近距離上層老空區(qū)水害危險性評價方法

摘" "要：老空水害是新疆地區(qū)煤礦防治水的重點和難點，對于煤礦安全生產(chǎn)造成嚴重威脅。為摸清伊犁鞏留縣塔拉迪煤礦C8煤層老空水害問題，在礦井水文地質(zhì)條件研究基礎上，對老空區(qū)積水充水水源及充水通道進行分析，結(jié)合瞬變電磁和鉆探成果，對C8煤層老空區(qū)進行積水量預測和水害評價。研究表明，C8煤層老空區(qū)充水水源主要為西山窯組砂巖孔裂隙含水層，充水通道主要為采動破壞后的導水裂縫帶；瞬變電磁物探富水異常區(qū)富水性弱，兩個富水異常區(qū)積水量預測為3 188.12 m3和7 609.85 m3，二采區(qū)老空區(qū)涌水量為96.45 m3/d；據(jù)劃分標準，二采區(qū)僅在8-2富水異常區(qū)采空區(qū)范圍內(nèi)為高危險區(qū)，可采取主動探放方法進行疏排，保障下部C7煤層的安全開采。

關鍵詞：塔拉迪煤礦；老空區(qū)水害；積水條件；危險性評價

新疆地區(qū)煤炭資源豐富且分布范圍廣，預測儲量2.19×107 t，已逐步形成吐哈、準噶爾、伊犁、庫拜四大煤田，煤層厚度大、埋藏淺且賦存穩(wěn)定，煤炭產(chǎn)量居全國第四，是我國重要的煤炭生產(chǎn)戰(zhàn)略性儲備區(qū)[1-4]。侏羅系八道灣組、三工河組和西山窯組為新疆北部主要含煤地層，含煤層數(shù)多且煤層間距較近。由于賦存特征原因，煤層埋深較淺，新疆區(qū)內(nèi)歷史上小煤窯眾多，開采方式粗放，遺留老窯及老空區(qū)數(shù)量較多且情況復雜，在水位線以上可能存在局部積水區(qū)，在水位線以下成為儲水空間，對于目前整合后和改擴建礦井的安全生產(chǎn)造成水害威脅，是新疆地區(qū)煤礦防治水的重點和難點[5-8]。

多煤層賦存區(qū)下部煤層開采時，上層采空區(qū)積水易通過采動裂隙、構(gòu)造破碎帶、封閉不良鉆孔等導水通道進入下層采掘空間。因此，下層煤開采前，應及時對近距離上層老空區(qū)水害進行危險性評價并進行水害治理工作。眾多學者在水文地質(zhì)條件分析基礎上，利用物探及鉆探技術，提出了采空區(qū)積水量預測方法，并針對性設計探放水鉆孔進行水害防治[9-13]。本文以新疆鞏留縣塔拉迪煤礦近距離上層老空水為研究對象，在分析老空水積水條件的基礎上，結(jié)合物探及鉆探結(jié)果，對老空區(qū)積水量進行預測，并在考慮積水量動態(tài)變化的條件下進行危險性評價，以期為同類型煤礦水害防治提供理論支撐和方法借鑒。

1" 礦井水文地質(zhì)條件

塔拉迪煤礦地處察布查爾縣、鞏留縣、伊寧縣三縣交接處，地理坐標為東經(jīng)81°37′46″～81°38′42″，北緯43°33′48″～43°34′19″，為機械化改造礦井，礦區(qū)總體表現(xiàn)為NW向傾斜的單斜構(gòu)造，走向70°，向東漸轉(zhuǎn)為約30°，傾角5°～10°，構(gòu)造較簡單（圖1）。所采煤層主要為中侏羅統(tǒng)西山窯組C8和C7煤層，C7煤層位于C8煤層下部，平均間距10.32 m。C8煤層厚度為7.50～18.69 m，平均12.53 m，屬厚-巨厚煤層，厚度變異系數(shù)24%，屬穩(wěn)定煤層；C7煤層賦存范圍內(nèi)煤層厚度0.93～3.50 m，平均2.42 m，屬薄-中厚煤層。厚度變異系數(shù)36.33%，屬較穩(wěn)定煤層。礦區(qū)內(nèi)北部為一采區(qū)，主要開采C7、C8兩層煤，南部為二采區(qū)，僅開采C7煤層。

