山東省寧汶煤田鑫安煤礦3 煤層開采水害隱患分析

姜 星 孫 強 陸 宇

（1.山東省煤田地質局物探測量隊，山東 濟南 250104；2.山東觀和集團有限公司，山東 濟南 250104；3.山東省煤田地質局第五勘探隊，山東 濟南 250104）

礦井水害隱患對煤礦發展影響極大，地下水通過頂、底板通道涌入礦井，給礦井帶來了巨大的經濟損失與人員傷亡[1-5]。該文以山東省寧汶煤田鑫安煤礦3 煤層為研究對象，系統地分析了開采3 煤層的水害隱患，以期為礦井水害防治提供理論依據。

鑫安煤礦位于寧汶煤田東北部，屬山東省泰安市寧陽縣，含煤地層為月門溝群山西組和太原組，可采煤層為山西組3 煤層和太原組15下、16、17 煤層，主采煤層為山西組3 煤層，平均厚度4.63 m，采用走向長壁綜采放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板。礦井總體為一背斜構造，地層傾角11°～38°，大、中、小斷層均發育，且斷層有相互切割交叉現象，井田西部和中北部受巖漿巖侵入的影響，未發現巖溶陷落柱，地質構造復雜。

經過多年開采，3 煤層存在多處老空積水，3煤層的直接含水層為頂板砂巖含水層。另外，受構造影響，奧灰可能對礦井充水。

1 井田水文地質概況

鑫安礦位于區域水文地質單元東北部，寧汶煤田寧陽塊段西南部，礦井內各基巖含水層均隱伏于第四系之下，第四系平均厚度44.63 m，礦井內無大的地表河流，僅存在一些排洪溝和路溝、季節性積水區。由于第四系及新近系地層中黏土類隔水層發育，因此，各基巖含水層與地表水、大氣降水無直接水力聯系。

1.1 礦井邊界水文地質條件

礦井西部為F22 大斷層，落差380 m，西升東降，煤系地層與對盤奧灰對接，為補給邊界；東部、南部、北部均為人為技術邊界，為補給邊界。

1.2 含水層

礦井內含水層自上而下依次為第四系砂礫層、新近系砂礫層、白堊系砂巖含水層、3 煤層頂底板砂巖（簡稱3 砂）、太原組三灰、十下灰及奧陶系石灰巖，其中3 砂是開采3 煤層的直接充水含水層。主要含水層相關參數見表1。

表1 主要含水層相關參數

3 砂以灰白色、灰色中、細砂巖為主，局部為粗砂巖，平均30.18 m。據鉆孔資料，巖芯較破碎，21 個鉆孔中僅1 孔漏水。根據抽水試驗成果，水位標高19.57～38.80 m，單位涌水量0.000 9～0.001 4 L/s·m，富水性弱，水化學類型屬Cl·SO4-Na 型水，為開采3 煤層的直接充水含水層。礦井生產過程中揭露3 砂時偶有出水，出水點含水層巖性多為中砂巖、細砂巖，厚度4～8 m，最大水量8.2 m3/h，出水點無水壓，一般最大出水量持續幾小時后逐漸衰減。

三灰平均3.67 m，淺部裂隙發育，見溶蝕現象，局部巖芯破碎，未發現漏水孔。據抽水試驗成果，三灰水位標高-3.71 m，單位涌水量0.000 3 L/s·m，富水性弱，水化學類型屬Cl·SO4-Na 型水，水位恢復緩慢。結合區域三灰水文地質條件，三灰富水性很不均一，淺部富水性中等，深部富水性較弱。

礦井內奧灰最大揭露厚度達111.6 m，裂隙發育，充填或不完全充填方解石脈，見溶洞，局部巖芯破碎。據抽水試驗成果，奧灰初始水位標高34.73～38.14 m，單位涌水量0.016 3～0.050 7 L/s·m，富水性弱，水化學類型為SO4·Cl-Ca·Na 型水。根據寧陽煤田上世紀80 年代的奧灰抽水試驗成果，鉆孔單位涌水量0.000 06～7.78 L/s·m，礦化度0.252～1.45 g/L，水化學類型以HCO3-Ca 為主。通過對含水層埋藏條件分析，奧灰淺部富水性強，埋深加大，含水層富水性變弱。

1.3 隔水層

礦井的隔水層主要為：第四系～新近系黏土類隔水層組（隔水層組Ⅰ）、古近系～白堊系隔水層組（隔水層組Ⅱ）、石盒子群隔水層（隔水層組Ⅲ）、17 煤至奧灰隔水層（隔水層組Ⅳ）。

隔水層組Ⅰ為松散層，由砂層與黏土、砂質黏土組成，其中的黏土類與砂層相間沉積使砂層含水層間的水力聯系變弱或阻隔，從而形成隔水層組，可有效阻止大氣降雨、地表水及砂層水對基巖含水層的直接補給。

