河畔煤矿开采煤层水文地质研究与矿井充水分析

能源研究

河畔煤矿开采煤层水文地质研究与矿井充水分析樊朋飞（山西西山矿业管理有限公司，山西太原030024）

摘要：基于对河畔煤矿的水文地质特征的分析及计算导水裂隙带发育高度，详细研究了河畔煤矿数个开采煤层的顶、

底板充水条件和充水来源。研究结果可为河畔煤矿将来正式投产后可能存在的水害防治提供依据。关键词：水文地质；含水层；矿井充水；导水裂隙中图分类号：TD163文献标识码：A文章编号：2095-0802-(2018)11-0027-03

HydrogeologyStudyandWaterFillingAnalysisofMiningCoalSeaminHepanCoalMine(ShanxiXishanMiningIndustryManagementCo.,Ltd.,Taiyuan030024,Shanxi,China)

Abstract:BasedontheanalysisofthehydrogeologicalcharacteristicsoftheHepanCoalMineandthecalculationofthedevelo-pmentheightofthewaterdiversionfissurezone,thispaperstudiedthewaterfillingconditionsandsourcesintheroofandfloorofseveralminingcoalseamsinHepanCoalMineindetails.TheresultsofthisstudycouldprovideabasisforthepreventionandcontrolofpossiblewaterhazardsinHepanCoalMineafterbeingputintoproductioninfuture.Keywords:hydrogeology;aquifer;minefillingwater;waterdiversionfissure

FANPengfei

0引言2矿井水文地质特征

近年来，煤矿水害事故频发，严重危害煤矿的生产与安全。为了遏制水害事故的发生，加强煤矿防治水工作，保障煤矿职工的生命安全，生产监督管理总局和国家煤矿安全监察局根据《关于预防煤矿生产安全事故的特别规定》[1]，要求各煤矿企业对矿井水文地质类型进行深入研究，建立健全有关矿井地质报告、图件和基础台账等，因此针对矿井的水文地质情况的研究已成为亟待解决的问题。1矿井概况

河畔煤矿地处陕北侏罗纪煤田神府矿区张家峁井田范围内，矿区属于黄土高原和毛乌苏沙漠的接壤地带。依据地貌单元和地下水的补给、径流、排泄及含水层富水性可将本区划分为河谷区、风沙滩地区和黄土粱峁丘陵区。井田内无大的河流沟谷，除考考乌素沟从井田北部通过外，还有呈北西向的短小支流及次级岔沟和小的冲沟，长数十米至数百米。沟流在井田内水量很小，多为季节性沟流，旱季期多干枯无水。矿井批准开采3-1、4-2、4-3、4-4、5-2共5层煤（3-1煤已采完），井田面积约3.728km2。矿井保有地质资源量为35.011Mt，设计可采储量为24.71Mt。采煤方法为长壁式综合机械化开采，一次采全高，用全部跨落法管理顶板。设计矿井生产能力0.9Mt/a，服务年限21a。收稿日期：2018-08-21

作者简介：樊朋飞，1974年生，男，山西原平人，2013年毕业于重庆大学采矿工程专业，工程师。

2.1区域含水层2.1.1第四系全新统冲积层孔隙潜水含水层该矿含水层仅分布于考考乌苏沟两侧河漫滩及一级阶地上，厚2m耀10m，水位埋深1m耀5m。据张家峁井田勘探资料，单位涌水量0.405L/(s·m)，渗透系数5.2m/d；矿化度0.42g/L，属中等富水性含水层。2.1.2侏罗系延安组砂岩裂隙潜水和承压水含水层该矿含水层主要由中细粒砂岩、粉砂岩、泥岩和煤层组成若干韵律层，含水层为砂岩，富水性较差，沿砂岩裂隙常见有下降泉，流量0.5L/s～3L/s，钻孔水位降深1.93m耀18.27m；单位涌水量0.09L/(s·m)耀0.152L/(s·m)。渗透系数0.1m/d～0.4m/d。据张家峁井田勘探抽水资料分析，延安组含水层段富水性很弱，和井田分布地层相同的J2y1地层～J2y4地层中，单位涌水量0.000127L/(s·m)耀0.0056L/(s·m)，渗透系数0.0014m/d耀0.00059m/d，矿化度0.28g/L耀0.73g/L，以上表明井田主要含水层段均处于侵蚀基准面以上，易于疏排。2.1.3烧变岩含水层烧岩石受烘烤变后，孔裂发育，是地下水赋存的通道。井田内3-1煤层、4-2煤层存在火烧区，且3-1煤层火烧区位于井田中部呈北东—南西向展布，而4-2煤层火烧区小范围分布于井田西北角。据邻区资料显示，该含水层富水性较弱，属弱富水性含水层。2.2井田充水补给途径井田内地下水的补给主要依靠大气降水形成的粱峁区潜水，多因下伏新近系红土层隔水而在两者界面处形成下降泉方式排泄，出露位置不受地形的高程控制。井田内基岩出露区仅沿沟谷分布，且沟谷狭窄陡·27·

