11103工作面探放水及水源分析

楊 怡

（山西汾西礦業(yè)集團孝義公司，山西 孝義 032300）

在煤礦開采過程中，存在地質(zhì)勘探資料與實際礦井水文地質(zhì)情況有差異，如在預(yù)測開采區(qū)域水文地質(zhì)和充水因素及涌水量時就需要全面收集礦井相關(guān)的地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，進一步從定性和定量兩個方面分析比對現(xiàn)有資料，切實作好各種水害分析監(jiān)測、診斷排查，構(gòu)建適宜的安全預(yù)控體系，有針對性的對礦井、采區(qū)、工作面涌水量開展超前治理，避免水災(zāi)事故的發(fā)生。

1 工作面概況

1.1 基本情況

11103工作面走向長960 m，傾斜長175 m。采用臂式采煤方法開采石炭系太原組10+11號煤層，煤層平均厚度7.85 m，煤層含2-4層夾矸。工作面整體呈向斜構(gòu)造，軸部位于工作面中部，兩翼傾角約6°。西部有相鄰礦井已回采的9號煤層工作面，與11103工作面之間有落差為12.5 m的正斷層；東部為采區(qū)大巷，并且有落差為50 m、6 m的兩條正斷層；南、北暫未布置工作面。

1.2 含水層

根據(jù)本礦及鄰近礦井的勘探和生產(chǎn)揭露，區(qū)域內(nèi)主要含水層為：

第四系松散巖類孔隙含水層主要分布在河床及主要溝谷內(nèi)。由于河谷兩岸工業(yè)廢水或生活污水使得地下水的水質(zhì)明顯變差，水中污染指標(biāo)即NO-和Cl-離子含量明顯偏高。山丘地區(qū)的孔隙水是附近居民生活用水的水源之一，其動態(tài)較為穩(wěn)定，水質(zhì)良好。水化學(xué)類型以HCO3—Ca·Mg型為主。

二疊系碎屑巖類裂隙含水層在溝谷地段局部出露，有居民在溝谷鑿井取基巖風(fēng)化帶裂隙潛水，并以此作為生活用水供水水源。

石炭系碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層太原組地層在井田內(nèi)無出露。有K2、K3、K4三層穩(wěn)定的石灰?guī)r，厚度分別為11.5、5.55、3.78 m，是井田內(nèi)的主要含水層，富水性普遍較弱，且不均勻，局部構(gòu)造裂隙相對發(fā)育地段富水性稍強。K2為9號煤層的直接頂板，富水性強于K3、K4，K3富水性又相對較強于K4。

奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層由于巖溶裂隙發(fā)育程度、含水層厚度等水文地質(zhì)條件的不同，中奧陶統(tǒng)峰峰組和上馬家溝組含水層的富水程度有著明顯差異，上馬家溝組巖溶裂隙水為居民生活用水的主要水源。11103工作面的煤層底板高于奧陶系石灰?guī)r的最高水位，不存在帶壓開采。

1.3 小窯開采

根據(jù)以往資料，工作面范圍及鄰近共有小窯井筒6個，在礦井建設(shè)前均已被黃土充填。工作面內(nèi)部有2個井筒，未落底到9號煤層，曾開采二疊系山西組的2號煤層。上覆9號煤層厚1.64 m，已被小窯房柱式開采，距10號煤層約1 m。

2 探放水情況

11103工作面在掘進期間已對上覆9號煤層的采空情況進行探查，僅在低洼處曾發(fā)現(xiàn)少量的積水。

為驗證2號煤層采空的積水情況，在工作面內(nèi)部的井筒附近及地面瞬變電磁探測異常區(qū)設(shè)計了9個鉆孔。在向斜軸部附近探井筒的鉆孔施工過程中，揭露K3石灰?guī)r有出水現(xiàn)象，經(jīng)多次補充鉆探累計向頂板方向施工鉆孔31個。其中探到2號煤層鉆孔11個，均未發(fā)現(xiàn)采空積水。揭露K3、K4石灰?guī)r的鉆孔有不同程度的出水，主要的出水鉆孔有8個（見表1），累計疏放水量58337 m3。