隔水層組Ⅱ、Ⅲ中的砂質泥巖、粉砂巖厚度大，為基巖中的相對隔水層，可阻止上部含水層對其下伏含水層垂直補給，形成隔水層段。

隔水層組Ⅳ巖性主要為泥巖、鋁質泥巖及石灰巖，由于17 煤層與奧灰間距較小，且巖芯較破碎，不能有效阻斷奧灰水對采煤的影響。

1.4 斷層導、富水性

礦井內共有44 個孔見斷層但均未發現漏水。建井時，在軌道及膠帶暗斜井中揭露F34 及F43 斷層，均只有淋水現象。生產過程中揭露的斷層均不含水、不導水。

礦井內落差大于100 m 的斷層有24 條，這些斷層可縮短奧灰與3 煤層、奧灰與三灰的距離，甚至對口接觸。因此，在采掘工程接近斷層時，留設足夠的斷層煤柱，以防奧灰水突入礦井。

1.5 地下水補給、徑流與排泄

各充水含水層，其補給、徑流、排泄條件均屬不良，含水層水以靜儲量為主。第四系砂層主要接受大氣降水和沉積邊緣的基巖補給，其他含水層則主要通過露頭接受第四系砂層水的滲透補給。礦區基巖含水層，在構造及裂隙發育區富水性好，構造及裂隙不發育區富水性差，淺部富水性較好，深部富水性減弱。

1.6 相鄰礦井

鑫安煤礦為獨立塊段，周圍無相鄰礦井。礦井東北部有保安煤礦、伏山煤礦，與該礦井口相距20 km；西南部為新驛礦井，井口相距15 km，中間有F1 大斷層相隔。不存在相鄰礦井對開采造成影響。

2 3 煤層開采水害隱患分析

2.1 大氣降水與地表水水害分析

鑫安煤礦區內地形平坦，地面標高+54.53～+57.96 m，地勢東北高西南低，地形坡度0.80‰。礦井為溫帶半濕潤季風區，屬于大陸性氣候，四季分明。平均年降水量688.86 mm，最小237.02 mm（2013 年），最大1 186.0 mm（1964 年），降雨多集中在7～8 月份，日最大降雨量177.1 mm（1965年7 月9 日）。礦區內無大的地表河流，僅存在一些排洪溝和路溝、季節性積水區，礦井內僅東部有一條南北向趙王河，該河目前常年干涸。

礦井內第四系平均44.63 m，3 煤距第四系底的間距≥90.06 m；新近系平均厚度102.43 m。第四系～新近系黏土類地層可阻隔地表水、大氣降水的向下補給，故大氣降水與地表水對3 煤層開采沒有影響。

2.2 上覆含水層水害分析

2.2.1 水害來源

3 煤層上覆含水層：第四系砂礫層、新近系砂礫層、白堊系砂巖含水層、3 砂含水層。

由于3 煤層上覆隔水層Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的阻隔，使得第四系砂礫層、新近系砂礫層、白堊系砂巖含水層對礦井3 煤層開采影響不大。

3 砂是開采3 煤層的直接充水含水層。導水斷裂帶波及范圍內含水層厚度增大，對礦井的充水危險性就會增大，反之，則低。礦井未測量3 煤層的實際導水斷裂帶高度，本次采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采指南》中介紹的公式計算導水斷裂帶高度：

式中：H為導水斷裂帶最大高度，m；M為煤層厚度，m；Σm為累計采厚，m。

根據計算，式（2）計算的結果符合礦井實際（見表2）。從表2 可以看出，3 煤層導水斷裂帶高度在42.25～57.71 m 之間，主要發育在山西組，稍微波及石盒子群底部，山西組上覆石盒子群最大殘留厚度709.82 m，平均厚度349.76 m，故導水斷裂帶不會波及白堊系。石盒子群為隔水層，故3 煤層上覆含水層水害主要來自3 砂。

表2 導水斷裂帶發育高度 m

2.2.2 水害影響程度分析

1）充水危險性劃分標準

按導水斷裂帶范圍內含水層厚度，本次把3 煤層頂板含水層的充水危險等級劃為三個等級：m＜7 m，劃為一般區；m=7～11 m，劃為中等區；m＞11 m，劃為嚴重區。

2）充水危險性劃分結果

根據上覆基巖導水斷裂帶內含水層厚度，繪制了頂板含水層充水危險性評價圖如圖1 所示。從圖1 可以看出，礦井中部開采3 煤層的頂板含水層充水危險性強，由中部向南北兩側3 煤層頂板含水層充水危險性逐漸減弱，至礦井南部開采3 煤層的頂板含水層充水危險性弱。

圖1 頂板含水層充水危險性評價圖

2.3 下伏含水層水害分析

2.3.1 水害來源

3 煤層的下伏含水層主要有三灰、十下灰、奧灰。

3 煤層下距三灰平均63.20 m，三灰以靜儲量為主，富水性弱，井下掘進揭露時一般無水或少量出水，正常情況下三灰不會威脅3 煤層開采。受構造的影響，縮短三灰至3 煤間距，在落差＞100 m 的斷層附近，三灰與奧灰接近或對口接觸。三灰在淺部富水性較強，在-300 m 以下含水性較弱，僅表現為滴水、淋水形態，且為靜儲量。三灰是3 煤開采的間接充水含水層，生產中要注意防范。

