胡家河煤礦涌水特征及規(guī)律分析

趙賢順，張小萌，韓定峰

(1.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西 西安 710021；2.陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713602)

0 引言

礦井涌水量是指在礦井建設(shè)或生產(chǎn)過程中，礦井采掘工程直接或間接揭露或?qū)撤N充水水源的水，使其在特定時段和區(qū)段單位時間內(nèi)流入礦井的總水量，特定的時間段是指礦井所處的特定生產(chǎn)期間(如井筒建設(shè)期、首采面回采期、一水平開采期等)，特定的區(qū)段是指礦井某個生產(chǎn)區(qū)域(如水平、采區(qū)、工作面等)[1]。礦井涌水量是礦井水害防治工作的一個十分關(guān)鍵且具有基礎(chǔ)意義的量，它是礦井從設(shè)計階段就要用到且伴隨礦井整個生產(chǎn)壽命的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)特別是防排水系統(tǒng)設(shè)計及其水害防治技術(shù)方案與技術(shù)路線選擇的基礎(chǔ)。胡家河煤礦已采的幾個工作面中，涌水量在工作面推進到一定長度后增長至峰值并趨于穩(wěn)定，在采后一段時間內(nèi)，涌水量衰減較慢。自切眼回采一定長度內(nèi)，涌水量隨產(chǎn)量和面積增加而增大，達到一定涌水量后基本維持穩(wěn)定，不再發(fā)生大的改變。這與傳統(tǒng)的水文地質(zhì)理論計算結(jié)果相矛盾：無限邊界條件下，采動影響的范圍越大，則涌水量越大[2-3]。頂板砂巖裂隙承壓水是陜西彬長礦區(qū)煤層開采面臨的主要水害類型[4]。在礦井水害防治技術(shù)進程中，形成了多種關(guān)于礦井涌水量預(yù)測計算的理論和方法[5-6]。礦井涌水量計算的主要方法有：比擬法、數(shù)理統(tǒng)計法、水均衡法、解析法、數(shù)值法和物理模擬法等[7]。總結(jié)歸納工作面回采過程中涌水量的變化規(guī)律對于預(yù)測未來規(guī)劃工作面涌水量和工作面的防治水工作有重要指導(dǎo)和參考意義。

1 礦井地質(zhì)概況

1.1 地層

礦井區(qū)內(nèi)大部分被第四系黃土及第三系紅土所覆蓋，區(qū)內(nèi)地層由老至新依次有：三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)、華池組(K1h)，新近系(N)及第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2)、上更新統(tǒng)馬蘭組(Q3)、全新統(tǒng)(Q4)。

1.2 煤層

礦井可采煤層為3號、4號煤層。3號煤層位于延安組第2段中上部，煤層埋深645～783 m。4號煤層位于延安組第1段底部，煤層埋深443～839 m，煤層厚度穩(wěn)定。現(xiàn)階段主采煤層為4號煤層。

1.3 含(隔)水層

含水層：含水層主要有第四系全新統(tǒng)(Q4)潛水含水層，第四系上更新統(tǒng)(Q3)透水層，第四系中更新統(tǒng)潛水含水層(Q2)，洛河組中粗粒碎屑巖含水層(K1l)，宜君組弱含水層，安定組、直羅組非煤系含水層，延安組含煤地層承壓含水層。

隔水層：隔水層主要有第四系下更新統(tǒng)相對隔水層，新近系上新統(tǒng)隔水層，華池組隔水層，安定、直羅組及延安組結(jié)構(gòu)性相對隔水巖組，富縣組相對隔水層，三疊系隔水層。

2 礦井開采現(xiàn)狀

胡家河煤礦采用立井單水平開拓方式，在工業(yè)廣場內(nèi)共開鑿主立井、副立井、回風(fēng)立井共3條井筒。全礦井共布置3組大巷，采用綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板，具備邊采邊掘的能力。煤礦先期開采盤區(qū)為401盤區(qū)和402盤區(qū)，開采煤層為4號煤層。401盤區(qū)的401101、401102、401103、401105工作面已回采完畢，402盤區(qū)的402102、402103工作面已回采完畢。礦井工作面接續(xù)順序依次為401111、402104、401106工作面。如圖1所示。

圖1 礦井工作面分布Fig.1 Distribution of mine working face

3 礦井充水因素

3.1 充水水源

礦井首采區(qū)進行導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度探查。首采工作面401101回采后，采用鉆液漏失量觀測、鉆孔窺視法開展頂板兩帶探查工作。鉆孔探查結(jié)果顯示最大裂高采厚比為22.32(采厚10～12 m)。礦井工作面接續(xù)順序依次為401111、402104、401106工作面。工作面設(shè)計采厚均為14 m。利用礦井首采工作面實際探查最大裂采比22.32計算各鉆孔處冒裂帶發(fā)育高度，見表1。