表1 主要出水鉆孔統(tǒng)計表

3 水源分析

為了準(zhǔn)確判斷水源，礦井在鉆孔放水期間對出水鉆孔取樣化驗。同時，收集本礦采空水（1-2號水樣）、水源井（10號水樣）及相鄰礦井工作面生產(chǎn)過程中出水和采空水（3-5號水樣），還有水文勘探報告中的含水層（6-9號水樣）水樣指標(biāo)。相鄰礦井工作面的構(gòu)造特征與11103工作面相近，其都在同一個向斜的軸部，含水層具有一定的匯水條件。但是，其在回采前未曾對上覆2號煤層采空施工鉆孔，未能準(zhǔn)確定性出水點的補給水源。

1）收集的各水樣中，二疊系砂巖水的pH值最高，屬堿性。相鄰礦井的11號煤采空水pH值最低，屬酸性，而本礦井的9號煤采空水的要相對高一些，應(yīng)該與煤層中的礦物含量或開采工藝有關(guān)。11103工作面的水樣水化學(xué)類型主要為SO4-Na·Ca型，與相鄰礦井的水樣特征最為相近，但是還需進一步的判斷水源。

2）Piper三線圖是水化學(xué)領(lǐng)域最常用的分析方法之一，可以直觀地看出水樣的一般化學(xué)性質(zhì)及各離子的相對含量。11103工作面鉆孔與相鄰礦井工作面生產(chǎn)過程中出水、長期出水點，還有奧陶系上馬家溝組石灰?guī)r水樣相近（見圖1）。由于工作面不存在帶壓開采，并且鉆孔出水來自煤層的頂板方向，11103工作面的鉆孔水可以排除奧陶系灰?guī)r水。此外，鉆孔水樣明顯區(qū)別于2號煤層采空水及太原組石灰?guī)r的混合水，可以認(rèn)為水源為K3石灰?guī)r。

圖1 Piper三線圖

3）聚類分析可以將研究的水樣進行合理的分類，為判別水源分析等提供客觀的數(shù)學(xué)依據(jù)。通過SPSS的系統(tǒng)聚類模塊對所有水樣進行統(tǒng)計分析，將14個水樣分了兩個大類（見圖2）。將太原組灰?guī)r水整體作為一類，然后又對采空水和含水層水進行了分類。從中可以看出11103工作面鉆孔與相鄰礦井工作面生產(chǎn)過程中出水、長期出水點的水樣比較相似，與9號煤采空水、11號煤采空水的相似程度要差一些，與2號煤層采空水的相似程度要更差。

圖2 聚類分析結(jié)果圖

通過上述分析，11103工作面所在區(qū)域不受奧陶系石灰?guī)r含水層威脅，鉆孔水樣的水化學(xué)特征區(qū)別于2、9、11號煤層采空水。太原組石灰?guī)r的混合水與而二疊系砂巖水比較相似，可能當(dāng)時采集的水樣可能受到了二疊系砂巖水的影響，均區(qū)別于11103工作面的鉆孔水樣。所以，11103工作面的鉆孔水應(yīng)該是受地質(zhì)構(gòu)造影響，在向斜軸部K3石灰?guī)r含水層形成的小范圍積水。

4 防范措施

受探放水鉆孔的影響，工作面涌水量一直穩(wěn)定桿在12 m3/h左右。礦井為最大限度地增大11103工作面的排水能力，從工作面外側(cè)沿11號煤層底板施工了一條泄水巷，沿向斜軸部與11103工作面最低處貫通。同時，配備了能力大于100 m3/h的排水設(shè)施，預(yù)防回采到向斜軸部時因涌水量增大影響安全生產(chǎn)。

5 結(jié)語

現(xiàn)11103工作面已回采結(jié)束，在推進到向斜軸部附近時，未發(fā)生涌水量突然增大的現(xiàn)象。29號孔出水量最大，其涌水量穩(wěn)定在10 m3/h左右，因放水鉆孔的施工及足能力的水設(shè)施保證了工作面的安全。

通過水化學(xué)類型分析、繪制Piper三線圖及聚類分析，最終判斷11103工作面探放水鉆孔出水的水源為K3石灰?guī)r。礦井在水文勘探過程中未能把K2、K3、K4石灰?guī)r的水化學(xué)指標(biāo)逐一收集，由于太原組灰?guī)r的富水性較弱，并且當(dāng)時采集的水樣可能受到了二疊系砂巖水的影響，與實際揭露有一定的差別。通過本次對鉆孔水樣分析，為礦井今后的水源分析提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。