煤礦深部含水層突水規律的研究

邢會安

(焦作市神龍水文地質工程有限公司，河南 焦作 454100)

焦作煤田是最典型的華北型煤田，是我國有名的大水礦區，其水文地質條件十分復雜。許多國內外的專家學者都在焦作研究過防治水工作。因此，研究焦作煤田的防治水工作對于我國煤炭事業的發展具有十分重要的意義。

焦作礦區歷史上曾經淹井20次。1999年后，焦作礦區對L8灰含水層進行了底板注漿加固。這一措施對于防治L8石灰巖含水層突水起到了很好的作用，礦井突水事故大大減少，礦區排水總量大大降低。但是，隨著煤礦生產開采深度的增加，礦井水壓越來越大。因此深部含水層對煤礦生產的影響越來越嚴重。工作面被淹的突水事故多次發生，嚴重時整個礦井被淹。因此，深部含水層的治理已經刻不容緩，迫在眉睫。

神龍公司注漿堵水的歷史已經有53年，完成煤礦注漿堵水工程已有一百多次。多年的實踐，使在煤礦深部含水層的治理上有許多經驗和教訓。研究這些經驗和教訓，對于快速堵水，提高工程質量，增加經濟效益，具有十分重要的意義。

1 地質背景

焦作煤田位于昆侖秦嶺構造帶北支邊緣，祁呂賀山字型構造前弧東翼與新華夏系第三隆起帶——太行山復背斜隆起帶南段東翼山前傾斜平原地帶，地層走向北60°東，傾向南東，傾角8°～12°，呈地塹、地壘、傾斜斷塊等組合形式，以斷裂構造為主。

焦作礦區主要地層介紹如下：①奧陶系中統馬家溝組。以厚層狀石灰巖與白云質灰巖互層為主，厚度400～500m，平均厚度450m。②石炭系中統本溪組。主要為灰、灰黑色黏土巖，鋁土質泥巖，厚度為3～50m，平均厚度20m。③石炭系上統太原組。主要由海相灰巖與陸相頁巖、砂巖、砂質頁巖及煤層交互相成。含灰巖6-9層。本組厚度一般為80～110m，平均厚度為90m。④二疊系下統山西組。主要為深灰、灰黑色砂巖，頁巖，砂質頁巖互層。本組厚度70～90m，平均厚度為80m。⑤二疊系下統下石盒子組。由砂巖、泥巖、粉砂巖互層，本組厚度110～140m，平均厚度為120m。⑥二疊系上統上石盒子組。主要為灰黃、黃綠、灰白色砂巖，粉砂巖、泥巖互層，層理不明顯。本組鉆孔揭露最大厚度超過400m。⑦第四系、第三系。巖性主要為棕黃、褐黃色亞黏土、砂土夾鈣質結核，砂礫石及礫巖組成。從西北向東南方向逐漸增厚，從0m到900m以上。⑧石炭系上統太原組和二疊系下統山西組。為主要含煤地層，主要開采煤層為二1煤。

1.1 含水層

焦作煤田奧陶系灰巖中，巖溶裂隙發育，為地下水提供了良好的儲水空間和徑流通道。地下水總體流向由北面的山西晉城流向南面的焦作，主要含水層簡介如下：

第四系沖、洪積孔隙含水層：主要由砂、礫石、礫巖組成，現在水位標高+88m左右。

基巖風化裂隙帶含水層：主要由風化的砂巖組成，一般厚20m左右，斷層帶附近可增大到30～70m。水位標高+92.07～+99.02m。含水性中等，對淺部煤層開采有一定影響。

二疊系砂巖裂隙含水層：由若干分層組成，富水性弱，水位標高+75m左右，導水性弱。為二1煤頂板直接充水含水層，對礦井安全開采無威脅。但當與上部含水層溝通時，對煤層開采有一定影響。

石炭系八層灰巖(L8)裂隙巖溶含水層：上距二1煤16～50m，厚6～8m。上部為泥質灰巖或夾泥灰巖；中、下部為厚層狀隱晶灰巖，中夾燧石條帶。為二1煤層底板直接充水含水層。充水量占礦井總充水量的70%，對礦井開采影響較大。

石炭系二層灰巖(L2)裂隙巖溶含水層：上距二1煤75～95m，厚8～12m。為厚層狀隱晶灰巖，有時中夾薄層泥巖或泥灰巖。為二1煤層底板間接充水含水層。一般對礦井開采無影響，但可通過斷裂帶等補給L8灰巖含水層。

奧陶系灰巖(O2)巖溶裂隙含水層：富水性強，但極不均一。水位標高+70～+90m。為二1煤層底板間接充水含水層，一般對礦井開采無影響。

L2含水層和O2含水層一旦通過斷裂帶或底板裂隙進入礦井，將會給礦井安全造成極大威脅。

含水層的深淺是相對的。我們把第四系沖、洪積孔隙含水層、基巖風化裂隙帶含水層、二疊系砂巖裂隙含水層、石炭系八層灰巖(L8)裂隙巖溶含水層，稱為淺部含水層；把石炭系二層灰巖(L2)裂隙巖溶含水層和奧陶系灰巖(O2)巖溶裂隙含水層，稱為深部含水層。

