山西慈林山煤礦水文地質特征及水害防治措施

李 威

（山西省煤炭地質一一四勘查院有限公司，山西 長治 046000）

1 礦井概況

慈林山煤礦位于長子縣慈林鎮龍塘村至色頭鎮鮑寨村一帶，北距長治市約30 km，207 國道和長治—晉城高速從礦區東側通過，礦區距太焦鐵路東田良車站約1km，交通運輸十分便利。本區位于太行山脈西側之長治盆地南部的低山中，區內溝谷縱橫，地貌特征劃為黃土陡崖沖溝、河漫灘低地和低山侵蝕3 種，由北部慈林山經南嶺到南部鮑寨山頂，成一起伏脊線，分別向東西兩側逐漸降低，標高由+1208.8 m(鮑寨山頂)逐漸降為+960 m（東田良村）。井田內地表河流主要為鮑寨河，為季節性河流，位于井田南部，經鮑寨向東流，在色頭鎮轉為北東向流出井田，現已干涸。

礦區內大部為第四系黃土覆蓋，二疊系上、下石盒子組在局部地段出露。石炭系上統太原組和二疊系下統山西組為本煤礦的含煤地層。含煤地層總厚為154.99 m，煤層平均總厚13.49 m，含煤系數8.70%，含3、9、15 號等3 層穩定可采煤層。

礦區內構造受區域構造影響，構造總體為走向NE、傾向NW 的單斜，在此基礎上發育軸向近EW向或NS 向的寬緩褶曲，地層產狀平緩，傾角一般5°～10°，局部可達17°，共發現大小斷層16 條，其中巷道掘進及工作面回采過程中揭露了13 條斷層。礦內共發育有陷落柱50 個，其中43 個為采掘揭露，7 個為物探解譯。

2 水文地質條件

2.1 水文地質單元

慈林山煤礦區域水文地質單元為三姑泉域。在甘潤村南部的晉獲褶斷帶及延河泉域構成三姑泉域的西部邊界，其北以地表分水嶺為界；北部邊界在長治縣韓店鎮到蔭城鎮一帶；柳樹口到奪火一帶的地形地貌分水嶺、大箕至南石翁一帶的近東西向弧形褶斷帶分別構成三姑泉域的東、南邊界。

2.2 主要含、隔水巖組及其特征

2.2.1 含水層

1）松散層孔隙含水層。該含水層組的巖性主要是由亞粘土、砂石及礫石等構成，孔隙較發育，出露范圍較大，含水層埋藏深度一般不大，滲透性良好，接受大氣降水和地表水的補給，在局部地段含水豐富。

2）基巖風化帶裂隙含水層。該含水層的巖性因地而異，在巖性、構造及地形等因素作用下，風化裂隙發育程度不一，該含水層埋藏深度一般在50～80 m，各地段富水性差異較大。

3）二疊系下統山西組及上、下石盒子組砂巖裂隙含水層組。為碎屑巖裂隙含水層組，礦區內上、下石盒子組均有出露。該含水層組巖性主要由中、細粒砂巖為主，平均厚度為8.68 m。K7 砂巖及3 號煤層頂板砂巖裂隙含水層構成3 號煤層采空積水的充水水源。在鉆進過程中，據簡易水文觀測，該層位泥漿消耗量較大。

4）石炭系上統太原組巖溶裂隙含水層組。該含水層組由K2、K3、K4、K5 4 套灰巖構成，平均總厚度為17.88 m，一般不發育巖溶裂隙（個別鉆孔除外）。鉆進過程中，簡易水文觀測發現，除少量鉆孔沖洗液漏失外，大部分鉆孔變化不明顯。

5）奧陶系中統峰峰組石灰巖巖溶裂隙含水層。該含水層組巖性主要由石灰巖、泥質灰巖及白云巖等構成，隱伏于15 號煤層之下，地表未見露頭。奧陶系灰巖含水層埋藏深度大，厚度較大，承壓水頭較高，是礦區主要含水層組。

2.2.2 隔水層

1）上石盒子組中下部及下石盒子組隔水組。該層巖性組成是由泥巖、砂質泥巖夾薄層砂巖，在垂向上呈復合結構，裂隙較少存在，為相對石盒子組與山西組之間的相對隔水層。

2）山西組和太原組上部所夾透鏡體狀泥巖和砂質泥巖，以及松散層中透鏡狀分布的粘土，在一定程度上起著局部隔水作用。

3）石炭系上統太原組底部及中統本溪組隔水層。該層巖性組成是由塑性的鋁土質泥巖、泥巖及砂質泥巖等，層厚8.50（522 孔）～27.96（513 孔）m，平均18.57 m，位于15 號煤層與奧陶系中統峰峰組之間，該層巖性致密，透水性差，其中本溪組底部鋁土泥巖質地細膩，隔水性極好，是慈林山煤礦主要隔水層組之一，對隔斷下部奧陶系巖溶水起著重要作用。

