蔣家河煤礦水文地質特征及防治水措施

文/張西寨

蔣家河煤礦水文地質特征及防治水措施

文/張西寨

蔣家河煤礦為彬縣煤炭有限責任公司新建礦井，位于黃隴煤田中段的彬長礦區南部,主采煤層為侏羅紀延安組4號煤層優質長焰煤，位于白堊系洛河組砂礫巖含水層和侏羅紀直羅組砂巖富含水地層之下。煤礦在巷道掘進和工作面回采的過程中，巷道和回采工作面頂板淋水涌水嚴重，影響了正常生產。本文在蔣家河煤礦實際生產中不斷摸索的基礎上，結合礦區地質條件和區域水文地質特征，借鑒彬長礦區已經建成投產的大佛寺、亭南、下溝、火石咀等礦井在礦井水防治方面取得的成功經驗，闡述有效的防治水措施，可實現富含水層下煤炭安全開采的目標，在彬長礦區具有一定的推廣和借鑒意義。

一、地質特征

彬長礦區位于鄂爾多斯盆地南部的渭北隆起北緣的彬縣—黃陵坳褶帶，出露的地層有三疊系、侏羅系、白堊系、第三系和第四系。總體構造形態為中生界構成的NW緩傾的單斜構造，在此單斜上展布一些寬緩而不連續的次級褶皺構造。從南到北，礦區發育的背斜有太峪背斜、彬縣背斜、路家—小靈臺背斜及礦區北部的七里鋪—西坡背斜。褶皺構造兩翼多不對稱，南緩北陡，南翼1°～3°，北翼4°～8°，它們對礦區煤層分布起著一定的控制作用，背斜軸部常缺失含煤地層及煤層。地表未發現斷層，在礦區的水簾礦、火石嘴礦、下溝礦和蔣家河礦的生產礦井中，可見少量斷距為1.2～6m的小斷層。未見巖漿巖和火山巖侵入，該礦區為簡單構造。

二、礦區水文地質條件

礦區地層平緩，未發現斷層，地質構造簡單，周邊無老空積水區，無較大的地表徑流水系。水文地質勘探類型屬以裂隙充水為主，水文地質條件屬于簡單類型，即“二類一型”。煤層直接充水含水層為侏羅系中統直羅組砂巖裂隙含水層，以及侏羅系中統延安組煤層及其頂板砂巖含水層，充水方式為頂板進水。各直接充水含水層埋藏深，裂隙不甚發育，補給來源有限，導水性差，逕流滯緩，富水性微弱。

井田主采煤層4號煤層厚度為0.8～10.85m，平均厚度為5.29m，煤層底板標高550.97～723.24m，埋深322～636.80m，位于當地侵蝕基準面之下。煤層下伏巖層含水微弱，可視為相對隔水層。影響礦井生產的主要有洛河組砂礫巖含水層、直羅組砂巖含水層、延安組煤系含水層。

三、構造及煤厚分布特征

根據一采區首采工作面巷道掘進實測剖面的揭露情況（圖1），在工作面走向上的煤巖層構造特征主要表現為一寬緩向斜褶皺。煤層厚度和展布特征為巷道中段厚，兩端薄，且較厚部位恰好在向斜的軸部，最厚煤層為9.9米，最薄為1.7m米。二采區首采工作面也具有一采區首采工作面的構造特征和煤層分布特征，說明礦區煤層受趙坡向斜構造控制。

圖1 一采區首采工作面剖面示意圖

四、工作面涌水情況

蔣家河煤礦2010年底開始試生產運行，一采區首采工作面走向長度1750m，傾斜寬約150m，采用走向長壁式綜合機械化放頂煤開采，采高約3.1m，放頂厚度約2.6m，根據該工作面試采推進過程中出水情況，涌水步距約90～100m，涌水量最大約35m3/h，最小約5m3/h。

