山東省寧汶煤田鑫安煤礦3 煤層開采水害隱患分析

姜 星 孫 強(qiáng) 陸 宇

（1.山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊(duì)，山東 濟(jì)南 250104；2.山東觀和集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250104；3.山東省煤田地質(zhì)局第五勘探隊(duì)，山東 濟(jì)南 250104）

礦井水害隱患對(duì)煤礦發(fā)展影響極大，地下水通過頂、底板通道涌入礦井，給礦井帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡[1-5]。該文以山東省寧汶煤田鑫安煤礦3 煤層為研究對(duì)象，系統(tǒng)地分析了開采3 煤層的水害隱患，以期為礦井水害防治提供理論依據(jù)。

鑫安煤礦位于寧汶煤田東北部，屬山東省泰安市寧陽縣，含煤地層為月門溝群山西組和太原組，可采煤層為山西組3 煤層和太原組15下、16、17 煤層，主采煤層為山西組3 煤層，平均厚度4.63 m，采用走向長壁綜采放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板。礦井總體為一背斜構(gòu)造，地層傾角11°～38°，大、中、小斷層均發(fā)育，且斷層有相互切割交叉現(xiàn)象，井田西部和中北部受巖漿巖侵入的影響，未發(fā)現(xiàn)巖溶陷落柱，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。

經(jīng)過多年開采，3 煤層存在多處老空積水，3煤層的直接含水層為頂板砂巖含水層。另外，受構(gòu)造影響，奧灰可能對(duì)礦井充水。

1 井田水文地質(zhì)概況

鑫安礦位于區(qū)域水文地質(zhì)單元東北部，寧汶煤田寧陽塊段西南部，礦井內(nèi)各基巖含水層均隱伏于第四系之下，第四系平均厚度44.63 m，礦井內(nèi)無大的地表河流，僅存在一些排洪溝和路溝、季節(jié)性積水區(qū)。由于第四系及新近系地層中黏土類隔水層發(fā)育，因此，各基巖含水層與地表水、大氣降水無直接水力聯(lián)系。

1.1 礦井邊界水文地質(zhì)條件

礦井西部為F22 大斷層，落差380 m，西升東降，煤系地層與對(duì)盤奧灰對(duì)接，為補(bǔ)給邊界；東部、南部、北部均為人為技術(shù)邊界，為補(bǔ)給邊界。

1.2 含水層

礦井內(nèi)含水層自上而下依次為第四系砂礫層、新近系砂礫層、白堊系砂巖含水層、3 煤層頂?shù)装迳皫r（簡稱3 砂）、太原組三灰、十下灰及奧陶系石灰?guī)r，其中3 砂是開采3 煤層的直接充水含水層。主要含水層相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 主要含水層相關(guān)參數(shù)

3 砂以灰白色、灰色中、細(xì)砂巖為主，局部為粗砂巖，平均30.18 m。據(jù)鉆孔資料，巖芯較破碎，21 個(gè)鉆孔中僅1 孔漏水。根據(jù)抽水試驗(yàn)成果，水位標(biāo)高19.57～38.80 m，單位涌水量0.000 9～0.001 4 L/s·m，富水性弱，水化學(xué)類型屬Cl·SO4-Na 型水，為開采3 煤層的直接充水含水層。礦井生產(chǎn)過程中揭露3 砂時(shí)偶有出水，出水點(diǎn)含水層巖性多為中砂巖、細(xì)砂巖，厚度4～8 m，最大水量8.2 m3/h，出水點(diǎn)無水壓，一般最大出水量持續(xù)幾小時(shí)后逐漸衰減。

三灰平均3.67 m，淺部裂隙發(fā)育，見溶蝕現(xiàn)象，局部巖芯破碎，未發(fā)現(xiàn)漏水孔。據(jù)抽水試驗(yàn)成果，三灰水位標(biāo)高-3.71 m，單位涌水量0.000 3 L/s·m，富水性弱，水化學(xué)類型屬Cl·SO4-Na 型水，水位恢復(fù)緩慢。結(jié)合區(qū)域三灰水文地質(zhì)條件，三灰富水性很不均一，淺部富水性中等，深部富水性較弱。

