复杂水文地质矿井的防治水研究与分析

复杂水文地质矿井的防治水研究与分析

张小龙1，苏刚2

1，山东新巨龙能源有限责任公司，山东菏泽，274000

2，新汶矿业集团有限责任公司翟镇煤矿，山东泰安，271204

【摘要】通过研究某矿井开发过程中面临的复杂水文地质问题，分析影响矿井生产的含水层，查明直接充水含水层为3（3上）煤层顶、底板砂岩和太原组三灰，间接充水含水层为新近系底部松散含水层，有效提供了水文地质指导和防治水措施，为矿井安全开采奠定了基础，并在同类矿井中具有较好借鉴意义。

【关键词】复杂水文地质；含水层；矿井水害；防治水

一、目的

为有效探明某复杂地质水文矿井的赋存情况，预判开采3（3上）煤层采掘工作的水文地质问题，为解决问题提供可靠依据，科学查明直接和间接充水含水层，并提出具有针对性的防治水措施。

二、水文地质的研究与分析

（一）含水层概况

1.新生界砂砾层孔隙含水层：厚度531.5～767.8m，平均厚度655.2m，由粘土、砂质粘土和粉、细砂组成，地下水呈多层赋存状态，局部有高矿化咸水，水化学分带现象。根据钻探取芯，含水砂层以中、细砂为主，局部有粉砂和粗砂，砂层松散，连续性较好，透水性强；顶部以粉质砂土为主，透水性好。测井视电阻率曲线砂层有明显的高阻异常，体现了其强富水、低矿化度的特点。

2.二叠系石盒子群砂岩裂隙含水层：位于采煤冒裂带之上，在落差较大的断层附近开采时防止冒裂带沟通断层突水。

3.山西组3（3上、3下）煤层顶底板砂岩裂隙含水层，简称3砂：厚度4.8～75.7m，平均厚度26.7m。为细砂岩、中砂岩和粉砂岩，钻孔揭露漏水孔率15%，漏水点深711.3～905.4m。补勘钻孔钻进3砂时全泵量漏水，消耗量16m³/h，漏水孔率为13%。抽水试验体现了富水性弱，渗透系数0.0081～0.02746m/d，矿化度6.88～7.79g/L，水化学类型为SO4-Na型水。根据3砂放水孔水压资料显示受3砂水位伴随井巷施工，水文下降明显，证明3砂为静储量，得到了有效疏排。

4.太原组石灰岩岩溶裂隙含水层

（1）三灰：厚度3.8～10.8m，平均厚度7.78m。浅部裂隙较发育，岩溶裂隙常充填方解石和泥质。钻孔揭露漏水孔率18.2%，漏水点深719.3～1010.4m，主要分布在浅部和构造部位。补勘钻孔漏失量5～16m³/h，漏水孔率53.8%。三灰上距3（3上）煤层平均厚度＞50m，是开采3（3上）煤层底板进水的直接充水含水层。在井巷施工过程中揭露三灰水成为矿井的主要充水水源。

（2）十下灰：厚度4.9～7.9m，平均厚度6.7m。浅部裂隙发育，局部有溶蚀现象，充填方解石与泥质。经过分析，十下灰是开采16煤层的直接充水含水层。

（3）奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层：钻孔揭露厚度6.9～101.7m，岩性为浅灰至棕灰色，厚层状石灰岩。奥灰富水性分布极其不均匀，由于其上压盖隔水层薄，静水压力大，故奥灰水对开采下组煤层具有较大的充水威胁。

（二）矿井涌水分析

矿井开采山西组3（3上）煤层，井下主要的充、突水水源有3煤顶底板砂岩、三灰、断层裂隙水以及新近系底部含水层水。分析出水点特征：3砂和三灰含水层的富水性极不均匀；3砂富水性与断裂构造具有密切的关系；初期揭露三灰的钻孔水量有叠加现象。经过统计数据分析，显示三灰涌水量占矿井总涌水量的5成左右；3（3上）煤层顶底板砂岩水涌水量占4成左右；其他防尘等生产水占1成左右。

