重慶魚田堡煤礦礦井涌水量變化特征研究

陳正華，徐 洪，孫從露

(1.重慶地質礦產研究院重慶市地質災害自動化監測工程技術研究中心，重慶 400042；2.重慶地質礦產研究院外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室，重慶 400042；3. 重慶地質礦產研究院煤炭資源與安全開采國家重點實驗室重慶研究中心，重慶 400042)

重慶魚田堡煤礦礦井涌水量變化特征研究

陳正華1,2,3，徐 洪1,2,3，孫從露1,2,3

(1.重慶地質礦產研究院重慶市地質災害自動化監測工程技術研究中心，重慶 400042；2.重慶地質礦產研究院外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室，重慶 400042；3. 重慶地質礦產研究院煤炭資源與安全開采國家重點實驗室重慶研究中心，重慶 400042)

魚田堡煤礦是我國南方水害最為嚴重的礦井之一，在對其閉坑前7年礦井不同水平涌水量臺賬整理的基礎上，通過分析不同地段涌水量變化曲線、涌水量突變點、以及各地段涌水量的占比變化情況，結合采掘活動得出以下結論：①不同水平頂板離層儲水空間具有較好的連通性，在下水平成為主要涌水途徑后，上水平的涌水量同步大幅減小；②同一開采水平不同石門間，當新掘進到新石門周邊，形成新的涌水通道后，原石門涌水量先明顯下降，之后隨著覆巖逐步穩定，頂板離層裂隙逐漸變小，涌水量也緩慢降低；③最上部一水平總倉受降雨入滲直接補給，最下部三水平開采地段西4石門涌水量占全礦涌水量66.45%，受降雨影響明顯，補給來源包含地表降雨以及受地表降雨補給的各類地下水。研究不同水平不同石門涌水量特征對深入了解礦區地下水的運移規律，以及類似條件礦區布置防治水工作具有參考價值。

巖溶；煤礦；涌水量；采動裂隙；動態規律

礦井的開拓延深及地面降雨量對于礦井的涌水量是非常重要的影響因素，有時起著決定性作用。一般，礦井的開挖量越大，地面降雨越多，相應的井下涌水量就越大[1]。許多學者[2-8]對礦區涌水量進行了研究，大量文獻集中于利用各種方法手段對礦區整體涌水量預測，而對于分析不同水平巷道及石門涌水量變化過程及特征，以更精細化明確礦區涌水量變化規律的文獻較少。魚田堡煤礦是我國南方水害最為嚴重的礦井之一，累積了較為詳細的礦區涌水量臺賬，于2015年底正式關閉。本文在對重慶魚田堡煤礦近7年礦井不同水平涌水量整理的基礎上，通過分析涌水量變化曲線、涌水量突變點、各地段涌水量的占比變化，結合采掘活動布置情況，查明不同水平和不同石門與開采活動及降雨的關系，進一步探討采動條件下的不同地段涌水量變化規律。

1 研究區概況

1.1 水文地質

魚田堡煤礦處于黔北高原與四川盆地過度的丘陵地帶，地貌發育為構造侵蝕地形和巖溶地形，地勢南北高，中部為嘉陵江組石灰巖巖溶溶蝕谷地，屬亞熱帶盆地內陸性氣候，溫濕多雨，年降雨日超過200 d，年降雨量940.1～1 589.6 mm，主要集中在6月、7月。礦區內分布有劉家河、魚田堡河兩條主要河流及東翼的大石板河(小溪) ，受降雨影響大，礦井周邊橫向沖溝發育，有利于地表水的排泄。礦區大部分為巖溶地區，受到侵蝕基準面(+265 m)的影響，在+265 m 以上含水層含水性較強，巖溶十分發育，富水性好；+265 m 以下含水性較弱，深部含水極少，巖溶基本不發育，富水性差。研究區水文地質平面圖及涌水量觀測點分布見圖1。研究區剖面圖見圖2。

圖1 研究區水文地質平面圖及涌水量觀測點分布示意

1.2 開采歷史及現狀

礦井分東西兩翼開采，其中東翼走向長1.4 km，西翼走向長2.3 km。對K3煤層開采布置了三個水平：+150 m以上為一水平，+150～-100 m為二水平，-100～-350 m為三水平。從1961～1984年開采K3煤層的第一水平；1984～1996年開采的第二水平；1997 年至今開采-100～-350 m水平的煤層。

