武洪濤，陳江峰，王崇平，豆 浩

（1.河南大學(xué) 濮陽工學(xué)院，河南 濮陽 457000；2.河南理工大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；3.神華集團(tuán)有限責(zé)任公司 黃玉川煤礦，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 010399）

我國是煤炭的生產(chǎn)大國和消費(fèi)大國，2018 年我國煤炭消費(fèi) 27.4 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，占一次能源的比重接近60%，在我國的能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位[1-2]。目前，我國煤炭開采以井下采煤為主，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)果，2000—2018 年發(fā)生煤礦突水事故超過200起，煤礦突水問題嚴(yán)重威脅煤礦井下安全生產(chǎn)[3-5]。煤礦突水事故的客觀原因主要是煤礦采動(dòng)影響范圍內(nèi)的煤層、頂?shù)装宓群暂^高，在煤礦采動(dòng)影響作業(yè)下，含水層中的水沿采動(dòng)裂隙及原生裂隙流向井巷而導(dǎo)致事故發(fā)生，主觀原因是對(duì)煤層、頂?shù)装宓暮?、滲透性等特征的掌握不足，安全投入不足、透水治理不到位、管理措施不及時(shí)等導(dǎo)致[6-7]。在正確掌握煤礦含水性及滲透性資料基礎(chǔ)上，通過加強(qiáng)人員對(duì)突水預(yù)兆識(shí)別培訓(xùn)、強(qiáng)化突水預(yù)兆信息化監(jiān)控、增強(qiáng)突水信息自動(dòng)識(shí)別能力[8-10]，從井下人員和地面監(jiān)控2 方面著手，能夠有效降低煤礦生產(chǎn)過程中突水事故造成的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。

1 礦井地質(zhì)特征

1.1 含煤特征

黃玉川煤礦屬華北石炭、二疊紀(jì)煤田，含煤地層包括山西組（C2s）和太原組（C2t），山西組包含4、5 號(hào)共 2 個(gè)煤層，太原組包含 6上、6、8、9、10 號(hào)共 5 個(gè)煤層，太原組的煤層整體較厚，經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值較高，而山西組的含煤性較差[11]。煤礦開采范圍內(nèi)的主采煤層分布特征數(shù)據(jù)見表1。

表1 黃玉川煤礦可采煤層分布特征Table 1 Distribution characteristics of recoverable coal seam in Huangyuchuan Coal Mine

從表1 可以看出，太原組煤層在3.15～12.37 m之間，厚度大，但是煤層含夾矸較多，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，均為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層。山西組煤層在1.65～3.35 m之間，厚度小，均為較簡單結(jié)構(gòu)煤層。

1.2 構(gòu)造特征

根據(jù)黃玉川井田煤炭及地震勘探報(bào)告，井田內(nèi)地層為單斜構(gòu)造，局部范圍存在寬緩的波狀起伏，地層傾角在15°以內(nèi)，走向?yàn)楸北睎|，傾向?yàn)楸蔽魑鳌＞飪?nèi)共發(fā)現(xiàn)斷層8 條，其中落差＞10 m 的斷層3 條，大于 5 m 的斷層 6 條，褶幅＞5 m 的褶曲 5 條，其中背斜4 條、向斜1 條[12]。6 號(hào)煤層埋深在 400～960 m 之間，從東向西煤層埋深逐漸增加。綜上各階段勘探成果，本井田構(gòu)造屬中等到復(fù)雜類型。

1.3 水文特征

黃玉川煤礦范圍內(nèi)的含水層包括2 類：松散層孔隙潛水含水層及碎屑巖類孔隙、裂隙含水層。松散層孔隙潛水含水層主要發(fā)育在第四系和新近系，含水地層對(duì)煤礦開采的影響較小。碎屑巖類孔隙、裂隙含水層發(fā)育在二疊系、石炭系及中下奧陶統(tǒng)，而煤礦可采煤層發(fā)育在二疊系山西組及石炭系太原組，因此，對(duì)煤礦開采影響較大的主要為碎屑巖類孔隙、裂隙含水層。太原組可采煤層與奧陶系灰?guī)r含水層（奧灰水）的間距數(shù)據(jù)見表2。

表2 太原組可采煤層與奧灰水間距Table 2 Spacing between Taiyuan formation workable coal seam and Ordovician limestone water

從表2 中可以看出，奧灰水與9 號(hào)煤層距離為44.8 m，考慮地層斷層發(fā)育及高承壓水特征對(duì)突水的影響，奧灰水對(duì)9 號(hào)煤層開采的影響尤為嚴(yán)重。

