神南礦區張家峁煤礦保水開采條件

王安良，蔣澤泉，院軍剛

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

近年來，由于陜北地區煤礦的連片集中開采，造成了區域性的地下水位下降，并引起了溝流和窟野河的持續性斷流。1992年，范立民最早提出了陜北侏羅紀煤田的保水采煤問題及實現途徑［1，2］，隨后，他先后多次論述了采煤對地下水的影響及保水采煤對策［3－7］。近年來，王雙明等研究了陜北煤田保水開采地質條件，提出了生態水位保護的新理念，劃分了保水開采分區，為科學采煤奠定了基礎［8，9］。張大民［10］調查了張家峁井田水文地質條件，查明井田內原有水泉115個，總流量42.95 l/s，由于小煤礦的開采，造成102個水泉干涸，總流量衰減95.8%，地下水位也同時下降。蔣澤泉等［11－14］也就神南礦區保水采煤進行了研究。本文在論述張家峁煤礦含水層水文地質條件基礎上，分析了保水開采保護層發育特征和煤礦充水因素，提出了防治水對策。

1 保水開采的保護含水層

保水開采主要保護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、灰黑色粉細沙夾亞沙土及沙質亞粘土;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，結構疏松、透水性好。在地形低洼處，有利于地下水的匯集和儲存，含水豐富，并與上覆風積沙常構成同一含水層。例如:張家峁井田西部邊界附近的N355號鉆孔，揭露該含水層段厚度為17.49 m，其上，覆蓋有12.58 m 厚的風積沙，水位埋深 5.03 m，降深 5.81 m 時，涌水量8.53 L/S，單位涌水量1.47 L/s·m。烏蘭不拉溝 q08號泉，流量14.5 L/s，出水層位為2－2號煤層燒變巖，但補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)

張家峁井田內各煤層在露頭處大部分自燃，燒變巖在溝谷區廣為出露。煤層自燃后上部巖石受到烘烤變質，直至熔融并產生大量氣孔?？迓浜笥中纬纱罅康牧严犊斩?，最大可達30 cm，個別地點裂隙率高達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，一般15～30 m，最厚可達40余 m。從鉆孔簡易水文地質觀測可以看出，各鉆孔進入燒變巖段時，發生不同程度的漏水現象，最大漏失量在15 m3/h以上。燒變巖的富水性差異極大，主要受補給條件、隔水底板發育程度及地貌形態控制，并與燒變裂隙的發育程度密切相關。

風沙灘地區的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育，與上覆第四系松散含水層發生水力聯系，使薩拉烏蘇組及松散沙層潛水進入燒變巖裂隙內，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。

黃土梁峁丘陵區的燒變巖，由于多面懸空，呈疏干狀態，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 礦井涌水規律

張家峁礦井從2006年12月1日開工建設，2009年6月1日起試生產，這一時期礦井涌水量最大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。生產時的礦井涌水量明顯小于試生產，說明礦井水的疏排，以消耗充水含水層儲存量為主，包括薩拉烏蘇組在內的保護含水層可能被疏干。

在建井過程中密切關注井巷涌水點及涌水量，其中副平峒工作面在施工到接近5－2煤層時，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日對其進行監測。涌水量基本穩定在70～80 m3/h，持續了約20 d，其中最大涌水量為81 m3/h(12月13日)，隨后，涌水量隨著時間的推移逐漸減小，最終基本穩定在38 m3/h，2008年1月15日結束監測(圖1)。這一現象反映了副平峒穿過的巖層頂板含水層涌水量較大，但以靜儲量為主［7］。

圖1 副平硐涌水量觀測

3 礦井充水因素

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

3.1 先期開采地段

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

3.1.1 侵蝕基準面以上開采的煤層

先期開采地段2－2、3－1煤層位于當地侵蝕基準面以上，接受降水的入滲補給。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，涌水量動態與降水的變化過程相一致，具有明顯的季節性變化和多年的周期性變化，豐水期可達到最大值。

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

3－1號煤層。先期開采地段分布面積3.508 km2，煤層賦存于井田侵蝕基準面之上，與2－2煤層間距35.00～38.70 m，平均36.85 m。依據9－1號鉆孔3－1號煤層頂板力學性質試驗成果，2－2～3－1煤層之間其巖石飽和抗壓強度4.1～25.9 MPa，平均 17.3 MPa，煤層傾角小于 3°，按平均抗壓強度并選用現行《礦區水文地質工程地質勘探規范》(GB12719－91)所給公式(1)進行冒裂帶高度計算。

