杜兒坪煤礦防治水中長(zhǎng)期規(guī)劃

2022-11-17 02:57:36盧玲敏

煤炭與化工 2022年5期

盧玲敏

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北邯鄲 056004）

0 引言

隨著煤礦煤炭產(chǎn)量的增加及開(kāi)采煤層逐步向深處進(jìn)行，礦井生產(chǎn)中遇到的各種水害問(wèn)題日趨增多，防治水工作量逐步增大，各開(kāi)采工作面和掘進(jìn)巷道均需采取相應(yīng)的防治水措施，因此，急需在整體上對(duì)礦井防治水工作進(jìn)行中長(zhǎng)期規(guī)劃，以此作為煤礦開(kāi)展防治水工作的總體依據(jù)，從而能夠指導(dǎo)礦井防治水工作。

在充分收集以往地質(zhì)及水文地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》《煤礦防治水細(xì)則》等規(guī)范規(guī)程，依托煤礦采掘銜接計(jì)劃，對(duì)礦井水文地質(zhì)條件及未來(lái)5 a 生產(chǎn)面臨的水害問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)礦井受水害威脅程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，編制了《煤礦中長(zhǎng)期防治水規(guī)劃》，提出今后礦井防治水工程進(jìn)度安排和工程費(fèi)用概算，礦井可依據(jù)規(guī)劃內(nèi)容編制礦井年度防治水計(jì)劃，并開(kāi)展相關(guān)防治水工作，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

1.1 地質(zhì)構(gòu)造概況

西山煤田位于山西陸臺(tái)太岳南北經(jīng)向構(gòu)造帶與陽(yáng)曲—盂縣東緯向構(gòu)造亞聯(lián)合部位的東南隅，是鑲嵌在“祁呂賀”山字形構(gòu)造東翼內(nèi)帶與汾河挽近盆地之間的一個(gè)石炭、二疊系含煤盆地，古老的巖系廣布于煤田西部，北端形成西北部高高抬起，向南傾斜的不完整的盆地。前寒武系及上古生界寒武、奧陶系在煤田西側(cè)、北端廣布，構(gòu)成呂梁山脈主體和煤系基底。煤田東、東南部由于斷裂抬起，奧陶系地層也有出露。煤田內(nèi)石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組，三疊系下統(tǒng)劉家溝組、和尚溝組，中統(tǒng)二馬營(yíng)組出露良好。新生界第三、第四系不整合覆蓋于較老的基巖之上。

1.1.1 礦井地質(zhì)概況

杜兒坪煤礦位于西山煤田東北部，區(qū)內(nèi)發(fā)育地層由老到新分別為奧陶系中統(tǒng)（O2）上馬家溝組（O2s）、峰峰組（O2f）；石炭系（C）中統(tǒng)本溪組（C2b）、上統(tǒng)太原組（C3t）；二疊系（P）下統(tǒng)山西組（P1s）、下統(tǒng)下石盒子組（P1x）、上統(tǒng)上石盒子組（P2s）、上統(tǒng)石千峰組（P2sh）；三疊系下統(tǒng)劉家溝組（T1l）；第四系（Q）中、上更新統(tǒng)（Q2+3）、全新統(tǒng)（Q4）。

1.1.2 煤層概況

杜兒坪礦井主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，共含煤19 層，含煤地層總厚151.91 m，煤層總厚19.32 m，可采煤層有1、2、3、6、7、8、9 號(hào)共7 層，平均總厚16.37 m，可采含煤系數(shù)10.8%，其中全區(qū)可采煤層為2、8、9 號(hào)煤。目前隨著煤礦開(kāi)采強(qiáng)度和深度不斷增加，礦井采掘過(guò)程中遇到的各種水害問(wèn)題日趨復(fù)雜。