2 地面抽水試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抽水試驗(yàn)方法及結(jié)果

通過地面鉆孔，對(duì)奧陶系灰?guī)r含水層進(jìn)行單孔抽水試驗(yàn)，抽水試驗(yàn)采用1YPE4-340 型深井抽水泵進(jìn)行抽水，電測水位計(jì)觀測水位，三角堰觀測流量，最大流量為4 m3/h，最大揚(yáng)程為340 m，最大功率為7.5 kW，電測水位計(jì)觀測水位，三角堰觀測流量。出水管為φ63.5 mm 鉆桿，測水管為φ18 mm 塑料管，每個(gè)鉆孔均進(jìn)行了3 次降深的抽水。針對(duì)黃玉川煤礦奧陶系灰?guī)r含水層，在地表實(shí)施4 個(gè)鉆孔進(jìn)行試驗(yàn)，分析含水層的富水性及滲透性特征。4 個(gè)鉆孔的水泵與測水管下深及水位變化如圖1。

由圖1 可知，4 個(gè)抽水鉆孔的泵下入深度為302.5～322.5 m，差值為20 m，側(cè)水管下入深度比泵下入深度淺2～3 m。抽水前的靜止水位在171.5～255.6 m，差值為84.1 m，抽水后的靜止水位在171.9～257.8 m，差值為85.9 m，抽水后24 h 的恢復(fù)液面水位與抽水前的水位接近，說明鉆孔抽采區(qū)域的奧陶系灰?guī)r含水層水流補(bǔ)給能夠恢復(fù)水位下降液面。

2.2 含水性特征

圖1 水泵下深、測水管下深及水位變化柱狀圖Fig.1 The depth of the pump and water pipe with the histogram of the water level change

鉆孔單位涌水量是評(píng)價(jià)含水層富水性等級(jí)的唯一標(biāo)準(zhǔn)，鉆孔涌水量的大小直接反映處礦井含水量的高低，在一定的滲透條件下，含水層的含水量越高，鉆孔的涌水量越大[13]。黃玉川煤礦地面抽水孔試驗(yàn)測試的鉆孔涌水量、水位降深及計(jì)算的單位涌水量數(shù)據(jù)見表3。

表3 鉆孔單位涌水量數(shù)據(jù)表Table 3 Drilling unit water inflow data table

單位涌水量的表達(dá)式為：

式中：q 為單位涌水量，L/（s·m）；Q 為涌水量，m3/h；H 為鉆孔抽水試驗(yàn)的水位降深，m。

從表3 可以看出，涌水量在0.018～2.412 m3/h間，平均值為0.613 8 m3/h，單位涌水量在0.000 2～0.008 0 L/（s·m）之間，平均值為0.003 6 L/（s·m），涌水量及單位涌水量變化均較大，其中H1 孔的涌水量及單位涌水量最大，H3 孔的涌水量及單位涌水量最小。分析認(rèn)為涌水量差異較大的原因有2 種：一種原因?yàn)楹畬拥乃糠植疾痪?，?dǎo)致不同位置的涌水量出現(xiàn)差異，另一種原因是測試鉆孔周邊分布小斷層，斷層在抽水影響范圍內(nèi)，2 種原因均有可能導(dǎo)致H1 孔的涌水量偏高，要確定具體原因，需進(jìn)加強(qiáng)地震勘探對(duì)斷層的控制，另一方面需加密抽水鉆孔，精細(xì)研究含水層含水量的分布規(guī)律[14]。

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》對(duì)含水層富水性劃分標(biāo)準(zhǔn)可以看出，鉆孔抽采測試的黃玉川煤礦的奧陶系灰?guī)r含水層屬于弱含水性的含水層。根據(jù)鉆孔涌水量測試結(jié)果的差異較大可以看出，局部地區(qū)存在突水的可能，且黃玉川煤礦在采掘過程在多次遇到出水量異常情況，最高出水量達(dá)到70 m3/h，需加大水文勘探投入力度，加強(qiáng)對(duì)煤礦開采區(qū)域的控制，特別加強(qiáng)對(duì)垂向?qū)⒑畼?gòu)造的探查，降低煤礦開采過程中的突水風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 滲透性特征

滲透性能是影響礦井涌水量的重要參數(shù)，沉積過程中地層介質(zhì)特征、裂隙發(fā)育情況及構(gòu)造作用現(xiàn)場的斷裂、褶皺等直接影響其滲透性[15]。本次試驗(yàn)的奧陶系灰?guī)r含水層屬于承壓含水層，采取抽水試驗(yàn)采用穩(wěn)定流承壓公式計(jì)算滲透系數(shù)，其表達(dá)式為：

式中：K 為滲透系數(shù)，m/d；R 為影響半徑，m；r為鉆孔半徑，m；M 為含水層厚度，m；Q 為涌水量，m3/h；H 為水位下降深度，m。

抽水測試鉆孔的滲透系數(shù)結(jié)果見表4。從表4的計(jì)算結(jié)果可以看出，奧陶系灰?guī)r含水層的滲透系數(shù)在0.000 1～0.007 8 m/d 之間，平均值為0.002 4 m/d，滲透系數(shù)較低，奧陶系灰?guī)r含水層屬于弱透水性的含水層，由于含水層的透水性較差，起到了很好的遮擋作用，能有效阻止含水層中的水向煤礦采掘作業(yè)面流動(dòng)，降低突水事故發(fā)生的可能。

