大橋溝煤業(yè)水文地質(zhì)充水因素及涌水量分析

許宏杰(山西忻州神達(dá)大橋溝煤業(yè)有限公司,山西 忻州036500)

1 前言

山西忻州神達(dá)大橋溝煤業(yè)有限公司為單獨(dú)保留礦井,核定生產(chǎn)能力為90 萬(wàn)t/a。該礦上組8 號(hào)煤層資源已開(kāi)采結(jié)束,為保證礦井水平接續(xù),該礦已對(duì)礦井中組煤9、10、11 號(hào)煤的開(kāi)拓工作進(jìn)行了部署。根據(jù)部署計(jì)劃,現(xiàn)開(kāi)采中組煤9、10、11 號(hào)煤層,現(xiàn)9 號(hào)煤層90101 工作面、90102 備用工作面已經(jīng)形成,正進(jìn)行90103 工作面掘進(jìn)。

山西忻州神達(dá)大橋溝煤業(yè)有限公司井田西鄰山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)貓兒溝煤業(yè)有限公司井田,西北部、北部及東部與山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司井田相鄰,南西部與財(cái)源溝煤礦相鄰,南東部無(wú)煤礦。本井田邊界為人為邊界。

井田地表大部分為新生界黃土覆蓋,僅縣川河兩岸及麻地溝、楊家溝、小五村溝等溝谷中有奧陶系、石炭系和二疊系出露,主要接受大氣降水補(bǔ)給?；鶐r風(fēng)化帶底部多為泥巖及粉砂巖類,起到一定的隔水作用。石炭系石灰?guī)r裂隙巖溶和二疊系碎屑巖地下水,其間有厚度不等的泥巖阻隔,垂向上正常情況下各含水層之間不會(huì)發(fā)生水力聯(lián)系。周邊礦井8、13 號(hào)煤層均有采空區(qū)積水,但采空區(qū)與本井田邊界有保安煤柱,正常情況下不會(huì)發(fā)生水力聯(lián)系。

井田發(fā)育的主要含水層組自下而上依次有:奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層組;石炭系太原組砂巖裂隙及碳酸鹽巖溶裂隙含水層組;二疊系山西組砂巖裂隙含水層組;風(fēng)化殼裂隙含水層組及新生界孔隙含水層組。

井田內(nèi)隔水層主要為本溪組,厚度為15～20m,平均17.75m。其中泥質(zhì)巖巖性致密,細(xì)膩,具有良好的隔水性能,為阻隔奧灰?guī)r溶水與上部含水層水位聯(lián)系的重要隔水層。其次,相間于山西組、太原組各砂巖含水層之間厚度不等的泥巖、黏土巖也可起于一定的層間隔水作用。

2 充水因素分析

根據(jù)井田地質(zhì)及水文地質(zhì)條件分析,礦井充水水源有地表水及大氣降水、含水層水和采空區(qū)積水。

2.1 地表水及大氣降水

據(jù)調(diào)查,礦井由于開(kāi)采面積及采空面積的增大,局部地段造成了地面塌陷和地裂縫,礦方對(duì)造成的地裂縫已用碎石、黃土封填并夯實(shí)。本次收集了近五年礦井涌水量、產(chǎn)量與本區(qū)降水量臺(tái)賬資料,具體見(jiàn)表1。

表1 近五年礦井涌水量、產(chǎn)量和降水量統(tǒng)計(jì)表

從表1可以看出,礦井涌水量一般受地表水及大氣降水的影響不大,在雨水充沛季節(jié)礦井涌水量會(huì)隨地表水及大氣降水的增大而有增大的趨勢(shì)。隨著礦井開(kāi)采的進(jìn)一步加深,開(kāi)采面積的進(jìn)一步加大,由采動(dòng)引起應(yīng)力變化所造成的地面塌陷和地裂縫可能會(huì)成為溝通地表水和雨季洪水的通道。另外,由于井田東南部有煤層露頭及小五村季節(jié)性水庫(kù),該水庫(kù)據(jù)調(diào)查雖平時(shí)干涸無(wú)水,只有雨季時(shí)才有少量蓄水,但是將來(lái)在開(kāi)采臨近露頭及小五村水庫(kù)附近時(shí),也要注意煤層露頭也可能成為導(dǎo)水通道。

