鶴壁礦區(qū)奧灰水水害分析和防治對策

王進尚，胡耀青，韓德虎，邵繼喜，姚 銳

（太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024）

鶴壁礦區(qū)奧灰水水害分析和防治對策

王進尚，胡耀青，韓德虎，邵繼喜，姚 銳

（太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024）

奧灰水水害是礦井建設(shè)與生產(chǎn)中的自然水害之一。如果防治不到位而發(fā)生突水事故，不僅會影響正常生產(chǎn)，還會造成財產(chǎn)損失和人員傷亡，危害十分嚴重。本文分析了鶴壁礦區(qū)奧灰水水害原因，總結(jié)了其治理水害的主要經(jīng)驗，并提出了針對性的防治措施。

鶴壁礦區(qū)；奧灰水；防治水害

鶴壁礦區(qū)位于太行山東麓、新化夏系太行隆行起帶之南端，西依太行山區(qū)，東為華北沉降帶，北鄰峰峰礦區(qū)，南鄰焦作礦區(qū)。煤田近南北向展布，含煤地層為石巖系。地層走向大致近南北，向東傾斜，宏觀為一單斜構(gòu)造。煤層傾角一般為20°，局部可達50°。礦區(qū)溝嶺縱橫，易受大氣降水入滲補給，形成豐富的巖溶地下水。礦區(qū)水文地質(zhì)單元邊界北到漳河與峰峰礦區(qū)南單元相接，南到淇河，西起林州市林濾山一線，東至煤系地層。單元總面積為2125 km2，其中，寒陶系地層出露面積為1223 km2。寒武奧陶系主要以碳酸鹽巖組成，厚度近千米。寒武奧陶系石灰?guī)r大面積廣泛出露，有利于大氣降水補給，灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，地下水動、靜儲量豐富。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層裂隙發(fā)育，喜山期構(gòu)造運動強烈，造成奧灰地下水循環(huán)深度大、巖溶裂隙發(fā)育度大。斷裂帶常常是奧灰水的富水帶和徑流帶，當(dāng)開采遇到落差大的斷層或?qū)萋渲鶗r，奧灰水就有可能進入礦井，造成淹井事故，歷史上鶴壁礦區(qū)曾經(jīng)發(fā)生過7次奧灰水事故，帶來巨大的損失。

1 奧灰水水害的原因分析

煤層底板突水是復(fù)雜地質(zhì)及采動影響產(chǎn)生的現(xiàn)象，是煤層下伏承壓水沖破底板隔水層的阻隔，以緩發(fā)、突發(fā)、滯發(fā)的形式進入工作面，造成淹井自然災(zāi)害或礦井涌水量增大。奧陶紀(jì)灰?guī)r含水層突水主要是在煤層采動過程中，影響到底板中的含水層，從而引發(fā)的水災(zāi)害。影響煤層底板奧灰水水害的因素是多方面的：

1）從煤的成因分析。煤層一般是在陸地和海洋的交匯處，在一定的環(huán)境影響下形成的。煤層形成的這種特點是嚴重受到海水落潮和漲潮的影響，煤層會直接覆蓋到灰?guī)r上面，且煤層厚度較小，水就很容易進入孔隙或裂隙中，進而形成較大的含水層。如果含水層形成后，由于地質(zhì)變動和沉積的作用，它會受到上覆巖層的擠壓，導(dǎo)致水層下面孔隙和裂隙被壓實而閉合，在長時間內(nèi)會處于平衡狀態(tài)。這種平衡受到開拓、掘進、回采等采動影響，會使含水層上下原有的孔隙或裂隙張開增大，甚至形成新的孔隙或裂隙通道，從而導(dǎo)致煤層和含水層之間形成漏水通道，發(fā)生透水事故。

