11103工作面探放水及水源分析

杨 怡

（山西汾西矿业集团孝义公司，山西 孝义 032300）

在煤矿开采过程中，存在地质勘探资料与实际矿井水文地质情况有差异，如在预测开采区域水文地质和充水因素及涌水量时就需要全面收集矿井相关的地质、水文地质资料，进一步从定性和定量两个方面分析比对现有资料，切实作好各种水害分析监测、诊断排查，构建适宜的安全预控体系，有针对性的对矿井、采区、工作面涌水量开展超前治理，避免水灾事故的发生。

1 工作面概况

1.1 基本情况

11103工作面走向长960 m，倾斜长175 m。采用臂式采煤方法开采石炭系太原组10+11号煤层，煤层平均厚度7.85 m，煤层含2-4层夹矸。工作面整体呈向斜构造，轴部位于工作面中部，两翼倾角约6°。西部有相邻矿井已回采的9号煤层工作面，与11103工作面之间有落差为12.5 m的正断层；东部为采区大巷，并且有落差为50 m、6 m的两条正断层；南、北暂未布置工作面。

1.2 含水层

根据本矿及邻近矿井的勘探和生产揭露，区域内主要含水层为：

第四系松散岩类孔隙含水层主要分布在河床及主要沟谷内。由于河谷两岸工业废水或生活污水使得地下水的水质明显变差，水中污染指标即NO-和Cl-离子含量明显偏高。山丘地区的孔隙水是附近居民生活用水的水源之一，其动态较为稳定，水质良好。水化学类型以HCO3—Ca·Mg型为主。

二叠系碎屑岩类裂隙含水层在沟谷地段局部出露，有居民在沟谷凿井取基岩风化带裂隙潜水，并以此作为生活用水供水水源。

石炭系碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层太原组地层在井田内无出露。有K2、K3、K4三层稳定的石灰岩，厚度分别为11.5、5.55、3.78 m，是井田内的主要含水层，富水性普遍较弱，且不均匀，局部构造裂隙相对发育地段富水性稍强。K2为9号煤层的直接顶板，富水性强于K3、K4，K3富水性又相对较强于K4。

奥陶系碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层由于岩溶裂隙发育程度、含水层厚度等水文地质条件的不同，中奥陶统峰峰组和上马家沟组含水层的富水程度有着明显差异，上马家沟组岩溶裂隙水为居民生活用水的主要水源。11103工作面的煤层底板高于奥陶系石灰岩的最高水位，不存在带压开采。

1.3 小窑开采

根据以往资料，工作面范围及邻近共有小窑井筒6个，在矿井建设前均已被黄土充填。工作面内部有2个井筒，未落底到9号煤层，曾开采二叠系山西组的2号煤层。上覆9号煤层厚1.64 m，已被小窑房柱式开采，距10号煤层约1 m。

2 探放水情况

11103工作面在掘进期间已对上覆9号煤层的采空情况进行探查，仅在低洼处曾发现少量的积水。

为验证2号煤层采空的积水情况，在工作面内部的井筒附近及地面瞬变电磁探测异常区设计了9个钻孔。在向斜轴部附近探井筒的钻孔施工过程中，揭露K3石灰岩有出水现象，经多次补充钻探累计向顶板方向施工钻孔31个。其中探到2号煤层钻孔11个，均未发现采空积水。揭露K3、K4石灰岩的钻孔有不同程度的出水，主要的出水钻孔有8个（见表1），累计疏放水量58337 m3。

表1 主要出水钻孔统计表

3 水源分析

为了准确判断水源，矿井在钻孔放水期间对出水钻孔取样化验。同时，收集本矿采空水（1-2号水样）、水源井（10号水样）及相邻矿井工作面生产过程中出水和采空水（3-5号水样），还有水文勘探报告中的含水层（6-9号水样）水样指标。相邻矿井工作面的构造特征与11103工作面相近，其都在同一个向斜的轴部，含水层具有一定的汇水条件。但是，其在回采前未曾对上覆2号煤层采空施工钻孔，未能准确定性出水点的补给水源。

1）收集的各水样中，二叠系砂岩水的pH值最高，属碱性。相邻矿井的11号煤采空水pH值最低，属酸性，而本矿井的9号煤采空水的要相对高一些，应该与煤层中的矿物含量或开采工艺有关。11103工作面的水样水化学类型主要为SO4-Na·Ca型，与相邻矿井的水样特征最为相近，但是还需进一步的判断水源。

2）Piper三线图是水化学领域最常用的分析方法之一，可以直观地看出水样的一般化学性质及各离子的相对含量。11103工作面钻孔与相邻矿井工作面生产过程中出水、长期出水点，还有奥陶系上马家沟组石灰岩水样相近（见图1）。由于工作面不存在带压开采，并且钻孔出水来自煤层的顶板方向，11103工作面的钻孔水可以排除奥陶系灰岩水。此外，钻孔水样明显区别于2号煤层采空水及太原组石灰岩的混合水，可以认为水源为K3石灰岩。

图1 Piper三线图

3）聚类分析可以将研究的水样进行合理的分类，为判别水源分析等提供客观的数学依据。通过SPSS的系统聚类模块对所有水样进行统计分析，将14个水样分了两个大类（见图2）。将太原组灰岩水整体作为一类，然后又对采空水和含水层水进行了分类。从中可以看出11103工作面钻孔与相邻矿井工作面生产过程中出水、长期出水点的水样比较相似，与9号煤采空水、11号煤采空水的相似程度要差一些，与2号煤层采空水的相似程度要更差。

图2 聚类分析结果图

通过上述分析，11103工作面所在区域不受奥陶系石灰岩含水层威胁，钻孔水样的水化学特征区别于2、9、11号煤层采空水。太原组石灰岩的混合水与而二叠系砂岩水比较相似，可能当时采集的水样可能受到了二叠系砂岩水的影响，均区别于11103工作面的钻孔水样。所以，11103工作面的钻孔水应该是受地质构造影响，在向斜轴部K3石灰岩含水层形成的小范围积水。

4 防范措施

受探放水钻孔的影响，工作面涌水量一直稳定杆在12 m3/h左右。矿井为最大限度地增大11103工作面的排水能力，从工作面外侧沿11号煤层底板施工了一条泄水巷，沿向斜轴部与11103工作面最低处贯通。同时，配备了能力大于100 m3/h的排水设施，预防回采到向斜轴部时因涌水量增大影响安全生产。

5 结语

现11103工作面已回采结束，在推进到向斜轴部附近时，未发生涌水量突然增大的现象。29号孔出水量最大，其涌水量稳定在10 m3/h左右，因放水钻孔的施工及足能力的水设施保证了工作面的安全。

通过水化学类型分析、绘制Piper三线图及聚类分析，最终判断11103工作面探放水钻孔出水的水源为K3石灰岩。矿井在水文勘探过程中未能把K2、K3、K4石灰岩的水化学指标逐一收集，由于太原组灰岩的富水性较弱，并且当时采集的水样可能受到了二叠系砂岩水的影响，与实际揭露有一定的差别。通过本次对钻孔水样分析，为矿井今后的水源分析提供了有效的数据支撑。