隨著魚田堡煤礦向深部開采，涌水量的隨著降雨量與采空區的動態變化而逐漸增大，并且在+150 m水平、-100 m水平、與-350 m水平出現不同的變化，而且東西巷道由于在+250 m以下都留設有安全煤柱，將+250 m以下的地下水劃分為東、西兩個相對獨立的水文地質單元。

三水平東大巷2004年停采后，東大巷多年未進行采掘活動，直至2011年4～8月開采三水平東大巷3401中4工作面，隨后一直停采到煤礦關閉。

三水平西大巷2009～2015年間主要開采-350 m水平煤層，自西2石門向西4石門方向推進，于2012年4月開始開采西4石門與劉家河之間的煤層，直至煤礦關閉停采時(2015年11月)，主要采掘工程仍位于西4石門與劉家河之間的煤層。

圖2 研究區剖面圖

2 近7年礦區涌水量特征

2.1 整個礦區涌水量曲線特征

總觀魚田堡煤礦2009～2015年全礦月涌水量(圖3)，自2012年起涌水量大幅上升，每年年內全礦涌水量會出現1～2個高峰，均出現在雨季，說明全礦涌水量與降雨量有非常密切聯系。

2.1 各水平涌水量曲線特征

圖4～10分布顯示三個水平多處地點涌水量在近7年間的變化趨勢：一水平總倉于2011年涌水量大幅下降，變幅減小；二水平西大巷與二水平東大巷月涌水量變幅小，無明顯上升和下降趨勢；三水平西4石門在2013年月涌水量大幅上升約200 t/h；三水平西2石門在2013年月涌水量大幅下降變幅減小；三水平E1石門與E3石門月涌水量都在2011年出現突變，前者月涌水量明顯增大且變幅增大，后者涌水量突增后又下降到更低的水平保持穩定。

圖3 全礦月涌水量趨勢圖

圖4 一水平總倉月涌水量趨勢圖

圖5 二水平西大巷月涌水量趨勢圖

圖6 二水平東大巷月涌水量趨勢圖

圖7 三水平西4石門月涌水量趨勢圖

圖8 三水平西2石門月涌水量趨勢圖

圖9 三水平E1石門月涌水量趨勢圖

圖10 三水平E3石門月涌水量趨勢圖

3 礦區月涌水量突變點分析

根據對近7年不同水平不同地點涌水量變化趨勢(圖3～10)進行對比，明確存在以下兩個時間點的變化。

3.1 2011年5月涌水量突變

1)一水平總倉月涌水量開始大幅減小并穩定在50 t/h(圖3)。

2)三水平E1石門月涌水量從28 t/h大幅增加到162 t/h，隨后穩定在60～140 t/h 之間(圖9)。

3)三水平E3石門月涌水量從57 t/h大幅增加到206 t/h，但迅速下降并維持在20～30 t/h之間(圖10)。

4)據查這三個地段涌水量變化與2011年4～8月開采三水平東大巷3401中4工作面有關。2011年5月19日夜班3401中4工作面下頂導致三水平E1石門排水釋放壓力，同水平E3石門涌水量減小，+150 m泄水巷道地下水水位下降低于+150 m以致干涸，致使一水平總倉水量同步減小，水量集中到E1石門釋放，說明一水平+150 m泄水巷道地下水與三水平(-350 m)東大巷是連通的，采掘活動造成地下水徑流排泄條件發生改變。

3.2 2013年5月涌水量突變

1)三水平西4石門涌水量從206 t/h大幅增加到366 t/h，隨后居高不下，基本維持在400～500 t/h之間(圖7)。

2)三水平西2石門在2013年雨季西4石門涌水量突增時未出現涌水量增大反而呈現下降趨勢，并在此后維持在50～150 t/h之間隨降雨小幅波動(圖8)。

3)推測與2012年6月至2013年5月期間開采西4石門西側4#煤層3404W2采區有關，于2013年5月正好采完這段煤層，使之與西4石門東側和西2石門之間的采空區相連，覆巖受擾動，采區上部離層向西4石門移動，導致離層中賦存部分地下水由西2石門轉移到西4石門，在西4石門成為地下水主要排泄途徑之后，西2石門涌水量驟減，約有200 t/h的西2石門涌水自2013年5月轉移到4石門涌出。同樣說明采掘活動造成地下水徑流排泄條件發生改變。

