煤礦開采后對煤系上覆含水層疏干范圍的影響研究

張 璐

（霍州煤電集團李雅莊煤礦環保科，山西 霍州 031400）

1 井田概況

霍州煤電集團李雅莊煤礦石炭系太原組14、15號煤層，開采深度+1359.99～ +599.99m。剩余可采區域分為2個盤區開采，其中一盤區面積為2.64km2，涌水量為302m3/d；二盤區面積為3.23km2，涌水量為672m3/d。石炭系太原組14、15號煤層上部發育有K2、K3、K4三層灰巖含水層。K2石灰巖厚3.79～7.06m，平均5.60m；K3石灰巖厚0.19～10.18m，平均4.14m；K4石灰巖厚1.10～3.97m，平均2.96m，K2、K3、K4總厚度M=12.7m，K2、K3、K4均屬于承壓含水層。

含水層含水性微弱，接受大氣降水補給條件較差，主要接受河流的側向補給以及各含水層之間的越流補給，由東南沿傾向西北徑流。李雅莊煤礦在水文地質鉆孔做過一次抽水試驗，抽水層位為石炭系K2、K3、K4灰巖含水層。通過配線法計算得到了這三層含水層的平均滲透系數K、貯水系數μ*和導水系數T。通過公式：

式中：

S-抽水t時刻后距抽水井處水位下降值，m；

Q-抽水量，m3/d；

T-含水層導水系數，m2/d；

μ*-含水層貯水系數；

W（u）-Theis井函數；

r-計算點到抽水井的距離，m；

t-自抽水開始到計算時刻的時間，s。

得，μ*=3.4×10-4，導水系數T=0.024m2/d。石灰巖總厚度M=12.7m，含水層滲透系數K=T/M=0.00189m/d。

考慮到李雅莊煤礦井田范圍內石炭系地層埋深較大，層位穩定變化小，將整個井田范圍內的水文地質參數簡化為單一的。

2 上覆含水層疏干范圍計算思路分析

（1）計算出14、15號煤層開采后的冒落帶、導水裂隙帶高度。

（2）15號煤層計算結果小于14、15號煤層的間距時，取14、15號煤層的冒落帶、導水裂隙帶高度中的最大值為破壞高度；大于14、15號煤層地層的間距時，將14、15號2層煤作為整體綜合計算冒落帶、導水裂隙帶高度。

（3）根據計算結果判斷含水層的破壞情況。

（4）通過抽水試驗計算幾個含水層的平均滲透系數、貯水系數和導水系數，運用Theis公式計算不同時間、不同地點的水位降深，最終得到疏干影響半徑和范圍。

3 煤層開采后冒落帶、導水裂隙帶高度計算

14、15號煤層上覆巖層均為中硬巖層，冒落帶、裂隙帶高度預測選用以下公式：

式中：

H冒-煤層采空最大冒落帶高度，m；

M-煤層厚度，m；

H導-煤層采空最大導水裂隙帶高度，m；

n-煤層分層開采次數。

根據李雅莊煤礦12個地質鉆孔資料，14、15號煤層單獨開采后的冒落帶、導水裂隙帶高度見表1和表2。

由表2計算結果可知，15號煤層冒落帶高度為14.2～15.84m，導水裂隙帶高度為48.86～53.25m，而14、15號煤層的平均間隔為6.37m，15號煤開采后會將14號煤層的采空區導通，沉降加劇，冒落帶、導水裂隙帶高度比14、15號煤層單獨開采更加發育，因此將14、15號煤層作為整體進行計算，具體數據如表3。

表1 14號煤層冒落帶、導水裂隙帶發育高度

表2 15號煤層冒落帶、導水裂隙帶發育高度

鉆孔號 煤層厚/m導水裂隙帶高度/m JX1 14.02 84.89 26.03 JX2 13.27 81.37 24.83 JX8 12.68 78.6 23.89 3-1 14.44 86.87 26.7梁上2 12.6 78.22 23.76冒落帶高度/m

由表3計算結果可知，14、15號煤層開采后，煤系上覆石炭系K2、K3、K4灰巖含水層將被全部導通，這時將K2、K3、K4概化為一個整體含水層，滲透系數、貯水系數、導水系數均用平均值代替，水位標高為+1451.99～ +691.99m。

4 疏干范圍的計算

第一階段為開采14、15號煤一盤區，開采年限為4年，開采面積約為2.64km2，將其概化為半徑917m的大井，涌水量為302m3/d。第二階段為開采14、15號煤二盤區，開采年限為5.3年，加上一采區采空區，總面積約為5.87km2，概化為半徑1367m的大井，涌水量為672m3/d。兩個階段主要破壞上覆太原組灰巖裂隙含水層（K2、K3、K4灰巖含水層），平均滲透系數K=0.00189m/d，貯水系數μ=3.4×10-4，導水系數T=0.024m2/d。

隨著盤區煤層采空，冒落帶和導水裂隙帶直接將上覆K2、K3、K4灰巖含水層全部導通，礦井排水將這三層含水層疏干。在概化大井的半徑范圍內不適合應用Theis公式，整個半徑范圍內水位降深應為開采前K4灰巖含水層的水位標高與15號煤層底板標高的差值。在概化大井半徑范圍以外的區域，應用Theis公式計算不同地點的水位降深，當水位降深小于20m時，視為地下水水位疏干影響較小區域，見表4。

表4 4年水位降深預測

由表4計算結果可知，李雅莊煤礦開采4年時，一盤區全部采空，形成一盤區為中心的降水漏斗，將一盤區采空面積概化成半徑917m的大井，概化半徑范圍內上覆太原組灰巖裂縫含水層（K2、K3、K4灰巖含水層）水位降深為K4灰巖含水層水位標高到15號煤底板標高的距離，約92m，概化半徑以外區域用承壓水的非穩定流Theis公式計算，在半徑r=1900m時，水位降深為16m，所以將此時的影響范圍定為該煤礦開采4年時對地下水的影響范圍，面積為11.34km2，如表5所示。

該煤礦開采9.3年時一、二盤區全部采空，采空區面積約5.87km2。將其概化為半徑為1367m的大井。概化半徑內水位降深為92m；概化半徑以外區域隨著距離的增加，水位降深越來越小，在半徑r=2 300m時，水位降深為13m，將此時影響范圍作為該煤礦開采9.3年時對地下水的影響范圍，影響面積為16.61km2。

表5 9.3年水位降深預測

5 結語

本文以李雅莊煤礦為例，通過冒落帶、導水裂隙帶高度的計算，判斷了煤層開采后受破壞的含水層（K2、K3、K4），將這三層灰巖含水層概化為一層含水層，滲透系數和貯水系數用它們的等效滲透系數、貯水系數代替，且整個井田范圍內水文地質參數簡化為單一的。將整個采區概化為一個大井，應用非穩定流承壓水的Theis公式計算了4年、9.3年后K2、K3、K4灰巖含水層的疏干半徑和范圍，為李雅莊煤礦的水害防治提供基礎。