礦井內(nèi)碎屑巖含煤建造主要由砂巖、礫巖、粉砂巖、泥巖及煤層組成，地下水賦存于質(zhì)脆多孔的砂巖和礫巖中，而柔性泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及煤層則是相對隔水層。本礦區(qū)含水層主要有第四系透水含水層（H1）、西山窯組中上段孔隙裂隙含水層（H2）和八道灣組孔隙含水層（H3），其中H2含水層為C8煤層頂板的直接充水含水層。

H1含水層是河谷沉積和山前平原沖積沉積，由砂、砂質(zhì)黏土、礫石等組成。礫石直徑1～15 cm，主要為凝灰?guī)r、玄武巖、花崗巖等。該含水層鉆孔靜止水位38.86 m，位于第四系底界（40.20 m）附近，局部在底部含少量水。H2含水層在煤礦主斜井中段出露，含水層主要巖層為砂礫巖、粗砂巖夾少量中砂巖、細砂巖。平均單位涌水量為0.003 9 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.002 9 m/d，屬弱富水含水層。水質(zhì)類型為Cl·SO4-Ca·（K++Na+）型水，固形物為1 352 mg/L。H3含水層主要巖層為砂礫巖、粗砂巖夾少量中砂巖、細砂巖，單位涌水量為0.002 823 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.006 064 m/d，為弱富水含水層。

中侏羅統(tǒng)西山窯組中段煤巖隔水層（G1）位于C煤組中部，由泥巖、泥質(zhì)粉砂巖夾少量細砂巖、中砂巖組成，夾C8、C7煤層。厚度75～98 m，在未采動條件下，可視為相對隔水層。

礦井內(nèi)地層孔隙裂隙不發(fā)育，地下水運移緩慢，含水層間的水力聯(lián)系弱，區(qū)內(nèi)無常年地表水流，地下水補給主要源于大氣降雨、融雪（冰）水，且地形坡度有利于排泄，使地下水補給甚微，生產(chǎn)井疏干排水為地下水排泄的主要途徑。目前礦井內(nèi)C8煤層已開采完畢，后續(xù)在二采區(qū)主要開采C7煤層，以往開采C8煤層時遺留較多老空區(qū)。盡管H2含水層富水性較弱，但C8煤層開采已有近40年歷史，未來開采下部C7煤層時，上部老空區(qū)積水必然會對煤礦安全生產(chǎn)造成影響。因此，對于C8煤層老空水害的危險性評價至關重要。

2" 老空區(qū)積水條件

2.1" 充水水源分析

老空區(qū)積水充水水源類型主要受不同地區(qū)氣候、地形地貌、地質(zhì)和水文地質(zhì)條件等的差異而不同，塔拉迪煤礦老空區(qū)積水水源主要包括大氣降水、H1和H2含水層水。

煤礦區(qū)降水多集中在每年5至7月，年平均降水量260 mm，降水量較小，且年降水量遠低于蒸發(fā)量。據(jù)煤礦2021年涌水量數(shù)據(jù)，與鞏留縣2021年月降水數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，礦井涌水量從1月份至9月份呈現(xiàn)遞增趨勢，與降水量關系不明顯（圖2）。但大氣降水及雪融期冰雪消融水易通過地表風化裂隙等補充含水層，如采動裂隙擴展到地面，同樣會下滲進入老空區(qū)，逐步造成老空區(qū)積水。

據(jù)區(qū)內(nèi)含水層鉆孔揭露情況，H1含水層滲透系數(shù)高，主要受大氣降水補給，其中賦存少量潛水可能在采動影響下補給下伏含水層（H2）進而補給C8煤層老空積水。由于西山窯組是煤礦主要含煤地層，煤層回采結(jié)束后，西山窯組孔裂隙含水層（H2）水會直接沿導水裂縫帶流入老空區(qū)，是老空區(qū)積水的主要水源。

