余吾礦水文地質特征及涌水量計算

姚 宇

（山西潞安集團余吾煤業有限責任公司，山西 長治 046100）

礦井涌水量是在生產過程中一定時期內流入井巷內水量的總和[1]。礦井涌水量的預測十分有必要，通過礦井涌水量提前制訂防治水方案，以避免發生突水事故，影響礦井的安全生產[2-3]。但是，礦井涌水量的預測既繁瑣，在計算中又存在難點，導致礦井涌水量的計算結果欠科學、準確[4-6]。本文以余吾煤礦為研究對象，分析了礦井水文地質條件，采用“大井法”對礦井的涌水量進行計算，通過計算結果為礦井的防治水提供依據。

1 礦井概況

余吾煤礦年核定生產能力為7.50 Mt，全礦布置有5個井筒，即1個主井筒、1個副井筒，3個回風井。礦區地層由老到新，主要有上元古界震旦系、古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界三疊系、新生界第三系、第四系。礦井主采煤層為3號煤層，劃分為一個水平，水平標高為+400 m。煤層厚4.85～7.63 m，平均6.02 m。3號煤頂板為泥巖、粉砂質泥巖，局部為細砂巖；底板為黑色泥巖、粉砂巖。礦井建有內、外兩個水倉，水倉總容量為4922 m3。地面水泵房配備有5臺多級離心泵，型號為MD450-60/84×10，其中2臺日常工作，2臺備用，1臺用以檢修，水泵的揚程達到600 m以上，單臺水泵的排水能力在450 m3/h；排水管路選用直徑為325 mm，壁厚為13 mm無縫管，布置3趟管路，2趟正常工作，1趟備用。余吾煤礦實測目前井下正常涌水量為291.1 m3/h，最大涌水量為378.4 m3/h。

2 水文地質特征

井田主要煤層、含水層及主要隔水層結構見圖1。

圖1 井田主要煤層、含水層及主要隔水層結構

2.1 主要含水層

（1）第四系孔隙含水層

該層含水層總體上呈現出南部厚、北部薄趨勢，厚度在0～140 m間，平均厚度為44.65 m。巖性以黏土，粉砂、粗砂以及砂礫等組成。含水層的富水性跟砂礫層發育程度有關。

（2）3號煤頂、底板砂巖裂隙含水層

3號煤頂、底板砂巖厚約6.58～40.32 m，平均28.28 m。3號煤層頂板為基巖風化帶含水層、二疊系上、下石盒子組含水層、二疊系下統山西組含水層。該層是3號煤層開采時的直接充水含水層。基巖風化帶含水層巖性以中粒砂巖為主，為3號煤層間接或間接充水含水層。二疊系上、下石盒子組含水層等砂巖為主要含水層，單位涌水量為0.02～0.042 L/s·m，滲透系數0.0289～0.0524 m/d，為弱富水性含水層。二疊系下統山西組含水層巖性以砂巖為主，單位涌水量為0.024 L/s·m，滲透系數0.0249 m/d，一般富水性弱，對3號煤層開采影響較小。

（3）上石統太原組含水層

上石統太原組含水層厚度為10.68～18.96 m，平均厚度15.04 m。主要分布在3號煤露頭附近，上距3號煤平均57.48 m，為3號煤開采的直接充水含水層。巖性以三灰巖為主，單位涌水量0.0121～0.1338 L/s.m，富水性弱-中等。

（4）奧陶系中統峰峰組含水層組

該含水層埋深較深，含水層厚度在198.32～208.33 m，平均厚度189.43 m。以巖溶水為主，巖溶發育程度跟距奧灰距離有關，從奧灰頂部到下部巖溶裂隙呈現出不發育到發育趨勢（部分受構造帶影響除外）。

2.2 主要隔水層

（1）石炭系上統太原組底部及中統本溪組隔水層

該隔水層的厚度為8.32～44.45 m，平均20.76 m，厚度變化較大。主要由泥巖、砂質泥巖，鋁質泥巖夾粉砂巖、細粒砂巖等構成，底部為鐵質粉砂巖。該層裂隙不發育，完整程度高，透水性差，起到了阻隔煤層上、下含水層的作用。

