山西平魯后安煤礦涌水量預測分析

史永良

(山西朔州平魯區后安煤炭有限公司,山西 朔州 036800)

礦井涌水量預測方法主要包括:數值法、解析法、水均衡法、水文地質比擬法。其中水文地質比擬法是工程實踐中最常用的方法之一。此方法是基于穩定流的前提下,通過一些對水文地質環境較為相似,同時擁有相同開采工藝的礦井進行預測。本文以平魯后安煤礦為例,通過研究分析礦區的地質及水文地質條件、充水因素等,同時結合礦區歷年涌水情況,對礦井生產能力核增后的涌水量進行預測。

1 工程概況

山西朔州平魯區后安煤炭有限公司位于朔州市平魯區,井田面積4.833 6 km2,開采深度為1 290～980 m。2019年8月,礦井生產能力核增為500萬t/a,在開采之前進行礦井涌水量預測對于礦井開采和生產具有重要意義[1-2]。以往礦井涌水量預測是在生產能力核定前進行的,隨著生產能力的提升,礦井涌水量也隨之增大[3]。本文通過研究后安煤礦的地勘資料[4-7],結合礦區涌水現狀,進行充水因素分析對比,發現水文地質條件變化較小,故選用富水系數比擬法可更加準確地反映礦井生產能力提升后對涌水量的實際影響[8-10]。本次預測為礦井開采時的防水工作提供了可靠的依據。

2 礦區地質及水文地質

2.1 地質條件

后安煤礦位于寧武煤田的北部東緣,地表大部分被新生界地層所覆蓋,屬典型的黃土丘陵地貌，僅在溝谷中出露二疊系下統下石盒子組地層。根據鉆孔資料以及地質填圖成果可知,區內由下至上發育有奧陶系中統上馬家溝組(O2s)、石炭系中統本溪組(C2b)、石炭系上統太原組(C3t)、二疊系下統山西組(P1s)和下石盒子組(P1x)以及新生界中、上更新統(Q2+3)。

區域主要含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組。山西組一般含煤3層,多見2層,編號為1,2,3號煤層,煤層平均總厚度0.19 m,平均含煤系數0.36%,全部為不穩定不可采煤層。太原組為本區主要含煤地層,共含煤8層,煤層平均總厚度31.34 m,平均含煤系數29.8%,從上至下編號為4,5,6,7,8,9,10,11號。其中4,5號煤層組合為上煤組,6,7號煤層組合為中煤組,8,9,10,11號煤層組合為下煤組。4,9,11號煤層為本區主要可采煤層,可采煤層平均總厚度29.43 m,平均含煤系數28%,而其他煤層為不可采煤層。各煤層賦存情況見表1。

表1 各煤層賦存情況統計表Table 1 Coal seam occurrence

平朔礦區位于寧武煤田的北端,井田基本為一向西南傾斜的單斜構造,地層走向總體多N305°—330°W,總體傾向南西,地層傾角為3°～5°。后安煤礦發育有李西溝斷層(F1)和安家嶺斷層(F2)兩條大斷層。李西溝斷層走向為N40°—50°E,傾向南東,傾角75°,落差為5～38 m,為一正斷層;安家嶺斷層走向為N35°E,傾向北西,傾角72°。綜上所述，后安煤礦地質構造除西北部受F1、F2斷層影響外,基本上屬簡單類。

2.2 水文地質條件

2.2.1含水層

井田含水層從下至上劃分為奧陶系中統碳酸鹽巖溶裂隙含水層組、石炭系上統太原組碎屑巖間夾碳酸鹽巖溶裂隙含水層、二疊系碎屑巖裂隙含水層、二疊系下統下石盒子組碎屑巖類裂隙含水層及第四系沖積層砂孔隙潛水含水層。各個含水層的主要特征如表2所示。

表2 含水層特征統計表Table 2 Aquifer characteristics

2.2.2隔水層

1)石炭系中統本溪組主要由泥巖、鋁土巖、砂巖、砂質泥巖等組成,最小厚度20.5 m,夾1～2層薄層灰巖及不可采薄煤,可視為11號煤層與奧灰巖溶水之間的隔水層。

2)石炭、二疊系砂巖含水層之間的泥質巖類,厚6～18 m,沉積穩定。由抽水可知，各含水層之間基本無水力聯系,這些泥質巖類可視為阻斷太原組煤層之間的隔水層。

3)第四系中、上更新統離石組黃土為微紅色砂質黏土,夾棕褐色古土壤層,厚0～13 m左右,沿溝谷邊坡出露廣泛,為隔水層。

2.2.3地下水的補給、徑流、排泄

1)奧灰巖溶水。井田內奧灰巖溶水在區域北西部的奧灰出露區接受補給,補給方式以大氣降水入滲為主,河谷滲漏次之。井田內上覆較厚的非可溶性巖層,巖溶水具有承壓性,為徑流區。巖溶水由北西部向南東部徑流,排泄區在神頭泉一帶,主要以泉群的形式泄出,其次人工開采也是重要的排泄方式之一。

