象山矿井涌水量相关因素分析

2020-06-02周志清

陕西煤炭 2020年3期

周志清，李萍

(1.陕西陕煤韩城矿业有限公司象山矿井，陕西韩城 715400；2.陕西省煤层气开发利用有限公司地质研究院分公司，陕西西安 710000)

0 引言

矿井涌水量分析是对生产矿井以往涌水情况的深入探究[1-4]，其从不同煤层、不同水平、不同地质条件等入手，分析矿井受各种地质及水文地质条件下的涌水量变化情况，对未来矿井涌水量的正确预计提供基础资料。

通过收集历年矿井涌水量资料，对受降雨量、累计采空区、原煤产量、煤系地层含水层等因素进行比较深入的分析，进而明确矿井涌水量预计的主要影响因素并重点分析。针对象山矿井地质及水文地质条件，从地质、水文、采矿等3方面因素，进行矿井涌水相关因素分析，以期为后续矿井防排水提供水量预测依据。

1 生产及地质概况

象山矿井位于韩城市新城区姚庄村，系渭北煤田东部边缘井田之一，距韩城市约4 km。井田地形由于受地质构造的控制，东南侧属山前冲积洪积平原，地形较为平坦；西北侧为构造剥蚀低山区，大部分为黄士覆盖，如图1所示。井田内地势整体表现为北西高，东南低。地形以西北角段家梁为最高，标高+760 m，以象山铁路桥下涺水河谷为最低，标高+400 m，一般地形标高为650 m左右。井田内地层出露良好，从老到新有太古界涑水群、寒武系中统、奥陶系、石炭系、二叠系及第四系。矿井目前主要开采山西组3号煤层及太原组的5号煤层。象山矿井自2003年开采以来，其3号、5号煤层已经开采近17年，一水平开采已经接近尾声，开采区域埋深已达到+150 m，影响矿井涌水量的因素已经由原来的浅部地质因素转换为深部地质因素。目前，矿井涌水量的变化趋势为随着象山矿井开采水平的延深，矿井涌水量呈现出逐年下降的趋势。矿井涌水量与浅部开采的差异，主要受矿井充水因素的影响，例如主要充水水源的转换，导水裂隙带发育的演变等。

图1 象山矿井井田范围及其周边矿井分布示意图

2 水文地质概况

发源于宜川县境的涺水河为井田内唯一主要河流，横切井田中部，流经芝川注入黄河。涺水河系常年性河流，补给来源主要为大气降水，次为上游的泉水，流量受季节性变化的控制，一般22.79 m3/s。

2.1 区域水文地质概况

象山井田位于渭北煤田韩城矿区中部，韩城矿区位于渭北煤田东北端黄河的西岸，其主要含煤岩系为石炭系太原组及二叠系山西组，主采2号、3号、5号、11号煤层，奥陶系石灰岩(以下简称奥灰岩)为煤系基底。整个矿区的水文地质概况为，地表水不甚发育，地下水受构造、岩性及地形地貌的控制，主要埋藏在第四系底部和石炭二叠系基岩裂隙与奥灰岩岩溶裂隙之中。依据区域地层的岩性组合及裂隙发育特征，结合地下水的埋藏条件、含水层的富水性、透水性及充水空间特征，可将区域地下水分为3大类，即松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、岩溶裂隙水[5-8]。

2.2 矿井水文地质条件

象山矿井主要可采煤层3层，分别为石炭系、二叠系的3号、5号、11号煤层，煤系基底为奥陶系石灰岩。井田的主要含水层有第四系松散岩类含水层组、二叠系砂岩裂隙承压含水层组、石炭系砂岩(灰岩)裂隙承压含水层组及奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层组。本井田煤系地层属于多旋回沉积的不同粒级的砂岩、泥岩交互层，使得含水层与隔水层相间存在，形成多层结构的复合承压含水体，见表1。煤系及其上覆地层中的砂岩和灰岩含水层，富水性由各层砂岩岩性、厚度、埋藏条件、构造破坏程度等因素控制，因构造及岩性关系，一般砂岩中裂隙较发育，且张开性好，泥岩中裂隙多细微闭合，各个砂岩之间均被5～25 m的砂质泥岩、泥岩等相对隔水层隔断，加之各含水层的水位不一，水质不同，自然条件下，形成了无水力联系的多层结构的复合承压含水体。

3 矿井涌水量相关因素分析

3.1 矿井涌水量状况

涌水量变化：1970年的象山煤矿到2003年的象山矿井，历年最大涌水量580 m3/h(1980年之前)，最小涌水量46 m3/h(2000年9月)。矿井涌水量随开采年限的变化总体呈现由大到小，再由小增大的规律，如图2所示。即原象山煤矿投产初期，矿井涌水量较大，在150～170 m3/h左右，但随着开采年限的推移，到2002年象山新井投产之前，矿井涌水量降到低谷，仅50～75 m3/h左右。2002年之后，随象山新井投产，产量的递增，涌水量又呈现出增大趋势。2005年1月至2016年8月，矿井历年平均涌水量208.6～442.9 m3/h，平均315.4 m3/h；矿井历月平均涌水量170.3 m3/h(2005年1月)～470.5 m3/h(2010年7月)，平均307.8 m3/h，不均衡系数约为1.53。目前矿井正常涌水量在200～350 m3/h左右，预计随着南二采区的开采，矿井涌水量还会增大，如图3所示。

