摘要：含水层、老窖水以及采空区积水等水源对煤矿安全生产带来威胁。以山西省某煤矿为例，分析充水因素，并对采用富水系数比拟法对涌水量进行预测，有利于煤矿防治水工作开展，对井下安全生产具有重要意义。

　　关键词：矿井充水因素；涌水量预测；水文地质条件

　　0引言

　　煤矿水害事故会造成人员伤亡与经济损失，影响井下生产作业高效有序进行。分析研究矿井充水主控因素，准确地预测矿井涌水量，可以对后期作业中排水防水设施进行合理安排、制订相应排水方案，为煤矿安全生产和提高经济效益提供重要保障"。本文结合山西省某煤矿实例对矿井充水因素进行分析，并合理预测涌水量，为今后水治理提供了针对性意见。

　　1工程概况

　　山西省某煤矿1552工作面位于太行山脉西侧煤层顶板到地面的垂直厚度约为180~152m，井下与地面相较于基础面标高分别为739809 m、919~968 m，地面无水体，均为植被覆盖区与耕种区。1552工作面南侧为运输巷道，北侧为安全煤柱，东侧采空区，西侧为基础工作面。15#煤层平均长度为1 222 m，平均煤层厚度为3.0m，平均倾角3°，煤层顶部部分区域存在溶洞及破碎现象，已探明可采煤炭储量约209万t。

　　2矿井水文地质条件

　　2.1含水层

　　第四系含水岩组。在该矿区内占比较大，在中上更新统富水性较差，且多为透水但不含水，随着季节的不同差异较大:全新统冲积层位于矿区东北部谷底，多为条形，富水不均匀，富水性从南至北呈增加趋势。新近系上新统水岩组。该矿区内范围很广，上为红粘土，下为半胶质砂砾，砂砾较厚;分选性、磨圆性、胶结性、多孔性、开张性、延展性较好好，导水能力强，但补给源少、富水性差。

　　二叠系上统上石盒子含水岩组。基本为S4与岩层之间的砂岩裂隙含水层构成，砂岩裂隙无明显发育，富水性差，涌水量不超过0.1 L/s。

　　二叠系下统山西组、下石盒子组含水岩组。其中二叠系下统山西组和下石盒子组的砂岩裂隙含水层组，由S2、S3和层间的砂岩裂缝含水层构成。裂隙发育均匀度较差，富水性不强。该含水岩组钻孔涌水情况，如表1所示。

　　石炭系上统太原组含水岩组。主要包括煤层、泥岩、砂岩和石灰岩。在这其中，砂岩和石灰岩被确认为含水层,它们夹杂在泥岩中。裂隙在这一地层中得到良好的发育，然而，对补水方面的调查显示水资源总体呈现弱势分布而在局部区域却呈现中等水平的富水性。石炭系上统太原组钻孔涌水情况，如表2所示。

　　奥陶系中统上马家沟组含水岩组。该含水岩组位于矿区东南河塔村东沿县川峡谷地区，其岩性以白云质灰岩、泥灰岩、石灰岩为主，岩溶裂隙发育，具有丰富的地下水，富水性呈现西部极强，自西至东逐渐变弱的特点。

　　2.2隔水层与地下水情况

　　研究发现，在煤矿地质层序中，新近系的红黏土、石炭系和二叠系层间泥质隔水层，以及13#煤层与奥灰顶之间的隔水层，在防治水方面具有显著作用。特别是碳酸盐岩层，其存在于不同基岩含水岩群之间，通过岩溶和裂隙的发育表现出卓越的隔水功能，从而保持了地质层序的完整性和连续性。这些碳酸盐岩层不仅形成了有效的隔水层，而且相对于其他岩组，成功地降低了它们之间的水力联系[2]。

　　矿区紧邻某泉域排泄处，形成奥灰岩溶水径流带，水源补给位于矿区外地区西与南方，呈东北流向，该区城为西南泉群的最终排泄地。含水层补给机制主要包括大气降水和地质构造的影响。在这一过程中，地形和构造成为关键控制因素。地下水的流向通常与地层趋势相同，形成地下水流体系。排水方式多样，其中峡谷内泉水是显著的一种形式，最终将这些地下水引导至黄河。另一方面，浅层地下水排放主要通过人为开采和地表蒸发实现。

　　3煤矿充水因素评价

　　奥陶系中统上马家沟组所含岩溶裂隙表现出卓越的富水性，在煤矿环境中扮演主要补给角色。相较之下，剩余的孔隙水和裂隙水由于水性较弱，补给源相对有限，因而并未给煤矿开采带来太多影响。值得强调的是，地面雨水、地表水体以及采空区积水等诸多因素，在后期煤矿的安全开采中起到了严重而不可忽视的作用。

　　3.1大气降水与地表水

　　在矿区西部及西北部，两个煤层呈浅埋状态，从而造成采空区变成一个导水裂隙带。这一裂隙带具有导水的特性，可以与地表或松散层的各个含水层相连接，进而联通地表的季节性冲沟。由此产生的效应是，大气降水和地表季节性洪水通过这一裂隙直接注入井下，引发了矿井水害。这一现象的发生机制在于裂隙带的存在，其作用是将地表水系与地下水系有效地耦台，该矿井口高于黄河和旁边区域最大洪峰水位，同时排水系统较为完备，因而一般情况下不存在地表水流入矿井。

