杜儿坪煤矿防治水中长期规划

时间：2024-08-31

卢玲敏

（中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸 056004）

0 引言

随着煤矿煤炭产量的增加及开采煤层逐步向深处进行，矿井生产中遇到的各种水害问题日趋增多，防治水工作量逐步增大，各开采工作面和掘进巷道均需采取相应的防治水措施，因此，急需在整体上对矿井防治水工作进行中长期规划，以此作为煤矿开展防治水工作的总体依据，从而能够指导矿井防治水工作。

在充分收集以往地质及水文地质资料基础上，依据《煤矿安全规程》《煤矿防治水细则》等规范规程，依托煤矿采掘衔接计划，对矿井水文地质条件及未来5 a 生产面临的水害问题进行分析，对矿井受水害威胁程度进行评价，编制了《煤矿中长期防治水规划》，提出今后矿井防治水工程进度安排和工程费用概算，矿井可依据规划内容编制矿井年度防治水计划，并开展相关防治水工作，达到安全生产的目的。

1 地质及水文地质特征

1.1 地质构造概况

西山煤田位于山西陆台太岳南北经向构造带与阳曲—盂县东纬向构造亚联合部位的东南隅，是镶嵌在“祁吕贺”山字形构造东翼内带与汾河挽近盆地之间的一个石炭、二叠系含煤盆地，古老的岩系广布于煤田西部，北端形成西北部高高抬起，向南倾斜的不完整的盆地。前寒武系及上古生界寒武、奥陶系在煤田西侧、北端广布，构成吕梁山脉主体和煤系基底。煤田东、东南部由于断裂抬起，奥陶系地层也有出露。煤田内石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组，上统上石盒子组、石千峰组，三叠系下统刘家沟组、和尚沟组，中统二马营组出露良好。新生界第三、第四系不整合覆盖于较老的基岩之上。

1.1.1 矿井地质概况

杜儿坪煤矿位于西山煤田东北部，区内发育地层由老到新分别为奥陶系中统（O2）上马家沟组（O2s）、峰峰组（O2f）；石炭系（C）中统本溪组（C2b）、上统太原组（C3t）；二叠系（P）下统山西组（P1s）、下统下石盒子组（P1x）、上统上石盒子组（P2s）、上统石千峰组（P2sh）；三叠系下统刘家沟组（T1l）；第四系（Q）中、上更新统（Q2+3）、全新统（Q4）。

1.1.2 煤层概况

杜儿坪矿井主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，共含煤19 层，含煤地层总厚151.91 m，煤层总厚19.32 m，可采煤层有1、2、3、6、7、8、9 号共7 层，平均总厚16.37 m，可采含煤系数10.8%，其中全区可采煤层为2、8、9 号煤。目前随着煤矿开采强度和深度不断增加，矿井采掘过程中遇到的各种水害问题日趋复杂。

1.1.3 构造概况

西山煤田大致为北大、南小，两翼不对称的复式向斜构造，煤田内NE—NNE 向断裂呈束展布，将向斜东翼切割成长方形地块，碱性二长岩则沿构造裂隙侵入向斜西翼。煤田主要受新华夏系构造体系的控制，为“多”字型雁行斜列的主要煤盆地之一。该井田位于西山煤田东北隅，受新华夏系泰山式压扭性断裂的影响，构造形迹西部受马兰向斜，东部受边山大断裂（风声河断层、圪僚沟断层），南部受杜儿坪断裂带，北部受赛庄—王封断裂的制约。井田总体地层走向NW—SE，向SW 倾斜，倾角3°～12°，一般5°左右。井田内部以褶曲构造为主，4 条向斜，5 条背斜，同时井田内发育落差较小的高角度正断层，截止目前井田内揭露落差大于或等于5 m 的断层主要有24 条，尤其在井田浅部地段。陷落柱也较为发育截至目前，井田内共发现陷落柱1533 个，地面仅见18 个陷落柱，绝大部分出露在煤系地层。陷落柱已成为影响该矿正常生产的主要地质因素，井田内未发现岩浆岩侵入现象。