1.1.3 構(gòu)造概況

西山煤田大致為北大、南小，兩翼不對(duì)稱(chēng)的復(fù)式向斜構(gòu)造，煤田內(nèi)NE—NNE 向斷裂呈束展布，將向斜東翼切割成長(zhǎng)方形地塊，堿性二長(zhǎng)巖則沿構(gòu)造裂隙侵入向斜西翼。煤田主要受新華夏系構(gòu)造體系的控制，為“多”字型雁行斜列的主要煤盆地之一。該井田位于西山煤田東北隅，受新華夏系泰山式壓扭性斷裂的影響，構(gòu)造形跡西部受馬蘭向斜，東部受邊山大斷裂（風(fēng)聲河斷層、圪僚溝斷層），南部受杜兒坪斷裂帶，北部受賽莊—王封斷裂的制約。井田總體地層走向NW—SE，向SW 傾斜，傾角3°～12°，一般5°左右。井田內(nèi)部以褶曲構(gòu)造為主，4 條向斜，5 條背斜，同時(shí)井田內(nèi)發(fā)育落差較小的高角度正斷層，截止目前井田內(nèi)揭露落差大于或等于5 m 的斷層主要有24 條，尤其在井田淺部地段。陷落柱也較為發(fā)育截至目前，井田內(nèi)共發(fā)現(xiàn)陷落柱1533 個(gè)，地面僅見(jiàn)18 個(gè)陷落柱，絕大部分出露在煤系地層。陷落柱已成為影響該礦正常生產(chǎn)的主要地質(zhì)因素，井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入現(xiàn)象。

1.2 含水層特征

杜兒坪煤礦位于晉祠泉域巖溶水系統(tǒng)的東緣中段，地下水由北而南流過(guò)，屬于地下水徑流區(qū)，奧陶系地層在井田東北部邊界少量出露，向西及西南埋藏漸深，因此奧灰含水層富水性東部強(qiáng)于西部。

含水巖組是按地下水含水介質(zhì)以及賦存條件、水動(dòng)力特征以及地層界線劃分的，井田內(nèi)主要含水層為二疊系下統(tǒng)砂巖裂隙含水層、太原組灰?guī)r裂隙含水層與奧陶系灰?guī)r含水層。其中上馬家溝組富水性強(qiáng)，峰峰組局部富水性強(qiáng)，其余富水性弱。

1.2.1 峰峰組

峰峰組分上下兩段。上段（O2f2）巖性以深灰、灰色厚層狀石灰?guī)r為主，夾黃、灰白色泥灰?guī)r，頂部為古風(fēng)化殼充填物，厚一般小于70 m；下段（O2f1）為泥質(zhì)灰?guī)r夾石膏層，厚約60 m。上段灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，巖溶多呈蜂窩狀、串珠狀、局部可見(jiàn)溶洞。無(wú)統(tǒng)一承壓水面，含水性不均一，不同地段水位、水量相差很大，單位涌水量1 ～5 L/s·m，水位標(biāo)高802.8 m，井田內(nèi)局部區(qū)域峰峰組不含水。

1.2.2 上馬家溝組

上馬家溝組（O2s）巖性以厚層質(zhì)純石灰?guī)r為主，夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，底部豹皮灰?guī)r相對(duì)隔水層，全組厚200 m。淺部巖溶裂隙發(fā)育，由于富水而成為西山煤田與該井田最主要的含水層，單位涌水量0.04 ～138.91 L/ s·m（礦井杜1號(hào)、2 號(hào)深水井單位涌水量分別為138.91 L/s·m、134.73 L/s·m，但都是一次降深0.4 m、0.5 m 所得，不能進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算，所以還不能代表真正最大涌水量，比實(shí)際最大涌水量?。?，一般0.4 ～9 L/s·m，滲透系數(shù)70.11 m/d，水位標(biāo)高810—820 m。

隔水層為石炭系中統(tǒng)本溪組泥質(zhì)巖類(lèi)隔水層（C2b）、奧陶系中統(tǒng)峰峰組下段隔水層（O2f1）、上馬家溝組下段隔水層（O2s1）。

2 充水因素分析

2.1 充水水源分析

根據(jù)礦井內(nèi)及周邊水文孔的水位標(biāo)高數(shù)據(jù)顯示，結(jié)合整個(gè)當(dāng)?shù)氐貐^(qū)水位變化趨勢(shì)，確定礦井奧灰水水位標(biāo)高810—820 m，低于9 號(hào)煤最低底板標(biāo)高825 m，礦井各煤層均不存在帶壓開(kāi)采，因此奧灰水不是該礦井充水水源。因此礦井充水水源主要有地表水、大氣降水、煤系圍巖含水層水與老空積水。

