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五家沟煤矿水文地质条件及矿井充水条件分析

2024-09-04 95 上传者：管理员

摘要：通过研究五家沟煤矿水文地质条件及矿井充水条件，分析井田内各含水岩组的水文地质特征，确定五家沟煤矿的充水水源类型、充水通道种类及充水强度，为煤矿的安全生产和防治水工作提供指导。

关键词：
五家沟煤矿
充水条件
安全生产
水文地质
防治水工作
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1、矿井基本概况

五家沟煤矿位于山阴县县城西北方向25 km处马营乡马营村、下石井村、观音堂村一带，井田内有简易公路与西南部偏（岭）—马（营）—玉（井）乡镇柏油公路通过，交通运输条件良好。井田属于海河流域永定河水系桑干河支系，井田内无常年性水体。井田内总体为一走向北东、向北西倾斜的单斜构造，地层比较平缓，倾角2°～9°，一般小于8°。

该矿地处洪涛山脉西侧，属黄土梁峁切割冲刷地貌，区内地形较为复杂，沟谷多呈“U”字型，除极少部分沟谷地区外，均为第四系黄土覆盖。地面物探及揭露断层77条，均为正断层，井田南部发育1个陷落柱。井田内山西组可采煤层为山3、山4-1、山4号煤层，太原组含可采煤层为3、5-1、5、6、8-1、8、9号煤层，生产规模为400.00万t/年。

2、矿井水文地质条件

2.1 含水层

1）第四系孔隙含水层

岩性由粉质粘土、卵砾石及砂石组成，由以往冲洪积形成的沉积物堆积形成，透水性较好，但是含水层厚度变化较大，富水性与层厚呈正相关[1]。水质类型为HCO3-·Cl--K+·Na+型，矿化度0.24～0.40g/L,pH值7.69，总硬度213.6。

2）二叠系裂隙含水层

岩性以砂岩及砂质泥岩为主，胶结致密，裂隙不发育，补给条件差，故含水性弱。据水文钻孔资料，该含水层水位标高为1550.02 m，涌水量0.69～1.11 L/s，单位涌水量为0.0157～0.0181 L/s·m，渗透系数为0.02497～0.02609 m/d，水质类型为HCO3-·SO42-·Cl--Ca2+·Mg2+·Na+型，矿化度0.52 g/L,pH=8.10，总硬度287.7 mg/L，含水层富水性弱。

3）石炭系上统太原组砂岩裂隙含水层

含水岩组由多层砂岩及灰岩（K6、K5、K4、K3、K2）组成，其间夹厚度不等的泥岩隔水层，将含水层分割成层状分布且近似独立的含水体，相互之间水力联系较弱。含水层以赋存于5-1、8-1号煤层中间及顶部为主，是太原组煤层的直接充水含水层，也是矿井目前主要的充水来源。水质类型为HCO3-·SO42-·Cl--Ca2+·Na+·Mg2+型，矿化度0.74～0.94g/L,pH值6.99～7.72，总硬度432.8～472.9 mg/L。

4）奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层

根据原五家沟井田内W-1和W-4钻孔抽水试验资料，含水层厚度6.85～75.85 m，水位降深0.34～4.30 m，涌水量2.16～6.84 L/s，单位涌水量1.591～6.353 L/s·m，渗透系数1.804～71.550 m/d，含水层富水性强-极强。见图1，表1。

图1 奥灰水水位等值线图

奥灰水由西向东径流，井田内灰岩水位标高为1172～1185 m。井田内各煤层底板标高均高于奥灰水位，各煤层均不带压。

2.2 隔水层

隔水层指含水性极弱的岩层，一般指页岩、泥岩和粉砂岩，砂岩含水性弱时也可视为隔水层。根据岩性特征，井田内主要隔水层自上而下有：石炭系本溪组泥岩隔水层、二叠系下石盒子组泥岩隔水层、太原组山西组泥岩隔水层[2]。

3、矿井充水条件

3.1 充水水源

1）大气降水及地表水

井田内无大的常年性地表水体，仅有季节性河流，平时干涸，雨后汇成急流，泄后无水，井口及工业场地周边标高均高于最高洪水位标高。煤层导水裂隙带基本可导通地表，大气降水会沿裂隙渗入采空区或采掘空间内，成为矿井的充水水源。大沙沟在雨季暴雨后可能形成洪水，洪水可能沿采动裂缝溃入井下。矿方需加强雨季“三防”工作，发现沟谷出现裂缝要及时填埋，关注气象预警信息，极端天气及时停产撤离。

2）顶板含水层水

顶板含水层主要有石炭系上统太原组砂岩裂隙含水层（中等富水性）、二叠系砂岩裂隙含水层（弱富水性）、第四系松散层孔隙含水层（弱富水性）。在井下采掘过程中，顶板经常渗水、淋水，顶板太原组砂岩含水层有一定补给水源，对矿井采掘有一定影响。

