麻家梁煤礦開采受水害影響程度分析

郝建卿

(同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司)

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麻家梁煤礦開采受水害影響程度分析

郝建卿

(同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司)

摘要結合麻家梁煤礦地質及礦井水文地質資料，全面分析了礦井充水水源、充水途徑及充水強度等，在此基礎上，對各種水害影響因素進行了分析，結合《煤礦防治水規定》，對開采受水害影響程度進行了評價，為礦井防治水措施的制定提供了科學依據。

關鍵詞充水水源充水途徑充水強度水害影響因素防治水

近年來，隨著礦井開采水平的延伸和開采強度的日益增加，礦井開采水文地質條件也在不斷發生變化，水害成為影響與制約煤礦安全生產的主要隱患之一。礦井開采受水害威脅程度決定了礦井防治水工作的難易程度，它關系到礦井開拓方式的選擇和采掘系統的布置，近而影響到礦井的總體規劃和設計[1-3]。為了杜絕水害事故的發生，2009年12月1日頒布的《煤礦防治水規定》第十二條明確要求，礦井應對本單位的水文地質情況進行研究，編制礦井水文地質類型劃分報告。為此，開展開采水害影響程度分析研究具有十分重要的現實意義。

麻家梁井田位于山西省朔城區東南部，年產能力為1 200萬t/a，面積約104.16 km2。礦井采用豎井開拓方式，現主采4#煤層，采用綜放開采方式。4#煤上部為砂巖含水層，開采受到奧灰承壓水威脅，開展開采受水害威脅影響程度分析研究，為礦井防治水措施制定提供科學依據是十分必要的。

1井田地質概況

1.1地層

根據鉆孔揭露和麻家梁井田外圍出露，區內地層由老到新依次有下古生界奧陶系、上古生界石炭系、二疊系及新生界地層。其中奧陶系僅發育中、下統，為含煤建造基底，廣泛出露于井田南部外圍，主要由礫屑和亮晶方解石組成。石炭系中的本溪組平行不整合于奧陶系石灰巖侵蝕基準面之上，主要由鋁土泥巖、石灰巖及泥灰巖組成；太原組為本區主要含煤地層，連續沉積于本溪組地層之上，主要由煤層及砂巖、碎屑巖、泥巖及鋁土質泥巖組成。二疊系中的山西組也是本井田的主要含煤地層，含目前麻家梁煤礦主采的4#煤層，主要由砂巖、礫巖、泥巖和煤層組成。新生界主要為第四系松散沉積，不整合于下伏地層之上，巖性以灰色、灰綠色、淺紅色、紅黃色亞砂土及砂質黏土為主，區內新生界厚度變化較大，一般厚150～300 m。

1.2構造

麻家梁井田位于朔縣向斜東翼南段,基本構造形態為一向西傾斜略有起伏的單斜構造。區內地層走向在35勘探線以北總體呈NNE向，且地層傾角平緩，一般為5°左右。35線以南地層走向由NNE轉為NE方向，且地層傾角自西向東逐漸增大，可達30°以上。在此之上發育了一些與地層走向大致平行的寬緩褶曲和大小不等的斷裂構造，主要發育有分廠向斜、麻家梁背斜、馬場背斜、梨園頭向斜、下石碣峪—王萬莊向斜和F2、F20、F22、F34、F34等16條斷層，其中落差大于100 m斷層有2條。

1.3水文地質

麻家梁井田為神頭巖溶泉域水文地質單元徑流區的一部分。本區6個含水層：下奧陶系巖溶裂隙含水層以溶隙、溶洞為主要巖溶形態，富水性強，為一巖溶裂隙承壓含水層；中奧陶系巖溶裂隙含水層巖溶裂隙發育強弱不等，富水性極不均一，奧灰水是下部煤層開采的主要威脅；上石炭系裂隙含水層局部構成9#煤層的直接頂板，裂隙發育一般，富水性弱；早二疊系下部裂隙含水層砂體厚度變化大，層位多不穩定，裂隙發育一般，為4#煤層直接充水含水層，但由于富水性弱，補給條件較差，含水體較為封閉，對煤層開采存在一定影響；新生界中、下部孔隙含水層全區分布，構成基巖直接蓋層，富水性較弱；新生界上部孔隙含水層全區分布，富水性強～中等，為一孔隙潛水含水組。

麻家梁煤礦隔水層發育主要有2層：中石炭系碎屑巖隔水組巖性以泥巖、砂巖為主，全區來看，本溪組地層為一較穩定隔水組，隔水性能較好；二疊系中下部碎屑巖隔水層巖性以泥巖為主，砂巖次之，裂隙不甚發育，富水性很弱，是一相對隔水組，隔水性能良好。

