北辛窯煤礦南翼大巷突水機理研究

張穎鑫

0 引言

近年來，我國煤礦開采地質條件日趨復雜。其中奧灰水害造成的財產和生命損失極為嚴重，僅華北地區就有約160 億噸煤炭儲量受到影響[1]。同煤北辛窯煤礦位于寧武煤田北端、朔南礦區東南部，屬于大同煤礦集團有限責任公司在建主要礦井之一。礦井設計生產能力4.00 Mt/a，主采煤層為太原組2、5、6號煤層，南翼為主采區，而南翼大巷奧灰水影響嚴重，多次發生涌水事故，對該礦安全生產構成一定危險。本文根據南翼大巷地質概況，結合國內外研究現狀[2-6]，對南翼大巷突水機理進行研究，為礦井采取防治水措施提供了參考依據。

1 礦井地質及水文地質條件

根據礦井區域水文地質資料，井田地下巖溶水系統屬神頭泉域，井田位于神頭泉域南部。本區總體為一向斜構造，東、西兩側大面積出露寒武系、奧陶系，煤田多被黃土覆蓋，只在較大溝谷中有石炭、二疊系出露，含水層分為奧陶系中統石灰巖巖溶裂隙含水層組，石炭、二疊系砂巖裂隙含水層組和第四系河谷沖、洪積砂、礫石含水層。奧灰巖溶水屬神頭泉域，本區位于泉域南部，水位標高+1 060 m 左右。根據北辛窯礦井以往水文地質資料，井田內奧灰馬家溝含水層水位為+1 056.56 m～+1 077.13 m，含水層單位涌水量為0.309 3 L/s·m～1.061 4 L/s·m，含水層富水性表現為中等至強富水。根據區內自然條件和煤系地層含、隔水層的賦存情況，總體來說，井田內2#煤層為裂隙充水含水層為主的礦床，局部煤層低于奧灰巖溶裂隙水，2#煤層水文地質條件中等，水文地質類型屬二類二型；5、6號煤層由于受奧灰水的影響較大，以底板巖溶裂隙充水含水層為主的礦床，水文地質條件復雜，水文地質類型屬三類三型。

2 南大巷涌水情況特征

2.1 工作面涌水情況

（1）2015年3月1日，在+1 040 m 水平南翼回風大巷掘進至7號聯絡巷前334 m時發生底板突水（即1號出水點），突水量超過300 m3/h。根據巷道掘進揭露情況分析，該區段本溪組下部巖層破碎，且存在兩條小斷層，落差分別為0.6 m和4 m～5 m，而突水點巷道底部距奧灰含水層頂面約12 m（如圖1-a）。因此，存在掘進巷道直接與奧灰含水層導通的裂隙通道而發生突水。目前1#出水點水量基本穩定在約300 m3/h。

（2）2016年3月15日，在+1 040 m 水平南翼輔運大巷掘進至F11點前166.20 m時于巷道掘進頭右下角發生底板突水事故（即2#突水點），表現為底板裂隙涌水，最大突水量約340 m3/h。根據現場查看，掘進頭由于受構造影響地層節理發育，巖層破碎，有黃鐵礦、鋁土巖等分布，說明巷道底板已基本揭露上馬家溝組頂面的風氧化不整合接觸面（如圖1-b），突水水源基本可以確定為奧灰水。該出水點后來逐漸減小，目前水量約為215 m3/h。

圖1 礦井南翼大巷突水點剖面示意

3 突水機理分析

3.1 突水水源分析

根據北辛窯礦地址勘測資料，在南翼大巷井田范圍內，布置奧灰觀測孔BS1、BS2、BS3、BS4、BS5、BS6長期觀測斷層南部奧灰各長觀孔水位變化情況，如圖2。

圖2 礦井各奧灰觀測孔水位下降情況示意

3.2 突水機理分析

南翼井田奧灰水觀測孔水質分析表如表1、表2。從表1化驗結果可以看出，本井田奧灰含水層水質類型表現為HCO3-Ca、HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca等，水質類型表現相對比較雜亂。而根據北辛窯礦井水文補勘太原組含水層組水質化驗結果統計資料，表2。太原組含水層組砂巖裂隙水水質類型基本為HCO3-Na·Ca 或HCO3·SO4-Na·Ca 型水，普遍表現為Na+含量較高，一般都在100 mg/l以上。

表1 礦井水文補勘奧灰含水層水質分析統計

表2 礦井水文補勘太原組水質分析統計表

另外，根據周邊其它礦井奧灰含水層水質資料，陽煤集團榆樹坡煤礦奧陶系馬家溝組含水層水化學類型為HCO3-Ca 型或HCO3·SO4-Na·Ca，同煤浙能麻家梁煤礦奧陶系馬家溝組含水層水化學類型為HCO3-Ca·Mg。而從神頭泉域區域資料來看，北辛窯南翼大巷井田奧陶系馬家溝組含水層水化學類型也為HCO3-Ca·Mg。

圖3 礦井兩突水點底板標高分布示意

根據礦井兩次底板突水事故分析，1#突水點位于南翼回風大巷7號聯絡巷前334 m，該處巷道底板標高約為+1 045 m；而2#突水點位于南翼輔運大巷F11點前166.20 m處，該處巷道底板標高約為+1 058 m，說明礦井奧灰含水層水位標高大于+1 058 m，如圖3。但從2#突水點涌水強度和高度情況來看，該區段奧灰含水層富水性較強且水量比較豐富，奧灰含水層標高高出+1 058 m 僅數米內，且另參考北辛窯水勘報告奧灰水水位等高線圖，南翼三條大巷中奧陶系巖溶裂隙水水位標高為1 059 m～1 060 m，對礦井安全存在較大潛在威脅。綜合以上分析，該區域奧灰含水層水質類型基本為HCO3-Ca·Mg 或HCO3-Ca 型水，而從突水點水質化驗資料來看，水質Na 含量均偏小，水質類型為HCO3-Ca·Mg，經奧灰水水樣水質化驗資料對比，可以判別南翼大巷突水水源為奧灰水，南翼三條大巷奧灰水水位標高為+1 060 m左右。

3.3 注漿治理

南翼回風巷、膠帶巷、輔運巷通過奧灰水注漿治理，經過對1#、2#突水點及F8 斷層進行注漿治理，在南翼回風巷、膠帶巷、南翼輔運巷經鉆探驗證和在掘進過程中，均無出水現象，實踐證明在采取注漿治理措施后，確保巷道安全掘進。

4 結語

根據對同煤北辛窯煤礦南翼大巷突水水源以及機理分析，認為其南翼大巷突水，源為奧灰水，水位標高為+1 060 m 左右。故對其突水點附近優先疏水降壓、進行井下物探和探放水工作，視涌水量變化情況實施注漿治理，實現了安全掘進，為今后礦井類似水文地質情況提供了積極有效的防治水手段。