神南礦區(qū)張家峁煤礦保水開采條件

王安良，蔣澤泉，院軍剛

(1.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 神木719300;2.陜西省煤田地質(zhì)局一八五隊(duì)，陜西 榆林719000)

近年來，由于陜北地區(qū)煤礦的連片集中開采，造成了區(qū)域性的地下水位下降，并引起了溝流和窟野河的持續(xù)性斷流。1992年，范立民最早提出了陜北侏羅紀(jì)煤田的保水采煤?jiǎn)栴}及實(shí)現(xiàn)途徑［1，2］，隨后，他先后多次論述了采煤對(duì)地下水的影響及保水采煤對(duì)策［3－7］。近年來，王雙明等研究了陜北煤田保水開采地質(zhì)條件，提出了生態(tài)水位保護(hù)的新理念，劃分了保水開采分區(qū)，為科學(xué)采煤奠定了基礎(chǔ)［8，9］。張大民［10］調(diào)查了張家峁井田水文地質(zhì)條件，查明井田內(nèi)原有水泉115個(gè)，總流量42.95 l/s，由于小煤礦的開采，造成102個(gè)水泉干涸，總流量衰減95.8%，地下水位也同時(shí)下降。蔣澤泉等［11－14］也就神南礦區(qū)保水采煤進(jìn)行了研究。本文在論述張家峁煤礦含水層水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，分析了保水開采保護(hù)層發(fā)育特征和煤礦充水因素，提出了防治水對(duì)策。

1 保水開采的保護(hù)含水層

保水開采主要保護(hù)第四系薩拉烏蘇組地下水和燒變巖地下水。

1.1 第四系薩拉烏蘇組含水層

主要分布于張家峁井田西南部，該組厚度0～25.31 m，一般厚度2～10 m。上部為灰褐、灰黑色粉細(xì)沙夾亞沙土及沙質(zhì)亞粘土;中、下部為黃褐色中粗粒沙，具有水平層理，夾亞粘土及淤泥條帶或透鏡體，結(jié)構(gòu)疏松、透水性好。在地形低洼處，有利于地下水的匯集和儲(chǔ)存，含水豐富，并與上覆風(fēng)積沙常構(gòu)成同一含水層。例如:張家峁井田西部邊界附近的N355號(hào)鉆孔，揭露該含水層段厚度為17.49 m，其上，覆蓋有12.58 m 厚的風(fēng)積沙，水位埋深 5.03 m，降深 5.81 m 時(shí)，涌水量8.53 L/S，單位涌水量1.47 L/s·m。烏蘭不拉溝 q08號(hào)泉，流量14.5 L/s，出水層位為2－2號(hào)煤層燒變巖，但補(bǔ)給來源為上覆薩拉烏蘇組潛水含水層。

1.2 燒變巖含水層(帶)

張家峁井田內(nèi)各煤層在露頭處大部分自燃，燒變巖在溝谷區(qū)廣為出露。煤層自燃后上部巖石受到烘烤變質(zhì)，直至熔融并產(chǎn)生大量氣孔。垮落后又形成大量的裂隙空洞，最大可達(dá)30 cm，個(gè)別地點(diǎn)裂隙率高達(dá)15%(常家溝南溝)，為地表水、大氣降水的滲入和地下水的逕流、富集創(chuàng)造了有利條件［6］。燒變巖厚度各處不一，主要與煤層厚度、自燃程度及所處地貌部位有關(guān)，一般15～30 m，最厚可達(dá)40余 m。從鉆孔簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)可以看出，各鉆孔進(jìn)入燒變巖段時(shí)，發(fā)生不同程度的漏水現(xiàn)象，最大漏失量在15 m3/h以上。燒變巖的富水性差異極大，主要受補(bǔ)給條件、隔水底板發(fā)育程度及地貌形態(tài)控制，并與燒變裂隙的發(fā)育程度密切相關(guān)。

風(fēng)沙灘地區(qū)的2－2煤層，由于煤層厚度大、出露層位高，因而大面積自燃，形成大范圍的燒變巖，燒變巖中裂隙孔洞極為發(fā)育，與上覆第四系松散含水層發(fā)生水力聯(lián)系，使薩拉烏蘇組及松散沙層潛水進(jìn)入燒變巖裂隙內(nèi)，并沿煤層底板泥巖隔水層向低洼處匯集，并以泉的形式排泄。如烏蘭不拉溝q08號(hào)。