（三）矿井水害规律

1.采用水文地质比拟法预测，矿井下一步开采3（3上）煤层的正常涌水量为1242m³/h、最大涌水量为1577m³/h。

2.当前矿井涌水主要来源于3煤顶底板砂岩水和底板三灰水。其中，3煤直接顶板粉砂岩，灰黑色，致密，上部裂隙局部发育。基本顶板细砂岩，垂直裂隙发育，中夹泥质条带。再上岩层粉细砂岩互层砂岩与细砂岩呈互层状，具水平层理。3煤直接底板为粉细砂岩互层，近垂直裂隙局部发育。老底细砂岩，裂隙局部发育，中夹泥质条带。顶板较平整，局部凹凸不平，顶板较完整，裂隙局部发育。

3.疏排后相邻工作面处3砂和三灰含水层残余水压均有明显下降。3砂突水具有瞬间峰值高，但衰减迅速的特点，说明其以静储量为主、补给循环条件差，因此随着矿井大面积开采、对含水层持续不断的疏放水，随着新区域新出水点的出现，3砂的涌水量将不断衰减。

4.较大的出水点位于断层、裂隙密集带等位置。3砂含水层厚度大，埋深大，原始水位高，地下水弹性储存量和重力储存量较大。褶曲轴部、断层附近3砂、三灰裂隙发育，富水性好，钻孔、巷道揭露均涌水较大、出水时间较长。在断层不发育地段钻孔、巷道揭露初期有一定的出水量，随着疏水的进行，水压、水量会不断下降。

（四）矿井水文地质类型

通过分析历史资料数据，综合评价该矿井涌水量类别为复杂类。因三灰、3砂等含水层埋藏深、面积大，其静储量大，突水量类别为中等型。根据地质分析，综合评价该矿井水文地质类型为复杂型。

根据现场揭露，矿建及生产期间含水层厚度、富水性、断层导水性等水文地质条件变化较大。在井巷施工期间，发生多次较大的突水事故。综上，矿井上组煤的水文地质类型为复杂型。

三、措施

综上，查明矿井主要开采3（3上）煤层的直接充水含水层为3（3上）煤层顶、底板砂岩和太原组三灰，间接充水含水层为新近系底部松散含水层。

因此，对当前开采3（3上）煤层的采掘实际，开展防治水工作重点主要为进行3（3上）煤层开采的水文地质条件探查，拟采取主要的防治水措施有：

1.强化组织领导，根据上级要求和矿井自身实际，配齐配足防治水专门机构，配备符合规定的专用探放水设备，完善排水系统，建立专门的探放水作业队伍。提前经过具有资质的培训机构，进行人员培训，确保持证上岗，并动态核查人员证件是否在有效期之内。

2.制定切实可行的矿井水害应急救援预案，确保应急管理到位。

3.严格坚持防治水“16字”方针原则，实施“采前物探-超前探（疏）放-动态评价”的工作面安全开采技术体系，为矿井工作面的安全开采提供保障。

4.开展采区地面水文补充勘探，为能够有效查明3（3上）煤层采区水文地质条件和地质构造，增加地面钻孔、电法勘探等，以此查明采区内含水层富水性及水力联系。

5.开展井下物探和井下钻探，对将要开采的工作面，通过工作面物探及钻探手段，逐面进行井下水文地质探查，查明顶底板充水含水层的富水性与富水区域，对可能影响采面生产的主要富水区域实施探放水工作。同时，掘进巷道接近或穿过三灰含水层时，应超前进行探查工作。

6.构建地下水动态监测网，对3砂、三灰含水层、奥灰含水层进行实时监测，安装水位、水量自动观测系统，与原有的水文孔组成地下水动态观测网。特别是针对涌水量出现异常、井下发生突水或者受降水影响矿井的雨季时段，应当增加观测频率。

7.按照要求留设防水煤柱，防水煤柱的尺寸，应根据了解区内地质构造、水文地质条件、煤层赋存状况、围岩性质、开采方法及煤层移动规律而定，严禁破坏各种隔水煤柱进行采掘活动。其中，断层附近，均应按规范留足防水煤柱，在新区域开采煤层或巷道掘进靠近三灰时，要提前探测相应位置的水压、疏放水量，以降低三灰的涌水强度、防止工作面底板三灰通过构造裂隙底鼓涌水，有效防控矿井水害影响。