文/張西寨

蔣家河煤礦水文地質(zhì)特征及防治水措施

文/張西寨

蔣家河煤礦為彬縣煤炭有限責(zé)任公司新建礦井，位于黃隴煤田中段的彬長(zhǎng)礦區(qū)南部,主采煤層為侏羅紀(jì)延安組4號(hào)煤層優(yōu)質(zhì)長(zhǎng)焰煤，位于白堊系洛河組砂礫巖含水層和侏羅紀(jì)直羅組砂巖富含水地層之下。煤礦在巷道掘進(jìn)和工作面回采的過(guò)程中，巷道和回采工作面頂板淋水涌水嚴(yán)重，影響了正常生產(chǎn)。本文在蔣家河煤礦實(shí)際生產(chǎn)中不斷摸索的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)條件和區(qū)域水文地質(zhì)特征，借鑒彬長(zhǎng)礦區(qū)已經(jīng)建成投產(chǎn)的大佛寺、亭南、下溝、火石咀等礦井在礦井水防治方面取得的成功經(jīng)驗(yàn)，闡述有效的防治水措施，可實(shí)現(xiàn)富含水層下煤炭安全開(kāi)采的目標(biāo)，在彬長(zhǎng)礦區(qū)具有一定的推廣和借鑒意義。

一、地質(zhì)特征

彬長(zhǎng)礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部的渭北隆起北緣的彬縣—黃陵坳褶帶，出露的地層有三疊系、侏羅系、白堊系、第三系和第四系。總體構(gòu)造形態(tài)為中生界構(gòu)成的NW緩傾的單斜構(gòu)造，在此單斜上展布一些寬緩而不連續(xù)的次級(jí)褶皺構(gòu)造。從南到北，礦區(qū)發(fā)育的背斜有太峪背斜、彬縣背斜、路家—小靈臺(tái)背斜及礦區(qū)北部的七里鋪—西坡背斜。褶皺構(gòu)造兩翼多不對(duì)稱(chēng)，南緩北陡，南翼1°～3°，北翼4°～8°，它們對(duì)礦區(qū)煤層分布起著一定的控制作用，背斜軸部常缺失含煤地層及煤層。地表未發(fā)現(xiàn)斷層，在礦區(qū)的水簾礦、火石嘴礦、下溝礦和蔣家河礦的生產(chǎn)礦井中，可見(jiàn)少量斷距為1.2～6m的小斷層。未見(jiàn)巖漿巖和火山巖侵入，該礦區(qū)為簡(jiǎn)單構(gòu)造。

二、礦區(qū)水文地質(zhì)條件

礦區(qū)地層平緩，未發(fā)現(xiàn)斷層，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，周邊無(wú)老空積水區(qū)，無(wú)較大的地表徑流水系。水文地質(zhì)勘探類(lèi)型屬以裂隙充水為主，水文地質(zhì)條件屬于簡(jiǎn)單類(lèi)型，即“二類(lèi)一型”。煤層直接充水含水層為侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙含水層，以及侏羅系中統(tǒng)延安組煤層及其頂板砂巖含水層，充水方式為頂板進(jìn)水。各直接充水含水層埋藏深，裂隙不甚發(fā)育，補(bǔ)給來(lái)源有限，導(dǎo)水性差，逕流滯緩，富水性微弱。

井田主采煤層4號(hào)煤層厚度為0.8～10.85m，平均厚度為5.29m，煤層底板標(biāo)高550.97～723.24m，埋深322～636.80m，位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面之下。煤層下伏巖層含水微弱，可視為相對(duì)隔水層。影響礦井生產(chǎn)的主要有洛河組砂礫巖含水層、直羅組砂巖含水層、延安組煤系含水層。

三、構(gòu)造及煤厚分布特征

根據(jù)一采區(qū)首采工作面巷道掘進(jìn)實(shí)測(cè)剖面的揭露情況（圖1），在工作面走向上的煤巖層構(gòu)造特征主要表現(xiàn)為一寬緩向斜褶皺。煤層厚度和展布特征為巷道中段厚，兩端薄，且較厚部位恰好在向斜的軸部，最厚煤層為9.9米，最薄為1.7m米。二采區(qū)首采工作面也具有一采區(qū)首采工作面的構(gòu)造特征和煤層分布特征，說(shuō)明礦區(qū)煤層受趙坡向斜構(gòu)造控制。

圖1 一采區(qū)首采工作面剖面示意圖

四、工作面涌水情況

蔣家河煤礦2010年底開(kāi)始試生產(chǎn)運(yùn)行，一采區(qū)首采工作面走向長(zhǎng)度1750m，傾斜寬約150m，采用走向長(zhǎng)壁式綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，采高約3.1m，放頂厚度約2.6m，根據(jù)該工作面試采推進(jìn)過(guò)程中出水情況，涌水步距約90～100m，涌水量最大約35m3/h，最小約5m3/h。