黃土梁峁丘陵區(qū)的燒變巖，由于多面懸空，呈疏干狀態(tài)，大多不含水。鉆孔揭露后，其下部三疊系砂巖含水層的靜水位低于燒變巖的底部深度，從而確定梁峁區(qū)燒變巖不含水。

先期開采地段其它煤層的燒變巖，由于所處位置較高，多被疏干，僅在局部地形低洼或隔水底板凹陷的地段，燒變巖下部含有少量裂隙孔洞潛水。

2 礦井涌水規(guī)律

張家峁礦井從2006年12月1日開工建設(shè)，2009年6月1日起試生產(chǎn)，這一時(shí)期礦井涌水量最大110.4 m3/h，最小30.2 m3/h，一般為60.3 m3/h。2009年6月1日 ～2011年9月31日，礦井涌水量最大為58.9 m3/h，最小25 m3/h，一般為35.5m3/h，2011年7月以來，礦井涌水量47 m3/h。生產(chǎn)時(shí)的礦井涌水量明顯小于試生產(chǎn)，說明礦井水的疏排，以消耗充水含水層儲(chǔ)存量為主，包括薩拉烏蘇組在內(nèi)的保護(hù)含水層可能被疏干。

在建井過程中密切關(guān)注井巷涌水點(diǎn)及涌水量，其中副平峒工作面在施工到接近5－2煤層時(shí)，從2 690 m工作面頂板開始大量涌水，施工單位從2007年12月11日對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。涌水量基本穩(wěn)定在70～80 m3/h，持續(xù)了約20 d，其中最大涌水量為81 m3/h(12月13日)，隨后，涌水量隨著時(shí)間的推移逐漸減小，最終基本穩(wěn)定在38 m3/h，2008年1月15日結(jié)束監(jiān)測(cè)(圖1)。這一現(xiàn)象反映了副平峒穿過的巖層頂板含水層涌水量較大，但以靜儲(chǔ)量為主［7］。

圖1 副平硐涌水量觀測(cè)

3 礦井充水因素

張家峁井田為一個(gè)多煤層開采礦井，依據(jù)各煤層賦存條件及所處的水文地質(zhì)單元，按侵蝕基準(zhǔn)面分為二種類型:其一是在侵蝕基準(zhǔn)面之上開采的2－2、3－1號(hào)煤層，礦床充水為大氣降水型;其二是開采侵蝕基準(zhǔn)面以下的 4－2、4－3、4－4、5－2號(hào)煤層，礦床充水相對(duì)較復(fù)雜，各煤層充水因素按先期開采地段和補(bǔ)充勘探區(qū)分析如下。充水通道主要是煤層開采形成的冒落、冒裂裂隙，其次為原生結(jié)構(gòu)裂隙。

3.1 先期開采地段

張家峁井田煤層埋藏較淺，先期開采區(qū)內(nèi)各可采煤層導(dǎo)水裂隙帶高度均大于相鄰兩煤層間的距離，導(dǎo)水裂隙帶互相疊加，直達(dá)地表，與保水開采的保護(hù)層(薩拉烏蘇組)潛水溝通，造成地下水滲漏。

3.1.1 侵蝕基準(zhǔn)面以上開采的煤層

先期開采地段2－2、3－1煤層位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上，接受降水的入滲補(bǔ)給。由于地形屬散流式，加之地表大面積覆蓋新近系紅土隔水層及弱透水的離石組黃土，涌水量動(dòng)態(tài)與降水的變化過程相一致，具有明顯的季節(jié)性變化和多年的周期性變化，豐水期可達(dá)到最大值。

2－2號(hào)煤層。先期開采地段僅有少量分布，煤層賦存于井田侵蝕基準(zhǔn)面之上，直接充水含水層為頂板砂巖裂隙水及風(fēng)沙灘地邊緣潛水，大氣降水直接補(bǔ)給，未來礦坑涌水量較大。

3－1號(hào)煤層。先期開采地段分布面積3.508 km2，煤層賦存于井田侵蝕基準(zhǔn)面之上，與2－2煤層間距35.00～38.70 m，平均36.85 m。依據(jù)9－1號(hào)鉆孔3－1號(hào)煤層頂板力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果，2－2～3－1煤層之間其巖石飽和抗壓強(qiáng)度4.1～25.9 MPa，平均 17.3 MPa，煤層傾角小于 3°，按平均抗壓強(qiáng)度并選用現(xiàn)行《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB12719－91)所給公式(1)進(jìn)行冒裂帶高度計(jì)算。