（2）二疊系砂巖含水層層間隔水層

該隔水層主要由泥巖、砂質泥巖等構成，每一層的厚度為0.50～17.22 m。由于泥巖巖性的原因，隔水性強。該層呈多層存在各砂巖含水層之間，與含水層形成平行復合結構，能夠起到隔水的作用。

（3）第四系底部隔水層

該隔水層主要由粘土、砂質粘土等構成，厚度為1.51～20.27 m。僅局部存在，透水性差，在局部起到隔水的作用。

3 充水通道

余吾煤礦井田內已發現190條斷層，落差大于5 m的斷層共39條，發育119個陷落柱。井田中部有余吾、前蘇村逆斷層，落差分別為10～98 m和46 m。據抽水試驗及采掘揭露，斷層大部分不導水。但由于斷層影響范圍廣，抽水試驗具有局限性，不排除斷層局部有導水的可能性。根據試驗結果，礦井除X52陷落柱表現一定的透水性外，揭露的其他陷落柱透水性較弱。礦井主采3號煤層及開拓準備等大巷均位于奧灰巖溶水的高水頭壓力之下。因此，當工作面推進至陷落柱附近時，存在突水的可能性，應進行先探后掘。

陷落柱、斷層等地質構造導水性隨著外界環境變化而發生變化。受到采掘活動影響，部分不導水陷落柱或者斷層可能活化成導水陷落柱或者導水斷層。同時由于開采煤層下部有承壓的奧灰水，當斷層及陷落柱將奧灰水與開采煤層聯通時，勢必增加煤層開采危險性。因此，應強化地質構造探測、地質構造導水性研究工作，避免出現突水事故。

4 礦井涌水量計算

根據充水因素分析，3號煤層的直接充水含水層為3號煤層頂底板砂巖(簡稱3砂)、三灰。采用大井法無限邊界的承壓—無壓公式計算礦井涌水量Q1：

式中：K為滲透系數，m／d；M為含水層厚度，m；r為大井半徑，取值，m；R為采邊界線到未被排水破壞的含水層加權平均距離，m；H為靜水位至隔水底板高度，m；R為引用影響半徑，R=r+R1，m；F為井田各含水層面積，m2。

余吾煤礦號3煤直接充水含水層3砂、三灰各參數，見表1。

表1 3煤主要充水含水層參數

余吾煤礦目前開采3號煤層，通過計算，井下正常涌水量為316.61 m3/h，最大涌水量為398.4 m3/h，計算結果稍大于目前井下正常涌水量(291.1 m3/h)及最大涌水量(378.4 m3/h)。礦井自投入生產后未遇重大突水事故。井下遇斷層出水量最大70 m3/h，X52陷落柱出水量10～13 m3/h，已采取注漿堵水措施。

5 井田及周邊地區老空水分布狀況

余吾煤礦3號煤已經回采多年，存在大面積采空區，部分采空區低凹處有積水，有發生采空區突水的隱患。根據該礦地質資料，采用經驗公式對3號煤層采空區積水量進行估算，則積水量Q2為：

式中：Q2為采空積水總量，m3；M為采空區平均采高線或煤厚，m；F為采空積水區的水平投影面積，m2；α為煤層傾角，°；K為采空區充水系數，一般取0.25～0.50，本次取0.30。

根據計算，對余吾煤礦采空區技術量估算值見表2。

余吾煤礦現階段采掘活動距離井田邊界較遠，采空區積水對本礦生產安全影響較小。通過計算預計3煤采空區積水量為381.7 km3。因此，今后在靠近采空區積水區域進行開采時，應進行探放水工作，防止水害事故發生。

表2 余吾煤礦采空區積水量

6 結語

1）以余吾煤礦為研究對象，介紹了礦井的水文地質特征，分析了3號煤的直接充水含水層為3號煤層頂、底板砂巖和三灰。由于礦井斷層、陷落柱等地質構造多且復雜，為礦井充水提供了通道。

2）采用大井法無限邊界的承壓—無壓公式計算余吾礦正常涌水量為316.61 m3/h，最大涌水量為398.4 m3/h。并通過計算得到本井田及相鄰礦3號煤層采空區積水量為381.7 km3。據此，目前相鄰煤礦采空區積水對本礦生產影響不大，本井田采空區積水對本礦生產影響較大。