新景礦礦井水害因素與奧灰水帶壓開采分析

李振江

（山西新景煤業有限責任公司，山西 陽泉 045000）

1 概 況

礦井水害是煤礦主要自然災害之一，制約著礦井的高效開采，煤炭資源賦存水文地質條件復雜多變，導致我國煤炭開采過程中水害事故頻發，且易造成極大的人員傷亡和經濟損失。相關資料顯示，我國煤礦水害事故主要是由采空區積水以及底板高壓水造成的，截至目前，我國受水害威脅的礦井達到8 000余座，為實現礦井水害的有效防治，國家相關部門提出了“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”十六字方針指導防治水工作的開展。以新景礦礦井水文地質條件為背景，調查分析了地表水、地下含水層水、采空區積水等礦井水害因素。

新景礦位于山西省陽泉市西部，生產規模500萬t/a，井田面積為54.922 1 km2，井田內主要可采煤層4層，分別為3、8、9、15號煤層，其中，3、8、9號煤層屬較穩定大部可采，15號煤層屬穩定可采，平均厚度分別為4.31、3.64、3.15、8.21 m，井田內3、8、15號煤層分別進行了不同程度開采。

2 礦井水害因素分析

充水水源是導致礦井水害的主要因素，新景礦充水水源主要包括地表水、地下含水層水、采空區積水。

2.1 地表水

新景礦礦區范圍內有3條季節性河流（馬家坡溝河、蘆湖溝河、保安溝河），流量均較小，且新景礦各井口標高高于河流水位標高，加之本區新景礦主要可采煤層（3、8、9、15號煤層）埋藏較深，達到300 m以上，因此，地表水不會對新景礦生產造成較大危害，僅對基巖含水層有一定的補給作用，為煤層的間接充水水源。

2.2 地下含水層水

地下含水層水是新景礦礦山充水的最主要水源，根據含水層與各開采煤層（3、8、9、15號煤層）的相對位置關系，可將其分為頂板含水層和底板含水層。

2.2.1 頂板含水層

（1）3號煤層。該井田3號煤層頂板含水層主要有第四系松散巖類含水層以及上、下石盒子組砂巖裂隙含水層，根據采掘現狀，上述含水層對3號煤層生產活動影響不大，僅在采掘工作面局部出現頂板淋水現象，水量約為0.2～2 m3/h，對生產影響不大。

（2）8號煤層頂板含水層。該井田8號煤層頂板含水層主要是山西組砂巖裂隙含水層，該含水層富水性較弱，8號煤層生產以頂板淋水為主，對安全生產影響不大。

（3）15號煤層頂板含水層。該井田15號煤層頂板主要含水層為太原組灰巖巖溶裂隙含水層，主要包括3層薄層灰巖含水層（K2灰巖、K3灰巖、K4灰巖），灰巖含水層總厚度15.95 m，其中以K2厚度最大，且在井田東部補給條件好，巖溶裂隙較為發育，富水性大，而在井田西部，埋藏條件及補給條件均較差，富水性差，為15號煤層頂板直接充水含水層，在富水性大的區域需做好頂板水探放工作，改善開采條件，消除水害隱患。

2.2.2 底板含水層

（1）煤層在奧灰水位線以上。

該井田3號煤層底板含水層主要有山西組砂巖裂隙含水層（K7）、太原組灰巖巖溶裂隙含水層、奧陶系中統灰巖巖溶裂隙含水層，含水層富水性較弱，對3號煤層安全生產影響不大。

該井田8號煤層底板含水層主要為太原組灰巖巖溶裂隙含水層（K2、K3、K4）、奧陶系中統灰巖巖溶裂隙含水層，8號煤層底板采動破壞帶深度未波及太灰主要含水層。

該井田15號煤層底板含水層主要為奧陶系中統灰巖巖溶裂隙含水層，15號煤層底板采動破壞帶深度未波及奧灰主要含水層。

（2）煤層在奧灰水位線以下。

各開采煤層在奧灰水位線以下時（處于奧灰水帶壓區下），底板含水層除上述情況外，還涉及奧陶系中統灰巖巖溶裂隙含水層。該含水層屬于承壓含水層，采掘區域在承壓水位線以下時，一旦存在導水構造，將煤層與承壓含水層導通，奧灰承壓水將會淹沒該區域，甚至威脅到整個采區和礦井的安全生產。

2.3 采空區積水

新景礦為多煤層、分水平開采，上部煤層采空區積水對于同層及下層煤層開采具有一定的水害威脅。

2.3.1 采空區積水情況

（1）井田內采空積水。

新景礦井曾經對3、8、9、15號煤層進行過不同程度的開采，存在采空區及采空積水。井田內采空積水為礦井主要充水水源之一。

經調查計算，該井田的3號煤層積水區17處，總積水量約111 440 m3；8號煤層積水區6處，總積水量約11 491 m3；9號煤層積水區2處，總積水量約2 752 m3；15號煤層積水區21處，總積水量約274 462 m3，各煤層總積水量400 145 m3。

