白如鴻，劉 壯，劉寧平，高興斌，賀銅章

(陜西榆林能源集團(tuán)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

陜西榆林能源集團(tuán)是榆林市地方綜合能源企業(yè)，所屬的榆樹灣煤礦位于榆神礦區(qū)金雞灘鎮(zhèn)，榆神礦區(qū)是陜北煤炭基地建設(shè)的核心地區(qū)，礦區(qū)淺埋煤層開采對淺層地下水影響顯著，并造成水位下降和生態(tài)環(huán)境惡化。為此，范立民等[15]提出礦區(qū)開發(fā)要有效保護(hù)薩拉烏蘇組含水層等地下水系統(tǒng)的建議和技術(shù)途徑，經(jīng)過多年研究，形成了保水采煤的技術(shù)體系，既要保護(hù)礦區(qū)水資源，也要保證煤礦安全生產(chǎn)，多年來榆神礦區(qū)煤礦防治水工作取得了重要進(jìn)展[69]。但部分礦井的涌水量仍然較大，是提升礦井生產(chǎn)能力的主要障礙，榆樹灣煤礦就是其中之一，涌水量一直保持在800 m3/h以上，而且投產(chǎn)十余年沒有衰減的跡象，成為企業(yè)面臨的重大難題。

通過對榆樹灣煤礦礦井涌水量特征進(jìn)行分析，提出煤礦防治水的一些思路和措施，以期降低礦井涌水量，為煤礦提升生產(chǎn)能力奠定基礎(chǔ)。

1 礦井涌水的主要含水層

榆樹灣煤礦為地下開采，礦井東西寬約12 km，南北長約14 km，面積約85.256 6 km2，煤礦范圍內(nèi)主要含水層包括薩拉烏蘇組松散砂含水層、直羅組砂巖含水層。延安組砂巖含水層、黃土裂隙水富水性極弱，在礦井水構(gòu)成中占比很小，可以忽略。

1.1 薩拉烏蘇組潛水含水層

主要分布于煤礦中部及西北部，多被風(fēng)積沙覆蓋，在低洼處與風(fēng)積沙構(gòu)成統(tǒng)一含水層，厚度變化較大，一般為0～19.20 m，巖性主要為細(xì)砂，偶為中粗砂，局部夾有含泥及腐殖質(zhì)粉砂條帶和透鏡體。水位埋藏較淺，一般為0.73～2.86 m。富水性強(qiáng)弱皆有分布。煤礦較大部分屬富水性弱區(qū)，在煤礦中部富水性中等區(qū)。含水層主要接受大氣降水的補(bǔ)給，在沙漠灘地區(qū)，地勢平緩，降水入滲系數(shù)為0.6。據(jù)以往鉆孔抽水資料，薩拉烏蘇組含水層厚度7.28～15.12 m，水位埋深0.73～5.58 m，當(dāng)降深7.50～10.52 m時(shí)，涌水量0.755～2.172 L/s，統(tǒng)降單位涌水量0.012 336～0.047 716 L/s·m，滲透系數(shù)0.016 8～3.385 6 m/d，局部地區(qū)泉流量達(dá)到12.2 L/s，富水性弱強(qiáng)。

1.2 直羅組碎屑巖裂隙承壓含水層

該含水層主要指侏羅系中統(tǒng)直羅組風(fēng)化巖和正常巖含水層。直羅組風(fēng)化巖段含水層位于基巖頂部，基巖面以下數(shù)30 m之內(nèi)，基本全區(qū)分布。巖性以細(xì)粒砂巖為主，裂隙以層理、侵蝕面為特征。據(jù)補(bǔ)勘階段BK19號(hào)鉆孔抽水資料，含水層厚度為8.85 m，水位埋深72.67 m，當(dāng)降深24.50 m時(shí)，涌水量為0.033 L/s，統(tǒng)降單位涌水量為0.000 791 L/s·m，滲透系數(shù)為0.012 23 m/d，為極弱富水含水層。

直羅組正常巖段含水層大部地區(qū)分布，厚度0～57.52 m，巖性以中、粗粒砂巖為主，層理裂隙發(fā)育。據(jù)補(bǔ)勘階段BK3號(hào)鉆孔本層段抽水試驗(yàn)表明，該含水層水力特征具承壓性，水位埋深為63.27 m，降深為28.13 m，涌水量為0.400 L/s，統(tǒng)徑統(tǒng)降單位涌水量為0.009 729 L/s·m，滲透系數(shù)為0.045 46 m/d，為弱富水含水層。值得關(guān)注的是，直羅組雖然富水性弱，但分布范圍極大，在區(qū)域上具有源源不斷的補(bǔ)給來源，如果采動(dòng)裂隙發(fā)育到直羅組含水層底部，可能會(huì)形成涌水量大的礦井[7，10]。