2）從地質(zhì)構(gòu)造分析。當(dāng)煤層下伏含水層中水的壓力大和水位標(biāo)高超過煤層底板標(biāo)高時，該煤層在開采過程為帶壓開采煤層；如果水壓過大，超過了底板隔水層的極限或有其它誘發(fā)導(dǎo)水因素時，開采中就很容易發(fā)生突水。地質(zhì)構(gòu)造，尤其是斷層，是造成煤層底板奧灰水突水的主要原因之一。鶴壁礦區(qū)的斷層絕大部分為壓扭性正斷層，走向為北東或北東西，較具規(guī)模的斷層有 F308、F40、F3、F100、F153、F159等，每次突水都與斷層有關(guān)。斷層提供了底板奧灰水突水的通道，并且破壞了底板巖層的完整性，降低了巖體的強度。如果斷層破碎帶或斷層影響帶為充水或?qū)畼?gòu)造，減少了隔水層的有效厚度，當(dāng)工作面揭露到斷層時即會發(fā)生突水。

3）從含水層的富水性分析。巖溶含水層的富水條件是底板突水的基本因素。奧陶系石灰?guī)r為含水豐富的高壓含水層，其富水性決定底板突水的水量大小和突水點是否能持久涌水的基本條件。一般來說，可溶性巖層富水性較其他巖好，在斷裂附近的補給區(qū)巖溶地層的含水性好。由于各含水層的巖溶發(fā)育的不均勻性及同一含水層的不同地帶的巖溶發(fā)育程度不同，造成突水災(zāi)害的差異也會較大。水源是突水的前提條件，水量是突水的物質(zhì)基礎(chǔ)；水量越豐富，突水量越大，危害性也大。鶴壁礦區(qū)奧灰含水層，富水性較強，對各礦均有一定的威脅，一旦發(fā)生突水將會產(chǎn)生災(zāi)難性后果。

4）從含水層的水頭壓力分析。如果只有水源，而水壓很小，在有一定厚度隔水層的條件下，一般不會發(fā)生底板突水事故，即使有少量涌水，也不會造成底板突水災(zāi)害。鶴壁礦區(qū)的水壓較高，水壓是引發(fā)該礦區(qū)突水的主要作用力之一，它的大小決定著底板是否發(fā)生突水。一般水壓高，突水幾率就高。煤層底板承壓含水層的水壓越高，越容易克服上覆隔水層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面(裂隙、斷裂等)阻力和面上的摩擦力，使承壓水的位能變?yōu)閯幽?，加速承壓水滲流場的運動，并沿著薄弱結(jié)構(gòu)面上升，成為底板突水的動力源之一。

5）從隔水層的厚度分析。隔水巖層厚度、巖性及其組合對底板突水起著重要的作用。隔水層厚度越大，抵抗水壓、礦壓破壞的能力越強，隔水層的阻水能力就越好。在隔水層厚度相同的情況下，不同巖性組合的抵抗水壓能力是不同的。堅硬性脆的巖層，在礦山壓力的作用下雖易產(chǎn)生裂隙，但不容易被水沖刷擴大。軟巖層，受力后易發(fā)生塑性變形，不易形成裂隙；即使形成裂隙，因破裂結(jié)構(gòu)面碎屑物較多，裂隙的透水性也較差，但裂隙易被高壓水流沖刷擴大。因此，在正常地質(zhì)條件下，底板隔水層厚度越大的地段，突水的可能性越?。环粗?，厚度越小，突水幾率越大。

6）從礦山壓力作用分析。礦壓對煤層底板突水起著誘導(dǎo)和觸發(fā)作用，尤其煤層底板存在斷裂構(gòu)造時，這種作用更加明顯。采掘之前，煤層及巖體處于自然平衡狀態(tài)。當(dāng)工作面從切眼開始回采之后，采面圍巖體的應(yīng)力將發(fā)生變化。隨著工作面的推進，煤層底板前方處于支撐壓力作用下而受到壓縮。工作面過后，應(yīng)力釋放，底板處于膨脹狀態(tài)。隨著頂板的冒落，采空區(qū)冒落矸石的壓實，工作面后方一定距離的底板又恢復(fù)到一種巖應(yīng)力狀態(tài)。在此反復(fù)周期性運動條件下，裂隙會逐漸發(fā)育，裂隙將會削弱底板的隔水性能，只要與奧灰承壓水相溝通，奧灰承壓水就會對裂隙起到?jīng)_刷擴徑作用，形成強滲通道。由于在天然條件下水壓的作用與經(jīng)過原生構(gòu)造破壞后的隔水層的阻水能力已大體上處于相對平衡狀態(tài)，一旦加上礦壓的破壞作用，相對平衡狀態(tài)遭到破壞，會使底板突水、隨之發(fā)生奧灰水沿著通道進入礦井，造成底板突水事故。