2018年第11期立，降水不易聚集渗漏。第四系潜水和基岩潜水主要接受大气降水补给，前者沿地形切割特点由高处向低处运移[2-3]，排泄形式以渗漏为主；后者接受区域部分侧向径流补给，也接受部分潜水的垂向渗透补给，还接受地表水的少量补给，其径流方向沿岩层倾向方向向深部径流运移。另外，井田内采空区较多，长期以后必将造成积水，会对井田内地下水径流和排泄造成一定的影响。3

矿井充水条件

3.1矿井充水水源根据矿井含（隔）水层发育情况和水文地质条件分析，矿井充水水源主要包括以下几点。3.1.1大气降水和地表水大气降水和地表水一方面通过含水层露头和地表入渗补给含水层成为矿井充水的间接水源；另一方面可通过浅部煤层开采形成的地表塌陷或裂缝、废弃巷道或封闭不良钻孔等导水通道直接进入矿井，成为矿井的直接水源。3.1.2地下水井田内含水层有：第四系全新统冲积层孔隙水含水层、侏罗系延安组砂岩裂隙潜水和承压水含水层。前者属中等富水性含水层，后者属弱富水性含水层。矿井未来3a主要开采4-2煤层。4-2号煤层直接顶板主要为泥岩、粉砂岩，老顶主要为中粗粒砂岩及细砂岩，次为厚度较大、层理部明显的风砂岩，属中等坚硬稳定型顶板。依据《煤矿防治水规定》及3-1煤层顶板岩层的工程地质特征，煤层开采时中硬岩石的导水裂隙带发育高度计算公式如下[4]：Hi=1.6100∑∑M+3.6M依5.6，(1)或：HHi=20姨∑M+10，(2)式(1)～(2)中，m；∑M为累i为导水裂隙带（包括冒落带）发育高度，计采厚，m。本次导水裂隙带高度计算数据采用《陕西省神木县孙家岔镇海湾村河畔煤矿资源储量检测说明书》中表1煤层地质钻孔数据

单位：m

孔号煤厚冒落带最大高度

导水裂隙带高度

公式(1)公式(2)Zh2Zh12.1335.99Zh33.3711.879.5443.0839.19Zh41.9434.5446.72Zh52.8110.929.1040.3137.86Zh63.7012.3744.4743.53Zh73.2311.6542.4448.47Zh83.123.0111.4741.9145.9441.3745.33Zh10Zh93.0911.282.9211.4211.1241.7744.7040.9045.14.18·28·

2018年11月

表2煤层及导水裂隙带地质钻孔数据

单位：m

4-2煤层

4-2煤层导水裂隙带

3-1煤层

煤顶面4-3煤层导

孔号

孔口标高

层底板顶板高度

顶面距地底板水裂厚标高

标高

高度

表高标高隙突

度

度

破高Zh11187.402.131115.551117.6839.191156.8730.53度

Zh2Zh31229.233.371122.281125.6546.721Zh41Zh51209.261.941090.981092.9237.861172.37130.7856.8678.4811163.51132.05未8.86突

破

Zh61228.280.232.813.7011110.28121.2311113.09124.9343.5348.4711156.62173.40106.8372.0211154.96162.2311.171.66Zh711120.83224.363.233.1211078.03093.5111081.26096.6345.9445.3311127.20141.96-6.3782.40未见火煤Zh81223.823.011108.281111.2944.701155.9967.831157.18

未突Zh10Zh911255.24279.822.923.0911111.11102.711105.62114.2044.1845.1611149.80159.36105.44120.4611149.157.880.161.48破

钻孔的相关数据进行计算（见表1、表2）。根据上述公式计算（二者取较大值），4-2煤层开采冒落带最大高度为9.10m～12.37m，平均11.05m；开采导水裂隙带高度为37.86m耀48.47m，平均高度为44.42m。根据地质资料，4-2煤层埋深为30m耀150m，而开采导水裂隙带顶面至地表高度为-6.37m耀120.46m，平均为71.52m，除位于井田北部边界附近的Zh6钻孔之外，由于Zh6钻孔处于侏罗系地层出露的沟谷地区，导水裂隙带发育至地表，其余钻孔4-2煤层导水裂隙带皆未突破地表。因此，在井田北部的局部区域，侏罗系延安组砂岩裂隙潜水和承压水含水层水将为矿井4-2煤层开采的直接充水水源。3.1.3烧变岩潜水井田内3-1煤层、4-2煤层均有烧变岩发育，煤层发生自燃，上覆岩层受到烘烧致使岩石结构发生改变，形成新的孔隙、裂隙，为地下水的赋存和径流形成了良好空间。在有烧变岩存在的区域，烧变岩潜水将会沿导水裂隙带及烧变岩的孔隙和裂隙进入井下，成为矿井的直接充水水源。综上所述，大气降水和地表水一般为矿井的间接充水水源，在有裂隙带、封闭不良钻孔和老窑废弃巷道存在时可能成为矿井的直接充水水源。含水层水（侏罗系中统延安组砂岩裂隙含水层水）、烧变岩潜水是矿井的直接充水水源。3.2矿井充水通道3.2.1导水裂隙带根据河畔煤矿井田内钻孔统计数据计算，大部分钻孔的4-2煤层导水裂隙带沟通3-1煤层采空区，而且在井田北部的局部区域沟通地表，使得煤层开采导水裂隙带成为矿井的主要的导水通道。3.2.2含水层孔隙和裂隙井田内4-2煤层赋存于延安组第二段的顶部，由于2018年第11期樊朋飞：河畔煤矿开采煤层水文地质研究与矿井充水分析2018年11月