（2）周邊礦井采空區積水。

周邊煤礦的3號煤層積水區5處，總積水量約83 700 m3；6號煤層積水區2處，總積水量約101 087 m3；15號煤層積水區12處，總積水量約940 175 m3；各煤層總積水量1 124 962 m3。

2.3.2 導水裂隙帶

新景礦3、8、9號煤層頂板為中硬巖性，15號煤層老頂為石灰巖，屬堅硬巖性，根據“三下”開采規范中的推薦，3、8、9號煤層導水裂隙帶采用公式（1）和（2）計算，15號煤層導水裂隙帶采用公式（3）和（4）計算。

式中：Hli為導水裂隙帶高度，m；∑M為最大采厚，m。

經計算，3號煤層導水裂縫帶高度為51.52 m；8號煤層導水裂隙帶高度為48.16 m；9號煤層導水裂隙帶高度為45.50 m；15號煤層導水裂隙帶高度為95.96 m，各煤層間距及導水裂縫帶高度見表1。

表1 各煤層間距及導水裂縫帶高度Table 1 Each coal seam spacing and water conduction fracture zone height

從表1可以看出，8號煤層采厚3.64 m，其導水裂縫發育高度48.16 m，大于3號煤層之間的隔水層厚度（38.99 m），其導水裂縫成為導通3號煤層采空區積水的通道，對8號煤層開采形成威脅；8號煤層與9號煤層之間隔水層厚度15.65 m，開采時導水裂縫可以成為導通8號煤層采空區積水的通道；15號煤層導水裂縫發育高度延伸向上95.96 m，大于與9號煤層隔水層厚度（67.92 m），其導水裂縫會成為導通9號煤層采空區積水的通道，對15號煤層開采構成威脅。

總體而言，新景礦及周邊礦井采空區存在較大量的積水，且導水裂縫發育高度均溝通上覆采空區，因此，采空區積水對該礦安全生產具有一定威脅。

3 奧灰水水文地質條件及帶壓開采分析

新景礦井田范圍內奧陶統灰巖含水層主要由峰峰組和上馬家溝組含水層組成，井田內主要可采煤層部分位于奧灰水位線以下，屬于奧灰水帶壓開采，面臨底板突水的危險性。

（1）奧陶統灰巖含水層垂直分布特征。

奧陶統灰巖含水層由峰峰組和上馬家溝組含水層組成，垂直分布特征如下。

峰峰組水文地質特征。根據鉆孔揭露，峰峰組整體水位標高約為+479.03—504.34 m，其中，峰峰組二段厚度為57.48～124.80 m，平均厚度為89.92 m，單位涌水量為0.591 L/s·m，富水性中等；一段厚度為78.90～145.70 m，平均厚度為121.98 m，單位涌水量為0.008 5 L/s·m，富水性弱，整體看峰峰組二段比一段富水性強且在地層處于上段，對上覆煤層開采不利。

上馬家溝組水文地質特征。據勘探資料顯示，本區上馬家溝組的水位標高+381—+455 m，奧灰水總體上自北西向南東流，單位涌水量為0.063～3.388 L/s·m，在馬家溝組奧灰富水性強的區域若發生突水，對礦井的安全威脅較大。

（2）底板突水系數。

《煤礦防治水細則》指出，底板突水的必要條件是存在導水破碎帶，充分條件是承壓水的水壓大于或等于隔水層水平最小主應力，提出了采用突水系數用于評價底板突水可能性，計算公式見式（5）：

式中：Ts為突水系數，MPa/m；p為底板隔水層承受的水頭壓力，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

經計算，3號煤層突水系數為0～0.013 9 MPa/m，8號煤層突水系數為0～0.017 4 MPa/m，9號煤層突水系數為0～0.019 4 MPa/m，15號煤層帶壓區域最大，突水系數為0～0.038 0 MPa/m，自北向南隨著煤層埋藏深度增加，煤層承受的奧灰水壓力增高，突水系數增大。

（3）帶壓區平面分布特征。

在井田西部各開采煤層存在局部帶壓。井田奧灰水水位標高386—542 m（由北西向南東逐漸降低），各開采煤層在井田西部或西南部存在不同程度的帶壓現象，其中，3號煤帶壓面積5.87 km2，最大突水系數0.013 9 MPa/m；8號煤帶壓面積10.67 km2，最大突水系數0.017 4 MPa/m；9號煤帶壓面積12.43 km2，最大突水系數0.019 4 MPa/m；15號煤帶壓面積27.94 km2，最大突水系數0.038 0 MPa/m，為礦井最大突水系數，但小于臨界突水系數0.06 MPa/m，因此，奧灰水帶壓區屬于相對安全區。

4 結 語

以新景礦礦井水文地質條件為背景，調查分析了地表水、地下含水層水、采空區積水等礦井水害因素，目前新景礦主要受采空區積水和奧灰承壓水影響，根據計算，新景礦主要開采的8、9、15號煤層形成的導水裂縫帶均會溝通上覆采空區，采空區積水給礦井安全生產帶來威脅。同時，井田內各可采煤層存在奧灰水帶壓區域，但最大突水系數小于臨界突水系數，表明井田內各可采煤層奧灰水帶壓區屬于相對安全區。