綜上分析,地表水及大氣降水可能會(huì)成為該礦井的水害之一。

2.2 含水層水

1)砂巖裂隙水

主要包括石炭系太原組砂巖裂隙及二疊系山西組砂巖裂隙含水層水。據(jù)調(diào)查,本井田礦井充水的補(bǔ)給來(lái)源為煤層以上各含水層的砂巖裂隙水及大氣降水的滲入,其中煤層以上各含水層的砂巖裂隙水是礦井充水的主要來(lái)源。

本井田山西組8 號(hào)煤層已開(kāi)采完畢,該煤層礦井直接充水含水層為山西組砂巖裂隙含水層,間接充水含水層為石炭系太原組砂巖裂隙含水層,這兩含水層的富水性均為弱—中等,對(duì)8 號(hào)煤層礦井充水有一定影響[1]。

礦井投產(chǎn)后開(kāi)采中組煤9、10、11 號(hào)煤層,中組煤直接充水含水層為石炭系太原組砂巖裂隙含水層,間接充水含水層為山西組砂巖裂隙含水層,這兩含水層的富水性均為弱—中等,對(duì)中組煤層的開(kāi)采有一定影響。

2)灰?guī)r裂隙水

主要為石炭系太原組灰?guī)r裂隙含水層水,為太原組12(未開(kāi)采)、13(本井田兼并重組前開(kāi)采)號(hào)煤層的直接充水含水層。含水層的富水性均為弱—中等,對(duì)下組煤層的開(kāi)采有一定影響。

3)奧灰?guī)r溶裂隙水

井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高841～846m,埋深最大的批采煤層13 號(hào)煤底板最低標(biāo)高845m(位于井田西北角,井田西北角奧灰水位843m),13 號(hào)煤層全部高于奧灰?guī)r溶裂隙水水位,不帶壓。因此,奧灰?guī)r溶裂隙水對(duì)井田內(nèi)煤層開(kāi)采無(wú)影響。

通過(guò)以上分析,煤層頂板砂巖裂隙含水層及灰?guī)r裂隙含水層會(huì)通過(guò)頂板冒落導(dǎo)水裂縫帶向礦井充水,為礦井充水的主要來(lái)源之一。

2.3 采空區(qū)積水

本井田現(xiàn)8 號(hào)煤層已開(kāi)采完畢,2005年前曾開(kāi)采13 號(hào)煤層,8、13 號(hào)煤層井田均分布有采空區(qū)。根據(jù)相關(guān)資料,井田8 號(hào)煤層有6 處采空區(qū)積水(分別位于80107、80105、80101、801011、801013、801015工作面),1 處巷道積水。采空積水面積約為18 151m2,采空積水量約為14 985m3;巷道積水長(zhǎng)度約60m,巷道斷面面積為4.05m2,巷道積水量約194m3。13 號(hào)煤層共有1 處采空區(qū)積水,2 處巷道積水,采空積水面積約為21 300m2,采空積水量約為76 780m3,巷道積水長(zhǎng)度約3 100m,巷道斷面面積為4.05m2,巷道積水量約10 044m3。因此,井田內(nèi)8號(hào)、13 號(hào)煤層采空區(qū)總積水面積約為39 451m2,總積水量約為91 765m3。采空區(qū)積水位置、范圍、積水量清楚。

對(duì)于現(xiàn)暫無(wú)積水的其他采空區(qū)及巷道,隨著時(shí)間的推移,采空區(qū)及巷道內(nèi)也可能會(huì)積集一定量的水,應(yīng)在臨近采(古)空區(qū)及巷道開(kāi)采時(shí)進(jìn)行探測(cè)和疏排,并在今后的生產(chǎn)過(guò)程中堅(jiān)持“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的基本方針以及“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、探掘分離、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則,采取“探、防、堵、疏、排、截、監(jiān)”的綜合治理措施,保證礦井安全。

3 涌水量預(yù)測(cè)

礦井現(xiàn)8 號(hào)煤層已開(kāi)采完畢,在2005年前曾開(kāi)采13 號(hào)煤層。據(jù)調(diào)查及礦井歷年來(lái)生產(chǎn)資料分析:本井田礦井涌水量主要來(lái)自頂板以上砂巖、灰?guī)r裂隙含水層水。

截止2019年3月底礦井8 號(hào)煤層已開(kāi)采完畢,礦井近五年最大涌水量為13.7m3/h,最小涌水量8.0m3/h,平均涌水量為9.44m3/h,當(dāng)前礦井正常涌水量為8.5m3/h。

