高637.60m～767.40m，屬富水性弱的含水層。另外，該礦對2號煤層進行瞬變電磁勘探，劃分出采空異常區域7處。

4）二疊系上、下石盒子組砂巖裂隙含水層

該組主要含水層為 K8、K9、K10、K11、K12砂巖含水層。據井田內656號鉆孔抽水試驗，K10砂巖單位涌水量0.010 2L/（s·m），滲透系數0.041 1m/d；K12砂巖單位涌水量0.023L/（s·m）～0.047L/（s·m），屬富水性弱的含水層。

5）上第三系裂隙孔隙含水層

井田內孔隙溶洞均不大發育，流量為0.010L/s～0.081L/s，富水性弱。

6）第四系松散層孔隙含水層

井田內大部分被松散層覆蓋，富水性弱，且受大氣降水影響明顯。

3.2 充水因素分析

3.2.1 礦井充水水源

1）大氣降水和地表水

大氣降水是礦坑水的重要來源，本區干旱少雨，年降水集中在7、8、9三個月，礦井涌水量隨著降水量呈動態變化。

井田內地表水體不發育，各溝谷僅在雨季因降水補給有間歇性地表水水流很快向西南注入汾河，屬黃河流域汾河水系。

據調查，井田內南部副平硐井口標高為617.5m，歷年來最高洪水位標高為614.3m，井口標高僅高于最高洪水位標高3.2m，故平時應在井口修筑堤坎等排水工程。

2）煤層頂板砂巖裂隙水及灰巖巖溶裂隙水

2號煤層主要指頂板以上砂巖裂隙含水層，泉水流量為0.37L/s～0.84L/s，屬富水性弱的含水層；6、10、11號煤層直接充水含水層為太原組灰巖巖溶裂隙含水層，灰巖裂隙發育，其含水豐富。

3）奧灰巖溶裂隙水對礦井開采的充水影響

井田內各可采煤層均存在帶壓開采。根據《煤礦防治水規定》中突水系數計算公式來計算井田內各煤層最低點的突水系數，見式（1）。

式中：T為突水系數，MPa/m；P為底板隔水層承受的水頭壓力，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

經計算，2、6、10、11號煤層突水系數分別為0.067、0.100、0.268、0.398MPa/m。

井田內2號煤層最低底板突水系數大于有構造破壞的臨界突水系數0.06MPa/m，小于正常塊段內臨界突水系數0.10MPa/m；6、10、11號煤層最低底板突水系數大于有構造破壞的臨界突水系數0.06MPa/m，也大于正常塊段內臨界突水系數0.10MPa/m。考慮到井田內斷裂、陷落柱較發育，隨時都有發生突水的可能。特別是當采掘至斷層、鉆孔、陷落柱附近時，要加以注意。同時，還應注意隱伏導水構造的影響，加強礦井水文地質工作。

4）采空區、小（古）窯破壞區積水對礦井開采的影響

井田內基建前各小煤礦開采的2號煤層存在不同程度積水。調查可知，井田內2號煤層有7處采空積水、2處小窯破壞區積水和1處巷道積水。對于現暫無積水的其他采空區，不排除將來積水。建議在臨近采空區開采時進行探測和疏排，以免影響正常生產。

5）井筒水對礦井充水的影響

當井筒穿過所揭露地層范圍內的含水層時，勢必溝通各含水層的水力聯系，導致一定量的地下水沿井筒流入礦坑，成為礦坑充水的水源。

3.2.2 礦井充水通道

井田開采煤層的充水通道主要為煤層頂板巖層裂縫、開采煤層的導水裂隙帶、斷層、陷落柱、鉆孔等。

1）導水裂縫帶

據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》計算各煤層垮落帶及導水裂縫帶，選用公式（2）～（5）計算各煤層垮落帶最大高度及導水裂隙帶高度。