7）從地應(yīng)力作用分析。地應(yīng)力是底板突水的附加力源。這里所指的地應(yīng)力主要是區(qū)域性的三維應(yīng)力。導(dǎo)致突水的附加力源，側(cè)重于構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力是地殼中巖層發(fā)生斷裂和褶皺作用的主要驅(qū)動力。古構(gòu)造應(yīng)力場及其更迭形成了各煤田的基本構(gòu)造格局，新構(gòu)造應(yīng)力場迭加其上，對其進行改造并形成新的構(gòu)造。在應(yīng)力集中區(qū)，地應(yīng)力加劇了煤層底板的變形和破壞，成為導(dǎo)致煤層底板突水的附加力源。

8）小煤礦亂采濫挖引發(fā)突水。鶴壁礦區(qū)曾發(fā)生7次奧灰突水中，有6次為煤礦亂采濫挖引發(fā)奧灰突水。由于小煤礦在該礦區(qū)井田內(nèi)或相鄰，小煤礦越界開采與大煤礦溝通，小礦發(fā)生突水禍及大礦，造成災(zāi)害擴大。

以上幾個方面是影響底板突水的主要因素，這些因素并不一定同時作用于每一個突水點，更不可能起同等重要的作用。煤層底板下的承壓含水層的存在是突水的物質(zhì)基礎(chǔ)，水壓與礦壓是底板突水力源，地應(yīng)力是底板突水的附加力源。隔水層則是底板突水的抑制條件，其抑制能力取決于隔水層強度、厚度及組合關(guān)系。

2 奧灰水水害的防治對策

防治水害工作是煤礦生產(chǎn)管理中的一項十分重要的工作。針對存在水患礦井，必須堅持“預(yù)測預(yù)報、疑必探、先探后掘、先治后采”的原則進行探水；如果治理不到位而發(fā)生突水事故，輕者淹井停產(chǎn)，重者礦毀人亡。因此，必須加強煤礦防治水害工作，采取有效措施。鶴壁礦區(qū)根據(jù)影響底板突水的主要因素，有的放矢地采取相應(yīng)防治措施，以防堵相結(jié)合做到防患于未然。

2.1 綜合探查，查清水文地質(zhì)條件

1）探索礦區(qū)主要含水層地下的水質(zhì)、水化學(xué)特征及同位素，建立各含水層水質(zhì)判別模型。當(dāng)?shù)V井發(fā)生出水時，能迅速判明水源。

2）在礦井地面采用三維地震勘探、超前鉆探、水文地質(zhì)試驗分析等技術(shù)手段，遵循物探為先導(dǎo)，鉆探來驗證，化探作補充。對斷層、異常構(gòu)造帶、工作面底板富水區(qū)有一個全局的把握，弄清楚各礦井水文地質(zhì)條件，查明落差大于20m的斷層位置、導(dǎo)水性和產(chǎn)狀，了解奧灰到開采煤層的間距和變化，弄清楚奧灰與含水層的水力聯(lián)系。

3）進行區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查，劃分水文單元，以認識礦區(qū)地下水補給徑流和排泄規(guī)律。

2.2 井下防水煤柱留設(shè)