礦井內(nèi)奧灰最大揭露厚度達(dá)111.6 m，裂隙發(fā)育，充填或不完全充填方解石脈，見溶洞，局部巖芯破碎。據(jù)抽水試驗(yàn)成果，奧灰初始水位標(biāo)高34.73～38.14 m，單位涌水量0.016 3～0.050 7 L/s·m，富水性弱，水化學(xué)類型為SO4·Cl-Ca·Na 型水。根據(jù)寧陽煤田上世紀(jì)80 年代的奧灰抽水試驗(yàn)成果，鉆孔單位涌水量0.000 06～7.78 L/s·m，礦化度0.252～1.45 g/L，水化學(xué)類型以HCO3-Ca 為主。通過對(duì)含水層埋藏條件分析，奧灰淺部富水性強(qiáng)，埋深加大，含水層富水性變?nèi)酢?/p>

1.3 隔水層

礦井的隔水層主要為：第四系～新近系黏土類隔水層組（隔水層組Ⅰ）、古近系～白堊系隔水層組（隔水層組Ⅱ）、石盒子群隔水層（隔水層組Ⅲ）、17 煤至奧灰隔水層（隔水層組Ⅳ）。

隔水層組Ⅰ為松散層，由砂層與黏土、砂質(zhì)黏土組成，其中的黏土類與砂層相間沉積使砂層含水層間的水力聯(lián)系變?nèi)趸蜃韪簦瑥亩纬筛羲畬咏M，可有效阻止大氣降雨、地表水及砂層水對(duì)基巖含水層的直接補(bǔ)給。

隔水層組Ⅱ、Ⅲ中的砂質(zhì)泥巖、粉砂巖厚度大，為基巖中的相對(duì)隔水層，可阻止上部含水層對(duì)其下伏含水層垂直補(bǔ)給，形成隔水層段。

隔水層組Ⅳ巖性主要為泥巖、鋁質(zhì)泥巖及石灰?guī)r，由于17 煤層與奧灰間距較小，且?guī)r芯較破碎，不能有效阻斷奧灰水對(duì)采煤的影響。

1.4 斷層導(dǎo)、富水性

礦井內(nèi)共有44 個(gè)孔見斷層但均未發(fā)現(xiàn)漏水。建井時(shí)，在軌道及膠帶暗斜井中揭露F34 及F43 斷層，均只有淋水現(xiàn)象。生產(chǎn)過程中揭露的斷層均不含水、不導(dǎo)水。

礦井內(nèi)落差大于100 m 的斷層有24 條，這些斷層可縮短奧灰與3 煤層、奧灰與三灰的距離，甚至對(duì)口接觸。因此，在采掘工程接近斷層時(shí)，留設(shè)足夠的斷層煤柱，以防奧灰水突入礦井。

1.5 地下水補(bǔ)給、徑流與排泄

各充水含水層，其補(bǔ)給、徑流、排泄條件均屬不良，含水層水以靜儲(chǔ)量為主。第四系砂層主要接受大氣降水和沉積邊緣的基巖補(bǔ)給，其他含水層則主要通過露頭接受第四系砂層水的滲透補(bǔ)給。礦區(qū)基巖含水層，在構(gòu)造及裂隙發(fā)育區(qū)富水性好，構(gòu)造及裂隙不發(fā)育區(qū)富水性差，淺部富水性較好，深部富水性減弱。

1.6 相鄰礦井

鑫安煤礦為獨(dú)立塊段，周圍無相鄰礦井。礦井東北部有保安煤礦、伏山煤礦，與該礦井口相距20 km；西南部為新驛礦井，井口相距15 km，中間有F1 大斷層相隔。不存在相鄰礦井對(duì)開采造成影響。

2 3 煤層開采水害隱患分析

2.1 大氣降水與地表水水害分析

鑫安煤礦區(qū)內(nèi)地形平坦，地面標(biāo)高+54.53～+57.96 m，地勢東北高西南低，地形坡度0.80‰。礦井為溫帶半濕潤季風(fēng)區(qū)，屬于大陸性氣候，四季分明。平均年降水量688.86 mm，最小237.02 mm（2013 年），最大1 186.0 mm（1964 年），降雨多集中在7～8 月份，日最大降雨量177.1 mm（1965年7 月9 日）。礦區(qū)內(nèi)無大的地表河流，僅存在一些排洪溝和路溝、季節(jié)性積水區(qū)，礦井內(nèi)僅東部有一條南北向趙王河，該河目前常年干涸。

礦井內(nèi)第四系平均44.63 m，3 煤距第四系底的間距≥90.06 m；新近系平均厚度102.43 m。第四系～新近系黏土類地層可阻隔地表水、大氣降水的向下補(bǔ)給，故大氣降水與地表水對(duì)3 煤層開采沒有影響。