2.1.1 地表水

杜兒坪井田地形復(fù)雜，坡陡溝深，共有虎峪溝、南峪溝、井兒溝、麻皮溝、偏橋溝等12 條季節(jié)性河流，但蓋層普遍較厚，只麻皮溝、井兒溝、南峪溝、虎峪溝中，有些地段蓋層較薄。開(kāi)采后河溝水直接或間接地（沿?cái)鄬樱?微弱補(bǔ)給下部弱含水層，轉(zhuǎn)化為地下水。弱含水層中地下水再沿導(dǎo)水裂隙補(bǔ)給采空區(qū)，造成礦井充水，地表水是該礦井主要的充水水源。

2.1.2 大氣降水

西山煤田地處我國(guó)內(nèi)陸，干燥少雨，蒸發(fā)量大于降水量，降水量隨季節(jié)變化較大，屬大陸性氣候。在該礦井淺部開(kāi)采區(qū)，大氣降水通過(guò)采空導(dǎo)水裂隙直接滲入井下或補(bǔ)給含水層再滲入井下造成礦井充水。且也有隨季節(jié)變化的特點(diǎn)，在礦井東翼淺部開(kāi)采區(qū)與東平峒相連接的盤(pán)區(qū)口都是豐水月涌水而枯水月干枯，但礦井充水具有一定的滯后現(xiàn)象，說(shuō)明大氣降水是礦井充水水源之一，但影響面積小，涌水量有限，對(duì)礦井現(xiàn)生產(chǎn)區(qū)、備用區(qū)等蓋層較厚區(qū)（＞300 m）沒(méi)有直接影響。

2.1.3 煤系圍巖水

煤系圍巖中影響采掘生產(chǎn)的含水層太原組灰?guī)r含水層與山西組砂巖含水層均為弱含水層，含水量小，掘進(jìn)時(shí)僅有淋水現(xiàn)象，采后賦存于采空區(qū)內(nèi)，形成采空區(qū)積水。但多年來(lái)礦井排水對(duì)煤系圍巖含水層水起到一種人為的疏降作用。因此，煤系圍巖含水層水不會(huì)對(duì)礦井開(kāi)采造成大的威脅。

2.1.4 奧灰水

根據(jù)井田內(nèi)杜1 號(hào)、2 號(hào)深水井及周邊礦西銘礦水文孔XS-1、官地礦的GDS-1、GDS-2 水文孔水位標(biāo)高，以及整個(gè)西山地區(qū)水位變化趨勢(shì)，確定礦井奧灰水水位標(biāo)高810—820 m，距離9 號(hào)煤最低底板標(biāo)高825 m 還有5 ～15 m 的高差，不存在帶壓開(kāi)采。

2.1.5 老空積水

（1）自采形成的采空區(qū)。

截至2021 年10 月底，根據(jù)最新的采空積水臺(tái)賬以及充水性圖顯示，2 號(hào)煤層采空區(qū)積水面積539140 m2，積水量1044469.2 m3；3 號(hào)煤層采空區(qū)積水面積505658 m2，積水量949836.8 m3；6 號(hào)煤層采空區(qū)積水面積447637 m2，積水量892704.2 m3；8 號(hào)煤層采空區(qū)積水面積601191 m2，積水量395696 m3；9 號(hào)煤層采空區(qū)積水面積83500 m2，積水量240600 m3。采空區(qū)的積水直接影響著下伏煤層及下山方向煤層的安全生產(chǎn)。

（2）周邊煤礦采空區(qū)積水。

經(jīng)過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)周邊生產(chǎn)礦井和周邊小窯積水情況，分析得出周邊小窯積水是礦井的主要安全隱患。

