1.矿井涌水的时间特征
全局10个生产矿井总涌水量为398m3/min(1981年8月),尚不包括被淹的演马庄矿(水量为123m3/min)及地方矿井在内。
矿井涌水量与矿床水文地质边界条件、构造破碎程度、开采的煤层、开采深度和开采的时间有关。各矿井涌水量差别很大,介于3.5~123m3/min,涌水量的变化一般可分为如下3个阶段。
(1)建井时间
以井筒开凿冲积层水及二叠纪砂岩裂隙为主,其中冲积层涌水量可达16m3/min,砂岩涌水量1~2m3/min,经井筒注浆处理,一般剩余水量1m3/min。井底车场开凿时水量为2~3m3/min。建井时期,矿井排防水能力小,地区范围小,防灾能力弱,因此井筒位置选择在含水性弱的岩层中,避开流砂层、断层和石灰岩突水,以保障基建正常进行。同时要建设可靠的排防水能力,巩固井下生产阵地。中马村矿井筒位于断层带,在排防水能力不足的情况下,把临时水仓巷道掘进到距“八灰”只6 m处,而承受25.9kg/cm2水压,结果发生突水105m3/min,造成淹井事故。
(2)开拓初期
本区大煤至八灰间距为20~40m,承受水压20~30kg/cm2,每米岩柱承受水压0.5~1.5kg/cm2,大部分处在可能突水状况下。因此,必须排水以降低八灰含水层水压,达到安全水头值。随着巷道的掘进,直接揭开八灰含水层而遇断层八灰水突水,矿井涌水量以八灰水为主,水量达30~80m3/min,使水位大幅度下降。个别地区大煤至八灰之间隔水层厚,构造简单,利用隔水层可以保护矿井较长时间涌水量较小(5m3/min以下)。
(3)开采后期
开采后期由于扩展至井田边界,或水平延深至开采石炭系的“二煤”,水文地质条件更为复杂,其特征是:
1)进入构造复杂区。通过断层时,发生“L2”或O2水强烈突出,如冯营矿13011工作面突水量103m3/min,王封矿117地区突水量52m3/min。
2)开采二水平时,一水平的水量向深部转移。如演马矿西部涌水量54~66m3/min,当二水平开拓时,出水量40m3/min,使一水平水量减少65%。
3)突水点向补给水量方向转移。如演马矿F3断层为补给水源处,1961年10月101工作面突水15m3/min;在F3断层尖灭处,1964年9月,12121工作面突水89m3/min,101工作面水量消失。1966年12月,西大巷出水58m3/min,12121工作面水量减少为22m3/min。1977年8月14日,1441工作面直接遇F3断层突水120m3/min。以上突水点水量大量减少,突水点不断向F3断层发展,新点突水,老点减少。
4)开采二煤时,矿井涌水量增加30~50m3/min,此时L5与L2含水层水直接涌入矿井,这两个含水层水位也明显下降。
矿井涌水量动态,除上述与开采条件有关的变化趋势之外,还有如下特点:① 水量动态季节性变化较小,年变化幅度为1.05~1.3 倍;② 水量的变化明显受突水波动,呈阶梯式增长,水量跳升后,一般较快平稳;③ 水量总趋势是增长的;④ 在不揭露新水源的条件下,突水点会增加或转移,但总水量不变。
上述特征说明了本区区域地下水补给来源充沛,水量有充分的调节平衡作用,处于动态平稳,不易疏干。
2.矿井涌水的边界特征
一个矿井的涌水量大小主要取决于矿床进水边界条件。根据焦作各矿井水文地质特征,井田进水边界条件有以下三种类型:
1)强补给边界,即水平或垂直方向,有强含水层补给(含水砂砾层和岩溶石灰岩)。而接受补给的含水层也为强含水层,如演马庄矿浅部煤层露头为含水砂砾层覆盖,奥灰和石炭纪石灰岩层在这一地带与砂砾层相互接触,水位趋于一致,矿井排水后,水位保持高水头补给,水力联系密切,同时在深部有北东走向的F3张断裂带,八灰、二灰、奥灰发生水力联系,形成频繁突水,水量较大,致使演马庄矿20多年来矿井涌水量始终保持在30~120m3/min。
2)弱补给边界,即在水平与垂直方向与弱含水层或隔水边界相互接触。如田门井的煤层露头由不含水的冲积层覆盖,煤层底板有40m的完整隔水层分布,深部断层两盘为煤系地层接触的隔水边界,矿井涌水量为4~5m3/min。
3)局部强补给边界,即井田边界局部沿水平或垂直方向有强含水层补给,但被补给的含水层含水性弱,也不利于地下水补给。如中马矿,主要地下水补给来源为浅部李河断层的一部分,深部九里山断层落差大(300m),奥灰与煤系接触。深部石灰岩裂隙性小,不构成强补给边界,矿井排水后,九里山断层两盘水位相差200 多米,矿井涌水量80~40m3/min。
3.矿井突水的特征
矿井突水是本煤田矿床水文地质中最突出的问题,威胁着矿井的安全生产。据不完全统计(表1-7),截至1981年共发生突水事故707次,其中突水量大于1m3/min的次数占51%,大于30m3/min的有13次,大于100m3/min有5次,最大突水量为240m3/min(演马庄矿)。平均每年突水20~30次,一般开拓进尺高年份(如1958,1962~1965,1977~1978年)突水较多,每年有30~40次。1973年以后,由于开拓石炭纪二煤及水平延深,突水的频率和强度都增加了。