表1 冒裂帶發(fā)育高度計算值及波及地層統(tǒng)計Table 1 Calculation value of development height of caving zone and statistics of affected strata

根據(jù)表1計算結(jié)果可知，4號煤層回采將波及到洛河組含水層，因此煤礦充水含水層包括4號煤層頂部延安組含水層、直羅組含水層和洛河組含水層。洛河組含水層厚度較大，埋藏較淺、滲透系數(shù)較大、水循環(huán)交替較暢通。煤層回采形成的冒裂帶發(fā)育至洛河組含水層上段，使胡家河煤礦生產(chǎn)過程中頂板形成較大的涌水。

3.2 充水通道

煤礦開采過程中，地下水通過采動裂隙進入礦井，若沒有斷層等其他導(dǎo)水通道，裂隙將成為主要突水通道[8]。采動裂隙是煤礦的主要充水通道，煤層回采過程中產(chǎn)生的頂板裂隙，將導(dǎo)致裂隙波及的頂板含水層水進入煤礦，成為煤礦的涌水來源。胡家河煤礦實測頂板破壞發(fā)育高度發(fā)現(xiàn)，主采4號煤冒裂帶將波及洛河組，使延安組、直羅組和洛河組含水層水通過采動裂隙成為煤礦的充水水源。煤層開采后，頂板冒落，上覆巖層產(chǎn)生裂隙，成為上覆含水層水進入煤礦的通道。根據(jù)以往經(jīng)驗，開采面積及煤層厚度越大，發(fā)育的冒裂帶越高，連通的含水地層越厚。因此，冒裂帶發(fā)育高度是評價煤礦受水害影響程度的主要條件之一。

4 礦井充水狀況

4.1 礦井涌水現(xiàn)狀

自礦井投產(chǎn)以來，礦井涌水量總體呈增長趨勢。每增加一個工作面，礦井涌水量均產(chǎn)生相應(yīng)增長的現(xiàn)象。2019年4月開始，礦井涌水量逐漸緩慢下降并趨于穩(wěn)定。礦井涌水量由采空區(qū)涌水量、回采工作面涌水量、掘進面涌水量、大巷涌水量、井筒涌水量構(gòu)成，其中掘進面、大巷、井筒涌水量總計約為110 m3/h，在礦井涌水量中占比較少，礦井涌水量主要由采空區(qū)涌水量和回采工作面涌水量構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 礦井歷年涌水量曲線Fig.2 The water inflow curve of the mine over the years

4.2 礦井涌水量變化規(guī)律

根據(jù)已采工作面的涌水情況和水量大小變化數(shù)據(jù)，對礦井各區(qū)域工作面的涌水規(guī)律進行初步分析。

401盤區(qū)401101和401102的2個工作面相鄰且前后相繼開采，首采面生產(chǎn)時期涌水量較大，增長較快；隨后開采的401102工作面回采時期涌水量峰值有所降低，降低幅度在30%左右；當401102工作面出現(xiàn)涌水后，401101工作面的采后出水量衰減速度增大，后逐漸穩(wěn)定至原水量50%左右；說明相鄰工作面之間存在一定的相互影響作用。但2個工作面的總水量依舊呈增長的趨勢，如圖3所示。

圖3 401101和401102工作面涌水量變化曲線Fig.3 Variation curve of water inflow in 401101 and 401102 working face

402103工作面為402盤區(qū)首采工作面，402102和402103這2個工作面相鄰。402103工作面回采階段隨著工作面的推進涌水量逐漸增大，工作面推進至1 275 m時涌水量達到最大值450 m3/h，回采結(jié)束后涌水量緩慢下降。402102工作面隨著工作面的推進涌水量逐漸增大，當402102工作面出現(xiàn)涌水量明顯增大時，402103工作面的采后出水量衰減速度明顯增大，說明相鄰工作面地下水之間存在一定的相互影響作用。402102工作面生產(chǎn)時期涌水量穩(wěn)定峰值階段為280 m3/h，較402103工作面生產(chǎn)時期涌水量穩(wěn)定峰值階段450 m3/h的涌水量有所降低，降低幅度為38%左右。當402102工作面出現(xiàn)涌水后，402103工作面的采后出水量衰減速度增大，后逐漸穩(wěn)定至原水量50%左右。當402102工作面出現(xiàn)涌水量明顯增加后，401101/401102工作面的采后出水量衰減速度增大，逐漸穩(wěn)定至原水量的50%左右，如圖4所示。