式中:M為煤層開采厚度(m);n為煤分層層數(shù)。

計(jì)算結(jié)果表明，3－1煤層開采產(chǎn)生的冒裂帶高度達(dá)42.71 m，導(dǎo)水裂隙穿透 2－2煤層底板以上 5.86 m。因此，3－1煤層坑道系統(tǒng)的直接充水含水層，除3－1煤層頂板砂巖地下水之外，在有2－2煤層上覆的區(qū)域，2－2煤層巷道系統(tǒng)水、風(fēng)沙灘地邊緣潛水、大氣降水均有可能進(jìn)入3－1煤層坑道系統(tǒng)。

綜上所述，在先期開采地段，2－2、3－1煤層開采后，導(dǎo)水裂隙相互貫通，未來礦坑涌水量由東向西依此增大，并可能導(dǎo)致泉的干涸，溝流斷流。

3.1.2 侵蝕基準(zhǔn)面以下開采的煤層

如前所述，延安組各主采煤層底板為相對(duì)隔水的泥巖、粉砂巖，頂部為相對(duì)含水的砂巖含水層段，由于裂隙不發(fā)育，富水性弱，在天然狀態(tài)下以靜儲(chǔ)量為主，礦坑涌水量小，容易疏干。

由于 4－2、4－3、5－2煤層的開采，巖體的完整程度遭到破壞。原巖裂隙加密、擴(kuò)展，透水能力數(shù)倍于自然狀態(tài)。因此，未來礦井充水因素主要應(yīng)考慮煤層開采后，導(dǎo)水裂隙貫穿程度能否導(dǎo)致地表水體涌入礦井。

4－2號(hào)煤層。先期開采地段4－2號(hào)煤層分布面積10.679 km2，與 3－1煤層間距 39.15 ～46.90 m，平均 42.75 m。依據(jù)9－1、10－1號(hào)鉆孔對(duì)4－2煤層頂板力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果，其巖石飽和抗壓強(qiáng)度 18.9 ～ 26.9 MPa，平均 23.65 MPa，采用式1，對(duì)其冒裂帶高度進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)水裂隙帶最大高度58.06 m，裂隙帶高與采厚比15.44倍。導(dǎo)水裂隙將穿透3－1煤層底板以上15.31 m。因此，4－2煤層坑道系統(tǒng)直接充水含水層，除4－2煤層頂板砂巖地下水之外，在有3－1煤層上覆的區(qū)域，3－1煤層巷道系統(tǒng)水均可能進(jìn)入4－2煤層坑道系統(tǒng)。

依據(jù)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果，4－2～5－3煤層之間，巖石飽和抗壓強(qiáng)度 11.0 ～ 39.9 MPa，平均 25.19 MPa，采用式1對(duì)其冒裂帶高度進(jìn)行計(jì)算。4－3煤層埋藏深度45.97～253.07 m，與 4－2煤層間距 17.25 ～25.60 m，平均 21.94 m。冒裂帶高度16.09 m，4－3煤層開采后，導(dǎo)水裂隙最大高度距4－2煤底板 5.85 m。因此，4－3煤層坑道水僅由 4－3煤層頂板砂巖水補(bǔ)給。5－2煤層埋藏深度 91.20 ～302.72 m，與 4－3煤層間距45.18～56.93 m，平均 50.65 m。冒裂帶高度可達(dá)63.34 m。5－2煤層開采后，導(dǎo)水裂隙將穿透 4－3煤層底板以上 28.91 m，并超出 4－2煤層底板 12.69 m。因此，5－2煤層坑道系統(tǒng)地下水，除來自本身頂板砂巖地下水外，4－2、4－3煤層坑道水都將進(jìn)入5－2煤層坑道系統(tǒng)。