滲透系數(shù)與涌水量、單位涌水量散點(diǎn)圖如圖2。由圖2 可以看出，4 個(gè)鉆孔均呈現(xiàn)出隨著滲透系數(shù)的增加，涌水量、單位涌水量均呈上升的趨勢，說明裂隙通道的導(dǎo)水性能對(duì)涌水量的大小起到?jīng)Q定性的作用。

3 礦井突水水源及事故預(yù)防

3.1 礦井突水水源

圖2 不同鉆孔滲透系數(shù)與涌水量、單位涌水量散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plot of permeability coefficient and water inflow and unit water inflow in different boreholes

表4 鉆孔抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)數(shù)據(jù)表Table 4 Drilling pumping test permeability coefficient data sheet

煤系地層及其頂?shù)装宓纳皫r層段、灰?guī)r層段由于裂隙發(fā)育，是礦井水的主要來源地。根據(jù)黃玉川煤礦的水文、地震等勘探資料，礦井區(qū)域范圍內(nèi)的煤系地層鉆孔漏失嚴(yán)重，最大漏失量達(dá)到20 m3/h，主要集中在砂巖及煤層段，說明煤層、砂巖層段的裂隙較發(fā)育，且針對(duì)奧陶系灰?guī)r含水層的鉆孔測試反映出該地區(qū)富水規(guī)律的不均一性，局部地區(qū)的富水性較強(qiáng)，對(duì)煤礦開采的影響較大，需做好奧灰水的預(yù)抽工作，降低突水事故概率。

黃玉川煤礦的水文勘探資料顯示煤系基底奧陶系灰?guī)r地層發(fā)育巖溶，導(dǎo)致地層局部富水性較強(qiáng)，裂隙較發(fā)育，主要表現(xiàn)為溶蝕裂隙，次為小溶孔。根據(jù)測試的地層滲透系數(shù)，奧陶系巖溶水向煤系地層補(bǔ)給的可能性較低。但受斷層、巖溶陷落柱的影響，在奧灰水位高于煤層底板的情況下，奧灰水沿導(dǎo)水?dāng)鄬?、斷裂帶或?qū)萋渲蝗氲V井的的可能性會(huì)急劇增加[16]，突水事故的可能性也大幅上升。

3.2 突水事故預(yù)防措施

含水層中的水在高能量（承壓水）和良好通道（滲透性）的共同影響下，才能向礦井采動(dòng)區(qū)流動(dòng)。黃玉川煤礦奧陶系灰?guī)r含水層為承壓水體，具備水體流動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)和能量基礎(chǔ)，而礦井的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ъ跋萋渲臀缓畬拥乃肯蛎旱V提供了通道條件。

為了降低黃玉川煤礦井下采掘過程中的突水事故概率、降低事故發(fā)生造成的人員及財(cái)產(chǎn)損失，一方面應(yīng)針對(duì)采掘工程部署，采取“地面勘探-井下預(yù)抽”的井上下聯(lián)合的預(yù)防措施，加強(qiáng)地面水文地質(zhì)勘探，研究奧灰水的分布規(guī)律，強(qiáng)化井下預(yù)抽鉆孔的水害治理工作，另一方面強(qiáng)化水害事故“人員-設(shè)備”的綜合預(yù)警機(jī)制，應(yīng)提高井下作業(yè)人員對(duì)水害事故的主觀預(yù)見性、應(yīng)對(duì)性技能，增加井下水害事故的實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。針對(duì)水害危險(xiǎn)，采取全過程控制防突、多舉措預(yù)測消突，降低水害概率及強(qiáng)度，減少水害事故損失。

4 結(jié) 論

1）黃玉川煤礦地面水文鉆孔顯示奧陶系灰?guī)r含水層的水含量分布不均一，差異較大，與煤礦9 號(hào)煤的距離近，奧灰水對(duì)其開采的影響較大，應(yīng)加強(qiáng)9 號(hào)煤采掘過程中的奧灰水治理。

2）奧陶系灰?guī)r滲透系數(shù)平均值為0.002 4 m/d，屬于弱透水性的含水層，鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)束后，奧灰水向鉆孔方向運(yùn)移，奧灰水在24 h 內(nèi)的水流補(bǔ)給能夠促使抽采后水位恢復(fù)至抽采之前。

3）根據(jù)地面鉆孔抽水試驗(yàn)測試奧陶系灰?guī)r的涌水量在0.018～2.412 m3/h 之間，平均單位涌水量為0.036 L/（s·m），屬于弱含水性的含水層。

4）勘探資料顯示，黃玉川煤礦奧陶系灰?guī)r存在斷裂帶及垮落帶等導(dǎo)水通道，對(duì)煤礦開采的影響較大，應(yīng)采取“地面勘探-井下預(yù)抽”的井上下聯(lián)合的預(yù)防措施，建立水害事故“人員-設(shè)備”的綜合預(yù)警機(jī)制，降低水害事故的概率及強(qiáng)度，減少水害事故造成的損失。