2 深部含水層的特點

2.1 含水層水壓高

深部含水層距離開采煤層90～150m。由于深部含水層距離開采煤層較遠，所以一般情況下不容易出水。即使出水，大部分出水點都予以封堵。因此，深部含水層的水位降低不大，水壓較高。

隨著煤礦開采深度的增加，含水層埋藏越來越深，因此，水壓越來越大。

淺部的礦井在以前都已經開發完，因此有些礦井在礦井開采初期，含水層埋藏就很深。含水層埋藏的深度和水壓成正比。含水層埋藏越深，水壓越大。

2.2 含水層厚度大、含水性強

第四系沖、洪積孔隙含水層、基巖風化裂隙帶含水層、二疊系砂巖裂隙含水層、石炭系L8灰巖裂隙巖溶含水層，含水性相對較弱、厚度較小(石炭系L8灰巖裂隙巖溶含水層厚度8m左右)。而石炭系二層灰巖(L2)裂隙巖溶含水層和奧陶系灰巖(O2)巖溶裂隙含水層，含水性相對較強、厚度較大(石炭系L2灰巖裂隙巖溶含水層厚度12m左右；奧陶系灰巖(O2)巖溶裂隙含水層達到400～500m。

奧陶系灰巖(O2)巖溶裂隙含水層，是焦作礦區地下水的根源。

2.3 L2灰巖含水層和奧陶系灰巖(O2)含水層實際上是一個含水層

L2灰巖裂隙巖溶含水層由于距離奧陶系灰巖(O2)巖溶裂隙含水層距離很近,所以，它們實際上是一個含水層。

3 深部含水層的突水規律

3.1 出水面積大，出水點多

深部含水層出水的情況是，不僅出水點多，而且出水面積大。古漢山礦11092工作面頂層出水點9個，底層出水點11個。當一個工作面出水時，剛上來水量一般不大，隨著工作面的回采，出水量越來越大，一直到不能夠回采時，工作面才停止回采。從工作面出水到停止回采的采空區面積，可以達到上萬m2。

3.2 一旦出水，其水量較大

石炭系L2灰巖裂隙巖溶含水層，和奧陶系灰巖(O2)巖溶裂隙含水層由于距離煤層較遠，所以一般情況下不容易出水。但是一旦出水，其水量遠遠大于淺部含水層的出水量。近幾年，深部含水層出水點的水量都在每分鐘十幾t以上。只有個別點的水量在每分鐘十幾t以下。深部含水層出水點的水量，都使得工作面被淹而停止回采。

3.3 與潛伏裂隙有關

煤礦工作面底板和含水層之間存在著一個隔水層。如果這個隔水層有裂隙存在時，含水層的水就會順著裂隙向上延伸。如果這個裂隙延伸至工作面底板時，那么采動后就會出水。然后，隨著礦壓的加大，裂隙逐漸變大，從而出水量也逐漸加大。當這種裂隙沒有到達煤層工作面底板時，有人稱這種現象為潛伏的水頭。這種潛伏的水頭一旦和工作面采動破壞的裂隙接軌，就產生工作面的突水。深部含水層的出水往往與潛伏裂隙有關。

3.4 底層出水與礦壓有關

2006年以前，焦作礦區的頂層工作面只要不出水，那么，再往下的下層工作面就不會再出水。或者是只要頂層工作面出水后，下層工作面回采時水量不再增大。但是，2006年6月古漢山礦11092工作面的出水，就打破了這一規律。古漢山礦11091工作面頂層回采時水量并不大。但是11092工作面底層回采時，出水量達到每分鐘25t。

下層工作面水量增大或增加出水點的原因，就是因為礦壓增大。因為礦壓增大后，對煤層底板的破壞深度增加。對煤層底板的破壞深度增加，就是煤層底板裂隙深度的增加。這種裂隙增加到一定深度后，就使得深部含水層的水沿著裂隙進入工作面。這就是深部含水層的突水機理。

3.5 有斷層時出水，沒有斷層時也照樣出水

在煤礦開采的初期，不管是巷道還是工作面，遇到斷層時經常造成出水事故。因此，從20世紀80年代開始，對于稍微大一點的斷層，都實行了一系列的技術措施。這樣基本上避免了見斷層導致出水的事故發生。以后隨著開采深度的增加，水壓越來越大，工作面的礦山壓力也越來越大，因此深部含水層多次出現出水事故。也就是說，沒有斷層時，工作面也照樣發生出水事故。