　　3.2奥陶系岩涫裂隙水

　　矿井内的奥陶系灰岩出现溶蚀裂隙，水流充沛，表现出中至极强的水化性质。奥陶系灰岩水位维持在843~848 m之间，高于各煤层的最低庑面高程。除了8#煤层外，别的可采煤层正在进行局部上带压开采，而西北方向则开展带压开采。现阶段8#煤层的带压开采区域已经成功完成。通过《煤矿防治水细则》计算来看，在进行带压煤层开采时，压力对突水系数的影响显著。研究表明，在底板受构造破坏块段，突水系数临界值较低，带压区域相对较安全，前提是未发生构造破坏和陷落柱情况。此时，各可采煤层奥灰涌水概率较小。这一发现为煤层开采提供了一定的安全性评估依据，特别是在考虑到地质构造对突水影响的情境下。

　　3.3采空区积水

　　该矿区范围内采空区46处存在积水情况，总面积超113万m2，积水总量约为78万m;矿区附近某煤矿过去曾开采13#煤层，与之相邻处存在1处采空区积水情况，积水量约为0.8万m3。

　　4矿井涌水量预测

　　常用的矿井涌水量预测方法有室水系数比拟法、垂直渗流-侧向径流法、地下水数值模型法、灰色系统理论、时序分析法等，目前富水系数比拟法研究进展迅速，且预测准确率高。本文结合该矿井冒落带与导水裂隙带测量参数，利用富水系数比拟法对该矿井涌水量进行预测分析。

　　4.1导水裂陂带与冒落带观测方案设计

　　根据矿井现场实际条件以及此次观测的时间要求，确定导水裂隙带高度观测点设置在该煤矿1152工作面附近1153工作面回风平巷中。

　　导水裂隙带观测孔:15#煤层平均厚度3m，根据现场分析，在1153回风平巷观测点设置了2个导水裂隙带，在实际观测中，必须严格控制观测流速和精确度;研究钻孔观测数据，我们能够将导水裂隙带的高算出来。若发现数据存在一定误差或不正确，因此需要进行二次观测以确保准确性。

　　导水裂隙带对比孔:通过所布设导水裂隙带观测数据时，若发现其未能充分反映其发育高度的情况，需要在没有挖掘区城重新设立对比孔。这一操作的关健在于，我们必须巧妙地结合观测孔与对比孔所得的数据，以推算导水隙带的实际高度。在研究中，确保数据的准确性至关重要，而通过重新设置对比孔并运用差异推导方法，可以更精准地获取导水裂隙带高度信息。

　　冒落带观测孔:沿1153工作面回风平巷到1152工作面钻冒落带观测孔2个，要求两孔倾斜，因钻孔需要穿越采空区上部的破碎岩层，所以在完成钻孔后需用高压水冲孔，并在钻具撤离后尽快开展观测工作，以避免出现破裂的岩体和不规则孔壁对观测造成影响。在钻井过程中，对钻机的卡钻、钻速等也需进行详细的记录。导水裂隙带观测孔、对比孔与冒落带观测孔相关参数，如表3所示。

　　导水裂隙带观测孔、对比孔与冒落带观测孔布设刨面示意图如图1所示。

　　4.2观测结果分析

　　将观测孔观测数据通过GMS软件分析可得，该导水裂隙带发育高度为41.99m，因该工作面15#煤层平均厚度3m，计算可知裂采比为13.99。对冒落带高度观测两钻孔(4#钻孔与5#钻孔)孔壁微观分析，发现两钻孔中岩层都存在着明显的断裂分区，并且两个钻孔的断裂区域对比明显。

　　通过对冒落带高度观测结果的深入研究，我们发现在4#钻孔和5#钻孔的孔壁微观分析中存在显著的断裂分区。它们断裂区域呈现出显著的对比特征。根据冒落带高度观测两钻孔全长测段孔壁裂隙分布，计算得出冒落带上部边界分别为4#钻孔孔深35.7m,5#钻孔孔深30.3m。结合现场测量钻孔轨迹，两钻孔实际倾角为:4#钻孔21.83。，5#钻孔27.42。。计算可得两钻孔冒落带距煤层垂直距离:H=35.7 xsin21.83。=13.28m,Hy=30.3 xsin27.42。=13.95m。

　　由上述计算结果可知，冒落带发育高度实际值约为13.95m。

　　结合上述冒落带与导水裂隙带测量数据分析结果，利用水文地质比拟法进行涌水量预测计算，如式(1)所示:Q=KP.(1)式中:Q为矿井涌水量;P为同时期内矿井开采量，K为裂采比拟系数。计算可得结论如下:该煤矿正常生产情况下，15#煤层产量为每小时90万t，此时矿井平均涌水量预测值为单位时间10.13 m3，最大涌水量预测值为单位时间12.96m3。

　　5结语

　　煤矿安全生产是一项十分核心工作内容，然而诸如含水层、老窖水和采空区积水等水源会给其构成严重影响。根据统计表明，在煤矿井下水灾害事故发生频率仅低于瓦斯爆炸与顶板塌陷事故，而因水灾害事故导致的伤亡人数大于瓦斯或顶板事故。本文对某煤矿充水因素进行分析，并对涌水量作出合理预测，对矿井安全生产具有重要意义。

　　参考文献

　　[1]郝永艳.沙坪煤业矿井充水因素及涌水量分析[J].华北自然资源，2021(2):21-23.

　　[2]李霞.新工煤业水文地质条件及矿井充水因素评价[J].华北自然资源,2022(2):14-16.

　　[3]肖家乐，徐家杰，薛鲲.薛湖煤矿矿井充水主控因素与矿井涌水量预测研究[J].能源与环保，2022(8):308-314.