淺埋深小煤窯采空破壞區涌水水源分析

趙培富，武俊峰

（1.霍州煤電集團煤炭生產管理部，山西 霍州 031400；2.霍州煤電集團技術研究院，山西 霍州 031400）

1 概況

興盛園煤業為原梨樹園煤業、義桂煤業、靖達煤業兼并重組而成，井田內的小煤窯井筒較多，以往采煤方法為短壁刀柱式、炮采落煤，大巷坑木支護，全部垮落法管理頂板。興盛園管道井西南側臨近以往小煤窯采空區破壞區，部分小煤窯采掘巷道與管道井斜交聯通，采用料石砌墻封閉。管道井320～380 m 區段持續有原1 號煤采空區積水順料石縫隙涌出，涌水量約30 m3/h，2015年礦井政策性停產至今。2021年10月3日—5日礦區連續降大到暴雨，10月19日管道井320 m 處涌水突然增大至150 m3/h，10月21日16 時溢流處巷道垮塌約2 m，涌水量增加至350 m3/h，后逐步減小穩定涌水量約50 m3/h。為防治管道井處涌水再次增加，現結合走訪調查及水質化驗資料，分析涌水補給來源，為制定治理措施提供參考依據。

2 估算疏放水量

2021年10月19日16 時，興盛園煤業管道井320 m 處涌水量由30 m3/h 突然增加到150 m3/h；10月21日16 時，溢流處巷道垮塌約2 m，涌水量增加到350 m3/h；10月23日涌水量由350 m3/h 減少到250 m3/h，一直持續到10月28日。10月29日17 時，涌水量減少至180 m3/h。11月5日—9日水量維持在160 m3/h 左右。11月12日溢流處涌水量減少為120 m3/h，11月28日涌水量減少為95 m3/h。12月16日涌水量減少為85 m3/h，12月30日—2022年2月涌水量穩定在80 m3/h。2022年3月—4月中旬涌水量穩定在50 m3/h。管道井涌水量及疏放水量統計見表1。

表1 管道井疏放水量統計Table 1 Statistics of drainage water quantity of pipeline well

從2021年10月19日涌水增大至2022年4月中旬，總疏水量約39.9 萬m3，原長期動態補給水30 m3/h，估算動態補給量約12.9 萬m3，疏放靜態水量約27.0 萬m3。

3 涌水水質化驗

管道井涌水增大后一是定期采集涌水點水樣進行跟蹤化驗；二是對地表降雨、周邊汾河水、澗河、許村鐵廠溝地表河水進行水質化驗；三是采集了奧灰水文鉆孔水、臨近的力拓煤業礦井排水水樣；四是走訪調查以往小煤窯井筒沉陷情況，采集了兩座裸露小煤窯井筒內水樣。水質化驗情況見表2～表4。

表2 管道井涌水水質化驗Table 2 Water quality testing of pipeline well water inflow

表4 礦井水文孔、臨近礦井排水、裸露井筒水質化驗Table 4 Water quality testing of mine hydrological hole,adjacent mine drainage and exposed wellbore

4 涌水通道分析

根據興盛園煤業實際情況分析，涌水補給通道考慮3 方面：一是大氣降水通過地表裂縫或沉陷的井筒垂向補給；二是礦井周邊澗河、許村鐵廠溝季節性河流通過基巖砂礫層裂隙長距離滲透，或河流灌入裸露的井筒側向補給1 號煤采空破壞區；三是礦井太灰及奧灰含水層帶壓，含水層富水性較強，存在底板灰巖水通過斷層裂隙帶或陷落柱補給采空區的可能性。

4.1 大氣降水垂向補給

井田范圍內地表相對高差較大，地面標高+570—+837 m，1 號煤層標高+390—+540 m，已采掘區域埋深110～260 m。1 號煤層厚度0.35～1.95 m，平均1.54 m，煤層頂板為粉砂巖、砂質泥巖，屬于中硬巖石，巖石抗壓強度20～40 MPa。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》 計算1 號煤采后垮落帶高度3.9～9.12 m，平均8.07 m，導水裂縫帶高度14.01～34.62 m，平均31.00 m，導水裂隙帶高度延伸不到地表，大氣降水不會通過垂向裂縫直接補給井下涌水。而且通過表2、表3可知，大氣降雨與管道井涌水處水樣在礦化度、各陰陽離子的含量上均有明顯的差別，說明兩者并無溝通。

表3 大氣降雨、地表河流水質化驗Table 3 Water quality testing of atmospheric rainfall and su rface rivers