表1 象山矿井含水层水文地质特征一览表

图2 象山矿井历年矿井涌水量趋势图

图3 象山矿井2005年以来历月矿井涌水量趋势图

涌水来源：矿井涌水来源主要是煤层顶板砂岩裂隙含水层水，涌水量约占全矿总涌水量的80%，且随着开采深度的增加而增大，顶板砂岩水是目前矿井防治水工作的重点，次为3号煤已采区的老空区积水。小窑积水、地表水和奥灰水曾是矿井在特殊情况下出现的突水现象，不具普遍性。

3.2 矿井涌水量相关因素分析

地质因素：①涌水量与地质构造的关系。据测定，采场涌水量增加时的位置、大小、频率与断层的方向、密度、强度有一定关系[9-11]。表现在涌水与NE、NW向两组断层相关性较强，与EW向断层相关性较弱。如2313、2315与2317工作面采场开切眼后均见NE、NW两组方向的断层，当断距较大且开采一定长度后，采空区就出现一次较大的涌水现象。在2315工作面北端接近NW走向断层带时(断层最大断距11 m)，顶板淋滴水范围明显增大，回撤后采空区涌水量增加到12 m3/h左右。但采面在穿越近EW向断层带(断距1.81 m)时，采场涌水量未见增加，表明该组断层对上覆含水地层没有深度切割破坏，仅存在于煤层及直接顶范围内。从已采面情况来看，涌水量与褶曲构造关系密切，当工作面由褶曲翼部向向斜轴部回采时，顶板淋滴水现象增加，另外向斜轴部采空区涌水也有显著增大现象。南一采区与北一采区相比，工作面涌水量增幅较大，主要与南一采区处于向斜轴部，含水层具有汇水作用有关；②涌水量与顶板及上覆含水层岩性厚度关系。象山矿井曾对北下采区勘探钻孔资料及回采顶板垮落情况进行过观测，表明采区北段工作面直接顶及其上覆含水地层岩性多为中粒砂岩，厚度较大，涌水量较大，而南段地层主要为细砂岩、粉砂岩，厚度较薄，采场涌水量也相对较弱。南一上山采区3号煤层顶板导水裂隙带内砂岩厚度达25～40 m，工作面涌水量较大，21303综采面涌水量最高达到280 m3/h，南一下山采区3号煤层顶板导水裂隙带内砂岩厚度15～25 m，综采工作面最大涌水量仅180 m3/h。说明不同粒度的砂岩或不同厚度的砂岩储水能力及充水性有较明显的差别。

采矿因素：①涌水量与回采面积的关系。通过长期以来的矿井涌水量观测，3号、5-1号煤层涌水量与其采掘面积关系不密切，如图4所示。其中掘进工作面涌水量并未随巷道沿走向或倾向方向长度增加而显著增加。整个采区工作面回采中涌水量也并未随开采面积加大而增大。反而采掘面涌水量随着采掘时间的延长在逐渐减小，两者之间的相关关系比较明显；②涌水量与煤产量的关系。矿井涌水量与煤产量的关系说明，如图5所示。随着煤产量的变化，矿井涌水量变化较为明显，即煤产量高，矿井涌水量总体大，煤产量低，矿井涌水量总体小，两者变化具有明显的正相关性，不同的是，涌水量增长的幅度小于煤产量增长的幅度；③采场涌水量与地表岩移充分采动的关系。通过北一及南一开采实践表明，采区涌水量主要为采动影响范围内各含水层的静储量，与采动影响范围之外其他含水层之间水力联系较差。在工作面推采23 m左右(初次来压)老顶完全断裂，在采场初采面回采距开切眼60 m以后，地表显现裂缝。复采时工作面推采50 m时地表显现裂缝，100 m左右地表有较大裂缝产生。从开采距离与涌水量的大小变化看，一般距开切眼50～100 m范围，因煤层充分采动，顶板岩层达到充分冒裂，出现一次较大的涌水，之后采面涌水量总体呈递减趋势。在递减的过程中，随采面向前，每20 m左右，逢周期来压，基本顶周期断裂，还会出现一次次较小幅度的涌水。

图4 矿井月涌水量与月回采面积关系曲线

图5 矿井涌水量及煤产量随开采时间关系曲线图

气象地理因素：①涌水量与水位及大气降水的关系。通过长期观测发现，地下水水位随着降水量的增减相对有所变化，特别潜水位变化与大气降水关系十分密切。从降水量与矿井涌水量的动态曲线图，如图6所示，由图6看出，年内降水量具有周期性的变化规律，出现峰值与谷值，而矿井涌水量没有周期变化规律，也不具有滞后变化规律，仅个别点出现降雨量大，涌水量高的现象，但不具备普遍性。反映大气降水不是矿井的直接充水水源；②涌水量与地表河流的关系。在井田中部有涺水河穿过，另有其它五条小溪。当这些地表水流经各含水层时，必然通过裂隙或构造发育段渗入补给各含水层。尤其是邻近涺水河的区域，补给水源比较充分，但因多层隔水层的存在补给量比较有限。从以往北下采区巷道几个出水点分析，与涺水河有重要关系，如北翼胶带运输巷突水5-1号煤顶板砂岩突水，就与巷道附近201钻孔导通涺水河有关。不过由于目前开采的工作面与涺水河间留有足够的防水煤柱，地表河流不会对矿井造成直接充水。