2 礦井充水因素

2.1 充水水源

根據(jù)榆樹灣煤礦的地質(zhì)條件，構(gòu)成其礦床充水的水源主要有大氣降水、地表水、地下水、老窯積水。

2.1.1 大氣降水

煤礦區(qū)多年平均降水量403.5 mm，降水主要集中在每年的7～9月份，占全年降水量的70%左右，歷史最大月降水量達(dá)276.4 mm。礦井涌水量隨季節(jié)有不同的變化，一般以入滲補(bǔ)給地下水間接向礦井充水，降雨后，礦井涌水量高峰有一定的滯后性。從降雨量看，榆樹灣煤礦降雨量并不大，但由于大氣降水在時(shí)間分布的不均勻性和不確定性，當(dāng)雨季某個(gè)時(shí)間集中或長時(shí)間降雨量過大時(shí)，大氣降水會(huì)轉(zhuǎn)化成地表水，如補(bǔ)給地表河流、水庫等明水使其水位升高，或?qū)⒋竺娣e的降水匯流到地表山溝河谷中變成季節(jié)性河流水甚至形成洪水，以地表水的形式給礦井安全和生產(chǎn)帶來一定的威脅和影響。另外，受采空塌陷影響，如果礦井開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶延伸至地表，大氣降水及形成的季節(jié)性地表水則可沿裂縫直接向礦井充水，對礦井安全則會(huì)產(chǎn)生安全威脅。因此，礦井在雨季要加強(qiáng)井下涌水情況的監(jiān)測，并做好雨季三防等礦井防治水工作。

總的來說，由于本區(qū)降雨量和受降面積有限，大氣降水作為間接入滲進(jìn)入礦井的充水水源時(shí)其危害一般不大。

2.1.2 地表水

煤礦內(nèi)主要地表水有東清水河、西清水河，田家溝、尚家溝及一些小的水庫淤地壩。據(jù)《榆樹灣煤礦地質(zhì)報(bào)告(修編)》，實(shí)際探測2-2號(hào)煤層開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度在138.9 m，導(dǎo)水裂隙帶大部分發(fā)育在基巖頂面，地表水作為2-2號(hào)煤層開采的間接充水水源；局部發(fā)育至土層頂面或地表，溝通地表水體，使地表水成為了直接充水水源。

2.1.3 地下水

煤礦大部分面積分布第四系薩拉烏蘇組潛水，導(dǎo)水裂隙帶大部分區(qū)域至基巖頂面，第四系薩拉烏蘇組潛水通過土層區(qū)內(nèi)外天窗間接補(bǔ)給基巖含水層，構(gòu)成礦床間接充水水源；導(dǎo)水裂隙帶局部發(fā)育至土層頂面或地表，溝通地表水體，因此局部地段構(gòu)成礦床直接充水水源。

煤層頂板含水層是煤層的直接充水含水層，煤層頂板含水層均為承壓水，雖有較高的水頭壓力，但涌水量甚微，富水性弱，易于疏干，雖為直接充水水源，對開采不會(huì)造成危害。但是，在局部地段，承壓水富水性較強(qiáng)的地帶，將有可能引起礦井涌水量突然增大。

2.1.4 采空區(qū)積水

榆樹灣煤礦范圍內(nèi)無老窯，煤礦西部的杭來灣煤礦開采2-2號(hào)煤層，近3 a礦井正常涌水量為882.95 m3/h。

榆樹灣煤礦采空區(qū)積水主要分布在20101、20102、20104、20106、20108、20117、20119等工作面，其特征為靜水儲(chǔ)量大且較為隱蔽，但采掘工程已基本控制，位置及積水量基本清楚，總積水面積623.064 6萬m2，總積水量423.567 3萬m3。

20105工作面回采時(shí)受工作面20103采空區(qū)積水影響，在開采前已對20103工作面采空區(qū)積水通過閉墻預(yù)設(shè)反水孔對積水進(jìn)行抽排，積極進(jìn)行抽排水，同時(shí)在20103工作面2#運(yùn)順低洼處要加強(qiáng)抽排水，確保20105工作面安全生產(chǎn)。

20114工作面回采至F2斷層附近時(shí)，必須提前對斷層進(jìn)行探測，查清斷層性質(zhì)、充水情況。20114工作面回采時(shí)受20112工作面采空區(qū)積水影響較小，但必須20112工作面2#運(yùn)順低洼處加強(qiáng)抽排水，確保20114工作面安全生產(chǎn)。

20116工作面切眼貫通時(shí)，需提前對20114工作面2#運(yùn)順巷道內(nèi)積水區(qū)進(jìn)行抽排水，確保20114工作面2#運(yùn)順巷道暢通。

