元氏煤礦下組煤開采的可行性及防治水措施的探討

郭英杰， 齊廣新

(井陘礦務(wù)局元氏礦，河北井陘051134)

元氏煤礦為太行山東麓平原隱伏型石碳－二疊系煤系，礦井主要可采煤層為2#、9#煤等五層，按礦井初設(shè)先期開采礦井南翼院家村區(qū)2#煤，2010年后按順序開采下組8#、9#煤.據(jù)目前開采現(xiàn)狀，礦井地質(zhì)條件復(fù)雜，2#原煤灰份高，經(jīng)濟(jì)效益差.下組煤煤層厚、煤質(zhì)好，但影響其開采的主要問題是礦井地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層受奧灰水威脅、水壓高，可能因此而引發(fā)突水，造成淹井.為此，在整理現(xiàn)有勘探資料基礎(chǔ)上，就下組煤開采可行性及其安全開采防治水措施進(jìn)行初步討論.

1 區(qū)域及井田水文地質(zhì)概況

元氏水文地質(zhì)屬邯邢水文地質(zhì)北單元的臨城單元之元北亞區(qū).元北亞區(qū)基本上是一個邊界清楚、四周封閉，宏觀上西部補(bǔ)給、向東涇流，經(jīng)東部邊界斷層由奧灰頂托補(bǔ)給第三系灰質(zhì)礫巖，并經(jīng)其流出區(qū)外，而地表無自然排泄點(diǎn)的承壓水自流域.單元南北長27 km，東西均寬7.88 km，面積196.7 km2.其中出露在西部的寒武系鮞狀灰?guī)r零星露頭面積0.31 km2，直接覆蓋于新生界之下寒武－奧陶系灰?guī)r地層潛露頭面積1.41 km2，其灰?guī)r裸露總面積1.72 km2，天然補(bǔ)給量0.001 53～0.017 m3/s，地下水在西及西南部接受補(bǔ)給后由西向東和由南向北緩慢經(jīng)流，水力梯度東西為0.003 4，南北為0.000 59.單元內(nèi)奧灰頂埋深:西部200 m，東部達(dá)1 000 m以上.

區(qū)內(nèi)主要含水層為寒武－中奧陶灰?guī)r巖溶含水層和第三系灰質(zhì)礫巖含水層.其中奧陶系含水層為礦井主要充水巖層.據(jù)鉆孔揭露，其內(nèi)巖溶發(fā)育不均一、富水性差異大，單位涌水量 0.001 L/s.m、1.809 L/s.m，凈水位標(biāo)高 +54 ～ +62，水力坡度7～8‰，水質(zhì)井田外圍HCO3－Ca型，井田內(nèi)為HCO3－K·Na型.

此外，精查報告中述及大青、中青、伏青、煤層頂板砂巖裂隙水、第四系丁礫、中砂、底粘土等七個含水層均水量甚微或遠(yuǎn)離煤層，對礦井影響很小，至于本溪組“厚灰”，由于本身薄(5.5 m)，正常情況下含水量不大，屬含水性弱的承壓裂隙含水層，但由于斷層切錯，其往往與奧灰水發(fā)生水力聯(lián)系，共同威脅礦井開采.

2 巖溶水發(fā)育規(guī)律

據(jù)鉆孔統(tǒng)計及區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查，元氏煤田巖溶發(fā)育與奧灰埋深關(guān)系密切，平面分布差異性大，其發(fā)育規(guī)律是:

1)巖溶發(fā)育常分布在井田外圍灰?guī)r埋藏較淺處，其特點(diǎn)是:(1)奧灰埋深－100以上，漏水孔少，裂隙率小.;(2)－100～－350為巖溶發(fā)育峰值區(qū)間，漏水孔多、裂隙率大、單位涌水量大;(3)－350以深，漏水孔少、溶孔多被泥質(zhì)充填，裂隙率小，單位涌水量小.

2)灰?guī)r直接為第三系、第四系覆蓋區(qū)巖溶發(fā)育.

