煤矿开采后对煤系上覆含水层疏干范围的影响研究

煤矿开采后对煤系上覆含水层疏干范围的影响研究

张立伟

黑河市直煤矿驻矿安全监管大队黑龙江省黑河市164300

摘要：文章主要针对某地区煤矿石炭系太原组14、15号煤层开采后对煤系上覆K2、K3、K4灰岩含水层的疏干范围的影响方面进行了详细分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。

关键词：井工开采；地下水；煤矿疏干水；上覆含水层；水位降深

1.井田概况

某地区煤矿石炭系太原组14、15号煤层，开采深度+1359.99~+599.99m。剩余可采区域分为2个盘区开采，其中一盘区面积为2.64km2，涌水量为302m3/d；二盘区面积为3.23km2，涌水量为672m3/d。石炭系太原组14、15号煤层上部发育有K2、K3、K4三层灰岩含水层。K2石灰岩厚3.79~7.06m，平均5.60m；K3石灰岩厚0.19~10.18m，平均4.14m；K4石灰岩厚1.10~3.97m，平均2.96m，K2、K3、K4总厚度M=12.7m，K2、K3、K4均属于承压含水层。含水层含水性微弱，接受大气降水补给条件较差，主要接受河流的侧向补给以及各含水层之间的越流补给，由东南沿倾向西北径流。李雅庄煤矿在水文地质钻孔做过一次抽水试验，抽水层位为石炭系K2、K3、K4灰岩含水层。通过配线法计算得到了这三层含水层的平均渗透系数K、贮水系数μ*和导水系数T。

2.上覆含水层疏干范围计算思路分析

第一，计算出14、15号煤层开采后的冒落带、导水裂隙带高度。第二，15号煤层计算结果小于14、15号煤层的间距时，取14、15号煤层的冒落带、导水裂隙带高度中的最大值为破坏高度；大于14、15号煤层地层的间距时，将14、15号2层煤作为整体综合计算冒落带、导水裂隙带高度。第三，根据计算结果判断含水层的破坏情况。第四，通过抽水试验计算几个含水层的平均渗透系数、贮水系数和导水系数，运用Theis公式计算不同时间、不同地点的水位降深，最终得到疏干影响半径和范围。

3.煤层开采后冒落带、导水裂隙带高度计算

根据该地区煤矿12个地质钻孔资料，14、15号煤层单独开采后的冒落带、导水裂隙带高度见表1和表2。

表1.14号煤层冒落带、导水裂隙带发育高度：

表2.15号煤层冒落带、导水裂隙带发育高度：

由表2计算结果可知，15号煤层冒落带高度为14.2~15.84m，导水裂隙带高度为48.86~53.25m，而14、15号煤层的平均间隔为6.37m，15号煤开采后会将14号煤层的采空区导通，沉降加剧，冒落带、导水裂隙带高度比14、15号煤层单独开采更加发育，因此将14、15号煤层作为整体进行计算，具体数据如表3。

表3.14、15号煤层开采后冒落带、导水裂隙带发育高度：

由表3计算结果可知，14、15号煤层开采后，煤系上覆石炭系K2、K3、K4灰岩含水层将被全部导通，这时将K2、K3、K4概化为一个整体含水层，渗透系数、贮水系数、导水系数均用平均值代替，水位标高为+1451.99~+691.99m。

4.疏干范围的计算

第一阶段为开采14、15号煤一盘区，开采年限为4年，开采面积约为2.64km2，将其概化为半径917m的大井，涌水量为302m3/d。第二阶段为开采14、15号煤二盘区，开采年限为5.3年，加上一采区采空区，总面积约为5.87km2，概化为半径1367m的大井，涌水量为672m3/d。两个阶段主要破坏上覆太原组灰岩裂隙含水层（K2、K3、K4灰岩含水层），平均渗透系数K=0.00189m/d，贮水系数μ=3.4×10-4，导水系数T=0.024m2/d。随着盘区煤层采空，冒落带和导水裂隙带直接将上覆K2、K3、K4灰岩含水层全部导通，矿井排水将这三层含水层疏干。在概化大井的半径范围内不适合应用Theis公式，整个半径范围内水位降深应为开采前K4灰岩含水层的水位标高与15号煤层底板标高的差值。在概化大井半径范围以外的区域[1]，应用Theis公式计算不同地点的水位降深，当水位降深小于20m时，视为地下水水位疏干影响较小区域，见表4。

表4.4年水位降深预测：

由表4计算结果可知，该地区煤矿开采4年时，一盘区全部采空，形成一盘区为中心的降水漏斗，将一盘区采空面积概化成半径917m的大井，概化半径范围内上覆太原组灰岩裂缝含水层（K2、K3、K4灰岩含水层）水位降深为K4灰岩含水层水位标高到15号煤底板标高的距离，约92m，概化半径以外区域用承压水的非稳定流Theis公式计算，在半径r=1900m时，水位降深为16m，所以将此时的影响范围定为该煤矿开采4年时对地下水的影响范围，面积为11.34km2，如表5所示。该煤矿开采9.3年时一、二盘区全部采空，采空区面积约5.87km2。将其概化为半径为1367m的大井。概化半径内水位降深为92m；概化半径以外区域随着距离的增加[2]，水位降深越来越小，在半径r=2300m时，水位降深为13m，将此时影响范围作为该煤矿开采9.3年时对地下水的影响范围，影响面积为16.61km2。

表5.9.3年水位降深预测：

结论

文章以某地区煤矿为例，通过冒落带、导水裂隙带高度的计算，判断了煤层开采后受破坏的含水层（K2、K3、K4），将这三层灰岩含水层概化为一层含水层，渗透系数和贮水系数用它们的等效渗透系数、贮水系数代替，且整个井田范围内水文地质参数简化为单一的。将整个采区概化为一个大井，应用非稳定流承压水的Theis公式计算了4年、9.3年后K2、K3、K4灰岩含水层的疏干半径和范围，为李雅庄煤矿的水害防治提供基础[3]。

参考文献：

[1]邓强伟，张永波.大恒煤矿开采对地下水疏干的影响[J].水土保持通报，2017，34（06）：123-125.

[2]邓强伟.朔州平鲁区大恒煤业有限公司煤矿开采对地下水影响的数值模拟研究[D].太原理工大学，2018.

[3]安瑞瑞.正明煤矿开采对岩溶地下水环境影响数值模拟研究[D].太原理工大学，2018.