1.2 含水层特征

杜儿坪煤矿位于晋祠泉域岩溶水系统的东缘中段，地下水由北而南流过，属于地下水径流区，奥陶系地层在井田东北部边界少量出露，向西及西南埋藏渐深，因此奥灰含水层富水性东部强于西部。

含水岩组是按地下水含水介质以及赋存条件、水动力特征以及地层界线划分的，井田内主要含水层为二叠系下统砂岩裂隙含水层、太原组灰岩裂隙含水层与奥陶系灰岩含水层。其中上马家沟组富水性强，峰峰组局部富水性强，其余富水性弱。

1.2.1 峰峰组

峰峰组分上下两段。上段（O2f2）岩性以深灰、灰色厚层状石灰岩为主，夹黄、灰白色泥灰岩，顶部为古风化壳充填物，厚一般小于70 m；下段（O2f1）为泥质灰岩夹石膏层，厚约60 m。上段灰岩岩溶裂隙发育，岩溶多呈蜂窝状、串珠状、局部可见溶洞。无统一承压水面，含水性不均一，不同地段水位、水量相差很大，单位涌水量1 ～5 L/s·m，水位标高802.8 m，井田内局部区域峰峰组不含水。

1.2.2 上马家沟组

上马家沟组（O2s）岩性以厚层质纯石灰岩为主，夹薄层泥质灰岩、白云质灰岩，底部豹皮灰岩相对隔水层，全组厚200 m。浅部岩溶裂隙发育，由于富水而成为西山煤田与该井田最主要的含水层，单位涌水量0.04 ～138.91 L/ s·m（矿井杜1号、2 号深水井单位涌水量分别为138.91 L/s·m、134.73 L/s·m，但都是一次降深0.4 m、0.5 m 所得，不能进行涌水量预测计算，所以还不能代表真正最大涌水量，比实际最大涌水量小），一般0.4 ～9 L/s·m，渗透系数70.11 m/d，水位标高810—820 m。

隔水层为石炭系中统本溪组泥质岩类隔水层（C2b）、奥陶系中统峰峰组下段隔水层（O2f1）、上马家沟组下段隔水层（O2s1）。

2 充水因素分析

2.1 充水水源分析

根据矿井内及周边水文孔的水位标高数据显示，结合整个当地地区水位变化趋势，确定矿井奥灰水水位标高810—820 m，低于9 号煤最低底板标高825 m，矿井各煤层均不存在带压开采，因此奥灰水不是该矿井充水水源。因此矿井充水水源主要有地表水、大气降水、煤系围岩含水层水与老空积水。

2.1.1 地表水

杜儿坪井田地形复杂，坡陡沟深，共有虎峪沟、南峪沟、井儿沟、麻皮沟、偏桥沟等12 条季节性河流，但盖层普遍较厚，只麻皮沟、井儿沟、南峪沟、虎峪沟中，有些地段盖层较薄。开采后河沟水直接或间接地（沿断层）微弱补给下部弱含水层，转化为地下水。弱含水层中地下水再沿导水裂隙补给采空区，造成矿井充水，地表水是该矿井主要的充水水源。

2.1.2 大气降水

西山煤田地处我国内陆，干燥少雨，蒸发量大于降水量，降水量随季节变化较大，属大陆性气候。在该矿井浅部开采区，大气降水通过采空导水裂隙直接渗入井下或补给含水层再渗入井下造成矿井充水。且也有随季节变化的特点，在矿井东翼浅部开采区与东平峒相连接的盘区口都是丰水月涌水而枯水月干枯，但矿井充水具有一定的滞后现象，说明大气降水是矿井充水水源之一，但影响面积小，涌水量有限，对矿井现生产区、备用区等盖层较厚区（＞300 m）没有直接影响。

2.1.3 煤系围岩水

煤系围岩中影响采掘生产的含水层太原组灰岩含水层与山西组砂岩含水层均为弱含水层，含水量小，掘进时仅有淋水现象，采后赋存于采空区内，形成采空区积水。但多年来矿井排水对煤系围岩含水层水起到一种人为的疏降作用。因此，煤系围岩含水层水不会对矿井开采造成大的威胁。