4 礦區月涌水量占比變化分析

由于西2石門只觀測了2009年4～7月，以及2011～2015年涌水量數據，為了方便對比，我們選取2011～2005年每年12月以及2009年5月涌水量制作餅圖(圖11～16)分析2009～2015年隨著采掘活動不斷深入，地下水涌水量的變化過程。

4.1 一水平總水倉涌水量占比變化

一水平總水倉涌水量2009年占到36.2%，到2011年開始急劇下降到9.66%，最后逐漸下降到2015年時僅為5.43%，反映出2011年4～8月開采東大巷3401中4工作面對一水平總倉涌水量的影響過程。

4.2 二水平涌水量占比變化

二水平東大巷和西大巷涌水量占比在2009～2015年間很小且變化不大，說明在2009～2015年間開采三水平時期，已結束開采的二水平采掘工作面上覆巖相對穩定后頂板采動離層、導水裂隙有大幅度減小，以致“地下水庫”在上述穩定地段基本未向巷道涌水。

4.3 三水平東大巷涌水量占比變化

三水平E1石門涌水量在2011年開采煤層時急劇上升到23.07%，結束開采后2012年急劇下降到13.24%，隨后保持穩定并緩慢下降到2015年時為10.06%；三水平E3石門涌水量2009年最高，到2011年受采掘活動影響地下水轉移到E3石門排泄而急劇下降到4.25%，隨后保持穩定并緩慢下降。反映出2011年4～8月開采東大巷3401中4工作面對三水平東大巷E1石門和E3石門涌水量的影響過程，采掘活動結束后，涌水量緩慢下降。

4.4 三水平西大巷涌水量占比變化

三水平西2石門在2009～2012年涌水量占比逐漸增大，與西2石門周邊采區面積增大有關，同期西4石門涌水量占比基本保持恒定；自2013年起，由于采掘工作面轉移到西4石門以西，西2石門大量涌水量轉移到西4石門涌出，導致西4石門涌水量占比突增，而西2石門涌水量占比陡降，反映出開采工作面轉移對三水平西大巷兩個石門涌水量占比的影響。

圖11 2009年5月各涌水量占比圖

圖12 2011年12月各涌水量占比圖

圖13 2012年12月各涌水量占比圖

圖14 2013年12月各涌水量占比圖

圖15 2014年12月各涌水量占比圖

圖16 2015年12月各涌水量占比圖

5 涌水量曲線表現形式

根據對近7年涌水量變化過程和突變點的分析，以及各涌水量占比對比，分析魚田堡煤礦不同水平不同地段涌水量變化特征有以下幾類表現形式。

5.1 受降雨影響明顯

涌水量曲線或多或少體現出隨降雨變化的趨勢，根據變化的幅度，主要以一水平總倉和三水平西4石門變化幅度最大。一水平總倉涌水量受地表降雨入滲直接補給，反應迅速，一般降雨后1 d時間明顯增大；三水平西4石門一般為降雨后3 d涌水量大幅上漲，補給來源中包含地表降雨以及受地表降雨補給的各類地下水。

5.2 部分地段涌水量保持穩定

以二水平東大巷和二水平西大巷涌水量為主，體現出涌水量與采掘活動基本無關的變化，說明1984～1996年開采的第二水平結束開采后上方覆巖早已穩定，并不隨三水平采掘工程活動區域、開采強烈程度、開采起止時間、采空區面積擴大等因素變化。

5.3 采掘前后發生明顯變化

1)采掘后涌水量變大。以三水平E1石門和三水平西4石門涌水量為主，當開采對應石門周邊的采區時，涌水量呈現出明顯上升趨勢。體現出涌水量與采掘活動密切相關的現象，說明正在開采的第三水平上方覆巖受到擾動，頂板離層水在工作面剪切裂縫涌出。

2)采掘后涌水量變小。以三水平E3石門和三水平西2石門涌水量為主，當本石門已采過，開采本水平的其他石門采區時，本石門涌水量呈現出明顯下降趨勢。說明第三水平上方覆巖開采過后逐漸穩定，上部離層裂隙變小，大量頂板離層水轉移到開采工作面涌出。