表1-7 突水量分类统计表
发生突水的水源以大煤底板的“八灰”为主,突水253次,占36%。而顶板砂岩水及井筒冲积层突水占40%,突水量小。钻孔及小煤窑出水占13%。大煤底板突水是距大煤20~40m的八灰水,通过岩层破裂带,以及在采矿的诱发下而突破底板发生突水的。
(1)突水的前兆特征
突水的过程一般是有前兆的,概括有以下几种:① 底鼓,如中马村矿临时水仓-163m处,3月27日7点忽听“呼”一响,距工作面2~3m处底鼓,高约1m,向外冒水,涌水量0.67m3/min,12点3分,“崩”的一响,涌出大量黄水,涌水量105m3/min;② 工作面发潮淋水,如演马庄矿二1轨道,1979年3月8日掘进发现岩层变软;3月9日14点30分,发现工作面有两个巴掌大一片继续出水,14点45分,岩壁流水,并有“咕咚”声音,15点10分涌水量138m3/min,15点40分涌水量240m3/min;③ 工作面发凉,如演马庄矿1441工作面,1977年8月20日突水120m3/min,突水前1~2天工人干活感到身上发凉。此外,在工作面地压加大,断梁折柱,片帮,岩层的裂隙密度增大,裂隙面呈现红色水锈,岩层产状变化,出现断层,煤层的瓦斯含量突然下降等现象也是出水的预兆。
底板突水的机理是底板隔水岩层的厚度与承受水压密切相关,矿压是触发因素。焦作矿区临界突水系数(水压与隔水层厚度比)的经验值为0.5(大部分为断层破碎带)。底板突水是一种水位能的释放,其突水量的变化与突水岩层结构有关,可划分为三类:
第一类:强烈突水型。发生突水时,水量很快到达最大值然后平稳下降,多发生在坚硬地层,距离水源近,位于断层带。如演马庄矿二1轨道突水,发现突水前兆(有淋水),大约20~30分钟后,水量便突增至240m3/min。
第二类:跳跃型。水量由小到大呈突然跳跃式增加,其频率与强度愈来愈大,多发生在断层带,距离水源稍远,过水通道在不断扩大。如冯营矿13011工作面,开始出水1m3/min,持续一天后,增加到15~85m3/min;又经过30小时,突增到89m3/min以上,造成淹井。这种类型出水很危险,开始使人麻痹,因此我们总结为:“不怕大,就怕跳”。
第三类:缓慢型。在含水层中掘进或底板岩层普遍破碎,水量逐渐随揭露面积而增大,而后随影响半径扩展到边界,达到水量稳定或因补给条件不足而逐渐减少和疏干。如王封矿 117 号地区,为底板破碎地带,大面积出水,如同开水翻滚,水量保持在15m3/min。
突水最大水量中包括有动水量和部分静水量。根据本矿区实测资料,稳定水量为最大水量的50%~70%,个别达80%。
(2)突水点分布的空间特征
突水点在空间的分布有一定的规律,突水点、突水带和突水区往往与断裂(特别是张性断裂)展布有关。本区可划分出以下几种类型:
1)背斜轴部裂隙密集带。本区煤层在走向(N60°E)存在缓波状褶曲,约4~5km间距出现一个背斜轴。该区小构造多,裂隙密度高,往往发生突水。如王封矿西部、马村井、演马矿西部。
2)北西西向张裂带。北西西向张裂带往往为小型地堑,呈平行等距排列,间距约600~800m,往往出现成组的突水带,如焦西矿二煤区突水点,分布在该张裂带,突水频繁。
3)沿煤层走向北东向横张裂带。如李封矿二煤区一组突水点,分布在N60°E,其西部为一条N60°E的张性断层。我们选择在突水点与小背斜交叉点上注浆堵水,结果很快全段水量堵死。
4)沿大断层附近的“入”字形小断裂。突水点往往成串出现。如李封矿季塔掌二煤区北东向的凤凰岭断层,出现4条互相平行等距(约120m)的“入”字形断层,突水点在该断层两侧成群出现。
5)二条较大断层相互对扭地段,即扭张破碎带。如中马村矿西南段李河断层为北升南降,东端李庄断层为北降南升,形成对扭状态,使这一地段小构造密集,突水频繁,地下水不易疏干。
6)断层交叉处。如演马庄矿西部F3断层,为北东走向断层与东西方向三条小断层相交,相交地带分别出现突水点,1441 出水120m3/min,西大巷突水57m3/min,12121出水89m3/min。
7)断层的尖灭地带。如演马庄矿101工作面,突水点位于F4断层的尖灭部位,突水量15m3/min。
8)正断层的上盘(主动盘)。矿区大部分突水发生在这一地段,如冯营1301突水84m3/min。
总之,突水点的展布与断层线有关。构造线密集地区、构造富水区,突水的点、线、面有规律组合。
突水点的迁移现象很普遍,其规律是新突水点出现后,老突水点水量减少或消失。另一重要特征是,突水点向补给水源方向转移,如演马庄矿一水平突水点,分布在F3断层附近,突水点由远到近逼近水源(101点出水15m3/min;1212点出水89m3/min;西大巷点出水53m3/min;1441点出水120m3/min),而且水点之间水力联系密切。新突水点出水后,老水点水量明显减小,说明补给水源是共同的,直到暴露F3为一条富水的垂直补给通道。目前,经过对该断层截流注浆,已使矿井总水量由90m3/min减至71m3/min,证实了水点迁移向水源逼近的判断。