通過(guò)對(duì)礦井涌水規(guī)律的分析,可以認(rèn)定今后的煤層開(kāi)采過(guò)程中,在水文地質(zhì)條件、采礦條件不發(fā)生突變的情況下,礦井涌水量較小,與當(dāng)前相比變化不大。雖然涌水量不大,但在大巷或工作面推進(jìn)時(shí)仍要做好井下涌水量觀測(cè),并根據(jù)觀測(cè)結(jié)果重新對(duì)礦井涌水量進(jìn)行分析。

據(jù)井田開(kāi)拓計(jì)劃,礦井投產(chǎn)后準(zhǔn)備開(kāi)采中組煤9、10、11 號(hào)煤層,該煤組賦存于太原組上部,上距上組8 號(hào)煤層較近,8 號(hào)煤層賦存于山西組下部,山西組8 號(hào)煤層附近巖性組合為泥巖、煤、粉砂巖及細(xì)砂巖互層,中組煤層與上組8 號(hào)煤層賦存的水文地質(zhì)條件相似,且與8 號(hào)煤層關(guān)系較為密切。因此,中組煤層的礦井涌水量可參照8 號(hào)煤層礦井涌水量預(yù)算結(jié)果。

現(xiàn)采用比擬法(富水系數(shù)法)對(duì)8 號(hào)可采煤層在生產(chǎn)能力達(dá)到90 萬(wàn)t/a 時(shí)的礦井涌水量進(jìn)行預(yù)算[2]

式中:Q——單位時(shí)間內(nèi)礦井涌水量,m3/h;

Q0——礦井現(xiàn)在單位時(shí)間內(nèi)礦井涌水量,m3/h;

P0——礦井現(xiàn)在單位時(shí)間內(nèi)煤炭開(kāi)采量,t/h;

P——正常開(kāi)采時(shí)單位時(shí)間內(nèi)煤炭開(kāi)采量,t/h。

由于2014年僅11、12月生產(chǎn),本次產(chǎn)量采用數(shù)據(jù)為該礦2015年和2018年的月產(chǎn)量(表2)進(jìn)行分析及計(jì)算(2015年1月至2018年12月期間的礦井產(chǎn)量為332 萬(wàn)t)。

正常涌水量:Q=Q0/P0×P=8.5/(3 323 000/1 460/24)×(900 000/365/24)=9.21m3/h。

表2 8 號(hào)煤層2015—2018年產(chǎn)量表

最大涌水量:Q=Q0/P0×P=13.7/(3 323 000/1 460/24)×(900 000/365/24)=14.84m3/h。

經(jīng)計(jì)算,8 號(hào)煤層生產(chǎn)能力達(dá)到90 萬(wàn)t/a 時(shí)正常涌水量為9.21m3/h,最大涌水量為14.84m3/h。

經(jīng)上述分析中組煤層的礦井涌水量參照8 號(hào)煤層礦井涌水量預(yù)算結(jié)果,即礦井開(kāi)采中組煤9、10、11 號(hào)煤層生產(chǎn)能力達(dá)到90 萬(wàn)t/a 時(shí)的正常涌水量為9.21m3/h,最大涌水量為14.84m3/h。

以上涌水量為理論預(yù)算值,該值未考慮采空區(qū)積水的影響。因此在大巷或工作面推進(jìn)時(shí)必須做好井下涌水量觀測(cè),根據(jù)觀測(cè)結(jié)果重新對(duì)礦井涌水量進(jìn)行預(yù)算。

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》中有關(guān)規(guī)定,經(jīng)過(guò)初步估算,井田現(xiàn)排水設(shè)施及能力基本能滿足投產(chǎn)后中組9、10、11 號(hào)煤層安全生產(chǎn)的需要。

4 結(jié)論

以大橋溝煤業(yè)水文地質(zhì)情況為背景,對(duì)礦井的充水因素的幾個(gè)方面進(jìn)行了分析,礦井充水水源有地表水及大氣降水、含水層水和采空區(qū)積水。對(duì)礦井的涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè),8 號(hào)煤層生產(chǎn)能力達(dá)到90萬(wàn)t/a 時(shí)的正常涌水量為9.21m3/h,最大涌水量為14.84m3/h。9、10、11 號(hào)煤層生產(chǎn)能力達(dá)到90 萬(wàn)t/a 時(shí)的正常涌水量為 9.21m3/h,最大涌水量為14.84m3/h。