二采區首采工作面走向長1400m，傾斜長151m，掘進期間順槽主要以頂板淋水為主，淋水量衰減速度慢，淋水略帶咸味，多在錨桿、錨索孔淋出。回風順槽從172m至410m頂板局部有淋水，但不影響正常生產，從410m處開始至586m左右淋水增大，淋水區長度約176m，巷道淋水面積約700m2，淋水量約30m3/h，均為頂板淋水，運順情況與回順基本相似。

二采區首采工作面回風順槽掘進至172m處遇到斷距約3m的北傾正斷層（圖2），斷距約2.6m，斷層帶寬度約0.5m，斷面處煤巖破碎，瓦斯涌出增大，淋水量增大。運輸順槽掘進至83.5m處遇到斷距約3.5m的北傾正斷層（和回順為同一斷層），斷層處均有頂板破碎、頂板淋水、瓦斯濃度升高的特點。

圖2 斷層示意圖

五、水文地質因素分析

1．充水水源。工作面掘進和回采期間大氣降水和地表水均未對礦井生產造成影響，因此依據兩個采區首采工作面的充水特征，結合地質勘探成果，一采區首采工作面頂板涌水可能為延安組上段巖系含水或直羅組底部巖層含水；據二采區首采工作面掘進期間淋水特點及水量大小判斷，也可能為直羅組和延安組含水層裂隙水。

2．充水通道。由于4號煤層上覆地層巖性以細砂巖、粉砂巖為主，其次為中粒砂巖，粗粒砂巖及泥巖，呈互層狀結構。因此在冒落帶高度較小區域，礦井充水通道為構造原生裂隙。

隨著礦井的開拓，導水裂隙帶的形成和擴展，白堊系洛河組砂巖孔隙～裂隙含水層中的地下水亦可能在局部地段通過透水“天窗”進入井巷系統。根據4號煤開采過程中所形成的導水裂隙帶高度所能波及的范圍，所確定的突水保護層的厚度為13.72m～105.82m，局部地段洛河砂巖含水層有可能與4號煤導水裂隙帶貫通。

3．充水強度分析。蔣家河礦二采區4號煤層含水層下開采論證分析認為：導水裂縫帶波及不到白堊系含水層時，侏羅系最大涌水量Q=150m3/h，二盤區最大涌水量為225m3/h。導水裂縫帶波及到白堊系含水層時，白堊系最大涌水量Q=2637m3/h。因此，可得出白堊系含水層和侏羅系含水層涌水量為2862m3/h。地質勘探成果認為全井田礦井正常涌水量：145.99m3/h；井田南北兩個透水“天窗”的總充水量為529.89m3/h。可行性研究報告分析認為礦井正常涌水量為150m3/h，礦井最大涌水量為230m3/h。

兩個采取首采工作面的實際生產數據測算表明，礦井正常涌水量為160m3/h，最大涌水量為314.4m3/h。說明首采工作面的掘進和生產還未導通白堊系地層含水，淋水和涌水主要為延安組和直羅組地層含水。隨著巷道掘進和回采形成的采空區逐步增大，頂板冒落高度及導水裂隙帶的進一步發育，礦井可能有大量的地下水涌入，對礦井的安全生產造成較大的影響，應該引起足夠的重視。

六、地質影響因素分析

1．圍巖巖層力學特征。主采4號煤層底板主要為泥巖、頁巖，特別是遇水泥化的鋁土質泥巖，單軸干燥抗壓強度27.1～48.44MPa，堅固系數集中在0.9～1.2，RQD值35.67～47.70，軟化系數0～0.35，泥巖的泥化比為1.51～3.35，屬于遇水易泥化巖石。整體而言，4號煤層底板巖層屬于穩定性很差、易膨脹軟化、堅固性差、強度低的巖層。

