工作面采空區老空水形成因素分析

劉 兵

(山西汾西礦業集團資源管理辦公室，山西 介休 032000)

0 引言

老空水是已采掘舊巷及舊工作面的空間內，由于地質、物理等多種力學或環境因素所形成的大量積水[1-2]。老空水是煤礦安全生產的一大隱患，是煤礦防治水工作的重點關注對象。然而，在煤礦實際生產過程中，采空區積水的形成具有很多不確定性，其形成過程是建立在一定的地質特征和開采因素之上的[3]。因此，通過歸納可知，對于老空水的成因，主要具備3個要素，即老空水來源、充水通道及聚水空間[4-5]。文中結合1303工作面水文資料、巷道布置和工作面地質構造分析老空水的成因和特征。

1 工程概況

1.1 工作面地質構造

礦井現采1303工作面屬于一分區3#煤層(+235水平)，煤層整體形態為一寬緩的向斜構造，向斜核部約在3煤膠帶運輸大巷以西1 469.0 m處，向斜兩翼不對稱，煤層產狀變化較大，西翼走向221°，傾向131°，東翼走向105°，傾向195°，煤層傾角8°～12°，平均10°，傾角的變化對工作面的回采有一定影響。煤層走向坡度也存在較大變化，以開切眼為起點，0～710 m 范圍為10°～-2°下坡，710～830 m范圍為0°平坡，830～1 950 m 范圍為1°～3°爬坡，坡度的變化決定了工作面由俯采、平推到仰采的過程。

1.2 工作面煤層特征

現采的3煤賦存穩定，煤層結構較復雜，含夾矸1～3層，夾矸厚0.27～1.29 m，本區域煤層厚度變異系數為42%，煤層厚度5.52～6.56 m，平均厚度6.04 m；堅固性系數1.57。掘進工作面煤層構造較簡單，整體為一寬緩的向斜，向斜核部在順槽中部偏西，西翼走向為106°，傾向為196°，東翼走向為215°，傾向為125°，煤層傾角8～12°，平均10°，無其他地質構造。

頂板偽頂為炭質泥巖，厚度0.02 m，灰黑色，性軟，有炭屑。直接頂為泥巖與粉砂巖交雜存在，厚度4.94 m，灰黑色，塊狀，含炭屑，巖體內裂隙較多，巖質較脆，易變形。底板直接底為泥巖，厚度0.62 m，灰黑色，塊狀，含炭屑。老底為粉砂巖厚度1.07 m，呈現出灰黑交錯的顏色，粉砂狀粒度大小，其中節理處參差不齊，巖性偏軟，受力易產生形變，節理裂隙較多。

1.3 采區巷道布置及區段煤柱

礦區采用主斜井、副立井、風立井的綜合開拓方式布置。煤礦采用綜合機械化放頂煤的開采工藝。該礦現采工作面1個，為1303工作面，另有3個掘進工作面。

根據礦井的開拓方式，首采面(1301工作面)投產時沿3煤層開鑿4條傾斜大巷，兩翼布置回采工作面進行開采。4條大巷分別為一條回風大巷、一條膠帶運輸大巷和2條輔助運輸大巷。膠帶運輸順槽的膠帶輸送機搭接于大巷膠帶輸送機，無溜煤眼，輔助運輸大巷采用平車場與各輔助運輸順槽相連接。工作面采用留煤柱開采，1303工作面與1301工作面之間的保護煤柱為18.6 m。

2 水文地質

2.1 砂巖含水層

3煤層頂板含水層為侏羅系中統西山窯組中段弱含水層組，劃分為4個砂巖含水層。

V1含水層：巖性以灰白-灰色中粗砂巖、砂礫巖為主，多為鈣泥質膠結，一般厚度4～20 m，均厚9.38 m。該層一般呈厚層—巨厚層狀，局部為4～5個單層組合，富水性弱。

V2含水層：由于2煤層的不穩定性，也造成了該含水層的不穩定，含水層平均厚度在1.0～5.0 m之間，局部可達17.6 m，一般為1～2個砂巖層，富水性弱。

V3含水層：下距3煤頂板約90～120 m，富水性較弱，巖性為粗、中砂巖，厚度約為20～40 m，含水層間巖體節理裂隙發育明顯。

V4含水層：3煤底板含水層，上距3煤層8～11 m左右，巖性為粗、中砂巖，厚度10 m左右，為弱含水層，3煤輔運大巷二初次揭露該含水層時，涌水量在3 m3/h左右。

2.2 老窯水及火燒區水

1303開切眼以西880.0 m處為井田范圍內第三火燒區的東邊界，火燒區東側依次分布著新瑞、西域、興鑫、南興、東方5個老窯，據已有勘探資料顯示，火燒區水與老窯水有一定的水力聯系，為老窯水的補給源?；馃齾^面積4.45 km2，分布于井田范圍內的火燒區面積為2.66 km2。火燒區內地下水靜儲量為5 004×104m3，最高水位標高為+414.0 m(15-1孔)，1303開切眼上口標高為+236.6 m，兩端高差177.4 m，則塌陷半徑為102.4 m。1303開切眼下口距老窯探水線244.0 m，上口距老窯探水線30.0 m，探水線距老窯邊界150.0 m，老窯積水位置、標高等基本清楚。1303開切眼以西煤柱大于150.0 m，其塌陷范圍不會影響到小窯和火燒區。

2.3 鉆孔水

18-2、20-2孔在1303工作面內，分別位于1303膠運順槽1 560 m、590 m位置，南距膠運順槽約15 m，已查明20-2孔標高260.6 m 以上段為稠泥漿封堵，標高260.6 m以下段為水泥砂漿封堵，封孔質量特級。18-2孔標高238.3 m以上段為稠泥漿封堵，標高238.3 m以下段為水泥砂漿封堵，封孔質量特級。