3）底板奥灰水

井田内灰岩水位标高在1172～1185 m之间，矿界范围内5-1号煤层的底板标高+1280～1440 m,5号煤层的底板标高+1270～1430-1m,8号煤层的底板标高+1260～1433 m,8号煤层的底板标高+1250～1410 m,9号煤层的底板标高+1240～1400 m，各煤层底板标高均高于奥灰岩溶水水位标高，矿井开采不受奥灰水影响。

4）采空水

井田内各煤层开采历史较长，形成大量采空区，受破坏的顶板含水层水与大气降水补给采空区，形成采空水[3]。

根据山西省人民政府办公厅下发的（晋政办发〔2017〕36号）《关于印发山西省煤矿老空水害防治工作规定的通知》中的采空区积水公式进行计算，估算公式如下[4]:

表1 奥陶系含水层抽水试验成果表

式中，Q采-相互连通的各积水区总积水量（m3);

K-采空区的充水系数（本次采用0.30);

M-煤层厚度（m);

F-采空区积水的投影面积（m2);

α-煤层倾角（°）。

井田内5-1煤层存在8处采空积水区，积水区总面积约58893 m2，积水量约42138 m3;5号煤层存在1处采空积水区，积水区总面积约22792 m2，积水量约28600 m3;6号煤层存在1处采空积水区，积水区总面积约12541 m2，积水量约3400 m3;8号煤层存在2处采空积水区，积水区总面积约39292 m2，积水量约54700 m3。井田内可采煤层共计存在12处采空积水区，采空水可能通过导水裂隙带，或直接进入井巷工程，对矿井采掘有一定影响。见表2。

3.2 充水通道

1）断层

井田内共揭露断层77条，均为正断层，其中落差大于5 m的断层11条，除井下西盘区运输巷揭露1条断层时最大出水量30 m3/h，最小出水量9 m3/h，其他断层揭露时基本无水。但断层破碎带受采掘扰动后可能发展为导水通道，威胁矿井安全生产。

2）封闭不良钻孔

井田范围内共分布有99个钻孔，由于施工年代久远，未收集到封孔资料和质量记录，其封孔质量不详，对封孔资料不详、封孔资料不清的钻孔，应按封孔不良钻孔对待。2010年7月到2011年1月，山西省煤炭地质115勘查院在原五家沟煤业施工了22个钻孔，均按照设计要求进行封闭，目前未收集到封闭资料，应按封闭不良钻孔对待。封闭不良钻孔沟通了上覆各含水层之间的联系，对矿井采掘有一定影响。在矿井生产过程中，掘进到原施工勘探钻孔位置附近时，应加强探水，采取必要的防护措施。

表2 五家沟煤矿采空区积水估算表

图2 矿井涌水量与各相关因素动态曲线图

3）废弃井筒

井田内现有的废弃井筒有13个，以往井巷施工过程中，揭露并连通了所经过的含水层组，由于井巷封闭不良，使得浅部孔隙水或基岩风化带裂缝水渗入井下，形成矿井充水。在采掘过程施工至废弃巷井筒附近时，采取相应的防治水措施。

4）导水裂隙带

井田内5-1号煤层厚度为1.76～12.22 m，平均7.96 m，煤厚变化较大，全区可采，属于稳定煤层。顶板岩性为泥岩、中粗砂岩，属中硬岩层。5-1号煤层导水裂隙带最大高度为254.40 m,5-1号煤层埋深76～272 m，导水裂隙带可导通地表，造成大气降水及顶板含水层水进入采掘工作面，生产过程中需加强地表巡查，发现地面裂缝应及时填充处理。

3.3 充水强度

现矿井正常涌水量为150 m3/h，最大涌水量为196 m3/h，矿井涌水量与各相关因素的关系见图2。

根据收集到的矿井涌水量及降水量分析可知，在2019年2月至2022年3月3年间，每年8—10月份矿井涌水量有所增大，说明矿井涌水量与大气降水量呈正相关，但是矿井涌水量变化与降水量影响在时间尺度上略显滞后，降雨对矿井水的补给与煤层埋藏深度及补给路径的性质密切相关。

4、结论

1）井田内含水层主要有第四系松散层孔隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层、石炭系上统太原组砂岩裂隙含水层、奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层。

2）矿井充水水源主要有大气降水及地表水、顶板含水层水以及采空区积水。

3）矿井充水通道主要有导水裂隙带、废弃井筒、封闭不良钻孔。

参考文献:

[1]武强,赵苏启,孙文洁,等.中国煤矿水文地质类型划分与特征分析[J].煤炭学报,2013(6):901-905.

[2]刘岩磊,张雪娟,罗丽.中国煤矿水文地质类型划分与特征分析[J].工程技术研究,2017(7):255-256.

[3]杨连福.煤矿区水文地质勘查现状及建议[J].科技创新与应用,2018,223(3):153-154.

[4]王长申,武强,马国平,等.复杂条件下矿井水文地质类型划分方法[J].煤炭学报,2016,41(3):696-702.