永定莊煤業煤層充水評價與水害防治技術研究

常達

（晉能控股煤業集團永定莊煤業，山西 大同 037001）

1 概況

永定莊煤業位于大同煤田向斜中段東南側，地理位置在大同市西南約23.5 km 處，井田為不規則多邊形，面積9.077 9 km2，批采侏羅系8、9、11、12、14、15 號和石炭系山2、山4、2、3-5、8、9煤層，批采標高1 550-725 m，生產規模200 萬t/a。井田內多為黃土覆蓋，基巖僅出露于溝谷底部及山脊，根據以往地質勘探資料，井田內發育地層由老到新為太古界集寧群(Ar3jn)，寒武系(∈)，奧陶系下統亮甲山組(O1l)，石炭系中統本溪組(C2b)、上統太原組(C3t)，二疊系下統山西組（P1s），侏羅系下統永定莊組（J1y）、中統大同組(J2d)、云崗組(J2y)，第四系中上更新統(Q2+3)、全新統(Q4)。其中，石炭系中統本溪組、上統太原組和二疊系下統山西組為含煤地層。

本井田主要可采煤層為山西組山4 號煤層，太原組2、3-5、8 號煤層。山西組4 號煤層煤層厚度0～4.70 m，平均厚度2.18 m，一般含夾矸1～2層，屬較穩定煤層，頂板為砂質泥巖，有時相變為中粒砂巖，底板為細粒砂巖；太原組2 號煤層位于太原組頂部，煤層厚度0～8.28 m，平均厚度1.86 m，一般含夾矸1 層，煤層屬不穩定煤層，頂板巖性細粒砂巖，底板為砂質泥；太原組3-5 號煤層位于太原組中上部，是太原組最厚煤層，煤層厚度8.32～41.98 m，平均厚度24.96 m，一般含夾矸1 層，煤層屬不穩定煤層，頂板巖性細粒砂巖，底板為砂質泥；太原組8 號煤層厚度0.50～13.40 m，平均厚度4.60 m，煤層結構簡單，含夾矸1～2 層，煤層西南部較厚，東北部較薄，屬較穩定煤層，頂板為粉砂巖，底板為炭質泥巖、粉砂巖。

2 水文地質條件

2.1 含、隔水分布特征

根據含水介質、孔隙類型及含水特征等，井田內自下而上，主要含水層為第四系沖積物孔隙含水層、云崗組砂巖裂隙含水層、大同組砂巖裂隙含水層、永定莊組砂巖裂隙含水層。第四系沖積物孔隙含水層巖性為砂礫石以及不同粒級的砂質，一般為10 m 左右；云崗組砂巖裂隙含水層在井田溝谷兩側出露，淺部由于物理風化作用而產生風化裂隙，易接受大氣降水的補給，永定莊礦后溝泉泉水流量曾達1 570 m3/d；大同組砂巖裂隙含水層地下水賦存在煤層之間砂巖的裂隙中，屬砂巖裂隙潛水、承壓水，富水性弱；永定莊組砂巖裂隙含水層巖性為厚層狀的中、粗砂巖和砂礫巖，主要賦存在本組的中下部，富水性較弱。

主要隔水層為本溪組隔水層、煤系隔水層、非煤系隔水層。本溪組地層，厚30.95～49.95 m，平均38.41 m，上部多為粉砂巖、砂質泥巖和薄層狀細砂巖，下部多為鐵、鋁質泥巖，中夾1～2 層薄層狀石灰巖，其中泥巖相對發育，為海陸交互相沉積；煤系地層泥巖隔水層層數多，與砂巖，煤層相間沉積，大部分呈透鏡狀分布，具隔水、半隔水作用，其中大同組煤層已經開采，煤層開采后導水裂隙帶已達地表，隔水層已被破壞，已不具隔水作用；非煤系隔水層為永定莊組泥巖、砂質泥巖，巖石膠結致密，完整性好，具有良好的隔水作用。

2.2 地下水補給、徑流、排放

井田地下水以大氣降水為補給來源。大同組煤層基本已采完，采空區頂板冒落形成的導水裂隙帶是大氣降水入滲的良好通道，而采空區則是賦存大氣降水的絕好空間。本區屬口泉河水系，大氣降水不僅通過面狀入滲補給，而且通過口泉河匯集洪水呈帶狀補給，補給條件良好。永定莊礦2017-2019 年礦井排水量2 500 ～3 500 m3/d，上述排水一部分為開采大同組煤層時上覆積水構成，反映了大氣降水補給條件好，大氣降水、地表水轉化為礦井水特征明顯，從其多年礦井排水相對穩定分析，大氣降水補給范圍比較大，而且在井下匯水條件好的情況下，大同組采空區可聚集采空區積水。

2.3 井田及周邊老窖水分布

永定莊礦業批采煤層為侏羅系的8、9、11、12、14、15 號煤，石炭- 二疊系的山2、山4、2、3-5、8、9 號煤，目前侏羅系和山4 號煤層開采結束，山3-5 號煤層正在開采。侏羅系采空區共有積水434 843 m3，其中8 號層積水233 224 m3，11 號層積水51 443 m3，14 號層積水150 176 m3。山4號煤層現有采空區積水234 878 m3，3-5 號煤層現有積水124 321 m3。