2號煤層：

6、10 、11 號煤層：

式中：Hm為垮落帶，m；Hli為導水裂縫帶，m；M為累計采厚，m。

經計算，2號煤層導水裂隙帶會溝通K8砂巖裂隙水；6號煤層導水裂縫帶會溝通2號煤層采空區及以上含水層；2號煤層與10號煤層層間距平均為75.81m，井田內有大斷裂，10、11號煤層導水裂隙帶會溝通2號煤層及太原組的多層灰巖及砂巖巖溶裂隙含水層，使2號煤層采空區積水由導水裂隙帶涌入到10、11號煤層。建議該礦在開采時密切關注頂板涌水，加強探放水工作，及時疏排采空區水，確保安全生產。

2）斷層及陷落柱

井田內斷層和陷落柱較發育，根據井下采掘揭露的斷層及陷落柱，均有淋水和滲水現象。瞬變電磁勘探成果中，斷層及陷落柱均部分含水，因此，在開采鄰近斷層及陷落柱兩側時，一定要留足保安煤柱。同時，在今后的建井及生產中一定要重視對斷層、陷落柱的發現和研究，防止淹礦事故的發生。

3）鉆孔

井田內及周邊有39個鉆孔，封閉的鉆孔均未進行啟封檢查。采掘工程通過封堵不良鉆孔時，可溝通大氣降水及地表水、各含水層水，會使大氣降水及含水層水滲入和灌入井下巷道，故在開采至鉆孔附近時，提早采取封堵措施或采用留設防水煤柱等方法加以防范，預防突水事故發生。

4）礦壓破壞帶

本礦礦壓擾動破壞深度為14m，在該范圍內隔水層將失去阻水抗壓能力。2、10號煤層開采后對底板形成的破壞深度是勾通各煤層含水層的通道。

3.3 煤礦及周邊老空區分布狀況

3.3.1 井田內老空水

據調查，井田內2號煤層約有采空積水120 000m3。但周邊其他小煤窯的開采情況、采空區范圍、廢棄巷道和老空水積水量尚不清楚。

3.3.2 周邊礦井老窯、老空水分布狀況

該礦北部、東部與霍州煤電集團李雅莊煤礦相鄰，南部與退沙井田相鄰。霍州煤電集團李雅莊煤礦位于本井田的下山部位，且采空區位于井田內東南部，距本礦邊界約1.5km。對本井田煤層開采影響相對較小。

3.4 涌水量構成和主要突水點位置及處理

3.4.1 涌水量構成

礦井涌水量由地表水、大氣降水、構造裂隙水、頂板含水層水及采（古）空積水構成。其中，主要是頂板含水層水及采（古）空積水。

3.4.2 涌水量預測

根據富水系數法預算，當生產能力達到90萬t/a時，2號煤層礦井正常涌水量為20.83m3/h，最大涌水量為62.5m3/h。目前，礦井處于基建期間，10號煤層正常涌水量為5m3/h，最大涌水量為15m3/h。礦井巷道掘進及工作面回采期間，尚未發生過煤層頂、底板突水現象以及老空水透水事故。

3.4.3 主要涌水點位置及防治措施

目前，礦井處于基建期間，井巷開拓及工作面揭露，不同時間同天涌水量觀測，觀測到主要出水形式為淋水，出水通道為頂板裂隙出水，涌水量較穩定。

1）技術措施

地面防治水：矸石和爐渣等固體廢物不得棄于溝谷中，在雨季前組織有關人員踏勘井田是否有采空塌陷裂隙、裂縫、塌陷洞，并用黃土、黏土、碎石及時填封，用黏土夯實。

井下防治水：掘進時，必須按礦井設計留設防水煤柱；發現透水預兆，必須停止作業，采取措施；經常清挖井下水倉，保證水倉有足夠容量。

2）管理措施

平時加強防汛宣傳，建立探放水管理制度，做好防水計劃；成立“雨季防汛”指揮部，組織雨季前“三防”大檢查等。

3.5 煤礦開采受水害影響程度和防治水工作難易程度

3.5.1 開采受水害影響程度評價

該礦未來開采過程中所受的水害影響主要為頂板砂巖水、K2灰巖水、O2巖溶水及采空區積水。

1）開采2號煤時，主要水害隱患是2號煤層采空區積水和砂巖水。

瞬變電磁勘探工程成果中，在2號煤剩余資源附近圈定了采空異常區，為未來此區域的采掘活動提供了參考資料。今后，應加強老窯水探查及疏放工作，提前制定具有針對性的探放水技術措施，并留設合理的隔水煤巖柱，避免水害的發生。頂板砂巖含水層富水性弱，在保證礦井正常排水能力條件下，對礦井安全生產不會構成威脅。