3)井田內(nèi)外水文地質(zhì)條件差異性明顯.平面上，井田外圍富水性強(qiáng)，斷裂導(dǎo)水，水文地質(zhì)類型為三類三型，巖溶多在井田南部邊緣及西部邊界斷層附近集中發(fā)育，且多發(fā)生在－350以淺，但對個別較大邊界斷層，由于斷層帶寬且裂隙發(fā)育，巖溶發(fā)育局部深度較大，如院家村南二采區(qū)邊緣水6孔，在深達(dá)708 m(－642.61 m)處仍發(fā)生漏水，因其位于F23斷層帶所致.井田內(nèi)奧灰埋深大，水壓高，但含水性弱，揭露奧灰孔多不漏水，如離水6孔290 m遠(yuǎn)的15號孔揭露奧灰50 m(－623 m)，離水6孔800 m遠(yuǎn)的水9揭露奧灰101.6 m均未發(fā)生漏水，斷層導(dǎo)水性差，其水文類型為三類二型.

3 下組煤帶壓開采的可行性

3.1 開采水壓分析

元北亞區(qū)天然補(bǔ)給量0.017 m3/s，而井陘水文單元天然補(bǔ)給量10.91 m3/s，臨城1.016 m3/s，下組煤9#煤元北井田承壓16－75.5 kg/cm2，井陘9#煤(5層煤)承壓8－50 kg/cm2，臨城9#煤承壓12.3－30 kg/cm2，因而元北井田與臨城、井陘相比，雖然水壓較高，但奧灰含水層富水程度弱，補(bǔ)給條件差，是井田開采下組煤的有利條件.

3.2 斷層導(dǎo)水性

據(jù)開采資料，斷裂構(gòu)造是誘發(fā)礦井突水的主要因素，元氏煤礦斷裂構(gòu)造發(fā)育，給礦井防治水工作帶來了一定難度，但井田內(nèi)奧灰埋深多在－500以深，井田內(nèi)揭露O2孔多不漏水，巖溶發(fā)育程度差，斷層導(dǎo)水性弱，如水4孔F25(落差100 m)斷層帶抽水，斷層帶厚19.08 m，S=59.73 m，q=0.002 14 L/s·m，含水微弱，但是隨著煤層開采，井田內(nèi)這種平衡格局將被打破，原來不導(dǎo)水?dāng)鄬右嗫赡軐?dǎo)水，因此礦井開采中，在防治奧灰底板突水的同時，要把斷層作為防治水重點(diǎn)，只要采取一定的措施，防治斷層突水是可能的.

3.3 大青灰?guī)r突水程度差

元氏礦大青灰?guī)r(8號煤頂板)灰?guī)r厚3.4～4.5 m，并夾2～3層薄層泥巖，勘探中未發(fā)現(xiàn)漏水孔，其單位漏水量q=0.007 14 L/s·m－0.004 29 L/s·m，突水性極弱，不存在疏干大青灰?guī)r水問題.

3.4 隔水層厚度及巖性組合

據(jù)鉆孔統(tǒng)計資料，9#煤層至奧灰隔水層底板厚度院家村區(qū)平均48.18 m，馬村區(qū)49.72 m，全井田平均48.95 m，比井陘薄1.55 m(50.5 m)，比臨城厚15.45 m(33.5 m)，從厚薄上看有南薄北厚之規(guī)律，其巖溶性組合，9#煤至奧灰間砂巖0－3層，均厚6.59 m，占有3.48%，且砂巖集中在煤層底板附近;粘土巖均厚35.5 m，占71.93%，“厚灰”均厚4.98 m，上距9#煤36.38 m，下距奧灰7.23 m，其巖溶性組合，元氏、井陘、臨城三個井田基本相同.