在含水層、承壓含水層上或?qū)當(dāng)鄬痈浇删驎r，為防止地表水或地下水進入工作地點，需要留出一定寬度或高度的煤層不采動。這部分煤層稱為隔水煤柱或防水煤柱。在水體下采煤時，開采上界防水煤柱尺寸一般由導(dǎo)水裂隙帶最大垂高與保護層厚度兩部分組成。因而，確定合理的導(dǎo)水裂隙帶高度和保護層厚度是關(guān)鍵所在。防水煤柱一般不能再利用，因此要在安全可靠的基礎(chǔ)上把煤柱的寬度或高度降低到最低限度，以提高資源利用率。鶴壁礦區(qū)在查明斷層的基礎(chǔ)上，對礦區(qū)較大規(guī)模的斷層（落差大于100 m），規(guī)定防水煤柱界線，在防水煤柱內(nèi)不準(zhǔn)進行任何采掘活動；對中等規(guī)模的斷層（落差為30 m～100 m），防水煤柱在水平開拓設(shè)計中要明確規(guī)定；對落差小于30 m的斷層是否留設(shè)防水煤柱在采區(qū)設(shè)計中要明確。井下防水煤柱留設(shè)是十分必要的；若不留設(shè)煤柱，礦壓可能引發(fā)底板奧灰突水。

2.3 注漿封堵技術(shù)

注漿堵水是將堵水材料制成的漿液壓入巖層預(yù)定地點，并使?jié){液擴散、凝固，從而達到堵塞空隙、隔絕水源，增大巖層整體強度的目的。它是礦井水害防治的有效方法之一，具有減小礦井排水負擔(dān)、節(jié)約排水用電、降低噸煤成本、提高質(zhì)量和工效、加固井巷薄弱地段、減少突水機率、延長礦井服務(wù)年限等明顯優(yōu)點。鶴壁礦區(qū)奧灰水量大、水壓高、來源充沛、不易疏干，一旦發(fā)生突水，必須進行封堵。采用地面打鉆注漿切斷突水水源、封堵突水點是很有效的方法。鶴壁礦區(qū)7次突水都采用注漿封堵技術(shù)，都取得了良好的效果。

2.4 加強小煤礦的管理

對小煤窯的審批、開采進行嚴格管理，完善開采資料，最大限度地限制超層越界開采，加大監(jiān)管、處罰、關(guān)閉力度，建立提供實際開采圖紙制度，并落實到位。這也是重要的一項措施。

3 結(jié)束語

鶴壁礦區(qū)勘探、開采的歷史經(jīng)驗教訓(xùn)證明，奧灰水含水量大，補給充沛，一旦發(fā)生突水災(zāi)害，后果十分嚴重；奧灰?guī)r溶裂隙發(fā)育，地下水循環(huán)深度大，隨著開采深度的加大，水壓升高，防治難度更大；地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育，是引發(fā)奧灰水的主要因素。因此，奧灰水過去和未來都是開采煤炭的巨大威脅，我們要堅持“有疑必探、先探后掘”的探放水原則，采取“查清條件，預(yù)防為主，防堵結(jié)合”的防治水措施，加大防治水工程投入，煤礦水害是可以避免的，水害損失也是可以減小的。

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Analysis and Treatment of Ordovician Period Limestone Water Disaster in Hebi Mine

WANG Jin-shang,HU Yao-qing;HAN De-hu,SHAO Ji-xi,YAO Rui
(Mining Technology Institute,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024，China)

Ordovician Period limestone water is one of natural disasters existing in the construction and production of mines.If the disaster happens due to lack of treatment,it not only affects normal production,but also results in property losses and serious casualties.The paper studies the reasons of Ordovician Period limestone water,summarizes the experiences in the treatment,and advances some corresponding precautionary measures.

Hebi Mine;Ordovician Period limestone water;water disaster treatment

P641.4+3

A

1672-5050（2011）03-0024-04

2010-10-13

王進尚（1979—），男，河南滑縣人，在讀碩士研究生，主要從事煤礦防治水及特殊條件下開采方法研究。

徐樹文