2）開采10號煤時，主要水害隱患是K2灰巖水和奧灰水。

太原組K2灰巖含水層富水性中等，在遇到導水構造的情況下可能會有較大涌水，可通過超前物探、鉆探等手段查明富水區，提前進行處理。

10號煤層井田內最大突水系數為0.268MPa/m，井田內斷層及陷落柱發育，奧灰局部富水性好，故防范開采煤層底板出水，探查導水構造、裂隙帶和封閉不良鉆孔等導水通道是今后防治水的工作重點。該礦未來3年，10號煤層采掘活動區域底板標高在＋460m～＋580m，大部分區域不帶壓。因此，一般情況下，未來3年，10號煤層采掘活動不會發生奧灰突水。

但是，10號煤開采時，上部存在大面積2號煤采空區，且采空區內不同程度存在積水，斷層、陷落柱較發育。若遇此類導水構造，未來3年，將對10號煤層開采造成威脅。

綜上所述，該礦開采下組煤過程受水害影響程度現狀是，全井田采掘工程受水害影響，且威脅礦井安全。煤礦開采受水害影響程度綜合為復雜。

3.5.2 對礦井防治水工作難易程度的評價

該礦未來幾年的礦井防治水工作主要包括以下內容：1）下組煤生產系統開拓過程中的超前探查構造、富水異常區；2）北部剩余2號煤周圍老窯水探查；3）下組煤排水系統的完善以及水文動態監測系統的建設；4）下組煤防治水工作。

老窯積水是該礦安全生產的重大隱患之一。對于這類水患的防治，物探成果中基本圈定了采空區范圍。但在今后的采掘過程中，仍需采用井下物探與鉆探驗證2種手段進行超前探查，防止老窯水害的發生。回采過程中，在掌握積水區域及預測積存水量的基礎上，進行采前疏放或者留設足夠的防水煤柱，也是防止老窯透水事故的有效手段之一。同時，還應完善排水系統，為探放水做準備。建立水文動態觀測系統，與相鄰礦井聯網，實時動態監測水位變化情況，以降低突水發生的可能性。對于頂板砂巖水，含水層富水性弱，只要保證礦井排水能力即可。

總之，2號煤層防治水工作簡單，防治水難易程度中等；10號煤層工程量較大，防治水難易程度復雜。

3.6 礦井水文地質類型劃分

依據《煤礦防治水規定》，礦井水文地質類型劃分見表1。

表1 各煤層指標類型劃分表

綜合分析，本井田2號煤層水文地質類型屬中等，10號煤層水文地質類型屬復雜。

4 結語

造成礦井水害的原因很多，什林煤礦主要水害隱患為頂板砂巖水、K2灰巖水、O2巖溶水及采空區積水。今后工作中，必須在《煤礦防治水規定》等有關法律法規的指導下，認真分析研究礦井水文地質原始基礎資料，進一步查明存在的水害隱患，制定有針對性的防治水措施并嚴格執行，保證礦井持續穩定發展。

［1］ 倪斌，張子光，楊大林，等.煤、泥炭地質勘查規范：DZ/T 0215-2002［S］.北京：煤炭工業出版社，2003.

［2］ 孫玉臣，程愛國，王佟，等.煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準：MT/T 1091-2008［S］.北京：煤炭工業出版社，2010.

［3］ 國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.煤礦防治水規定［M］.北京：煤炭工業出版社，2009.