各含水層垂向水力聯(lián)系對于分析C8煤層老空區(qū)積水至關重要，通過分析不同含水層水樣水化學特征可從側(cè)面反映不同含水層是否存在水力聯(lián)系，同時也可反映礦井涌水的主要來源[14，15]。據(jù)煤礦所采集的地表泉水（SY1）、礦井水倉排水（SY2）以及C8煤層頂板水（SY3）水樣水化學分析結(jié)果，地表泉水水樣陽離子以Na+和Ca2+為主，陰離子以[HCO-3]、[SO2-4]和[NO-3]為主；礦井水倉排水水樣陽離子以Na+和Ca2+為主，陰離子以[HCO-3]、[SO2-4]和Cl-為主；C8煤層頂板水水樣陽離子以Na++K+和Ca2+為主，陰離子以Cl-和[SO2-4]為主（圖3）。3個水樣陰陽離子濃度差異較大，說明地表水與C8煤層頂板水垂向聯(lián)系較弱，礦井水的充水水源也非單一來源。

2.2" 充水通道分析

充水通道主要是連接老空區(qū)充水水源與老空區(qū)之間的滲水或流水通道，是老空區(qū)積水水文地質(zhì)條件復雜化的主要根源之一。塔拉迪煤礦老空區(qū)充水通道主要包括采動破壞通道、廢棄老窯、地裂縫及地面塌陷和封閉不良鉆孔，其中采動破壞通道為老空區(qū)主要充水通道。

煤層開采過程中，會在工作面底板形成底板破壞帶，在工作面頂板形成導水裂縫帶，這些采動裂隙均可能成為導水通道，導水裂縫帶是頂板含水層向老空區(qū)充水的主要通道。C8煤層上覆地層巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、中砂巖，C7煤層頂部巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主。結(jié)合覆巖巖性及巖石力學性質(zhì)測試結(jié)果，礦井內(nèi)覆巖巖性為軟弱等級，參照綜采放頂條件下的導水裂縫帶高度計算公式進行計算[16]。計算公式如下：

[H=100M-0.33M+10.81±6.99]" （1）

式（1）中：H為導水裂縫帶高度（m）；M為煤層厚度（m）。

通過對C8煤層導水裂縫帶的計算，發(fā)現(xiàn)C8煤層在煤層賦存較厚地區(qū)，特別是煤厚大于12 m的位置，導水裂縫帶高度大于煤層埋深（表1），會導致采后導水裂縫延伸至地表，接受大氣降水補給，造成C8煤層采空區(qū)積水。進一步分析導水裂縫帶與煤層厚度的關系，發(fā)現(xiàn)導水裂縫帶高度與煤層厚度呈較好的正相關關系（圖4），即煤層開采厚度越厚，導水裂縫帶高度越大，因此應重點關注煤層厚度較厚位置的采空區(qū)積水情況。

在對導水裂縫帶計算的基礎上，水文地質(zhì)補充勘探工作期間對發(fā)現(xiàn)的10處地裂縫、47處地面塌陷坑（周圍有地裂縫）進行了井上下對比調(diào)查，通過裂縫標高可計算導水裂縫帶實際高度，發(fā)現(xiàn)最大導水裂縫帶高度217.70 m，大量導水裂縫帶貫通至地表。

3" 老空區(qū)積水量預測及危險性評價

3.1" 老空水積水量預測

正常情況下，同一地層電性在橫向上相對均一，當存在局部異常體時，如采空區(qū)、斷層、裂隙帶等并有導電性水體存在的區(qū)段則出現(xiàn)局部低電阻率異常區(qū)。因此，利用瞬變電磁法可對老空積水進行探測。通過瞬變電磁，最終在礦區(qū)C8煤層范圍內(nèi)圈定了2個低阻異常區(qū)，異常編號為8-1和8-2（圖5）。

