牛山煤業礦井水文地質類型劃分

侯志鵬

（山西高平科興牛山煤業有限公司，山西 晉城048400）

山西高平科興牛山煤業有限公司于2011年1月8日正式開工建設，于2017年1月4日開始進行聯合試運轉，現開采3號、9號煤層，未來三年礦井設計采掘15號煤層，為實現9號、15號煤層配采，礦井生產規模達到120萬t/a，特進行水文地質類型劃分。

1 礦井水文地質條件

井田主要含水層自上而下有：第四系松散孔隙水含水層、下石盒子組、山西組碎屑巖裂隙水含水層、太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙巖溶水含水層、奧陶系中統灰巖巖溶裂隙含水層。第四系松散孔隙水含水層，巖性為粉土，含細砂、礫砂及少量礫石地層厚3.0～7.0 m，水位埋深1.4～2.2 m，單井出水量0.94 L/s，水質類型HCO3·SO4-Ca。下石盒子組、山西組碎屑巖裂隙水含水層，主要為山西組與下石盒子組砂巖及風化帶，多分布于3號煤層上覆巖體段，井田內無勘探孔資料，據區內雨季小泉出露點調查，泉流量小于1.0 L/s。太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙巖溶水含水層，為K2、K4、K5灰巖和K2、K5灰巖之間的砂巖，累計厚度24.13 m。奧陶系中統灰巖巖溶裂隙含水層為煤系地層之基盤，井田內無出露，巖性為海相厚層狀石灰巖及薄層泥灰巖，局部巖溶發育，該含水層總厚約360～400 m。

礦井區域內主要有第四系松散層隔水層、二疊系層間隔水層、太原組底部本溪組隔水層。

1）第四系松散層隔水層巖性為紅色黏土、粉質黏土，大面積分布，阻隔大氣降水對孔隙含水層的補給或對其下風化巖石含水層補給，為良好的隔水層。

2）二疊系層間隔水層，該組地層主要分布可采的3號煤層，其上覆巖體含水與隔水層多呈互層狀分布，隔水層巖性主要為泥巖、砂質泥巖，呈層狀分布于各砂巖含水層之間，阻隔了各砂巖含水層之間的水力聯系。

3）太原組底部本溪組隔水層，位于石炭系上統太原組15號煤層下部，巖性為鋁土泥巖、泥巖、砂質泥巖，巖性致密細膩，厚度一般為1.40～15.02 m，阻隔了奧陶系巖溶水和上覆各含水層的水力聯系。

2 礦井充水條件

2.1 大氣降水及地表水對礦井開采的影響

井田內無大的地表水體及河流，在雨季最高洪水位高出河床0.5～2.0 m，洪水位最高標高約807.0 m，礦井主斜井井口標高為850.597 m，副斜井井口標高為849.914 m，回風立井井口標高848.000 m。因此，其洪水不會對井口有淹井的威脅。

2.2 含水層水

1）3號煤層上覆巖體砂巖裂隙水。3號煤層頂板直接充水含水層為二疊系山西組及下石盒子組砂巖裂隙含水層，在井田中部較大面積出露，易接受大氣降水補給，而井田南部含水層埋藏較深，接受補給條件較差。3號煤層開采后形成導水裂隙，可溝通上覆各含水層，導致含水層水沿導水裂隙帶向礦井充水，成為3號煤層開采的直接充水含水層。

2）9號、15號煤層頂板砂巖及石灰巖裂隙水。9號煤層和15號煤層的頂板直接充水含水層為太原組的灰巖巖溶裂隙含水層，由K2、K3、K4、K5灰巖組成，其中K2灰巖層為15號煤層的直接頂板，K5灰巖層為9號煤層的頂板，其含水特征與K2灰巖相似，據ZK401水文地質孔資料，該組地下水水位標高736.93 m，單位涌水量0.004 84 L/s·m，滲透系數0.042 8 m/d，為弱富水性含水層，受補給條件限制，一般對9號、15號煤層礦井充水影響較小。

3）奧陶系中統灰巖巖溶裂隙水。井田內奧灰水水位標高為+609～+614 m，3號煤層最低標高為+670 m，9號煤層最低標高為+620 m，15號煤層最低標高為+570 m，3、9號煤層不存在奧灰水帶壓開采問題。15號煤層最低標高低于奧灰水水位，局部存在奧灰水帶壓開采問題。