二采區(qū)首采工作面走向長(zhǎng)1400m，傾斜長(zhǎng)151m，掘進(jìn)期間順槽主要以頂板淋水為主，淋水量衰減速度慢，淋水略帶咸味，多在錨桿、錨索孔淋出?；仫L(fēng)順槽從172m至410m頂板局部有淋水，但不影響正常生產(chǎn)，從410m處開(kāi)始至586m左右淋水增大，淋水區(qū)長(zhǎng)度約176m，巷道淋水面積約700m2，淋水量約30m3/h，均為頂板淋水，運(yùn)順情況與回順基本相似。

二采區(qū)首采工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)至172m處遇到斷距約3m的北傾正斷層（圖2），斷距約2.6m，斷層帶寬度約0.5m，斷面處煤巖破碎，瓦斯涌出增大，淋水量增大。運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至83.5m處遇到斷距約3.5m的北傾正斷層（和回順為同一斷層），斷層處均有頂板破碎、頂板淋水、瓦斯?jié)舛壬叩奶攸c(diǎn)。

圖2 斷層示意圖

五、水文地質(zhì)因素分析

1．充水水源。工作面掘進(jìn)和回采期間大氣降水和地表水均未對(duì)礦井生產(chǎn)造成影響，因此依據(jù)兩個(gè)采區(qū)首采工作面的充水特征，結(jié)合地質(zhì)勘探成果，一采區(qū)首采工作面頂板涌水可能為延安組上段巖系含水或直羅組底部巖層含水；據(jù)二采區(qū)首采工作面掘進(jìn)期間淋水特點(diǎn)及水量大小判斷，也可能為直羅組和延安組含水層裂隙水。

2．充水通道。由于4號(hào)煤層上覆地層巖性以細(xì)砂巖、粉砂巖為主，其次為中粒砂巖，粗粒砂巖及泥巖，呈互層狀結(jié)構(gòu)。因此在冒落帶高度較小區(qū)域，礦井充水通道為構(gòu)造原生裂隙。

隨著礦井的開(kāi)拓，導(dǎo)水裂隙帶的形成和擴(kuò)展，白堊系洛河組砂巖孔隙～裂隙含水層中的地下水亦可能在局部地段通過(guò)透水“天窗”進(jìn)入井巷系統(tǒng)。根據(jù)4號(hào)煤開(kāi)采過(guò)程中所形成的導(dǎo)水裂隙帶高度所能波及的范圍，所確定的突水保護(hù)層的厚度為13.72m～105.82m，局部地段洛河砂巖含水層有可能與4號(hào)煤導(dǎo)水裂隙帶貫通。

3．充水強(qiáng)度分析。蔣家河礦二采區(qū)4號(hào)煤層含水層下開(kāi)采論證分析認(rèn)為：導(dǎo)水裂縫帶波及不到白堊系含水層時(shí)，侏羅系最大涌水量Q=150m3/h，二盤(pán)區(qū)最大涌水量為225m3/h。導(dǎo)水裂縫帶波及到白堊系含水層時(shí)，白堊系最大涌水量Q=2637m3/h。因此，可得出白堊系含水層和侏羅系含水層涌水量為2862m3/h。地質(zhì)勘探成果認(rèn)為全井田礦井正常涌水量：145.99m3/h；井田南北兩個(gè)透水“天窗”的總充水量為529.89m3/h?？尚行匝芯繄?bào)告分析認(rèn)為礦井正常涌水量為150m3/h，礦井最大涌水量為230m3/h。

兩個(gè)采取首采工作面的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)測(cè)算表明，礦井正常涌水量為160m3/h，最大涌水量為314.4m3/h。說(shuō)明首采工作面的掘進(jìn)和生產(chǎn)還未導(dǎo)通白堊系地層含水，淋水和涌水主要為延安組和直羅組地層含水。隨著巷道掘進(jìn)和回采形成的采空區(qū)逐步增大，頂板冒落高度及導(dǎo)水裂隙帶的進(jìn)一步發(fā)育，礦井可能有大量的地下水涌入，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)造成較大的影響，應(yīng)該引起足夠的重視。

六、地質(zhì)影響因素分析

1．圍巖巖層力學(xué)特征。主采4號(hào)煤層底板主要為泥巖、頁(yè)巖，特別是遇水泥化的鋁土質(zhì)泥巖，單軸干燥抗壓強(qiáng)度27.1～48.44MPa，堅(jiān)固系數(shù)集中在0.9～1.2，RQD值35.67～47.70，軟化系數(shù)0～0.35，泥巖的泥化比為1.51～3.35，屬于遇水易泥化巖石。整體而言，4號(hào)煤層底板巖層屬于穩(wěn)定性很差、易膨脹軟化、堅(jiān)固性差、強(qiáng)度低的巖層。

主采4號(hào)煤層賦存的侏羅紀(jì)地層具有泥類(lèi)巖層所占比例較大，上覆巖層為軟硬互層，而且具有軟巖單層厚度大、巖石力學(xué)強(qiáng)度低等特征，總體為中硬偏軟弱的巖層，主干強(qiáng)硬巖層比例較低，容易形成大范圍的采空垮落區(qū)域，造成導(dǎo)水裂隙帶延伸高度加大。