地面瞬變電磁工作結(jié)束后，在8-2富水異常區(qū)進行鉆探驗證，該鉆孔位于老窯房柱式開采區(qū)域，靜止水位標高1 027.33 m，鉆孔揭露C8煤層煤柱，C8煤層底板標高1 021.46 m，據(jù)此推斷C8煤層中含水，臨近采空區(qū)也含水。但該鉆孔“一抽即干”，試抽僅延續(xù)20 min即“掉泵”，降深11.77 m，涌水量未穩(wěn)定，總抽水量僅0.203 m3，水位未穩(wěn)定，仍具持續(xù)下降趨勢。隨即觀測恢復水位，待水位穩(wěn)定后，進行簡易注水試驗。該鉆孔注水量為0.15 L/s（12.96 m3/d），滲透系數(shù)為0.006 132 m/d，屬弱富水含水層。在非富水異常區(qū)施工CZK2、CZK3鉆孔揭露C8煤層老空區(qū)，鉆孔靜止水位低于C8煤層老空區(qū)底板標高，說明非富水異常區(qū)老空區(qū)不含水，進一步驗證了地面瞬變電磁結(jié)果的準確性。

據(jù)《煤礦專門水文地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB-T 40130-2021），可對采空區(qū)積水量進行計算，在積水深度未知時，可采用如下公式進行計算[16]：

[WQ=（K?M?S）/cosα]" （2）

式（2）中：WQ為老空區(qū)積水量（m3）；K為充水系數(shù)，取0.1；M為老空區(qū)平均采高或煤厚（m）；S為老空區(qū)積水的投影面積（m2）；α為煤層傾角（°）。

C8煤層平均采厚為4.80 m，煤層傾角取10°，由于8-1富水區(qū)范圍位于C8煤層遺留煤柱范圍，不屬于采空區(qū)，因此，此計算結(jié)果僅供參考。經(jīng)過計算，8-1富水異常區(qū)積水量為3 188.12 m3，8-2富水異常區(qū)積水量為7 609.85 m3。C8煤層老空區(qū)積水不斷動態(tài)變化，積水量不斷增加，亦可通過排泄降低。為了進一步表征C8采空區(qū)特別是富水區(qū)積水量的動態(tài)變化過程，利用大井法對二采區(qū)采空區(qū)涌水量進行計算，用采空區(qū)涌水量反映積水量的動態(tài)變化。

選擇潛水完整井礦井涌水量計算公式[16]：

[Q=1.366K（2H-S）SlgR0-lgr0] （3）

式（3）中：Q為預測涌水量（m3/d）；K為滲透系數(shù)（m/d）；H為從預測水平算起的水頭高度（m）；S為水位降深（m）；r0為“大井”半徑（m）；R0為“大井”影響半徑（m）。

取礦區(qū)范圍內(nèi)Ⅸ-6鉆孔的相關數(shù)據(jù)進行計算，其中靜止水位為1 027.33 m，距孔口深度為76.28 m，從靜水位到C8煤層底板水頭高度即H為5.86 m；水位降深為5.86 m；K為0.006 132 m/d；開采面積F為325 943 m2；r0=[Fπ]=322.19 m；[R0=2SHK=]324.41 m；涌水量Q為96.45 m3/d。

3.2" 老空水害類型及危險性評價

塔拉迪煤礦二采區(qū)未來3年開采C7煤層時所面臨的水害問題主要為C8煤層老空區(qū)積水，老空水害類型為頂板老空積水型，主要面臨頂板導水裂隙帶溝通型水害。該水害具有以下特點：①下煤層導水裂隙帶直接溝通上覆老空積水誘發(fā)水害；②上覆老空無積水或已及時探放，下煤層導水裂隙溝通上煤層底板破壞帶的同時，誘發(fā)上煤層導水裂隙二次發(fā)育溝通上方含水層或地表水，上煤層老空二次形成積水區(qū)，積水涌入下煤層采掘工作面后導致滯后型透水。