3.5 隔水層阻隔水水能力

對底板隔水層阻水能力，水文地質(zhì)規(guī)程以P/m值來衡量，其物理意義代表著底板巖層單位厚度的抗水壓能力，即突水系數(shù)臨界值，據(jù)龐陰恒師傅對井陘礦區(qū)統(tǒng)計資料，該值隨開采深度增加而明顯加大，埋深200 m時為0.1 kg/cm2·m，350 m時為0.5 kg/cm2·m，以下為 0.8 kg/cm2·m，500 m左右上升到1.5 kg/cm2·m，元氏煤礦底板隔水層厚度48.95 m，－500水平9#煤承壓15～55 kg/cm2，其中P/m值為0.31～1.12，依據(jù)井陘500 m埋深為1.5 m衡量，帶壓開采是可行的.

此外，據(jù)勘查資料，9#煤底板鋁土質(zhì)粉砂巖抗壓強(qiáng)度525 kg/cm2，抗拉強(qiáng)度56.5 kg/cm2，其下細(xì)砂巖抗壓強(qiáng)度692 kg/cm2，抗拉強(qiáng)度15.1 kg/cm2，粉砂巖抗壓強(qiáng)度179 kg/cm2，鋁土巖抗壓強(qiáng)度306 kg/cm2，抗拉強(qiáng)度12.3 kg/cm2，正常情況下奧灰水不會通過煤層底板直接進(jìn)入礦井.

3.6 礦井排水能力已經(jīng)形成

據(jù)冀煤地測字(1995)10號文批準(zhǔn)，元北井田－500水平礦井正常涌水量按10 m3/min進(jìn)行設(shè)計.目前，礦井排水系統(tǒng)已經(jīng)形成，共設(shè)計東西兩個水倉，水倉容量分別為2 460 m3和3 245 m3，中央水泵房配備D450－60×10排水泵6臺，其中2臺工作，三臺備用，一臺檢修，排水管路兩趟，一條工作，一條備用.礦井開拓系統(tǒng)在初步設(shè)計中采用－500水平主、付石門大巷延伸至8#、9#煤層，初期試采工作面位于－500水平以上，形成上山采，即使礦井發(fā)生突水，其涌水量由采區(qū)通過－500水平大巷水溝直接疏放至礦井水倉.

綜前所述，元北井田水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度、奧灰富水性、天然補(bǔ)給量、灰?guī)r水經(jīng)流與排泄均次于井陘.而本區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育規(guī)律、大青富水性、隔水層厚度及巖性組合、煤田構(gòu)造條件均類同于井陘，因此，下組煤試采過程中只要采取一套有效的防治水措施，安全帶壓開采下組煤具有一定的可行性.

4 下組煤試采中防治水措施

據(jù)井陘及臨城礦區(qū)防治水經(jīng)驗，結(jié)合元氏礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)特點(diǎn)，為了確保安全試采下組煤，建議在今后開采中采用下述防水措施.

4.1 建立有力的防治水領(lǐng)導(dǎo)班子

建立以礦井第一把手領(lǐng)導(dǎo)、專業(yè)人員參加有權(quán)威性的防治水機(jī)構(gòu)，統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、統(tǒng)一指揮，配備2－3名專職水文地質(zhì)人員或成立水文地質(zhì)組，加強(qiáng)水文地質(zhì)觀測、資料收集、分析與整理，及時進(jìn)行水文預(yù)測、預(yù)報，總結(jié)水文地質(zhì)規(guī)律，以指導(dǎo)礦井生產(chǎn).

4.2 堅持防、探、固、堵、隔、研的防治水方針

4.2.1 防 即建立足夠的防排水系統(tǒng)和對已知斷層留設(shè)足夠防水煤柱.－500水平以上試采面，采區(qū)出水后，水量可自行通過排水系統(tǒng)流至中央水泵房，當(dāng)試采－500水平以下時，要建立專門排水系統(tǒng)，以防不測.對F23、F25、F40、F38 等大于15～20 m以上的斷層按防治水規(guī)程，留設(shè)足夠的防水煤柱.

4.2.2 探 采用井下物探與鉆探相結(jié)合，以確保掘進(jìn)與回采安全.