3 充水條件及突水危險性評價

3.1 礦井充水條件

通過對含隔水層巖組特征、地下水的補給、徑流、排泄條件及其水力聯系等條件進行分析，并結合臨近礦井充水因素，綜合得到對本礦煤層開采有影響的充水水源主要有大氣降水及地表水、含水層水、底板奧灰水、采空積水。

3.1.1 充水水源

1）大氣降水及地表水。區域內年平均降水量在449.90～634.10 mm，平均558.80 mm，大多集中在7、8、9 月份。各井口標高都高于其附近最高洪水位標高，一般不會發生洪水潰入井下。根據各煤層導水裂隙帶高度，3 號煤層采空區積水的可以由大氣降水及地表水補給，有可能影響到9、15 號煤層開采。

2）含水層水。3 號煤層頂板及以上砂巖裂隙含水層水可直接補給3 號煤層采空區積水，對礦井充水有影響。石炭系上統太原組巖溶裂隙含水層組總共由4 套灰巖構成，即K2、K3、K4、K5 層，該含水層組屬于弱富水性含水層，為開采9、15 號煤層的直接充水含水層。根據采掘揭露情況，在向斜軸部存在頂板涌水量異常增大現象，特別是在15 號煤層北翼回風大巷、軌道大巷開拓過程中，頂板淋水異常增大，在30～50 m3/h 之間，根據礦方提供近3 年礦井涌水量臺賬，現已降至18 m3/h。根據物探成果，在其北部存在物探解釋異常區（相對富水異常區三、四、五），根據煤層底板等高線其北側為最低點，且靠近慈林山斷層，其北部在未來采掘過程中可能存在頂板水突水危險。15 號煤層底板奧陶系灰巖含水層埋藏深度大，厚度較大，承壓水頭較高。井田內推測奧灰含水層水位標高為+640.00～+644.50 m。莊頭斷層以西（上盤）15 號煤層帶壓地段為奧灰水突水的危險區。

3）采空積水。3 號煤層采空區積水共12 處（其中1 處已完成探放），9、15 號煤層采空區經調查不存在積水。未來礦井開采9、15 號煤層，9、15 號煤層距離3 號煤層較近，可能會溝通3 號煤層采空區積水，對礦井安全生產有影響。

3.1.2 充水通道

斷層和裂隙密集帶、陷落柱、煤層頂板、底板破壞形成的導水通道、未封堵和封堵不良的鉆孔及巖溶塌陷等均是可能的充水通道。礦區內斷層在井巷揭露時均未出現涌水增大，僅有少量滲水，說明揭露斷層導水性相對較差。

在揭露的陷落柱內的充填物，一般為泥巖、砂巖及煤塊的混合物，棱角明顯，形狀不規則，排列紊亂，大小混雜；揭露時無水，經后期監測無水，陷落柱不導水。

井田開采3 號煤層后，兩帶最大高度可達二疊系下石盒子組地層中下部，從而使3 號煤層上部山西組砂巖含水層受到破壞。鉆孔507、522 附近3 號煤層埋藏淺，導水裂隙帶高度達地表（見表1）。井田開采9 號煤層后，兩帶最大高度可達上部石炭系上統太原組地層中上部，從而使9 號煤層頂部石炭系上統太原組巖溶裂隙含水層遭到破壞?？紤]到3 號煤層采掘活動對底板的破壞，9 號煤層可能會溝通3 號煤層采空區積水。井田開采15 號煤層后，兩帶高度能達到上部石炭系上統太原組中下部及9 號煤層，從而使15 號煤層上部石炭系上統太原組巖溶裂隙含水層受到破壞。15 號煤層可導通9 號煤層采空區積水。

表1 3 號煤層導水裂隙帶高度

3.1.3 充水強度

根據慈林山煤礦2019-2022 年煤層實測涌水量值進行計算，開采9 號煤時富水系數為1.30 m3/t，開采15 號煤時富水系數為1.39 m3/t，均小于2 m3/t，充水強度為弱。

3.2 突水危險性評價

根據山西省煤炭工業廳晉煤行發[2017]128 號文及《煤礦防治水細則》附錄四中“底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06 MPa/m，正常塊段不大于0.1 MPa/m”的規定，結合礦井斷裂發育程度，本次采用一個分區系列：在對礦井導水斷裂構造、陷落柱發育程度綜合分析的基礎上，以突水系數0.06 MPa/m 為劃分標準，劃分為①突水威脅區（突水系數小于0.06 MPa/m），該區帶壓水頭小，突水危險發生的可能性較小，或即使發生突水危險其可能造成的破壞影響較小，但是在斷裂構造附近存在突水事故發生的可能性；②突水危險區（突水系數大于等于0.06 MPa/m），該區帶壓水頭較高，不僅在斷裂附近發生突水的危險性高，而且一旦發生突水事故造成的破壞亦較大，在煤礦安全生產和建設過程中，必須制定專門的帶壓開采設計，施工必要的防治水工程，在開采前務必做好應急預案。