2)石炭、二疊系砂巖裂隙水。砂巖裂隙含水層與泥質巖類隔水層相間成層,隔水性能良好,含水層間一般不發生水力聯系,屬層間裂隙承壓水。其水位與含水層層位高低有關,即含水層層位高,則水位也高。其富水性隨深度的增加而減弱。大氣降水為其主要補給來源,補給方式以沿溝谷出露區及淺埋區下滲補給為主。受地形、蓋層等條件的限制,補給條件不利,下滲補給有限,大部分消耗于土壤的蒸發和形成地表徑流排出區外。

2.3 充水因素及充水通道分析

2.3.1充水因素

1)大氣降水。本區氣候干燥,降水量分配極不均勻,歷年降水集中在7—9月份,尤其在8月份多降暴雨,歷史上日最大降水量達153 mm,暴雨強度大,來勢猛,易形成集中補給,使礦坑積水嚴重,因此在暴雨季節開采過程中應加以防范。

2)地表水。后安煤礦內無大的地表水體,僅在井田西部邊界附近有馬關河流經。馬關河發源于木瓜界、上梨園等地,流經平朔礦區南部,至趙家口、擔水溝,匯入桑干河,全長27 km,為泉水匯集而成,匯水面積1.51 km2,屬桑干河水系,為海河流域。該河平水期流量一般為0.04～0.06 m3/s,洪水期流量可達100～200 m3/s,沿本區邊界河段一帶巖層裂隙比較發育,透水性強,且井田西部受F1和F2斷層的破壞影響,所以在采掘活動推進到本地段時應采取必要的防范措施。

3)圍巖含水層。礦井開采4-1號煤層時,其直接充水因素主要是山西組砂巖含水層。開采9、11號煤層時,其直接充水因素主要以太原組砂巖含水層為主,山西組地層砂巖含水層為其間接充水因素。山西組、太原組這兩層含水層單位涌水量0.002 4～0.003 0 L/(s·m),富水性弱,補給條件差。

現本礦大力推廣煤層注水技術,對4、9號煤層進行煤層注水,9號煤層水倉內的積水來源主要為清洗巷道、煤層除塵灑水等工業用水,可見圍巖地下水對本礦煤層開采的影響較小。

4)奧灰水對煤層開采的影響。井田內奧陶系巖溶含水層為間接充水含水層,該含水層富水性強,水位標高為1 058.5～1 059.0 m。4號煤層最低底板標高為1 080 m,高于奧灰水水位,不受奧陶系巖溶水的影響;9,11號煤層最低底板標高為1 000 m和990 m,將會受到奧陶系巖溶水的影響。根據2019年5月由山西地科勘察有限公司編制的《山西朔州平魯區后安煤炭有限公司生產地質報告》計算,9號煤層最大突水系數為0.024 MPa/m,11號煤層最大突水系數為0.030 MPa/m,均小于構造破壞臨界系數0.060 MPa/m。

5)采(古)空區積水。采(古)空區積水主要依據《山西朔州平魯區后安煤炭有限公司生產地質報告》(2019)、《礦井水文地質類型劃分報告》(2017)、《礦井水患補充調查報告》(2016),并結合近年來對積水區的探查情況進行估算,結果如表3所示。

表3 礦井老空區積水情況估算表Table 3 Estimation of water accumulation in old mined-out areas

6)周邊煤礦積水情況。依據與周邊相鄰礦井交換的圖紙及其他調查資料,井田南、東南有生產煤礦茂華白蘆煤業有限公司,開采4-1號煤層。井田東南部有重組前原杏園煤礦越界開采形成的采空區積水三處,積水面積計18 138 m2,積水量約為11 600 m3。井田東部為華美奧馮西煤業有限公司,該礦與本礦相鄰部位無采掘活動。井田東北部為國興煤業有限公司,開采4-1號煤層，采空積水區距后安煤礦較遠,目前對礦井開采無充水影響。井田北部為東露天礦,與本礦相鄰地段尚未開采。

2.3.2充水通道

1)頂板垮落帶、導水裂縫帶。4-1號煤層的導水裂縫帶最大高度為84.57 m,在井田北部溝谷附近導水裂隙會延伸至地表。9號煤層的導水裂縫帶最大高度為95.28 m,9+11號煤層的導水裂縫帶最大高度為110.48 m,煤礦下步開采下組煤時產生的導水裂縫帶能夠到達上組煤,進而溝通煤層之間的水力聯系。因此,4-1號煤層的采空積水會對下組煤的開采產生影響。

