店坪煤矿充水条件分析及涌水量预测研究
时间：2023-03-01 11:25:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
雒方
（山西焦煤霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司 方山店坪煤矿，山西 吕梁 033102）
霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司井田位于河东煤田离石矿区的北部，中阳—离石向斜的北段。批准开采2、3、5、8、9、10 号煤层，据山西省煤炭工业厅2021 年12 月20 日发《关于霍州煤电集团有限责任公司方山店坪煤矿核定生产能力的批复》，方山店坪煤矿核定生产能力为260 万t/a。井田开拓规划为2 个水平开拓，水平标高分别为+900 m 和+830 m，900 水平开采2、3、5 号煤层，830 水平开采8、9 号煤层。矿井现阶段开采5 号煤层，即将开采9 号煤层，随着开采深度的延深，生产能力的增大，煤矿水害对煤矿的安全开采威胁增大，为保障矿井的安全生产，需对店坪煤矿矿井的充水因素和涌水量进行研究分析。
2.1 充水水源
（1） 地表水及大气降水。
井田内沟谷由北向南有水源沟、王家沟和高家沟，水源沟和王家沟在井田东部汇交为店坪沟，均为季节性河流，平时干涸，雨季有短暂洪流。近年来，煤矿排水使得沟谷局部地带充水，其水流主要是煤矿开采煤层时所排出的废水。沟谷内有多处砌石淤地坝，雨季有少量积水，无常年性地表水体。
（2） 顶板砂岩裂隙水。
山西组可采煤层是2、3、5 号煤层，山西组砂岩含水层是其顶板淋水直接水源，总体来说，砂岩裂隙含水层属于巨厚型，含水性弱，补给条件差，以消耗静储量为主，充水在初采、初期老顶初次跨落，以淋水方式进入采面，所以涌水量一般较小，大约在5～10 m3/h 左右。
（3） 顶板灰岩岩溶裂隙水。
石炭系太原组岩溶裂隙含水层L1+K2、L4、L5石灰岩及1～3 层中粗粒砂岩，为可采煤层8、9、10 号煤层直接充水含水层，在大面积开采的条件下，顶板水多呈点滴、淋水状态，易自然疏干。矿井井巷和采掘工作面揭露C3t 地层时涌水量均不大，说明下组煤顶板含水层组富水性弱，一般情况下不会对9、10 号煤开采造成影响。
（4） 采空区积水。
根据2021 年12 月《霍州煤电集团有限责任公司方山店坪煤矿采（古） 空区积水、积气及火区调查报告》圈定的采空积水区，2 号煤层采空区内无积水，3、5 号煤层采空区内存在积水。店坪煤矿已根据实际情况对3 号煤层采空区内存在积水进行了疏放，共计施工11 个放水孔，钻探进尺631.6 m，累计放水量为121 545 m3。根据井田目前生产建设情况及此次调查结果，估算井田采空积水情况见表1。
表1 井田内采空区积水量统计Table 1 Statistics of water accumulated in goaf of coal mine field
（5） 奥灰岩溶裂隙水。
井田内批准开采2、3、5、8、9、10 号煤层，煤层均位于山西组及太原组，井田内各煤层底板标高均高于奥灰水位标高，井田内的可采煤层不存在带压，因此不存在将下部奥灰水导升的现象，发生奥灰突水的可能性较小。
综上分析，采空区积水是影响店坪煤矿安全生产的最主要充水因素。开采区段采空区范围及积水情况清楚，进行下组8、9、10 号煤层开采时，应加强水情预测预报管理工作，加大工作面排水能力，通过将物探与钻探相结合，及时有效疏放上覆采空区积水，保障安全高效生产。
2.2 涌水通道
2、3、5 号各煤层顶板均为中硬岩石，8、9、10 号煤层基本顶为坚硬岩石，根据“三下”规程，计算得到各煤层冒落带、裂缝带发育高度，见表2。
表2 可采煤层煤层冒落带及导水裂缝带高度一览Table 2 Height of caving zone and water conduction fracture zone of minable coal seam
店坪煤矿井田总体为—不对称向斜，并伴生次级短轴背斜及向斜，井田内发育有5 m 以上的断层2 条，根据该矿在采掘过程中揭露情况，断层不导水。目前尚未发现封闭不良的钻孔。综上可知，采动导水裂缝带是主要导水通道。
据店坪煤矿2019 年1 月至2022 年5 月的矿坑排水量长期监测台账资料，得到矿井涌水量变化曲线，如图1 所示。店坪煤矿开采5 号煤期间，生产能力150 万t/a，正常情况下该矿开采过程中正常涌水量约为95.9 m3/h，最大涌水量约为116.7 m3/h。+900 水平正常涌水量约为59.7 m3/h，最大涌水量约为67.6 m3/h，+830 水平正常涌水量约为36.2 m3/h，最大涌水量约为50.2 m3/h。随矿井主采煤层由5 号煤向9 号煤层转变，矿井涌水量的主要组成部分由+900 m 变为+830 m，+900 m 涌水量逐月降低，+830 m 涌水量逐月增加。