巷道掘進(jìn)與回采前，必須執(zhí)行“三必探”制度，即(1)凡受奧灰威脅的煤層必須在掘進(jìn)前進(jìn)行超前探查，探水最小垂深應(yīng)保證保證20 m以上;(2)凡斷層必探，凡大于15－20 m以上的斷層，必須查清斷層含導(dǎo)水性;(3)有疑必探，即使在掘進(jìn)前進(jìn)行了探查，但當(dāng)掘進(jìn)試采后出現(xiàn)淋水、潰水現(xiàn)象時，必須采用物探或鉆探查清工作區(qū)內(nèi)含導(dǎo)水性，確保無危險后方可掘進(jìn)或回采.工作面掘進(jìn)后，要采用物探手段查清工作面內(nèi)含導(dǎo)水性，以便對富水區(qū)采用必要預(yù)防措施.

4.2.3 固 即對通過鉆探或物探查出的富水區(qū)采用工作面預(yù)注漿加固煤層底板，在煤層底板破壞帶之下建立一個保護(hù)層帶，以防止采中突水.

4.2.4 堵 即逢突必堵.對井下突水點(diǎn)，采用井下或井上聯(lián)合注漿堵水手段，封堵與加固突水點(diǎn)，以提高礦井抗災(zāi)變能力.

4.2.5 隔 即實行大區(qū)隔離.目前，已在井底車場南翼主、付石門建立兩座防水閘門，保證了礦井發(fā)生災(zāi)變時可以實行大區(qū)隔離.同時，為了在試采區(qū)發(fā)生突水時不致造成礦井停產(chǎn)，應(yīng)在主、付石門大巷六橫貫之前5#－7#煤之間建立兩座防水閘門，以便保證分煤組和采區(qū)隔離，一旦發(fā)生意外大突水，可以立即將采區(qū)進(jìn)行關(guān)閉.

4.2.6 研 即與大專院?；蚩蒲胁块T合作，進(jìn)行帶壓開采防治水研究，在下組煤開采中，建議進(jìn)行下述研究，以便總結(jié)經(jīng)驗，指導(dǎo)礦井下組煤開采.

①采動礦壓底板破壞深度及底板突水機(jī)理研究.②井下物探與鉆探相結(jié)合探查斷層突水性的研究.③井下物探與鉆探相結(jié)合探查工作面突水機(jī)理及巖石阻水能力的研究.

5 幾點(diǎn)建議

由于元氏礦井奧灰?guī)r溶水富水情況不均，井田內(nèi)外差異性明顯，井田邊緣和外圍－350米以上巖溶發(fā)育，F(xiàn)23等邊界斷層部位水量大，q＞1 L/S·m，井田內(nèi)水量小，q＜0.5 L/S·m(最大0.283 L/S·m)因此，對于導(dǎo)水的F23等邊界斷層，由于經(jīng)精查及二維和三維物探，其斷層位置、落差及含導(dǎo)水性已經(jīng)查明.在今后礦井開采中，除預(yù)留足夠的防水煤柱外，在井下防探水中，防探水鉆孔盡量不觸及奧灰含水?dāng)鄬樱谄?、剖面上，防探水超前距進(jìn)入保安煤柱25－30 m，達(dá)到安全開采條件即可，以防止不必要的奧灰突水.

(2)下組煤的開采受到奧灰突水威脅，但其能否開采，關(guān)系到元氏礦井的發(fā)展與生存.因此，下組煤開采，建議局、礦與有權(quán)威性的科研機(jī)構(gòu)和設(shè)計部門對元北煤田區(qū)域及井田資料進(jìn)一步詳細(xì)分析、探討，對元氏礦井下組煤開采進(jìn)行科學(xué)論證，并在此基礎(chǔ)上提出切實可行的設(shè)計方案，以減少投資的盲目性，保證元氏礦井健康順利發(fā)展.

(3)對于導(dǎo)水的邊界及井田內(nèi)的大斷層，開采上組煤同樣受到奧灰水威脅，但在局編制的《礦井地質(zhì)規(guī)程實施細(xì)則》對元氏礦井防治水工作還是空白，因而建議對細(xì)則盡快進(jìn)行修訂，以便基層技術(shù)人員工作中有據(jù)可依，保證礦井安全生產(chǎn).

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