2)封孔不良的鉆孔。個別封孔質量不佳的鉆孔是人為導水通道。當掘進巷道或采區工作面經過沒有封好的鉆孔時,頂、底板含水層地下水將沿著鉆孔補給礦層,造成涌(突)水事故。

3)斷層導水破碎帶。區內發育有F1和F2兩條大斷層,成為聯系上下含水層導水的通道。同時在開采過程中發現落差較小的中小斷層,也是礦井充水及主要水害之一。

4)廢棄老窯(井筒)。本井田內無廢棄井筒,周邊存在已關閉舊井筒,會因填埋封閉不良而成為導水的途徑,應引起注意。

3 礦井涌水量預測

3.1 礦井涌水量現狀

本井田礦井涌水主要由工業用水、采空積水、砂巖裂隙水組成。特別是近年來在引進煤層注水、頂板預裂注水等先進技術的前提下,工業用水占比穩居第一。按照礦井的長期規劃,針對采空區的一系列防治水措施的實施勢必會增加采空積水在礦井涌水量結構中的份額。根據井下各出水點、涌水點觀測資料,同時利用水化學分析法,對礦井各類型水的化學特征差異進行了分析對比,確定礦井涌水量構成中工業用水占全礦井總涌水量的72%,其次是采空積水占18%、砂巖裂隙水占7%、其他包括構造水、孔隙水等占3%,如圖1所示。

圖1 礦井涌水組成圖Fig.1 Composition of mine water inflow

近年來在煤產量達產的條件下,根據歷年氣象觀測資料分析,礦井涌水量基本進入穩定期,大氣降水對礦井涌水量產生一定的影響,11月至次年4月涌水量較小,5月至10月涌水量較大。一般而言,礦井涌水量峰值滯后豐水期3個月,且隨著降水量的增加礦井涌水量也隨之增大。礦井涌水量波動有時相對遲緩,可能受其他因素影響所致。由此可知大氣降水和地表水對礦井水有補給作用,礦井涌水量與降水量有較強的相關性,如圖2所示。

圖2 礦井涌水量與降水量動態相關曲線Fig.2 Dynamic correlation of mine water inflow and precipitation

本礦2013年9月開始對9號煤層進行回采。自2012年以來,逐月對礦井涌水量進行了統計,本次預測僅參考近3年統計資料進行分析,統計情況見表4。

表4 2017—2019年礦井涌水量統計表(后安煤礦)Table 4 Mine water inflow 2017—2019

3.2 礦井涌水量預測

根據以上分析可知,該區域地質及水文地質條件中等,本礦井主要涌水量由工業用水、采空積水和砂巖裂隙水組成。本次預算采用富水系數比擬法對礦井生產能力核增為500萬t/a后的礦井涌水量進行預測分析。

礦井涌水量預測公式如下:

Q=Kp×P=Q0×P/P0.

式中:Kp為富水系數，Kp=Qo/P0,m3/t;Q為設計礦井涌水量,m3/h;Q0為煤礦實際涌水量,m3/h;P0為煤礦實際開采量,萬t/a;P為設計礦井生產能力,萬t/a。

計算參數的確定:本次預測實際涌水量采用正常涌水量為30.48 m3/h(取2017年1月—2019年12月的均值),最大涌水量為47.93 m3/h(取2017年6月統計值),煤礦實際開采量采用近三年產量均值293.39萬t/a。預計礦井生產能力達到500萬t/a時,帶入公式計算可知,礦井正常涌水量Q1為51.94 m3/h,最大涌水量Qmax為81.68 m3/h。

Q1=30.48×500/293.39=51.94 .

Qmax=47.93×500/293.39=81.68 .

4 結論

1)本次涌水量預測中,未將針對采空區進行的探放水活動考慮在內,勢必造成預測結果偏小。

2)由于本次預測結果是基于地質及水文地質條件相似的前提下進行的,受采掘活動的影響,特別是受開采區域含水層不確定性的影響,當生產條件發生變化時,需及時對預測結果進行修正。

3)通過觀測數據分析發現大氣降水對礦井水有補給作用,礦井涌水量與降水量有較強的相關性。

4)本次礦井涌水量預測是在礦井年產量為300萬t的基礎上,預測生產能力核增為500萬t/a后的涌水量。在地質和水文地質條件以及充水因素相似的前提下,利用大量真實數據,選擇富水系數比擬法進行預測。預測結果可信度高。

鑒于礦井涌水量影響因素較多,今后進行礦井涌水量計算時,應對各種影響因素仔細分析。可通過多種方法進行預測,再加以分析比較,最后采用適宜的方法或者多種方法耦合,來提高礦井涌水量預測的適應性及精確性。