主采4號煤層賦存的侏羅紀地層具有泥類巖層所占比例較大，上覆巖層為軟硬互層，而且具有軟巖單層厚度大、巖石力學強度低等特征，總體為中硬偏軟弱的巖層，主干強硬巖層比例較低，容易形成大范圍的采空垮落區域，造成導水裂隙帶延伸高度加大。

2．防隔水層厚度分布不均。二采區首采工作面所在區域鉆孔表明，此工作面需要通過井田北部“透水”天窗所在部位，該區段老頂厚度約23m左右，主要為粉砂巖、粗砂巖和細砂巖，其上無厚度較大粘土隔水層，依據勘探報告導水裂隙帶最大高度160.73m，突水保護層的厚度僅為13.72m，最大充水量為262.14m3/h，因此在該工作面及其相鄰的工作面掘進和開采過程中需做好防透水、突水預案和防范措施。

3．擾動礦壓的影響。一采區和二采區首采工作面均為整個礦井的首采工作面，初次擾動該區域上覆巖層，礦山壓力顯現將會比較明顯，加之工作面中部煤層厚度較大，擾動就更加強烈，因此對造成上覆巖層次生裂隙逐步增加，地層含水沿次生裂隙大量涌入巷道和工作面。

七、綜合治理措施

1．采前探測。采前探測導水裂縫帶高度和導水裂縫帶高度，為合理開采厚度提供依據；探測煤層厚度和侏羅系巖層厚度，確保實際的安全煤巖柱垂高不小于設計尺寸；及時核實和調整開采厚度，在工作面掘進期間通過向巷道頂板打探測孔的方法探測頂煤的厚度，并根據探測到的煤厚情況對巷道進行調整；掘進時要密切注意可能出現的斷層，對可能導水的有關斷層進行超前探測，根據斷層的具體情況留設斷層煤柱。

2．疏干降壓。為了防止直羅組、延安組含水層向工作面過量充水，采前在疏水順槽內布置部分仰上探放水鉆孔，預先疏降延安組、直羅組含水位，疏水鉆孔的間距初定為50～200m，根據鉆孔出水量的大小調整鉆孔間距。

3．采用合理的開采工藝。加強工作面支護，特別是在老頂初次來壓和周期來壓期間，做到及時支護，并搞好工作面端頭支護；采取合理的推進速度，盡量做到回采工作面連續快速和勻速推進，防止冒頂事故的發生；結合具體情況研究制定切實可行的放煤措施，仔細檢查核實放出煤量，并與設計放煤厚度進行對比。

4．建立完善排水系統。建立健全暢通的礦井和采區疏排水系統。加強排水設備的維修與管理。定期清理水溝和水倉，確保疏排水系統的正常。及時排水，在工作面可能出現涌水或淋水現象的塊段內提前施工區段水倉。

八、結論

1．侏羅系直羅組砂巖含水層和延安組砂巖含水層是礦井的直接充水含水層。白堊系洛河宜君組砂礫巖孔隙～裂隙含水層分布范圍廣，厚度大，富水性強，是礦井的間接充水含水層，隨著礦井的開拓會造成較大的安全威脅，應該引起重視，提前做好防范措施。

2．二采區“透水天窗”是礦井地下水比較容易進入的區域，需要提前制定科學可靠的防范措施。

3．一二采區首采工作面掘進和回采期間涌水均為延安組及直羅組地層含水，涌水量和涌水強度不是很大，可以采取及時安全的措施予以防治。隨著礦井開拓和開采面積的逐步擴大，導水裂縫帶波及到白堊系含水層時，可能有較大的涌水量，將會造成較大的安全威脅，也是礦井在未來生產中需要切實防范的安全隱患。

4．蔣家河煤礦的生產實踐表明，采取合理的開采工藝，制定切實可行的防治水措施，4號煤層可以實現富水層下安全開采，同時也為彬長礦區礦井防治水積累了豐富的經驗。

（作者單位：陜西彬縣煤炭有限責任公司）

（責任編輯：龐永厚）