图1 矿井涌水量变化规律Fig.1 Variation lawof mine water inflow
3 1 矿井涌水量预测
3.1.1 比拟法（1） 5 号煤层涌水量计算。
目前，店坪煤矿开采5 号煤期间，生产能力150 万t/a，矿井正常涌水量1 433 m3/d，最大1 622 m3/d，采用比拟法预算当产量为260 万t/a 时矿井涌水量。
矿井正常涌水量 Q=K1P=1 433/（1 500 000/330） ×2 600 000/330=2 484 m3/d。
矿井最大涌水量Q=K2P=1 622/（1 500 000/330）×2 600 000/330=2 811 m3/d。
（2） 8、9、10 号煤层涌水量计算。
8、9、10 号煤层直接充水含水层均为太原组灰岩含水层，各煤层之间距较小，可视为相同水文地质条件，故8、10 号煤层矿井涌水量与9 号煤层基本相同。店坪煤矿紧邻木瓜煤矿，木瓜煤矿现开采9 号煤层，实际生产能力150 万t/a，矿井正常涌水量为2 832 m3/d，最大3 600 m3/d，采用比拟法预算：
矿井正常涌水量Q=K1P=2 832/（1 500 000/330）×2 600 000/330=4 909 m3/d。
矿井最大涌水量Q=K1P=3 600/（1 500 000/330）×2 600 000/330=6 240 m3/d。
综上所述，采用比拟法区内山西组煤层矿井涌水量当生产能力达到260 万t/a 时，矿井正常涌水量为2 484 m3/d，最大2 811 m3/d。开采8、9、10号煤层产量260 万t/a 时，矿井正常涌水量4 909 m3/d，最大6 240 m3/d。
3.1.2 “大井”法
2、3、5 号煤层各煤层之间间距较小，可视为相同水文地质条件，对5 号煤层的涌水量预算同样适合2、3 号煤层。根据井田水文地质条件，视含水层为均质无界，利用地下水动力学中的大井法，水位标高选用勘探区推测最大值，含水层厚度取勘探区平均值，渗透系数选取勘探区最大值（井筒检查孔的渗透系数）。用承压转无压公式：
式中：K 为渗透系数，m/d；
H 为水头高度，m；
M为含水层水位标高与含水层底板标高的差值，采用井筒检查孔和DM4号水文孔平均值，m；
R0为“大井”影响半径，m；
R 为影响半径，m；
r0为“大井”半径，m。代入相应参数值计算得到涌水量预算值为4 177 m3/d。
9 号、10 号煤层矿井涌水量“大井”法计算与5 号煤相同，代入相应参数值计算得到涌水量预算值为5 795 m3/d。
3.2 计算结果采用
比拟法采用店坪煤矿实际涌水量资料，预算的结果基本可靠。“大井”法综合考虑了充水含水层边界条件、含水层试验参数等，同样比较符合矿井实际情况。综合比拟法、“大井”法计算结果，从安全性角度考虑，确定产量达到260 万t/a 时，开采5 号煤层正常涌水量2 497 m3/d，最大4 177 m3/d；
开采9、10 号煤层矿井正常涌水量5 795 m3/d、最大6 240 m3/d。
目前，店坪煤矿矿井涌水量与降水量关系不大。但矿井随着开采的进一步加深，开采面积的进一步加大，采空区面积的增大所造成的地面塌陷和地裂缝是沟通地表溪流水和雨季洪水的通道，亦是该井田的主要水害。未来5 a 店坪煤矿开采工作面主要集中在9 号煤向斜轴部附近，不排除局部区域太原组灰岩富水性增强，对工作面充水强度增加的情况。9 号煤层开采时还需对5 号煤层采空区积水进行疏放，确保安全后方可回采。这些采空区均为店坪煤矿自身采掘形成，采空区范围确定，积水量清楚，对9 号煤层的回采有一定影响。
综上所述，矿井开采受顶底板含水层水害影响程度为简单，受采空积水区的影响程度为中等，受大气降水、地表水的影响程度为中等。
（1） 通过对店坪煤矿地质资料分析，确定上组煤2、3、5 号煤层开采主要水源为山西组砂岩含水层，开采9 号、10 号煤层期间矿井水源为5 号煤层采空区积水，导水裂缝带为主要导水通道。
（2） 店坪煤矿产能达到260 万t/a 时，开采5 号煤层正常涌水量2497m3/d，最大4177m3/d；
开采9、10 号煤层正常涌水量5795m3/d，最大6240m3/d。
（3） 矿井开采受顶底板含水层水害影响程度为简单，受采空积水区的影响程度为中等，受大气降水、地表水的影响程度为中等，矿井生产中需加强水害防范意识。
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