2.2 充水通道

根據(jù)榆樹灣煤礦的地質(zhì)和開采條件，礦井生產(chǎn)中的充水通道有導(dǎo)水裂隙帶、封閉不良鉆孔、小型斷層等。就榆樹灣煤礦而言，充水通道主要為煤層采空頂板巖層冒落形成的導(dǎo)水裂隙帶，本區(qū)間接充水含水層(即松散層)富水性遠(yuǎn)高于神東礦區(qū)，因此，對所采煤層頂板復(fù)合巖體發(fā)生的冒裂帶發(fā)育情況的研究尤為重要。

2013—2015年，陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司開展“陜北煤炭開采區(qū)采動(dòng)損害調(diào)查項(xiàng)目”，在榆樹灣煤礦20104和20106工作面及外圍，施工了7個(gè)“三帶”探測鉆孔。榆樹灣煤礦20104和20106工作面采用分層開采2-2號(hào)煤層，開采上分層，采厚為5.0 m，工作面斜長255 m和295 m，煤層埋藏深度一般在280 m左右。探測時(shí)至回采時(shí)已達(dá)2 a之久，采空區(qū)覆巖變形已完全穩(wěn)定。鉆孔布置在20104和20106工作面的采空區(qū)中心及之間的面間煤柱上。探測結(jié)果為,榆樹灣煤礦煤層采厚為5.0 m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度最大為117.80～138.90 m，為煤層采厚的23.56～27.78倍；冒落帶最大高度為20.60～27.90 m，為煤層采高的4.12～5.58倍。

綜上所述，根據(jù)榆神礦區(qū)以往生產(chǎn)礦井導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為煤層采高的25～30倍，而榆樹灣煤礦2-2號(hào)煤層以采高5.00 m計(jì)算，實(shí)際探測導(dǎo)水裂隙帶最大高度為138.9 m[1113]。以導(dǎo)水裂隙帶高度140 m為圈定基準(zhǔn)，劃出了上覆基巖厚度小于導(dǎo)水裂隙帶最大高度的范圍，即2-2號(hào)煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至基巖頂面的范圍較大，主要分布于一盤區(qū)內(nèi)東北部、中部及南部，二盤區(qū)全區(qū)分布；尤其是一盤區(qū)東北部及二盤區(qū)各大溝谷上覆基巖只有幾十米，且土層厚度也比較薄，且不排除有天窗存在，在該范圍內(nèi)導(dǎo)水裂隙帶全部發(fā)育至基巖頂面，基巖水將全部被導(dǎo)水裂隙導(dǎo)通。在煤礦一盤區(qū)東北部尚家溝和田家溝、二盤區(qū)東南部西清水溝及其支溝和東清水溝一帶，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至土層頂面，有可能與第四系孔隙潛水及地表水溝通，導(dǎo)致潛水涌入礦井，水位下降，影響礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，同時(shí)，若不采取有效防治措施，造成突水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增加。

2.3 礦井涌水特征

榆神礦區(qū)礦井涌水量與多種因素有關(guān)[14]，主要對建井階段、生產(chǎn)階段涌水量進(jìn)行剖析。

2.3.1 建設(shè)階段的涌水量

榆樹灣煤礦礦建階段礦井涌水量主要由主、副斜井井筒涌水量，煤礦主要大巷及硐室涌水量及試生產(chǎn)工作面涌水量構(gòu)成。

根據(jù)榆樹灣煤礦礦建和試生產(chǎn)階段的礦井涌水量柱狀圖(圖1)可知，礦井涌水量隨著試生產(chǎn)的推進(jìn)而增大，年增速高達(dá)32%，到正式投產(chǎn)后，礦井涌水量增速明顯放緩。究其原因，主要為導(dǎo)水通道從礦建到試生產(chǎn)從無到有、從少到多逐漸形成。

圖1 榆樹灣煤礦礦建階段礦井涌水量柱狀圖Fig.1 Histogram of mine water inflow in Yushuwan Coal Mine construction stage

2.3.2 正常生產(chǎn)階段礦井實(shí)測涌水量

根據(jù)榆樹灣煤礦生產(chǎn)階段礦井涌水量柱狀圖(圖2)可知，榆樹灣煤礦近3 a正常涌水量為882.95 m3/h，最大涌水量為921.3 m3/h。

圖2 榆樹灣煤礦生產(chǎn)階段礦井涌水量柱狀圖Fig.2 Histogram of mine water inflow in Yushuwan Coal Mine production stage

煤礦主要采空及生產(chǎn)工作面、大巷及硐室涌水量約占礦井涌水量91%，并隨著采空面積的增加而增大。主、副斜井井筒涌水量約占礦井涌水量9%，隨季節(jié)變化，總體較為穩(wěn)定。