延安组整段地层为承压水含水层，含水层中不同程度地发育有孔隙和裂隙，它们是保持各含水层内在水力联系的通道，当采矿揭穿含水层时，这些孔隙和裂隙也必然成为地下水向矿坑充水的直接通道。3.2.3烧变岩孔隙裂隙由于井田内3-1、4-2煤层自燃，上覆岩层受到烘烧致使岩石结构发生改变，形成新的孔隙、裂隙，为地下水的赋存和径流形成了良好空间[5]。煤层导水裂隙带沟通烧变岩潜水时，烧变岩孔隙、裂隙也成为矿井的间接充水通道。3.2.4封闭不良钻孔河畔井田以往地质勘探资料未提及钻孔封闭质量情况，但不排除封闭不良钻孔存在的可能。若存在封闭不良的钻孔，这些钻孔都可能成为开采过程中矿井充水的直接通道。道主要为煤层开采导水裂隙带，其次为含水层裂隙孔隙、3-1煤层采空区及巷道、烧变岩孔隙裂隙和可能存在的封闭不良钻孔；c)河畔煤矿开采4-2煤层影响较大的是煤层上覆含水层、采空区积水及烧变岩含水层。影响煤层开采的主要含水层为侏罗系中统延安组孔隙裂隙潜水或承压水含水层，其富水性弱，矿井防治水工作针对性较强。矿井采掘工作虽受水害影响，但不威胁矿井安全；d)河畔煤矿需加强矿井水文地质勘探，开展煤层顶板覆岩破坏规律研究，同时在矿井采掘过程中，必须严格按照《煤矿防治水规定》实施探放水工作，提前做好疏放和封堵工作，确保矿井安全生产。参考文献：［1］王力.三交河煤矿水文地质条件及矿井充水因素分析［J］.煤

炭技术，2012，31(11)：65-66.［2］康高峰，王辉，刘池洋.鄂尔多斯盆地陇县地区含煤有利区构

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出版社，2005.

（责任编辑：高志凤）

4结语

a)河畔煤矿井田内含水层有：第四系松散沉积孔隙潜水含水层、侏罗系中统延安组孔隙裂隙潜水或承压水含水层和烧变岩裂隙孔洞潜水含水层。属于弱富水性含水层；b)河畔煤矿4-2煤层开采的间接充水水源一般情况为大气降水和地表水，直接充水水源为煤层顶板含水层水、3-1煤层采空区及烧变岩潜水。充水通（上接22页）

操作时，先在支柱三通阀上插好放液手把，然后操作人员站在安全地点用长柄工具敲打放液手把，使柱子卸液，支柱脱离顶板，当柱子卸液后及时回柱。在此过程中，如果发现异常，要立即停止回柱作业，待险情排除后方可继续回柱。3.2单体柱设计3.2.1单体液压支柱支护强度计算a)按岩石自重法计算，取6倍采高，与式(2)计算方法、取值相同，则单体液压支柱单位面积上所承受的支护强度[4]为Pn=6伊3.2伊25=480kN/m2；b)按各级基本顶支护强度计算，与式(3)计算方法、取值相同，则Pn=72.3伊3.2垣4.5伊15垣78.9伊6.125-10.2伊1.7-62.1抑637kN/m2。取上述计算最大值，则单体液压支柱支护强度为637kN/m2。3.2.2工作面单体液压支柱的密度工作面单体液压支柱的密度为：p=Pn/F，(5)式(5)中，p为工作面单体液压支柱支护密度；Pn为单体液压支柱单位面积上所承受的支护强度，kN/m2；F为单体液压支柱的工作阻力，取250kN/m2。将相关数值代入式(5)中，可得p=Pn/F=637/250≈2.6根/m2。柱距公式：L柱距=1/(L排距伊N)，(6)即：L排距=1/(L柱距伊N)，(7)经过计算，得L柱距=1.2m，L排距=0.8m。考虑到回采工作面的复杂性和安全因素，L排距=0.8m[5]，工作面的实际支护密度为：p=1/(L柱距伊L排距)≈1.04根/m2。(8)正巷端头需要支设单体支柱数量为：N正巷≥6.125伊1.7伊1=10.412根；副巷端头需要支设单体支柱数量为：N副巷≥6.125伊1伊1=6.125根。4结语

依据煤矿的地质水文情况，结合开采方案，对煤矿工作面进行安全支护是非常必要的，这也是保护煤矿工作人员人身安全的重要手段之一。煤矿采用科学的方法进行了支护设计，较好地防范了煤矿工作面冒顶事故的发生，保证了煤矿人员的安全，具有一定的现实推广意义。参考文献：［1］张选松.优化巷道支护设计减少维修费用［J］.中小企业管

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（责任编辑：白洁）

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