4.2 季節性河流側向補給

地表巡查了許村鐵廠溝季節性河流附近小煤窯，井筒封閉良好，均無塌陷，該區域1 號煤層埋深210～230 m，因此排除許村鐵廠溝季節性河流對管道井涌水點的補給。

礦井西南部緊鄰力拓煤業，力拓煤業1 號煤層標高+500—+650 m，比興盛園煤業標高要高，且蓋山厚度20～50 m，處于導水裂隙帶影響范圍內。強降雨期間地表雨水可通過導水裂隙帶滲入力拓煤業采空破壞區，之后側向補給興盛園1 號煤采空破壞區。另外力拓煤業井田中部有從西北至東南向的季節性河流澗河，該河流常年有水，雨季期間涌水顯著增大。此次重點走訪巡查了河谷兩側小煤窯封閉情況。礦井地表澗河及裸露小煤窯井筒位置如圖1所示。

圖1 地表澗河及裸露小煤窯井筒位置示意Fig.1 Location of surface Jian river and exposed small coal kiln wellbore

通過巡查發現坍塌紅磚井口、縣界碑井口兩處小煤窯裸露井筒。坍塌紅磚井口東部約20 m 為河流，井口標高高于河流約3 m，井口周邊未發現洪水倒灌現象，但井內有水，水面距井口10 m。縣界碑井口東側約30 m 為河流，井口標高高于河流約2 m，井內存水，水面距井口52.6 m，井壁有明顯滲水現象，該處裸露井筒距管道井涌水點水平距離2 100 m。

2021年10月3日—5日降大到暴雨，10月19日興盛園管道井涌水量增大，推測在此期間河道內水流通過基巖裂隙或砂礫層滲透進入1 號煤采空破壞區，強降雨期間洪水增大也可能灌入該井筒，經過14～16 d 的滲透補給，造成管道井處涌水量增大。

水質對比方面見表5。管道井涌水較澗河上游水質，礦化度、鈉離子、鈣離子、氯離子、碳酸氫根離子升高，鎂離子、硫酸根有所降低。

表5 管道井涌水與澗河水水質對比Table 5 Water quality comparison between pipeline well water inflowand Jian river

考慮澗河水徑流滲透過程中經過砂礫層可補充鈉離子、氯離子、碳酸氫根離子，造成這些離子含量升高。

4.3 承壓太灰及奧灰含水層水構造裂隙補給

興盛園煤業1 號煤層下伏太原組K2、K3、K4三層灰巖和奧陶系厚層灰巖含水層。根據2012年水文鉆孔抽水試驗資料，太灰含水層水位+506—+546.9 m，奧灰含水層水位+521—+541 m。1 號煤層現采掘范圍標高+390—+470 m，煤層帶壓0.5～1.3 MPa。

礦井處于郭莊泉域徑流區，太灰及奧灰含水層富水性較強。以往補20 號鉆孔封閉不良造成底板太灰含水層涌水10 m3/h。2014年3月31日在舊強排硐室開口處鉆探，底板-15°鉆孔鉆進41 m 時涌水35 m3/h，判斷為灰巖水，后注漿封堵。礦井斷裂構造發育，已揭露斷層50 條，陷落柱18 個，存在較大構造裂隙涌水可能性。但2015年后興盛園煤業停產至今，無采掘活動，預計不會突然新增涌水點。

臨近礦井力拓煤業開采下組煤，不排除力拓煤業的開采使部分斷裂構造或陷落柱活化導水。從水質上看（表6），此次管道井涌水長期疏放接近動態量時，水質表現為灰巖和砂巖混合水，且灰巖水質特征較明顯，結合力拓煤業的礦井涌水水質情況，預計力拓煤業部分灰巖水對1 號煤采空破壞區有少量的補給，之后通過側向滲流補給管道井涌水。

表6 管道井涌水與灰巖水水質對比Table 6 Water quality comparison between pipeline well water inflowand limestone water

5 結論

（1） 通過對涌水水量、水質、補給通道的分析，判斷興盛園煤業2021年10月下旬管道井涌水水量突然增大主要水源為雨季期間澗河洪水增大，大量河水漫過縣界碑裸露井口或通過基巖裂隙和砂礫層補給1 號煤采空破壞區；次要水源為大氣降水在力拓煤業1 號煤層淺埋藏區通過導水裂隙涌入采空破壞區；其次為力拓煤業的部分灰巖承壓水對1號煤采空破壞區有少量的補給，之后通過側向滲流補給管道井涌水。

（2） 下一步的建議：一是要及時封堵地表裸露小煤窯井筒，尤其是靠近澗河溝內的小煤窯井筒，雨季洪水增大后極有可能漫過井筒直接補給井下采空破壞區；二是對地表河流、井下長期涌水點定期采集水樣進行水質化驗，完善地表河流、井下砂巖水、太原組灰巖水、奧灰含水層水水質化驗數據庫，為涌水水源快速判別提供依據；三是盡快修復水文觀測孔，實測太原組灰和奧灰含水層水位，臨近的白龍礦、團柏礦關井，干河礦二采區劃入郭莊泉域保護區禁采，近幾年奧灰及太灰含水層水位和富水性均有所恢復，礦井斷層、陷落柱非常發育，構造導水危險性較大。