由于莊頭斷層以西（上盤）1201 孔底板隔水層厚度為11.50 m，計算突水系數為0.16～0.31 MPa/m＞0.10 MPa/m。因此，莊頭斷層以西（上盤）15 號煤層帶壓地段存在奧灰水突水可能性。本井田未來采掘區域位于莊頭斷層以東，莊頭斷層以西帶壓區域“三區”劃分結果為禁采區。故奧灰水對未來9、15 號煤層開采影響較小。井田西部莊頭正斷層落差約200 m，導致莊頭斷層以西（上盤）的15 號煤層直接與奧灰接觸，有底板突水可能，并且奧灰水在此處可能水平滲流進入礦井。在未來采掘接近莊頭斷層時，應按煤礦防治水細則留設物理隔水煤柱，同時高度注意奧灰水涌入礦井。

4 礦井水害防治措施

根據本礦現已知的水文地質條件以及充水因素，針對地表水害、老窯水害以及頂板水害作出評價，就本礦目前所存在的問題提出以下建議。

4.1 地表水防治

對采掘區內存在積水及地裂縫及時進行排水和填埋地裂縫，避免雨季地表水滲漏涌入煤層采空區造成水害事故。在雨季，專門人員每周均應對地面裂隙、廢棄井筒及封閉不良鉆孔、塌陷的老空區和廢棄巷道等情況進行觀測。應當在收到暴雨災害預警信息和警報之后，實行24 h 持續巡視，對地表塌陷區及地裂縫區要進行及時封填治理，在較危險的地段要設置警示牌和警戒線。

4.2 采空區積水防治

采空區積水是礦井充水的重要因素，采掘工程一旦意外接近或揭露，便可能突然潰出，發生對煤礦安全生產和建設的威脅較大的透水事故。

1）老空積水區調查。井田內老空區分布及積水區已基本查明，但是老空區積水處在動態變化過程中，隨時間的推移，無積水區會逐漸成為積水區。所以，在煤礦采掘過程中必須開展礦區內實地檢驗和調查周邊礦井老采空區積水情況等，避免礦井水害事故的發生。

2）加強采空積水區的探測工作。井下物探，探查異常區。采用井下瞬變電磁或直流電法等方法進行超前探，以掘進、回采工作面前方異常水文地質特征探查為重點，避免由于接近或揭露前方采空積水區而造成礦井突水事故。

3）探放水前準備工作。嚴密組織探水掘進，在有足夠幫距、超前距和控制密度的鉆孔掩護下，掘進巷道逐步接近它，利用物探和鉆探探明、核實積水區的積水量及范圍，調查清楚積水線、探水線和警戒線的確切方位。對需探放的老空積水分析、查明后，在確定的探水線位置布置鉆場和積水區下部布置輔助水倉等排水設施進行探放水前的準備：科學計算采空區積水量，依據煤礦排水能力和水倉容量，設計合理的放水流量，避免透水事故引起淹井；另外，還需專門人員水文監測鉆孔水位及出水情況，測定水量和水壓，建立臺賬并做好記錄。

4）老空水疏放水工作。在全面了解采空區積水情況的基礎上，科學編制探放水設計，根據設計要求實施探放水工程，確認無水害情況下開展采掘活動。

4.3 封閉不良鉆孔的防治

本井田內部分鉆孔未進行啟封檢查，當巷道及工作面接近鉆孔時，應嚴格執行探、放水作業或留足夠的保安煤柱，之后再行掘進。以確保安全生產。

4.4 煤層頂板碳酸鹽巖巖溶裂隙水防治

在煤層開采后，頂板垮落，導水裂隙帶發育高度將溝通上覆各個含水層，將含水層水導入采空區形成礦井水。井田內太原組巖溶裂隙水補給條件一般，總體富水性弱，局部富水性強。頂板水易于疏干。防治水工作以井下探放水為主。采用直流電法或坑透法在掘進工作面和回采工作掘進頭進行超前探測，目的是探查掘進頭前方構造（導水斷裂）和水文地質條件異常區域，以防因揭露或接近含水體（層）而導致突水事故的發生。井下放水建議采用預疏干和采動疏干相結合的方法。減少超前探水的工作量。以鉆探為主，物探資料要有鉆孔驗證。

4.5 煤層底板奧灰水防治

莊頭斷層以西（上盤）15 號煤層帶壓地段為奧灰水突水的危險區。本井田未來采掘區域位于莊頭斷層以東，莊頭斷層以西帶壓區域“三區”劃分結果為禁采區。故奧灰水對未來9、15 號煤層開采影響較小。

5 結 語

礦井水害是影響煤礦安全生產和建設的重要因素，查明礦水文地質條件、充水條件等，評價突水危險性，提出水害防治措施及存在問題。為煤礦隱蔽致災因素普查治理提供技術依據，夯實煤礦防治水技術管理基礎，從源頭上有效防范和堅決遏制各類煤礦事故的發生。