該礦井附近小煤窯主要分布在東部、東南部、東北部的井兒溝、南峪溝、老西溝、虎峪溝附近等的老窯破壞范圍內(nèi)，通過(guò)實(shí)地調(diào)研和資料收集，井田及周邊總共有小煤窯64 個(gè)，其中礦界外11 個(gè)，現(xiàn)已全部關(guān)閉。從收集調(diào)查資料看，這些關(guān)閉的小煤窯生產(chǎn)期間主要開(kāi)采2、3、8、9 號(hào)煤層，只開(kāi)采6 號(hào)煤層的有新牛頭嘴、牛頭嘴七尺煤礦。這些小窯位置清楚，但積水位置、面積、積水量部分小窯清楚。查明小窯上組煤2 號(hào)煤層采空區(qū)積水面積251600 m2，積水量509420 m3，下組煤8 號(hào)煤層采空區(qū)積水面積335200 m2，積水量702310 m3，小窯積水面積共計(jì)586800 m2，積水量共計(jì)1211730 m3。

通過(guò)對(duì)南五、北二采區(qū)小煤窯破壞區(qū)全覆蓋探測(cè)，探測(cè)總面積3.97 km2，測(cè)出積水異常區(qū)64 個(gè)，積水面積586800 m2。從采掘工作面角度分析，該礦井小窯大都位于60 ～70 年代舊采區(qū)東部和南、北大巷等主要巷道附近，即井田東部煤層破壞區(qū)以外的煤層露頭區(qū)，現(xiàn)采盤(pán)區(qū)遠(yuǎn)離小窯分布區(qū)，不受小窯水的影響，但小窯的越界開(kāi)采、私挖亂采，歷史上曾發(fā)生與該礦舊采空區(qū)巷道溝通的現(xiàn)象，仍有可能增加礦井排水壓力，故小窯水仍對(duì)該礦有一定的安全隱患。

2.2 充水通道

杜兒坪礦井在規(guī)劃期內(nèi)開(kāi)采2、3、6、8 號(hào)煤層時(shí)，礦井主要水害為地表水及采空區(qū)積水，充水途徑主要以構(gòu)造通道（斷層、陷落柱）和采礦形成的導(dǎo)水裂隙帶為主。

3 分析礦井水害問(wèn)題及評(píng)價(jià)受水害威脅程度

3.1 主要水害問(wèn)題

通過(guò)杜兒坪礦井充水因素分析，影響原生產(chǎn)礦井充水因素的有大氣降水、地表水、開(kāi)采煤層上覆含水層水、老空積水。其中地表水、采空區(qū)積水是該礦井的主要水害，也是礦井防治水工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于井田開(kāi)采年限較長(zhǎng)，井田內(nèi)原生產(chǎn)礦井遺留有較大面積的采空區(qū)。在采空區(qū)低洼處存有大量積水。隨著時(shí)間推移，采空區(qū)積水量還會(huì)增加。礦井規(guī)劃期內(nèi)設(shè)計(jì)開(kāi)采的煤層與其上部煤層層間距不大，導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度可溝通上部采空區(qū)積水。特別是在發(fā)育有隱伏斷層等導(dǎo)水構(gòu)造處，地表水、采空積水對(duì)礦井安全生產(chǎn)的威脅更大，是礦井水害的主要隱患水源。

根據(jù)礦井回采計(jì)劃，未來(lái)礦井開(kāi)采2、3、6、8 號(hào)煤層，分別為2 號(hào)煤層的62517、62707、62519、62705、72911 工作面，3 號(hào)煤層的73907、73908 工作面，6 號(hào)煤層的76902、76903 工作面，8 號(hào)煤層的68307、68311、68506、68501 工作面。本文重點(diǎn)對(duì)首先開(kāi)采的2 號(hào)煤工作面水害進(jìn)行舉例分析。

（1） 62517 工作面面臨水害及防治措施。

地表水：工作面上覆地表有北石溝，該溝谷屬季節(jié)性河流，在暴雨季節(jié)，受地形地貌影響，溝谷中大氣降水易形成集中補(bǔ)給，可能通過(guò)塌陷裂縫可以進(jìn)入礦井，從而間接形成礦井充水，對(duì)礦井生產(chǎn)有一定影響，應(yīng)加強(qiáng)地表低洼區(qū)段易積水部位的工程治理工作。