2礦井充水條件

2.1充水水源

根據4#煤層與各主要含隔水層關系圖(圖1)，對井田各主要含水層充水情況進行分析：

(1)地表水。根據4#煤層頂板上覆地層厚度分布情況分析，煤層覆蓋層厚度均在300 m以上，而根據經驗計算，4#煤層回采后導水裂縫帶高度為137.46 m，正常情況下導水裂縫帶不會發育到地表，地表水對煤層回采無影響。

(2)松散層含水層(第四系沖積層含水組、第三系砂礫層含水組)。該含水層主要接受地表水和大氣降水的補給，富水性較強。根據計算，4#煤層回采頂板導水裂縫帶為137.46 m，結合煤層上覆基巖等厚線分布情況，煤層上覆基巖厚度一般都在200 m以上，煤層回采后一般不會溝通松散層含水層，但由于4#煤層頂板強度較低，膠結程度差，因此，不排除導水裂縫帶與之溝通，從而出現潰水、潰沙等災害事故，甚至威脅礦井安全。

(3)山西組砂巖裂隙含水組。該含水層組以4#煤層頂底板K5、K4砂巖為主，厚度較大且比較穩定，為4#煤層主要直接充水水源。根據礦井地質及水文地質資料分析，該含水層組富水性一般較弱，主要以靜儲量為主，在采取一定的防治水技術措施后，含水層對煤層開采一般不會造成威脅。但該含水層在向斜軸部和裂隙發育區段富水性相對較強，水量比較集中，對礦井生產會造成一定影響，因此，在采掘至這些區段時，應加強探查和探放水工作，避免水害事故的發生。

(4)太原組砂巖裂隙含水層組。該含水層組主要為K1、K2砂巖裂隙水，厚61.61～98.65 m，平均為79.32 m，裂隙發育一般，富水性較弱，對煤層開采一般不會造成威脅。

(5)中奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層。麻家梁井田地處神頭泉域奧灰水的徑流區，屬強含水層。據礦方提供資料，奧灰水(馬家溝組)水位標高為+1 059～+1 062 m。根據4#煤底板等高線圖可以看出，底板標高等值線在+620～+720 m，4#煤層相對奧灰含水層均為帶壓開采，但從4#煤層距奧灰頂面等厚線來看，4#煤層距奧灰含水層距離較遠，隔水層厚度均在100 m以上。保守計算礦井突水系數Ts=0.043 MPa/m，處于安全帶壓范圍，在完整底板情況下奧灰水對煤層回采一般不會造成威脅。

圖1　井田主采煤層與主要含隔水層關系示意

但是，由于麻家梁井田斷層比較發育，斷層大大縮短了煤層和奧灰含水層之間的距離，有的甚至成為奧灰含水層與上部含水層發生水力聯系的導水通道，在采掘過程中，斷層一旦被揭露就可能發生水害事故，因此，在礦井防治水工作中，應加強構造探查工作，重點預防構造突水，確保礦井安全。

山西組砂巖裂隙水為4#煤直接充水水源，中奧陶系灰巖含水層為煤層間接充水水源。由于4#煤層頂板巖性的特殊性，松散層水也有可能成為煤層的間接充水水源。

2.2充水途徑

結合麻家梁煤礦礦井地質及水文地質條件分析，礦井充水途徑大概有以下幾種情況：

(1)頂底板采動裂隙導水。煤層回采后，頂板受到破壞，采動裂隙發育高度延伸上百米左右，將直接與煤層頂板及上覆基巖含水層溝通，從而影響礦井生產，甚至造成水害事故；同樣開采擾動也會破壞底板隔水層，縮短煤層與下覆含水層的距離，有可能誘發構造突水或造成底板突水。

(2)封閉不良鉆孔導水。麻家梁礦井由于前期勘探鉆孔較多，并且許多鉆孔封孔質量不詳，如果鉆孔封閉不良，這些鉆孔都可能成為各個含水層特別是奧灰含水層的水力聯系通道，采動過程中一旦被揭露，將會造成突水事故。所以，在今后的開采過程中要引起高度重視，做好日常鉆孔臺帳工作，避免封閉不良鉆孔引發突水。

(3)斷層導水。斷層發育、分布較密是麻家梁井田的一大特點。根據地震勘探資料，井田內存在16條斷層，使主采煤層與各主要充水含水層距離縮短甚至對接，造成斷層破碎帶有可能成為各含水層的導水通道，引發突水，因此，對斷層突水必須引起高度重視。

(4)陷落柱導水。井田內目前還未揭露和發現陷落柱，但隨著井田開拓面積的不斷擴大，在井田內不排除存在陷落柱的可能，因此，在礦井采掘之前應對采掘區段進行地面三維地震和井下精細構造探查，預防發生陷落柱水害事故。