3.6 出水時經常有底臌現象，底臌的地方就是出水點

煤礦工作面停采線處底板底臌，是深部含水層出水的最重要表現形式和特征。底臌的速度和高度，是深部含水層出水的尺度。

底臌的地方就是出水點的地方。實際上，煤層底板底臌就是礦壓和水壓共同作用所形成的新的斷層。這種新的斷層就是出水通道。

煤礦工作面底板突水時，認真準確收集工作面底板鼓起的速度和高度，對于預測突水、分析、發現出水的通道具有重要意義。

3.7 出水點的水量在停止回采后一般會逐漸變小，但特殊情況下會增大

煤礦深部含水層出水點的水量在停止回采后，一般情況下是逐漸減少。例如：九里山礦14101工作面出水后，水量由每分鐘28t逐漸減少至15t；中馬村礦25煤柱工作面出水后，水量由每分鐘15t逐漸減少至10t；方莊二礦23082工作面出水后，水量由每分鐘15t逐漸減少至不到10t；方莊二礦20052工作面出水后，水量由每分鐘7.23t逐漸減少至4.50t；古漢山礦11092(西)工作面出水后，水量由每分鐘25t逐漸減少至14t；古漢山礦11092(東)工作面出水后，水量由每分鐘16.70t逐漸減少至5t；古漢山礦11101(東)工作面出水后，水量由每分鐘11t逐漸減少至6.50t。

煤礦深部含水層出水點的水量逐漸減少的原因是：隨著時間的推移，工作面逐漸下沉、塌實，阻礙了出水通道，使出水通道逐漸變小，以致出水量變小。

特殊情況下，深部含水層出水點的水量在停止回采后也會增加。例如：古漢山礦13051工作面在停止回采后水量不僅不減少，而且有所增加。2010年2月18日，古漢山礦13051工作面在停止回采后，出水量每分鐘12.80t左右。2010年4月1日，古漢山礦13051工作面水量，在沒有采動的情況下增加到每分鐘14t左右。

近幾年，深部含水層出水點的水量增加的案例只此一例。其原因是因為：水壓高；工作面中間有斷層；一邊回采，一邊打鉆堵水；注漿鉆孔封閉質量不合格。

3.8 出水后，隨著工作面的回采水量逐漸加大

工作面剛上來出水一般不大，但隨著工作面回采長度的增加，水量逐漸增大，直至不能夠回采。

古漢山礦11092工作面出水情況案例：

2006年7月20日，11092東工作面發生突水，水量不大。2006年7月22日水量增大，此時工作面內有三個出水點，出水量分別為1.0m3/min、1.0m3/min和2.0m3/min。2006年7月23日，工作面停產，工作面的水量增大到16.7m3/min。期間巷道底臌嚴重。

3.9 工作面改造后照樣出水

對于淺部含水層的出水，特別是對于石炭系L8灰巖裂隙巖溶含水層的出水，過去治理的方法大多采用留一段煤柱改造開切眼的方法治理。使用這種方法，對于石炭系L8灰巖裂隙巖溶含水層的出水點是行之有效的。但這種方法對于深部含水層的出水點是不行的。古漢山礦11092工作面改造了6次，仍然出水。因此，深部含水層的出水點必須經過注漿堵水及注漿加固后，才能夠保證不再出水。

4 深部含水層的突水規律的研究意義

4.1 對煤礦注漿堵水具有重要意義

以前，在找出水通道時，一直把斷層作為重要依據。根據煤礦深部含水層的突水規律，知道深部含水層出水時往往沒有斷層。因此，煤礦深部含水層的出水通道往往與礦壓有關。可以根據礦壓來找到出水通道。底臌就是工作面底板的出水通道。

4.2 對煤礦安全生產具有重要意義

深部含水層的水壓高，厚度大、含水性強，一般情況下不容易出水，一旦出水、其水量較大，往往會淹井或淹采區。因此，要采取各種手段來避免深部含水層出水。另外，在注漿堵水時，首先要防止水量增大的問題。注漿堵水的很多案例說明，在注漿堵水時，水量的增大足以淹井。

4.3 對煤礦防治水的方法具有重要意義

過去留煤柱改造開切眼的方法治理淺部含水層的出水點是可行的。根據本研究成果，深部含水層的出水點的治理，必須經過注漿堵水及注漿加固后才行。

深部含水層的出水大多數表現為L2灰巖含水層。在對其治理的時候，很多人都認為注漿堵水鉆孔施工到L2灰巖含水層即可。根據以往經驗，注漿堵水鉆孔必須施工到O2灰巖含水層。這樣做，才能夠從根本上治理出水事故。否則，不僅施工鉆孔數量大大增加，而且堵水率很低。

5 結論

1)深部含水層水壓高、厚度大、含水性強。一般情況下，深部含水層不容易出水，但一旦出水，不僅出水點多，出水面積大，而且水量較大。

2)L2灰巖含水層和奧陶系灰巖(O2)含水層實際上是一個含水層。

3)深部含水層的出水，往往與礦壓、潛伏裂隙有關。因此，有斷層時出水，沒有斷層時也照樣出水。出水時經常有底臌現象，底臌的地方就是出水點。出水后，隨著工作面的回采，出水點的水量會逐漸加大。在工作面停止回采后，出水點的水量一般會逐漸變小，但特殊情況下會增大。

4)研究深部含水層的突水規律，對煤礦注漿堵水和煤礦安全生產及煤礦防治水的方法具有重要意義。