2.3.3 礦井涌水量規(guī)律

通過分析本礦礦井涌水量與各種相關(guān)因素曲線圖，如圖3所示，2006—2009年，大氣降水對礦井涌水量影響甚微，原因?yàn)榈V井涌水量主要由主、副斜井井筒涌水量構(gòu)成；2010—2011年，礦井涌水量在雨季大氣降水后有明顯增大，且具有一定滯后性，說明是大氣降水通過入滲補(bǔ)給地下水等間接影響礦井涌水量；而冬季干旱少雨，降雨量則較小，礦井涌水量受其影響不大。2012—2015年，從涌水量曲線上看，大氣降水對礦井涌水量影響減弱，原因可能為礦井充水因素增多，涌水量受其他多種因素影響；2016—2018年，礦井涌水量在雨季大氣降水后再次明顯增大，與回采工作面上覆基巖厚度以及大氣降水通過工作面回采后地表沉陷產(chǎn)生的地裂縫補(bǔ)給地下水有關(guān)。

圖3 榆樹灣煤礦礦井涌水量與相關(guān)因素曲線Fig.3 Curve of mine water inflow and related factors in Yushuwan Coal Mine

因此，榆樹灣煤礦正式投產(chǎn)后，礦井涌水量主要與上覆巖層富水性、巖層結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)覆巖富水性強(qiáng)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育到含水層中時(shí)，涌水量自然會(huì)增大。

礦井涌水量與回采進(jìn)尺、采空面積關(guān)系。由圖3可以看出，近3 a礦井涌水量與采空面積增大和開拓長度曲線變化較一致，可見目前礦井涌水量主要受采空面積和開拓長度影響較大。

目前地表水對礦井涌水的危害不大，影響礦井涌水的因素是采空面積和開拓長度的增大，采掘破壞影響的頂板含水層向礦井充水通道變多，從而導(dǎo)致礦井涌水量逐漸增大。因此，在以后的生產(chǎn)中應(yīng)堅(jiān)持做好地裂縫和塌陷的排查和治理，對井下涌水量應(yīng)堅(jiān)持觀測，掌握規(guī)律，以利于防治水工作的進(jìn)行。

3 礦井防治水思路

加強(qiáng)區(qū)域水文地質(zhì)條件的研究，從區(qū)域上研究主要充水含水層(直羅組)的分布范圍、巖性、物質(zhì)組成與控水規(guī)律，分析直羅組地下水系統(tǒng)。榆神礦區(qū)部分煤礦涌水量大，主要原因?yàn)橹绷_組含水層在區(qū)域上具有源源不斷的補(bǔ)給來源，無論在井田范圍內(nèi)如何治理，沒有從根源上封堵補(bǔ)給來源，只要采掘活動(dòng)存在，就會(huì)形成大量的礦井水。因此，榆樹灣煤礦也應(yīng)借鑒其他礦區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，按照《煤礦防治水細(xì)則》提出的“五個(gè)轉(zhuǎn)變”思路方法，突破井田范圍，研究區(qū)域水文地質(zhì)條件，從根本上解決礦井涌水量大的難題。

建立煤礦地下水監(jiān)測大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，監(jiān)測各個(gè)含水層地下水位動(dòng)態(tài)、井下各出水點(diǎn)涌水量數(shù)據(jù)，及時(shí)分析礦井涌水量與水文地質(zhì)條件的相關(guān)關(guān)系，尋找礦井涌水量主控因素，有的放矢的實(shí)施防治水措施，降低礦井涌水量，提升煤礦生產(chǎn)能力。目前，我省已經(jīng)建立了煤礦地下水監(jiān)測網(wǎng)[15]，但監(jiān)測點(diǎn)較少，只能區(qū)域上控制地下水動(dòng)態(tài)，對于一個(gè)煤礦，一個(gè)采掘工作面，仍然“力不從心”。因此，在全省煤礦地下水監(jiān)測網(wǎng)基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)神府南區(qū)的做法[16]，建設(shè)密切控制榆樹灣煤礦各個(gè)含水層、井下出水點(diǎn)的監(jiān)測網(wǎng)，將有利于煤礦防治水工作，有利于礦井生產(chǎn)能力提升和環(huán)境保護(hù)。

4 結(jié)論

煤礦防治水工作是一項(xiàng)長期而又復(fù)雜的工作，搞好防治水工作是保護(hù)礦區(qū)水資源的需要，也是提升礦井生產(chǎn)能力的需要。在以后的防治水工作中應(yīng)加強(qiáng)區(qū)域水文地質(zhì)條件的研究，從區(qū)域上研究主要充水含水層的特性與控水規(guī)律，同時(shí)應(yīng)建立建設(shè)煤礦各個(gè)含水層、井下出水點(diǎn)的監(jiān)測網(wǎng)，及時(shí)分析礦井涌水量與水文地質(zhì)條件的動(dòng)態(tài)相關(guān)關(guān)系，尋找礦井涌水量主控因素，有的放矢的實(shí)施防治水措施，從而有效的降低礦井涌水量。