采空區積水是根據煤層底板形態、采掘過程中含水層的涌水量、探放水成果、采空時間等進行估算的，可以由下式表示：

式中：Q為相互連通各積水區總積水量，m3；K為采空區充水系數，取0.25；M為煤層厚度，m；F為采空區積水投影面積，m2；α 為煤層傾角，取3°。

由于井田周圍分布其他礦井，因此需要分析周邊礦井老窖水分布情況。永定莊煤業周邊相鄰煤礦包括砂石煤礦、三道溝煤礦、泉嶺煤業和同忻煤礦。砂石煤礦位于井田東南部，位于井田內，2 號煤層有積水30 896 m3；三道溝煤礦位于井田東南部，位于井田內，2 號煤層有積水58 634 m3；泉嶺煤業位于井田南部，與永定莊煤業相鄰處3-5 號煤層采空區有積水113 834 m3；同忻煤礦開采3-5 號煤層，與永定莊煤業西部相鄰處有采空區積水548 267 m3。表1 為相鄰煤礦采空區積水統計，井田及相鄰礦井采空區積水分布如圖1 所示。

圖1 井田及相鄰礦井采空區積水分布Fig.1 Distribution of accumulated water in goaf of field and adjacent mines

表1 相鄰煤礦采空區積水統計Table 1 Statistics of accumulated water in goaf of adjacent coal mines

2.4 導水裂隙帶

3-5 號煤層覆巖分別為中硬巖，根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》，導水裂隙帶最大高度計算公式可由下式確定：

式中：Hli為導水裂隙帶高度，m；m為采煤厚度，m。

根據《礦區水文地質工程地質勘探規范》，導水裂隙帶最大高度由下式確定：

由于侏羅系地層中煤層存在大面積的采空區及小窯破壞區，且有不同程度的積水，可能會對未來3 a 的3-5 號煤層的開采造成一定影響，導水裂隙帶計算結果見表2。

表2 導水裂隙帶最大高度計算取值Table 2 Calculation value of maximum height of water conduction fracture zone

通過計算，3-5 號煤層開采后形成的導水裂隙帶最大高度為591.44 m。

2.5 礦井充水狀況與預測

永定莊煤業開采3-5 號煤層，主要由兩部分構成，一是石炭- 二疊系煤層開采井巷揭露的含水層，涌水點涌水量一般在3～7 m3/h；二是煤層回采后沿密閉流出的積水。根據2016-2019 年礦井涌水量統計，礦井排水量分別為1 215 358 、1 049 405 、997 849 、920 803 m3。總體來看，歷年礦井排水量總體變化不大，礦井涌水量變化與大氣降水及開采地段上覆采空區積水的補給有一定的關系，可利用統計法根據該礦4 a 礦井涌水量平均值作為礦井正常涌水量，即2 865 m3/d（119.40 m3/h），最大值為礦井最大涌水量，即3 657 m3/d（152.38 m3/h）。

根據相鄰大同煤礦集團同忻礦在開采3-5 號煤層時的含水系數，對永定莊煤業礦井涌水量進行預測。據統計，大同煤礦集團同忻礦井最大噸煤含水系數為0.44 m3/t，一般含水系數為0.210 3 m3/t。當永定莊煤業的煤炭年產量達到200 Mt 時，日產原煤量約6 061 t（按年生產時間330 d 計算），現采用富水系數法預測礦井涌水量：

式中：q為礦井涌水量；u為煤層含水系數；T為原煤日產量。估算得出在開采石炭系3-5 號煤層時，預估的礦井最大涌水量為2 666.84 m3/d（111.12 m3/h），與統計法所得到的涌水量基本一致。

3 永定莊煤業水害影響分析

根據永定莊煤業2020-2022 年對3-5 號煤層實際開采情況，結合礦井水文地質條件，分析3-5號煤層開采水害影響程度，如圖2 所示。

圖2 永定莊煤業采掘水害特征Fig.2 Water disaster characteristics caused by mining and excavating of Yongdingzhuang Coal Industry

3.1 大氣降水、地表水影響

永定莊煤業所在地年降水量255.11～512.8 mm，其中6～9 月份降水量最多，約占年總降水量的80%。山4 號煤層開采后形成的導水裂隙帶最大高度為71.30 m，3-5 號煤層開采后形成的導水裂隙帶最大高度為513.97 m，煤層疊加開采使導水裂隙帶到達地表，大氣降水及地表水可以通過采煤形成的導水裂隙帶進入礦坑。圖3 為礦井涌水量與降水量、產量相關性曲線，可以看出，涌水量與降雨量有一定的相關關系，即在雨季礦井涌水量會相應增大。

圖3 礦井涌水量與降水量、產量相關性曲線Fig.3 Correlation curve of mine water inflow with precipitation and yield