十下灰平均厚度5.41 m，未發現漏水孔，下距奧灰40.49 m。落差≥50 m 的斷層，可使其與奧灰對口。礦井目前未揭露十下灰，一般情況下，十下灰對礦井3 煤層的開采沒有影響。

3 煤層下距奧灰遠，正常情況下不會對3 煤層開采造成影響，但在大斷層附近，3 煤層可能與奧灰對口接觸，需注意防范。

綜上所述，對3 煤層開采有影響的下伏含水層主要為奧灰含水層。

2.3.2 底板奧灰影響程度分析

鑫安煤礦內設置了3 個奧灰水文長觀孔，當前奧灰水位值為+8.14～47.39 m，高于礦井內3 煤層的底板標高值，因此礦井開采3 煤層屬于帶壓開采。本次采用“突水系數法”對3煤層帶壓開采進行評價。

1）評價方法

采用公式：

式中：T為突水系數，MPa/m；P為隔水層底板承受的水壓，MPa；M為隔水層厚度，m。

根據《煤礦防治水細則》，底板受構造破壞的地段突水系數一般不得大于0.06 MPa/m，隔水層完整無斷裂構造破壞的地段不得大于0.1 MPa/m。

2）奧灰含水層水位情況

根據礦井內3 個奧灰水文長期觀測孔觀測數據可知，礦井內奧灰含水層水位正常呈現出東南部高、西北部低的趨勢，實測奧灰水位為+8.14～47.39 m。

3）3 煤層底板隔水層賦存情況

礦井內有3 個鉆孔同時揭露3 煤層與奧灰，平均間距在180 m 左右，巖性以中砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥巖與煤層為主。

4）3 煤層隔水層底板承受水壓情況

參照奧灰水位、頂板標高，計算出3 煤層底板隔水層所承受的水壓為4.5～13.5 MPa，整體呈現出西部低、東部高的趨勢。

5）3 煤層底板奧灰突水系數

根據礦井內奧灰含水層水位信息、奧灰含水層頂界面賦存情況、3 煤層底板與奧灰含水層頂面間距情況等，計算了3 煤層底板奧灰突水系數約為0.025～0.075 MPa/m，整體呈現出西部低、東部高的趨勢，并繪制了3 煤層底板奧灰突水系數等值線圖如圖2 所示。

圖2 3 煤層底板奧灰突水系數等值線圖

在正常條件下，由于3 煤層距離奧灰較遠，奧灰含水層對3 煤層的開采沒有影響。但在構造發育條件下，特別是斷層的發育導致煤層距離奧灰間距減少，且隔水層的完整性受到了破壞，煤層開采受奧灰含水層的威脅增大。井田東部的突水系數已經大于了0.06 MPa/m，鑫安煤礦內斷層發育較為規律，特別是在斷層構造發育區均留設了防隔水煤巖柱。綜上所述，在構造發育區必須加強對斷層導富水性的探查、分析，評價底板奧灰含水層對煤層開采的影響。

2.4 老空積水水害隱患分析

鑫安煤礦為獨立塊段，周圍無相鄰礦井，不存在相鄰礦井泄水、貫通巷道。

礦井內存在原沙莊煤礦老空區。原沙莊煤礦面積約1.7 km2，開采水平為-147 m，開采范圍主要集中在-147 m 水平大巷以上的淺部區域。積水三處，積水面積29 500 m2，積水量17 500 m3，積水線、探水線及警戒線三線明確。根據礦井開采方案，原沙莊井擾動開拓范圍內的煤層將不再開采，原沙莊井開拓范圍南部煤層露頭部位為煤焦混合區，亦不開采。礦井已在-147 m 水平修建了防水墻，防水墻設計服務年限與礦井同年限，該防水設施能較有效地防止-147 m 大巷以上采空區涌水的威脅。

據2005 年至2022 年礦井涌水量觀測，沙莊礦老空來水占礦井涌水量的30%左右。因此，礦井開采接近積水區警戒邊界時，應嚴格執行防治老空水措施，保證礦井安全。

3 結論

鑫安煤礦主采3 煤層，開采3 煤層的水害隱患主要來自3 砂水、奧灰水和老空積水。3 砂是礦井的直接充水含水層，富水性弱，正常情況下發生較大水患的可能性不大，其對3 煤層的強充水區主要位于礦井的中部。在正常條件下，奧灰對3 煤層的開采沒有影響，但在構造發育條件下，尤其在礦井東部，奧灰突水系數大于0.06 MPa/m，煤層開采受奧灰含水層的威脅增大。礦井采掘工程接近淺部老空積水時，應警惕老空積水對礦井充水。此外三灰作為開采3 煤層的間接底板充水含水層，雖然其以靜儲量為主，富水性弱，但在斷層附近或井巷工程揭露三灰時，亦會對礦井產生充水影響。