基于以上分析，導水裂隙帶發(fā)育高度與開采煤層厚度存在明顯的正相關關系，且C7煤層開采導水裂縫帶高度均大于C7、C8煤層間距，結(jié)合煤層厚度和地面瞬變電磁富水性探測結(jié)果，參照《煤礦專門水文地質(zhì)勘查規(guī)范》對二采區(qū)老空水害進行危險性評價，將二采區(qū)老空水害危險性劃分為一般危險區(qū)、中等危險區(qū)和高危險區(qū)，評價標準見表2。

據(jù)評價標準，將二采區(qū)8-1富水異常區(qū)和8-2富水異常區(qū)保護煤柱范圍內(nèi)劃分為中等危險區(qū)，將8-2區(qū)域富水異常區(qū)采空區(qū)范圍內(nèi)劃分為高危險區(qū)，其他區(qū)域劃分為一般危險區(qū)。據(jù)“預測預報、有掘必探、先探后掘、先治后采”原則，針對C8煤層老空水害問題，應采取主動探放原則，將該部分老空區(qū)積水疏干，以徹底解除水患。

4" 結(jié)論

（1） 塔拉迪煤礦C8煤層老空區(qū)充水水源主要為西山窯組砂巖孔裂隙含水層，充水通道主要為采動破壞后的導水裂縫帶。據(jù)導水裂縫帶計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其與煤層厚度呈明顯的正相關關系，C8煤層較厚位置導水裂縫帶延伸至地表，接受大氣降水及地表水補給。

（2） 結(jié)合瞬變電磁地面物探富水異常區(qū)和鉆探驗證結(jié)果，二采區(qū)富水異常區(qū)富水性弱。對富水異常區(qū)進行積水量預測，預測8-1富水異常區(qū)積水量為3 188.12 m3，8-2富水異常區(qū)積水量為7 609.85 m3，計算二采區(qū)老空區(qū)涌水量為96.45 m3/d。

（3） 據(jù)積水條件和積水量預測結(jié)果，提出了C8煤層老空水害評價標準，劃分為一般危險區(qū)、中等危險區(qū)和高危險區(qū)，二采區(qū)8-2富水異常區(qū)采空區(qū)范圍內(nèi)為高危險區(qū)。

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Water Hazard Assessment in the Close Distance Old Goaf

Yan Shunshang1， Hu Pinhuan1， Liu Xiao1， Zhang Xiaoyang2，3， Li Kang2

（1.The Fifth Exploration Team of Shandong Coalfield Geologic Bureau，Jinan，Shandong，250100，China;2.College of Earth Sciences amp; Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590，China;

3.The First Exploration Team of Shandong Coalfield Geologic Bureau，Qingdao，Shandong 266404，China）

Abstract： Goaf water disasters is the key and difficult point for prevention and control of coal mine water in Xinjiang region， which poses a serious threat to coal mine safety production. The purpose of this article is to find out the problem of goaf water damage in C8 coal seam of Taradi Coal mine in Yili Gongliu County. On the basis of the study of mine hydrogeological conditions， the water source and water filling channel in goaf area are analyzed. Combined with transient electromagnetic and drilling results， the water volume prediction and water damage evaluation in goaf area of C8 coal seam are carried out. The results show that the main source of water filling in the goaf area of C8 coal seam is the sandstone pore fissure aquifer of the Xishanyao Formation， and the main water filling channel is the water-conducting fracture zone. The water-rich anomaly area of transient electromagnetic geophysical exploration shows weak water abundance， and the water volume of the two anomaly areas is predicted to be 3 188.12 m3 and 7 609.85 m3. The water inflow in the goaf area of the second mining area is 96.45m3/d. According to the classification criteria， only within the goaf area of the 8-2 rich water anomaly area is a high risk area. The method of water exploration and discharge can be adopted to ensure the safe mining of the lower C7 coal seam.

Key words： Taladi Coal Mine; Water hazard in the old goaf; Waterlogging condition; Hazard evaluation