3-5 號煤層8102 工作面上覆頂面對應有口泉河支流后溝，8106 工作面上覆頂面對應有里南溝支溝，大氣降水形成的洪水會通過溝谷的地裂縫進入礦井，使礦井涌水量增大。礦井正常涌水量為2 865 m3/d（119.40 m3/h），礦井最大涌水量為3 657 m3/d（152.38 m3/h），大氣降水、地表水對礦井充水強度總體不大，對礦井生產影響小，由于大氣降水和地表水是采空區積水的補給來源，因此仍不能忽視大氣降水和地表水的危害。

3.2 地下水影響

永定莊煤業大同組煤層資源已接近枯竭，開采后侏羅系含水層大部分已被破壞且含水層富水性弱，對未來3-5 號煤層開采影響較小。

井田內3-5 號煤層含寒武- 奧陶系巖溶裂隙承壓含水層，是石炭- 二疊系開采煤層下伏的間接充水含水層，靜止水位標高為950—990 m，而3-5號煤層底板標高為761.59—1 060 m，存在帶壓開采的可能。為準確判斷寒武- 奧陶系巖溶承壓水是否會對上述煤層開采產生影響，依據《煤礦防治水細則》對發生突水的危險性進行評價：

式中：Ts為突水系數，MPa/m；P為隔水層承受水壓，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

經過計算，3-5 號煤層突水系數在0.018～0.051 MPa/m。《煤礦防治水細則》規定，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。3-5 號煤層突水系數最大值0.051 MPa/m，小于底板受構造破壞塊段突水系數0.06 MPa/m，且斷裂構造不發育，開采3-5 號煤層為安全區，如圖4 所示。

圖4 3- 5 號煤層帶壓開采安全區示意Fig.4 Safety zone of No.3-5 coal seam mining under pressure

3.3 采空積水影響

侏羅系8、9、11、12、14、15 號煤層2014 年開采結束，山4 號煤層2019 年結束開采，3-5 號煤層正在開采。開采結束的侏羅系采空區共有積水434 843 m3，山4 號煤層現有采空區積水234 878 m3，正在開采的3-5 號煤層現有積水124 321 m3。上述積水數據表明，侏羅系采空區積水和山4 采空區積水較多，積水瞬時突水量大，對3-5 號煤層開采帶來隱患。

3.4 導水斷層、陷落柱影響

采區內目前未發現導水斷層和陷落柱，由于巖溶發育具有不均一性，而斷層和陷落柱是巖溶發育的主要影響因素，因此日常工作不能忽視對隱伏導水斷層、陷落柱的探查，防患于未然。

4 永定莊煤業水害防治技術

目前永定莊煤業主要對3-5 號煤層進行采掘，根據水文地質條件勘測，3-5 號開采主要水害影響為上覆侏羅系8、11、14 號煤層采空區積水及山4、3-5 號煤層采空區積水的影響，其次是3-5 號煤層回采后大氣降水、地表水通過地裂縫、導水裂隙帶進入礦井對礦井生產的影響。針對上述問題，提出水害防治技術。

（1） 加強采空區范圍及積水情況的探測，做好探放水工作，對采掘工作面有威脅的采空區積水，堅持“有掘必探，先探后掘”的原則，采用“物探先行、化探跟進、鉆探驗證”綜合探測手段，嚴格執行“探掘分離”“探放水作業優先”的探放水制度。

（2） 針對每年的汛期和雨季要按照相關管理制度，組織搶險隊伍，儲備充足物資；定期對地表塌陷、地表裂隙、積水情況進行摸排，針對性的提出安全防治措施，并根據防治水規劃投入專用經費。

（3） 頂板水為礦井井下涌水量的主要來源，主要以頂板淋水的形式進入礦井，但該含水層為弱富水性含水層，生產中容易疏干，需定期檢修礦井排水設備，及時清理排水溝道和水倉，保證排水通暢。對于瞬變電磁勘探解釋的煤層頂板含水層富水異常區，尤其是強富水異常區，需進行井下鉆探驗證、必要時對其進行疏放。

5 結語

本文根據永定莊煤業現有資料，研究了該礦含（隔） 水層特性分布、地下水補給、徑流、排放、井田及周邊老窖水分布、導水裂隙帶、礦井充水狀況，并對礦井涌水量進行了預測，分析了永定莊煤業水害影響因素。研究結果表明，大氣降水和地表水方面，永定莊煤業所在地年降水量255.11～512.8 mm，礦井正常涌水量為2 865 m3/d，對礦井生產影響較小；地下水影響方面，3-5 號煤層突水系數在0.018～0.051 MPa/m，小于底板受構造破壞塊段突水系數0.06 MPa/m，煤層開采隱患較小；侏羅系采空區積水和山4 采空區積水較多，分別為434 843 m3和234 878 m3，采空積水對煤層開采具有隱患；采區內目前未發現導水斷層和陷落柱，對礦井生產影響小。研究結果為永定莊煤業水害防控提供參考依據。