圖4 402103和402102工作面涌水量變化曲線Fig.4 Variation curve of water inflow in 402103 and 402102 working face

401103工作面回采階段涌水量較其他工作面明顯偏少，是由于401103工作面東側(cè)為盤區(qū)大巷，西側(cè)為回采結(jié)束的401101、401102工作面導(dǎo)致，回采過程中和回采結(jié)束后的涌水量總體保持平穩(wěn)，如圖5所示。

圖5 礦井各工作面涌水量曲線Fig.5 The water inflow curve of each working face in the mine

401105工作面距離其他工作面較遠，回采階段隨著回采工作面的推進涌水量增大，增長幅度較快，回采結(jié)束后涌水量緩慢下降隨后保持平穩(wěn)。401103工作面回采開始之后401105工作面涌水量出現(xiàn)下降，兩工作面涌水量有一定的相互影響作用。

在工作面的回采過程中，涌水量在工作面推進到一定長度后增長至峰值，并趨于穩(wěn)定，在采后一段時間內(nèi)，涌水量衰減較慢。據(jù)礦井臺賬資料，401101工作面在開采至900 m時，涌水量增加至550 m3/h左右并趨于穩(wěn)定；401102工作面在回采至850 m時，涌水量增加至470 m3/h并趨于穩(wěn)定；402103工作面在回采至900 m時，涌水量增加至450 m3/h并趨于穩(wěn)定；401103工作面在回采至850 m時，涌水量增至210 m3/h并趨于穩(wěn)定；401105工作面在回采至910 m時，涌水量增至550 m3/h并趨于穩(wěn)定；402102工作面在回采至1 000 m時，涌水量增至290 m3/h并趨于穩(wěn)定；402103工作面在回采至1 275 m時，涌水量增至450 m3/h并趨于穩(wěn)定，見表2。

表2 回采工作面穩(wěn)定峰值涌水量及工作面推進長度統(tǒng)計Table 2 Statistics of stable peak water inflow and advancing length of working face

通過對礦井涌水量特征規(guī)律分析，回采工作面的頂板涌水量變化呈現(xiàn)如下規(guī)律：自切眼回采至約850～1 275 m范圍內(nèi)，回采工作面涌水量隨產(chǎn)量和面積增加而增大，達到一定峰值涌水量后基本維持穩(wěn)定，不再發(fā)生大的改變。相鄰工作面，后開采工作面涌水量峰值明顯低于先開采工作面涌水量峰值，生產(chǎn)工作面涌水量峰值較臨近已采工作面回采階段涌水量峰值降低幅度約為30%～38%，生產(chǎn)工作面涌水量出現(xiàn)明顯增加并趨于穩(wěn)定時，臨近已采工作面涌水量會出現(xiàn)明顯降低，降低幅度約為50%。

礦井工作面接續(xù)順序依次為401111、402104、401106工作面，401111工作面東側(cè)為已采401101工作面，402104工作面西側(cè)為已采402103工作面，401106工作面北側(cè)為已采401105工作面。根據(jù)礦井前期開采過程中涌水量變化特征和規(guī)律，可以預(yù)測接續(xù)工作面回采過程中的涌水量情況。

礦井涌水量計算的方法有很多種，實際應(yīng)用中要根據(jù)概化的礦井水文地質(zhì)模型和所獲得的各項水文地質(zhì)參數(shù)情況選擇不同的預(yù)測方法。本文中根據(jù)礦山實際開采工作中回采工作面的涌水量規(guī)律預(yù)測規(guī)劃工作面的涌水量也是一種比擬法。

5 結(jié)論

(1)通過礦井涌水特征和規(guī)律分析，在沒有構(gòu)造、封閉不良鉆孔、老空區(qū)等的影響下，規(guī)劃工作面的涌水量可以通過與鄰近工作面涌水量的比擬進行計算和預(yù)測。

(2)401111工作面、402104工作面、401106工作面自切眼開始回采過程中工作面涌水量逐漸增加，回采至約850～1 275 m處，工作面涌水量將達到一定峰值涌水量后維持穩(wěn)定。

(3)401111工作面、402104工作面、401106工作面穩(wěn)定峰值涌水量分別比比擬對象401101工作面、402103工作面、401105工作面穩(wěn)定峰值涌水量降低約30%～38%。

(4)401111工作面、402104工作面、401106工作面回采過程中工作面涌水量明顯增加并趨于穩(wěn)定時，臨近已采工作面401101工作面、402103工作面、401105工作面涌水量會出現(xiàn)明顯降低，降低幅度約為50%。