從以上計(jì)算與分析可以看出，下部煤層開采之后，所產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙將導(dǎo)致上部煤層坑道水進(jìn)入下部煤層。依據(jù)采礦設(shè)計(jì)，張家峁井田先期開采地段由東到西，依次開采5－2、4－4、4－3、4－2、3－1煤層，那么礦坑水量將向下部煤層集中。由于各煤層間含水層含水性極弱，一般不會(huì)對(duì)煤層開采造成威脅。但當(dāng)采掘至西部2－2煤層下部時(shí)，由于其含水較為豐富，導(dǎo)水裂隙相互穿透，將使5－2煤層坑道系統(tǒng)水增大，應(yīng)引起足夠重視。

3.2 后期開采區(qū)

該區(qū)位于張家峁井田東部，而西部大多為風(fēng)沙灘地，是以孔隙含水層為主的充水礦床。其水文地質(zhì)條件相對(duì)較為復(fù)雜，按煤層位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面之上、之下類型分述:

3.2.1 侵蝕基準(zhǔn)面以上開采的煤層

預(yù)留區(qū)2－2、3－1煤層位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上，其分布面積依次為 11.370 km2、19.886 km2。，侵蝕基準(zhǔn)面至上采煤，必然導(dǎo)致地下水滲漏和泉的干涸［3，13－14］、河川徑流量的衰減。

2－2煤層。主要分布在風(fēng)沙灘地區(qū)，其上覆砂巖多為風(fēng)化、破碎，直接充水含水層為頂板砂巖和上覆潛水混合含水層，未來礦坑涌水來自潛水，雖然部分潛水沿溝谷自行排泄，但上覆松散層水量豐富，礦井涌水量仍然較大。

3－1煤層。大部分分布在風(fēng)沙灘地區(qū)，少量位于吃開溝以南的邊角地帶，前者因?qū)严稁Ц叨却┩?－2煤層底板，將使3－1煤層礦坑涌水量大增，后者因溝谷的排泄作用，3－1煤層礦坑涌水量將銳減。

綜上所述，預(yù)留區(qū)2－2、3－1煤層礦坑涌水量具氣候型或降雨型水文地質(zhì)特征。因此，遇強(qiáng)降雨時(shí)，防止地表逕流灌入礦坑。

3.2.2 侵蝕基準(zhǔn)面以下開采的煤層

4－2、4－3、4－4、5－2煤層，除具有上述的各項(xiàng)充水因素外，因上覆風(fēng)沙灘地潛水和常家溝水庫水的存在和導(dǎo)水裂隙的影響，會(huì)使 4－2、4－3、4－4、5－2煤層井巷涌水多元化，最顯著的特點(diǎn)是涌水量加大和充水因素復(fù)雜化。所以，未來礦井采煤時(shí)應(yīng)有充分準(zhǔn)備，加強(qiáng)防范力度。

4 防治水措施

4.1 探放水

探放水是防止礦井水害發(fā)生的重要方法。礦井今后開采過程中要堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則，對(duì)可能發(fā)生突(透)水的地點(diǎn)，應(yīng)組織專業(yè)探水隊(duì)詳細(xì)探明基巖裂隙發(fā)肓程度、含水層富水強(qiáng)度、富水位置以及斷裂破碎帶的分布位置及其富水性，并有針對(duì)性的進(jìn)行放水，以減輕煤層頂部水壓，減小初次跨落時(shí)的礦井涌水量及回采過程中礦井涌水量。

15201 工作面為5－2煤層首采工作面，加之上部及附近有4－2煤層和5－2煤層燒變區(qū)，燒變區(qū)含水相對(duì)較大。依據(jù)先期開采地段涌水情況分析，15201工作面回采前要做好排水系統(tǒng)，確保安全。對(duì)4－2煤層和5－2煤層燒變區(qū)所含水，在回采前應(yīng)采用探放水的方法，釋放該含水層水。

4.2 加強(qiáng)涌水量動(dòng)態(tài)觀測(cè)

先期開采地段西部局部存在富水地段，采礦過程中應(yīng)加強(qiáng)涌水量動(dòng)態(tài)觀測(cè)，防止造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

4.3 注漿堵水

注漿堵水工藝和使用的設(shè)備比較簡(jiǎn)單，是防治礦井涌水行之有效的措施。對(duì)于主、副平峒、回風(fēng)斜井，水平大巷等永久性的設(shè)施因穿層等引起的涌水、透水，可采用高壓注漿的辦法予以封堵，通過注漿減小涌水量，從而達(dá)到防治水的目的。主、副平峒穿過燒變巖區(qū)時(shí)，曾采用注漿堵水的方式順利通過該區(qū)。

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