2.3 老空積水分析

根據水文地質類型劃分報告，井田內采空積水區27處，總積水面積684 729 m2，總積水量562 859.36 m3，水文地質資料清楚，嚴格執行《煤礦防治水細則》執行，對本井田無水害威脅。

2.4 導水裂隙帶

3號煤層頂板抗壓強度22.0～32.3 MPa，主要巖性為砂巖、砂質泥巖，屬中硬巖；9號煤層頂板抗壓強度32.3～37.5 MPa，主要巖性為泥巖、砂質泥巖，屬中硬巖；15號煤層頂板抗壓強度82.3～96.7 MPa，主要巖性為灰巖，屬堅硬巖。

中厚煤層分層開采導水裂縫帶最大高度計算公式，對3、9、15號煤層的導水裂縫帶進行計算。公式如下：

中硬巖導水裂隙帶計算公式：

堅硬巖導水裂隙帶計算公式：

式中：Hil為導水裂隙帶高度，m；ΣM為煤層累計采厚，m。

2.4.1 3號煤層導水裂縫帶高度

根據以上的計算結果，3號煤層經過開采后導水裂縫帶發育高度是49.19～67.58 m，而3號煤層頂板至K8底板的平均距離為35.47 m，至地表間距為51.15～190.36 m，故3號煤層導水裂縫帶可溝通K8含水層，局部可溝通至地表，從而成為K8砂巖裂隙含水層、第四系松散沉積物孔隙含水層甚至是地表水滲入井下的充水通道。

2.4.2 9號煤層導水裂縫帶高度

根據以上的計算結果，9號煤層開采后的導水裂縫帶最大發育高度是40.23 m，9號煤層的頂板至3號煤層的底板落差是38.34～75.38 m，9號煤層的頂板至K5的底板平均落差為26.12 m，9號煤層的頂板至K6的底板落差平均是45.16 m，9號煤層的頂板至K7的底板落差平均是46.22 m，9號的煤層最大導水裂縫帶高度和3號煤層的底板擾動破壞帶深度之和是56.33 m，故本井田范圍內開采9號煤層所形成的導水裂縫帶將有可能溝通K5灰巖的含水層，可能會溝通或部分溝通K6、K7的含水層以及3號煤層的老空積水。

2.4.3 15號煤層導水裂縫帶高度

由以上計算結果得知，15號煤開采后的導水裂縫帶最大發育高度是56.86～79.20 m，而15號與9號煤層間距為41.44～47.77 m，故本井田開采15號煤層所形成的導水裂縫帶可溝通K2、K3、K4灰巖含水層以及9號煤層開采所產生的采空區積水，在9號煤層采動裂隙的影響下，上覆3號煤層采空積水也間接對15號煤層開采產生影響。

2.5 未封閉和封閉不良的鉆孔

井田內有鉆孔26個。2009年至2010年施工的14個鉆孔、2012年施工的6個鉆孔、以及2013年與2014年施工的2個鉆孔，封孔質量均在乙級以上，均用水泥砂漿全孔封閉，封孔質量合格。

3 涌水量預測

本礦外南部的新莊煤礦，開采9號煤層，生產能力為90萬t/a，現礦井正常涌水量21.8 m3/h，最大涌水量為26.8 m3/h。主要為頂板淋水及滲水，其水文地質條件與本礦基本相似，采用富水系數比擬法預算本礦120萬t/a生產能力時的礦井涌水量。計算公式：

式中：Q為設計礦井涌水量，m3/h；Q0為現采煤礦礦井涌水量，m3/h；P0為現采煤礦的生產能力，萬t/a；P為煤礦設計生產能力，萬t/a。

計算結果：開采9號煤層生產能力達到120萬t/a時，礦井正常涌水量為29 m3/h，最大涌水量為36 m3/h。

預測當礦井9號煤、15號煤按1∶3配采，礦井正常涌水量61 m3/h，礦井最大涌水量為73 m3/h。

4 礦井水文地質類型

根據《煤礦防治水細則》要求，對本井田9號、15號煤層進行礦井水文地質類型的劃分均為中等。