(5)褶曲構造裂隙導水。麻家梁井田褶曲發育，較大的褶曲有5個。在這些褶曲的軸部一般裂隙比較發育，且相對富水，當采掘過程中通過這些部位時有可能發生構造裂隙突水事故，因此，在礦井防水工作中也應引起重視。

2.3充水強度

根據礦井資料分析，礦井水文地質條件中等，主要受4#煤層頂板砂巖裂隙水和奧灰水的影響。由于奧灰水距煤層較遠，正常情況下不會對煤層開采造成威脅，重點預防構造突水，而目前直接影響礦井生產的為煤層頂板砂巖裂隙水。從礦井涌水量統計資料看，礦井涌水主要由井筒淋水、煤層頂板砂巖裂隙水及巷道和工作面探放水(亦為頂板砂巖裂隙水)組成。根據礦井資料分析，4#煤層上部山西組和太原組含水層單位涌水量為0.001 62～0.003 51 L/(s·m)，均為弱含水層，即使在部分區段相對富水，但一般都以靜儲量為主，采掘前采取對含水層進行提前探放等技術措施后，對礦井安全生產不會造成大的影響。礦井采掘整體充水強度一般。而真正對礦井安全生產存在潛在威脅的為奧灰水，也是今后礦井防治的工作重點。

3開采受水害影響程度評價

3.1煤層采掘擾動破壞計算

根據《煤礦防治水規定》[4]，4#煤層頂板巖層抗壓強度為41.6～82.8 MPa，采用下面公式對跨落帶和導水裂縫帶進行計算。

跨落帶高度為

(1)

式中，Hm為垮落帶高度，m；ΣM為累積采厚，6.32 m。

經計算，垮落帶高度Hm約為24.09 m。

導水裂隙帶高度為

(2)

式中，Hli為裂縫帶高度，m；ΣM為累積采厚，6.32 m。

經計算，導水裂縫帶高度Hli為74.84 m。

對于綜放采煤條件下導水裂縫帶的預計，目前采用相似條件比擬法計算比較合理。國內相關礦井綜放開采條件下的研究成果對評價麻家梁礦井頂板“兩帶”發育高度具有重要的借鑒意義。在水體下采用綜采放頂煤開采時，應先進行試驗開采，最好選用本礦區的實測數據和計算方法，經地面鉆液漏失量觀測、鉆孔水位長觀、頂板覆巖數值模擬、工作面涌水及地面水位動態變化等資料綜合分析，礦井4#煤層在綜放開采條件下裂高采厚比為21.75，所以導水裂縫帶發育高度取137.46 m。

3.2礦井主要含水層影響分析

(1)根據上面計算，上組煤層回采后頂板裂縫帶高度為137.46 m，而從煤層頂板基巖厚度分布情況可以知道，煤層上部基巖厚度均在200 m以上，煤層回采后頂板裂縫帶一般不會與松散層水溝通，正常情況下地表水及松散層水對礦井不會造成威脅。

(2)根據分析，影響煤層采掘的主要為煤層頂板砂巖裂隙含水層，一般富水性較弱，在采掘過程中采取一定的探放水等技術措施后，對煤層開采不會造成太大影響。

(3)奧灰水(馬家溝組)水位標高在+1 059～+1 062 m。4#煤底板等高線在+620～+720 m，4#煤層相對奧灰含水層均為帶壓開采，但4#煤層距奧灰含水層較遠，隔水層厚度均在100 m以上，突水系數Ts=0.043 MPa/m，處于安全帶壓范圍，在底板完整情況下奧灰水對煤層回采不會造成威脅，但應重點預防構造突水。

3.3大氣降水及地表水影響分析

煤層覆蓋層厚度均在300m以上，而根據經驗計算，4#煤層回采后導水裂縫帶高度為137.46m，正常情況下導水裂縫帶不會發育到地表，大氣降水及地表水對煤層回采無影響。

4結論

本文分析了麻家梁煤礦的礦井充水條件，對開采受水害影響程度進行了評價。綜合分析認為，麻家梁煤礦目前主要受煤層頂板較弱的砂巖裂隙含水層影響，條件相對簡單。但由于煤層相對奧灰含水層均為帶壓開采，井田構造相對發育，因此，存在構造突水的可能，這給礦井防治水工作帶來一定難度，對礦井安全開采存在一定的潛在威脅。所以，在開采過程中，要嚴格按照“預測預報,有掘必探,先探后掘,先治后采”的十六字方針進行礦井防治水，保障生產安全。

參考文獻

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[3]王建彬，程紹強，李永軍，等.胡底煤礦水文地質類型劃分探討[J].華北科技學院學報，2014，11(4):25-30.

[4]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.

(收稿日期2016-01-29)

郝建卿(1984—)，男，助理工程師，036000 山西省朔州市。