2.2 上覆含水層水害分析

2.2.1 水害來源

3 煤層上覆含水層：第四系砂礫層、新近系砂礫層、白堊系砂巖含水層、3 砂含水層。

由于3 煤層上覆隔水層Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的阻隔，使得第四系砂礫層、新近系砂礫層、白堊系砂巖含水層對(duì)礦井3 煤層開采影響不大。

3 砂是開采3 煤層的直接充水含水層。導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р胺秶鷥?nèi)含水層厚度增大，對(duì)礦井的充水危險(xiǎn)性就會(huì)增大，反之，則低。礦井未測量3 煤層的實(shí)際導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?，本次采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采指南》中介紹的公式計(jì)算導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨龋?/p>

式中：H為導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟾叨?，m；M為煤層厚度，m；Σm為累計(jì)采厚，m。

根據(jù)計(jì)算，式（2）計(jì)算的結(jié)果符合礦井實(shí)際（見表2）。從表2 可以看出，3 煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨仍?2.25～57.71 m 之間，主要發(fā)育在山西組，稍微波及石盒子群底部，山西組上覆石盒子群最大殘留厚度709.82 m，平均厚度349.76 m，故導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р粫?huì)波及白堊系。石盒子群為隔水層，故3 煤層上覆含水層水害主要來自3 砂。

表2 導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度 m

2.2.2 水害影響程度分析

1）充水危險(xiǎn)性劃分標(biāo)準(zhǔn)

按導(dǎo)水?dāng)嗔褞Х秶鷥?nèi)含水層厚度，本次把3 煤層頂板含水層的充水危險(xiǎn)等級(jí)劃為三個(gè)等級(jí)：m＜7 m，劃為一般區(qū)；m=7～11 m，劃為中等區(qū)；m＞11 m，劃為嚴(yán)重區(qū)。

2）充水危險(xiǎn)性劃分結(jié)果

根據(jù)上覆基巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞?nèi)含水層厚度，繪制了頂板含水層充水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖如圖1 所示。從圖1 可以看出，礦井中部開采3 煤層的頂板含水層充水危險(xiǎn)性強(qiáng)，由中部向南北兩側(cè)3 煤層頂板含水層充水危險(xiǎn)性逐漸減弱，至礦井南部開采3 煤層的頂板含水層充水危險(xiǎn)性弱。

圖1 頂板含水層充水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖

2.3 下伏含水層水害分析

2.3.1 水害來源

3 煤層的下伏含水層主要有三灰、十下灰、奧灰。

3 煤層下距三灰平均63.20 m，三灰以靜儲(chǔ)量為主，富水性弱，井下掘進(jìn)揭露時(shí)一般無水或少量出水，正常情況下三灰不會(huì)威脅3 煤層開采。受構(gòu)造的影響，縮短三灰至3 煤間距，在落差＞100 m 的斷層附近，三灰與奧灰接近或?qū)诮佑|。三灰在淺部富水性較強(qiáng)，在-300 m 以下含水性較弱，僅表現(xiàn)為滴水、淋水形態(tài)，且為靜儲(chǔ)量。三灰是3 煤開采的間接充水含水層，生產(chǎn)中要注意防范。

十下灰平均厚度5.41 m，未發(fā)現(xiàn)漏水孔，下距奧灰40.49 m。落差≥50 m 的斷層，可使其與奧灰對(duì)口。礦井目前未揭露十下灰，一般情況下，十下灰對(duì)礦井3 煤層的開采沒有影響。

3 煤層下距奧灰遠(yuǎn)，正常情況下不會(huì)對(duì)3 煤層開采造成影響，但在大斷層附近，3 煤層可能與奧灰對(duì)口接觸，需注意防范。

綜上所述，對(duì)3 煤層開采有影響的下伏含水層主要為奧灰含水層。

2.3.2 底板奧灰影響程度分析

鑫安煤礦內(nèi)設(shè)置了3 個(gè)奧灰水文長觀孔，當(dāng)前奧灰水位值為+8.14～47.39 m，高于礦井內(nèi)3 煤層的底板標(biāo)高值，因此礦井開采3 煤層屬于帶壓開采。本次采用“突水系數(shù)法”對(duì)3煤層帶壓開采進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1）評(píng)價(jià)方法

采用公式：

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m；P為隔水層底板承受的水壓，MPa；M為隔水層厚度，m。

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，底板受構(gòu)造破壞的地段突水系數(shù)一般不得大于0.06 MPa/m，隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞的地段不得大于0.1 MPa/m。