2．防隔水層厚度分布不均。二采區(qū)首采工作面所在區(qū)域鉆孔表明，此工作面需要通過(guò)井田北部“透水”天窗所在部位，該區(qū)段老頂厚度約23m左右，主要為粉砂巖、粗砂巖和細(xì)砂巖，其上無(wú)厚度較大粘土隔水層，依據(jù)勘探報(bào)告導(dǎo)水裂隙帶最大高度160.73m，突水保護(hù)層的厚度僅為13.72m，最大充水量為262.14m3/h，因此在該工作面及其相鄰的工作面掘進(jìn)和開(kāi)采過(guò)程中需做好防透水、突水預(yù)案和防范措施。

3．?dāng)_動(dòng)礦壓的影響。一采區(qū)和二采區(qū)首采工作面均為整個(gè)礦井的首采工作面，初次擾動(dòng)該區(qū)域上覆巖層，礦山壓力顯現(xiàn)將會(huì)比較明顯，加之工作面中部煤層厚度較大，擾動(dòng)就更加強(qiáng)烈，因此對(duì)造成上覆巖層次生裂隙逐步增加，地層含水沿次生裂隙大量涌入巷道和工作面。

七、綜合治理措施

1．采前探測(cè)。采前探測(cè)導(dǎo)水裂縫帶高度和導(dǎo)水裂縫帶高度，為合理開(kāi)采厚度提供依據(jù)；探測(cè)煤層厚度和侏羅系巖層厚度，確保實(shí)際的安全煤巖柱垂高不小于設(shè)計(jì)尺寸；及時(shí)核實(shí)和調(diào)整開(kāi)采厚度，在工作面掘進(jìn)期間通過(guò)向巷道頂板打探測(cè)孔的方法探測(cè)頂煤的厚度，并根據(jù)探測(cè)到的煤厚情況對(duì)巷道進(jìn)行調(diào)整；掘進(jìn)時(shí)要密切注意可能出現(xiàn)的斷層，對(duì)可能導(dǎo)水的有關(guān)斷層進(jìn)行超前探測(cè)，根據(jù)斷層的具體情況留設(shè)斷層煤柱。

2．疏干降壓。為了防止直羅組、延安組含水層向工作面過(guò)量充水，采前在疏水順槽內(nèi)布置部分仰上探放水鉆孔，預(yù)先疏降延安組、直羅組含水位，疏水鉆孔的間距初定為50～200m，根據(jù)鉆孔出水量的大小調(diào)整鉆孔間距。

3．采用合理的開(kāi)采工藝。加強(qiáng)工作面支護(hù)，特別是在老頂初次來(lái)壓和周期來(lái)壓期間，做到及時(shí)支護(hù)，并搞好工作面端頭支護(hù)；采取合理的推進(jìn)速度，盡量做到回采工作面連續(xù)快速和勻速推進(jìn)，防止冒頂事故的發(fā)生；結(jié)合具體情況研究制定切實(shí)可行的放煤措施，仔細(xì)檢查核實(shí)放出煤量，并與設(shè)計(jì)放煤厚度進(jìn)行對(duì)比。

4．建立完善排水系統(tǒng)。建立健全暢通的礦井和采區(qū)疏排水系統(tǒng)。加強(qiáng)排水設(shè)備的維修與管理。定期清理水溝和水倉(cāng)，確保疏排水系統(tǒng)的正常。及時(shí)排水，在工作面可能出現(xiàn)涌水或淋水現(xiàn)象的塊段內(nèi)提前施工區(qū)段水倉(cāng)。

八、結(jié)論

1．侏羅系直羅組砂巖含水層和延安組砂巖含水層是礦井的直接充水含水層。白堊系洛河宜君組砂礫巖孔隙～裂隙含水層分布范圍廣，厚度大，富水性強(qiáng)，是礦井的間接充水含水層，隨著礦井的開(kāi)拓會(huì)造成較大的安全威脅，應(yīng)該引起重視，提前做好防范措施。

2．二采區(qū)“透水天窗”是礦井地下水比較容易進(jìn)入的區(qū)域，需要提前制定科學(xué)可靠的防范措施。

3．一二采區(qū)首采工作面掘進(jìn)和回采期間涌水均為延安組及直羅組地層含水，涌水量和涌水強(qiáng)度不是很大，可以采取及時(shí)安全的措施予以防治。隨著礦井開(kāi)拓和開(kāi)采面積的逐步擴(kuò)大，導(dǎo)水裂縫帶波及到白堊系含水層時(shí)，可能有較大的涌水量，將會(huì)造成較大的安全威脅，也是礦井在未來(lái)生產(chǎn)中需要切實(shí)防范的安全隱患。

4．蔣家河煤礦的生產(chǎn)實(shí)踐表明，采取合理的開(kāi)采工藝，制定切實(shí)可行的防治水措施，4號(hào)煤層可以實(shí)現(xiàn)富水層下安全開(kāi)采，同時(shí)也為彬長(zhǎng)礦區(qū)礦井防治水積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

（作者單位：陜西彬縣煤炭有限責(zé)任公司）

（責(zé)任編輯：龐永厚）