式中:M為煤層開采厚度(m);n為煤分層層數。

計算結果表明，3－1煤層開采產生的冒裂帶高度達42.71 m，導水裂隙穿透 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煤層上覆的區域，2－2煤層巷道系統水、風沙灘地邊緣潛水、大氣降水均有可能進入3－1煤層坑道系統。

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

3.1.2 侵蝕基準面以下開采的煤層

如前所述，延安組各主采煤層底板為相對隔水的泥巖、粉砂巖，頂部為相對含水的砂巖含水層段，由于裂隙不發育，富水性弱，在天然狀態下以靜儲量為主，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、擴展，透水能力數倍于自然狀態。因此，未來礦井充水因素主要應考慮煤層開采后，導水裂隙貫穿程度能否導致地表水體涌入礦井。

4－2號煤層。先期開采地段4－2號煤層分布面積10.679 km2，與 3－1煤層間距 39.15 ～46.90 m，平均 42.75 m。依據9－1、10－1號鉆孔對4－2煤層頂板力學性質試驗成果，其巖石飽和抗壓強度 18.9 ～ 26.9 MPa，平均 23.65 MPa，采用式1，對其冒裂帶高度進行計算，導水裂隙帶最大高度58.06 m，裂隙帶高與采厚比15.44倍。導水裂隙將穿透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煤層上覆的區域，3－1煤層巷道系統水均可能進入4－2煤層坑道系統。

依據巖石物理力學性質試驗成果，4－2～5－3煤層之間，巖石飽和抗壓強度 11.0 ～ 39.9 MPa，平均 25.19 MPa，采用式1對其冒裂帶高度進行計算。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63.34 m。5－2煤層開采后，導水裂隙將穿透 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煤層坑道水都將進入5－2煤層坑道系統。

從以上計算與分析可以看出，下部煤層開采之后，所產生導水裂隙將導致上部煤層坑道水進入下部煤層。依據采礦設計，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，一般不會對煤層開采造成威脅。但當采掘至西部2－2煤層下部時，由于其含水較為豐富，導水裂隙相互穿透，將使5－2煤層坑道系統水增大，應引起足夠重視。

3.2 后期開采區

該區位于張家峁井田東部，而西部大多為風沙灘地，是以孔隙含水層為主的充水礦床。其水文地質條件相對較為復雜，按煤層位于當地侵蝕基準面之上、之下類型分述:

3.2.1 侵蝕基準面以上開采的煤層

預留區2－2、3－1煤層位于當地侵蝕基準面以上，其分布面積依次為 11.370 km2、19.886 km2。，侵蝕基準面至上采煤，必然導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。主要分布在風沙灘地區，其上覆砂巖多為風化、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。大部分分布在風沙灘地區，少量位于吃開溝以南的邊角地帶，前者因導水裂隙帶高度穿透2－2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，預留區2－2、3－1煤層礦坑涌水量具氣候型或降雨型水文地質特征。因此，遇強降雨時，防止地表逕流灌入礦坑。

3.2.2 侵蝕基準面以下開采的煤層

4－2、4－3、4－4、5－2煤層，除具有上述的各項充水因素外，因上覆風沙灘地潛水和常家溝水庫水的存在和導水裂隙的影響，會使 4－2、4－3、4－4、5－2煤層井巷涌水多元化，最顯著的特點是涌水量加大和充水因素復雜化。所以，未來礦井采煤時應有充分準備，加強防范力度。

4 防治水措施

4.1 探放水

探放水是防止礦井水害發生的重要方法。礦井今后開采過程中要堅持“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則，對可能發生突(透)水的地點，應組織專業探水隊詳細探明基巖裂隙發肓程度、含水層富水強度、富水位置以及斷裂破碎帶的分布位置及其富水性，并有針對性的進行放水，以減輕煤層頂部水壓，減小初次跨落時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，燒變區含水相對較大。依據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，確保安全。對4－2煤層和5－2煤層燒變區所含水，在回采前應采用探放水的方法，釋放該含水層水。

4.2 加強涌水量動態觀測

先期開采地段西部局部存在富水地段，采礦過程中應加強涌水量動態觀測，防止造成不必要的經濟損失。

4.3 注漿堵水

注漿堵水工藝和使用的設備比較簡單，是防治礦井涌水行之有效的措施。對于主、副平峒、回風斜井，水平大巷等永久性的設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，從而達到防治水的目的。主、副平峒穿過燒變巖區時，曾采用注漿堵水的方式順利通過該區。

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