3 老空水形成因素分析

3.1 老空水水源

由于不同礦區氣候、地形、水文地質條件等具有明顯的差異性，老空水充水水源也有很多種類型。但總而言之，大氣降水、河流等地表水、松散層含水層的含水、煤系頂板砂巖裂隙水、礦井工業用水等往往是老空水的主要充水來源。而且，在有些地質條件極為復雜的礦區，其老空水甚至可能為以上幾種水源混合形成的結果。

對于文中所研究的煤礦，其位于新疆哈密市境內。而哈密地區則屬典型的溫帶大陸型干旱氣候，晴天多，雨天極少，年降水量33.8 mm，年蒸發量3 300 mm，其蒸發量接近降雨量的100倍。礦區周圍無地表水系，3煤埋藏深度也大于100 m，故可排除地表水、大氣降水是含水層的情況。

據現有物探資料，結合1301工作面回采期間積累的水文資料，1303工作面上方最近含水層為V3含水層，工作面回采過程中受此含水層組影響較大，工作面在距3煤膠帶運輸大巷以西745～1 114 m范圍內，地表基本被侏羅系中統西山窯組上段弱含水層全覆蓋，該含水層通過地質歷史時期大氣降水的補給，在巖石孔隙、裂隙發育地段富水。

因此，綜合考慮其水文地質構造可得，形成于1301工作面采空區的老空水水源主要為3煤層頂板砂巖V3含水層。該含水層下距3煤頂板約90～120 m，為距3煤頂板最近含水層，且裂隙發育，巖性為粗、中砂巖，厚度約20～40 m。

3.2 充水通道

充水通道是指聚水空間或采空區與充水水源的直接連接通道，不同特征的充水通道往往導致老空水水壓等水文條件的變化。深入分析充水通道特征，是得出解決礦井老空水成因和預測煤柱穩定問題的關鍵。

根據所研究區域老空水的地質資料可知，其所處區域距老窯水及火燒區水的位置較遠，也并未封閉不良鉆孔，在1301工作面開采中也并未有頂板淋水事故產生，因此可知，所研究區域老空水通道是頂板破壞過程中形成的導水裂隙帶，形態為線狀，成因是開采擾動，動力特征為滲濾。其結構特征如圖1所示。

圖1 采空區積水覆巖結構

3.3 老空水形態特征

老空水形態特征，即老空水形成后所在區域的聚水空間狀態。根據不同情況的充水水源及充水通道，最終所形成區域也有所不同。然而，不同特性的巖層，具有明顯的不同的導-儲水特征，當其導水特性較大而所測老空水區域水量恒定時，表明不斷有水進入積水區域，這時，其老空水將表現出動態水流的特性，其水壓測定將無法按照靜水壓力的方法進行。而當老空水區域圍巖具有良好儲水特征時(大多數情況)，在其積水水量保持穩定后，最終形成的積水區，其形態特征往往與蓄水池相似，事實上，此時采空區的積水就可以看做一個微型的地下水庫。因此，研究老空水所在區域的頂底板巖性對于構建煤柱體受力模型將有十分重要的意義。

通過對1301及1303工作面煤層柱狀圖及地質資料分析可得，3煤偽頂為炭質泥巖，質地較軟；直接頂為泥巖與粉砂巖，厚度4.94 m，灰黑色，脆性較大，遇到外力作用易變形，局部裂隙發育。直接底為泥巖；老底為粉砂巖，厚度1.07 m，巖性偏軟，受力易產生形變，節理裂隙較多。

由此可知，所研究區域內的頂底板巖性組合在采動影響下形成的冒落帶、裂隙帶直接關系到老空水的形成。由于偽頂為泥巖，直接頂為泥巖和粉砂巖，因此，在跨落后的較易形成積水空間，老頂為砂巖，其斷裂形成的裂隙帶則與上方含水層部分溝通，最終形成線狀的導水裂隙；而底板為泥巖，留有底煤，采動冒落后泥巖與煤吸附能力強，吸附了上方含水層留下來的水后，發生膨脹，形成一個隔水層，以便使水積聚于冒落帶內，最終，形成一個類似于水庫特征的老空積水區。

同時，結合1301工作面回采期間積累的水文資料，所研究的含水層位于距3煤膠帶運輸大巷以西745～1 114 m范圍內，此區域基本位于工作面寬緩向斜的核部區域，整體煤巖層賦存呈一“盆形”構造，也為上覆含水層的滲濾過程創造了條件。其位置可如圖2、圖3所示。

圖2 采空區積水位置平面圖

圖3 采空區積水位置剖面

為探明老空水的具體形態特征，礦方在1303輔運順槽先后施工11個探水孔，其中4個探水孔位于老孔積水區內，這4個探水孔標高分別為192 m、188 m、187 m、191 m，當探水孔發現老空水1周后，積水水量與積水標高保持恒定，礦方定義為靜態水體。通過礦方監測并對比礦區地質資料，最終可得，積水標高為192 m，積水水量為12 222 m3，最大水壓值為0.26 MPa，最小所測值0.028 MPa。

4 結論

(1)1301工作面采空區的老空水水源主要為3煤層頂板砂巖V3含水層，該含水層下距3煤頂板約90～120 m，裂隙發育，巖性為粗、中砂巖，厚度約為20～40 m。

(2)所研究區域老空水的充水通道，來自于頂板破壞過程中形成的導水裂隙帶，形態為線狀，老空水成因是上區段工作面的開采擾動，動力特征為滲濾。

(3)所研究區域老空水為靜態水體，積水標高為192 m，積水水量為12 222 m3，最大靜水壓力為0.26 MPa，最小為0.028 MPa。