2）奧灰含水層水位情況

根據(jù)礦井內(nèi)3 個(gè)奧灰水文長期觀測孔觀測數(shù)據(jù)可知，礦井內(nèi)奧灰含水層水位正常呈現(xiàn)出東南部高、西北部低的趨勢，實(shí)測奧灰水位為+8.14～47.39 m。

3）3 煤層底板隔水層賦存情況

礦井內(nèi)有3 個(gè)鉆孔同時(shí)揭露3 煤層與奧灰，平均間距在180 m 左右，巖性以中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖與煤層為主。

4）3 煤層隔水層底板承受水壓情況

參照奧灰水位、頂板標(biāo)高，計(jì)算出3 煤層底板隔水層所承受的水壓為4.5～13.5 MPa，整體呈現(xiàn)出西部低、東部高的趨勢。

5）3 煤層底板奧灰突水系數(shù)

根據(jù)礦井內(nèi)奧灰含水層水位信息、奧灰含水層頂界面賦存情況、3 煤層底板與奧灰含水層頂面間距情況等，計(jì)算了3 煤層底板奧灰突水系數(shù)約為0.025～0.075 MPa/m，整體呈現(xiàn)出西部低、東部高的趨勢，并繪制了3 煤層底板奧灰突水系數(shù)等值線圖如圖2 所示。

圖2 3 煤層底板奧灰突水系數(shù)等值線圖

在正常條件下，由于3 煤層距離奧灰較遠(yuǎn)，奧灰含水層對(duì)3 煤層的開采沒有影響。但在構(gòu)造發(fā)育條件下，特別是斷層的發(fā)育導(dǎo)致煤層距離奧灰間距減少，且隔水層的完整性受到了破壞，煤層開采受奧灰含水層的威脅增大。井田東部的突水系數(shù)已經(jīng)大于了0.06 MPa/m，鑫安煤礦內(nèi)斷層發(fā)育較為規(guī)律，特別是在斷層構(gòu)造發(fā)育區(qū)均留設(shè)了防隔水煤巖柱。綜上所述，在構(gòu)造發(fā)育區(qū)必須加強(qiáng)對(duì)斷層導(dǎo)富水性的探查、分析，評(píng)價(jià)底板奧灰含水層對(duì)煤層開采的影響。

2.4 老空積水水害隱患分析

鑫安煤礦為獨(dú)立塊段，周圍無相鄰礦井，不存在相鄰礦井泄水、貫通巷道。

礦井內(nèi)存在原沙莊煤礦老空區(qū)。原沙莊煤礦面積約1.7 km2，開采水平為-147 m，開采范圍主要集中在-147 m 水平大巷以上的淺部區(qū)域。積水三處，積水面積29 500 m2，積水量17 500 m3，積水線、探水線及警戒線三線明確。根據(jù)礦井開采方案，原沙莊井?dāng)_動(dòng)開拓范圍內(nèi)的煤層將不再開采，原沙莊井開拓范圍南部煤層露頭部位為煤焦混合區(qū)，亦不開采。礦井已在-147 m 水平修建了防水墻，防水墻設(shè)計(jì)服務(wù)年限與礦井同年限，該防水設(shè)施能較有效地防止-147 m 大巷以上采空區(qū)涌水的威脅。

據(jù)2005 年至2022 年礦井涌水量觀測，沙莊礦老空來水占礦井涌水量的30%左右。因此，礦井開采接近積水區(qū)警戒邊界時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行防治老空水措施，保證礦井安全。

3 結(jié)論

鑫安煤礦主采3 煤層，開采3 煤層的水害隱患主要來自3 砂水、奧灰水和老空積水。3 砂是礦井的直接充水含水層，富水性弱，正常情況下發(fā)生較大水患的可能性不大，其對(duì)3 煤層的強(qiáng)充水區(qū)主要位于礦井的中部。在正常條件下，奧灰對(duì)3 煤層的開采沒有影響，但在構(gòu)造發(fā)育條件下，尤其在礦井東部，奧灰突水系數(shù)大于0.06 MPa/m，煤層開采受奧灰含水層的威脅增大。礦井采掘工程接近淺部老空積水時(shí)，應(yīng)警惕老空積水對(duì)礦井充水。此外三灰作為開采3 煤層的間接底板充水含水層，雖然其以靜儲(chǔ)量為主，富水性弱，但在斷層附近或井巷工程揭露三灰時(shí)，亦會(huì)對(duì)礦井產(chǎn)生充水影響。