5.4 涌水量的轉移

主要有2次涌水量轉移，均與采掘活動密切相關。一是3401中4工作面下頂后+150 m泄水巷道地下水干涸導致一水平總倉涌水量減小，同時三水平E3石門涌水量減小，減少的地下水轉移到三水平E1石門排泄；二是開采西4石門采區時，約有200 t/h的地下水自西2石門轉移到西4石門排泄。

5.5 總量基本保持不變

上述轉移的發生也與采掘活動密切相關，在轉移發生的同時(2011年、2013年)，礦區全礦涌水量沒有發生變化，總量基本保持不變，全礦涌水量與整個礦區地下水的補給來源及范圍有關。

6 總結礦區涌水量規律

1)涌水量與開采活動密切相關，開采導致上方覆巖受到擾動，全礦大部分的涌水為頂板離層水在工作面剪切裂縫涌出，采掘工作面的推進改變了地下水的徑流排泄條件。

2)不同水平的涌水量對比顯示：在下水平成為主要涌水途徑后，上水平的涌水量同步減小。說明不同水平頂板離層儲水空間具有較好的連通性，當有更低處成為匯水的地段，高處頂板儲存的地下水運移到最低處涌出。

3)同一開采水平不同石門間，當新掘進到新石門周邊，形成新的涌水通道后，原石門涌水量先明顯下降，之后隨著覆巖逐步穩定，頂板離層裂隙逐漸變小，涌水量也緩慢降低。

4)涌水量的變幅反映受降雨影響大小，一水平總倉與三水平西4石門變幅約100 t/h，最為明顯，說明每次降雨過程中，上部一水平總倉受入滲直接補給，最下層三水平開采中西4石門補給來源包含地表降雨以及受地表降雨補給的各類地下水。

[1] 沈照理,朱宛華,鐘佐桑.水文地球化學基礎[M].北京:地質出版社,2007.

[2] 朱宏軍.鴛鴦湖礦區礦井涌水量預測方法研究[D]. 北京：煤炭科學研究總院，2014.

[3] 馮更辰,郝俊杰,譚俊, 等. Visual Modflow 模型在白澗鐵礦區礦井涌水量預測中的應用[J].中國巖溶,2011,30(3):271-276.

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Study on characteristics of water inflow change in Chongqing Yutianbao coal mine

CHEN Zhenghua1,2,3，XU Hong1,2,3，SUN Conglu1,2,3

(1. Chongqing Engineering Research Center of Automatic Monitoring for Geological Hazards, Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources,Chongqing 400042, China; 2. Chongqing Key Laboratory of Exogenic Mineralization and Mine Environment, Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources, Chongqing 400042, China; 3. Chongqing Research Center of Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources， Chongqing 400042, China)

Yutianbao coal mine is one of those mines mostly influenced by water catastrophes in the south of China. Based on the water inflow ledger of different levels over seven years before mine closure，through the analysis of water inflow change curve in different sections, water inflow mutation point and water inflow proportion change in different sections, combined with mining activities, we draw the following conclusions: ①different levels of roof separation and water storage space has better connectivity, when lower level becomes the main inflow way, upper level inflow synchronically decreases; ②When new exploitation approaches the new Shimen and forms a new channel, original Shimen water inflow greatly decreases at first and then gradually stabilizes. Roof separation cracks gradually become smaller, water inflow decreases slowly; ③Uppermost level one is directly supplied by rainfall infiltration, lowermost level three is significantly affected by rainfall and its recharge sources are rainfall and all types of groundwater supplied by rainfall. Mining area west Shimen four water inflow accounts for 66.45% of the entire mine water inflow. The study on characteristics of water inflow in different levels and different Shimen provides information for understanding of groundwater migration laws and water prevention and control in mining area.

karst; coal mine; water inflow; mining fracture; dynamic laws

2016-10-08

重慶市國土資源和房屋管理局2014年科技計劃項目資助(編號：CQGT-KJ-2014019,CQGT-KJ-2014046); 國土資源部公益性行業科研專項資助(編號：201411083-6)

陳正華(1983-)，女，碩士，工程師，主要從事礦山水文地質研究工作，E-mail：chenzhenghua369@126.com。

P641.4

A

1004-4051(2017)03-0151-06