2.1.4 奥灰水

根据井田内杜1 号、2 号深水井及周边矿西铭矿水文孔XS-1、官地矿的GDS-1、GDS-2 水文孔水位标高，以及整个西山地区水位变化趋势，确定矿井奥灰水水位标高810—820 m，距离9 号煤最低底板标高825 m 还有5 ～15 m 的高差，不存在带压开采。

2.1.5 老空积水

（1）自采形成的采空区。

截至2021 年10 月底，根据最新的采空积水台账以及充水性图显示，2 号煤层采空区积水面积539140 m2，积水量1044469.2 m3；3 号煤层采空区积水面积505658 m2，积水量949836.8 m3；6 号煤层采空区积水面积447637 m2，积水量892704.2 m3；8 号煤层采空区积水面积601191 m2，积水量395696 m3；9 号煤层采空区积水面积83500 m2，积水量240600 m3。采空区的积水直接影响着下伏煤层及下山方向煤层的安全生产。

（2）周边煤矿采空区积水。

经过调查统计周边生产矿井和周边小窑积水情况，分析得出周边小窑积水是矿井的主要安全隐患。

该矿井附近小煤窑主要分布在东部、东南部、东北部的井儿沟、南峪沟、老西沟、虎峪沟附近等的老窑破坏范围内，通过实地调研和资料收集，井田及周边总共有小煤窑64 个，其中矿界外11 个，现已全部关闭。从收集调查资料看，这些关闭的小煤窑生产期间主要开采2、3、8、9 号煤层，只开采6 号煤层的有新牛头嘴、牛头嘴七尺煤矿。这些小窑位置清楚，但积水位置、面积、积水量部分小窑清楚。查明小窑上组煤2 号煤层采空区积水面积251600 m2，积水量509420 m3，下组煤8 号煤层采空区积水面积335200 m2，积水量702310 m3，小窑积水面积共计586800 m2，积水量共计1211730 m3。

通过对南五、北二采区小煤窑破坏区全覆盖探测，探测总面积3.97 km2，测出积水异常区64 个，积水面积586800 m2。从采掘工作面角度分析，该矿井小窑大都位于60 ～70 年代旧采区东部和南、北大巷等主要巷道附近，即井田东部煤层破坏区以外的煤层露头区，现采盘区远离小窑分布区，不受小窑水的影响，但小窑的越界开采、私挖乱采，历史上曾发生与该矿旧采空区巷道沟通的现象，仍有可能增加矿井排水压力，故小窑水仍对该矿有一定的安全隐患。

2.2 充水通道

杜儿坪矿井在规划期内开采2、3、6、8 号煤层时，矿井主要水害为地表水及采空区积水，充水途径主要以构造通道（断层、陷落柱）和采矿形成的导水裂隙带为主。

3 分析矿井水害问题及评价受水害威胁程度

3.1 主要水害问题

通过杜儿坪矿井充水因素分析，影响原生产矿井充水因素的有大气降水、地表水、开采煤层上覆含水层水、老空积水。其中地表水、采空区积水是该矿井的主要水害，也是矿井防治水工作的重点和难点。由于井田开采年限较长，井田内原生产矿井遗留有较大面积的采空区。在采空区低洼处存有大量积水。随着时间推移，采空区积水量还会增加。矿井规划期内设计开采的煤层与其上部煤层层间距不大，导水裂隙发育高度可沟通上部采空区积水。特别是在发育有隐伏断层等导水构造处，地表水、采空积水对矿井安全生产的威胁更大，是矿井水害的主要隐患水源。

根据矿井回采计划，未来矿井开采2、3、6、8 号煤层，分别为2 号煤层的62517、62707、62519、62705、72911 工作面，3 号煤层的73907、73908 工作面，6 号煤层的76902、76903 工作面，8 号煤层的68307、68311、68506、68501 工作面。本文重点对首先开采的2 号煤工作面水害进行举例分析。

（1） 62517 工作面面临水害及防治措施。

地表水：工作面上覆地表有北石沟，该沟谷属季节性河流，在暴雨季节，受地形地貌影响，沟谷中大气降水易形成集中补给，可能通过塌陷裂缝可以进入矿井，从而间接形成矿井充水，对矿井生产有一定影响，应加强地表低洼区段易积水部位的工程治理工作。