雙柳煤礦礦井開采充水條件分析及防治對(duì)策

張躍生，周長松

(1.山西省忻州市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山西忻州 034000;2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024)

雙柳煤礦礦井開采充水條件分析及防治對(duì)策

張躍生1，周長松2

(1.山西省忻州市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山西忻州 034000;2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024)

以雙柳煤礦區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件為基礎(chǔ)，從充水水源和涌水通道兩方面對(duì)礦井充水條件進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明井田范圍內(nèi)的地下水和老空水是最主要的充水水源，陷落柱和斷層的存在破壞了煤層的連續(xù)性，構(gòu)成煤礦采掘工程的障礙，容易產(chǎn)生冒項(xiàng)、突水事故。文章在上述充水條件的基礎(chǔ)上對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并據(jù)此提出切實(shí)可行的防治對(duì)策。研究結(jié)果對(duì)礦井安全生產(chǎn)及礦井水害治理具有一定的指導(dǎo)意義。

煤炭開采;地下水;充水水源;涌水通道;防治措施

汾西礦業(yè)集團(tuán)公司雙柳煤礦位于山西省柳林縣城西北孟門鎮(zhèn)白家焉村東，河?xùn)|煤田三交3#井田西南部，是山西汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司主要生產(chǎn)低硫煤的礦井。隨著近十年煤炭開采力度的不斷加大，采煤在帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也帶來了一系列的環(huán)境地質(zhì)問題。煤炭的開采不僅改變了地下水的循環(huán)條件，同時(shí)在礦區(qū)形成大量的地面塌陷和地裂縫，使得采礦條件惡化并產(chǎn)生了大量的涌水，嚴(yán)重影響著煤炭的安全生產(chǎn)。本文以研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件為基礎(chǔ)，分析礦井充水條件與煤礦安全生產(chǎn)之間的關(guān)系，提出切實(shí)可行的防治對(duì)策，為礦井的安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)特征

煤礦區(qū)在地貌上屬黃土高原，總體地勢(shì)由東向西、由山區(qū)向河谷逐漸降低。研究區(qū)最高點(diǎn)標(biāo)高為1 000.5 m，最低點(diǎn)標(biāo)高為644 m，相對(duì)高差356 m。石炭系、二迭系砂頁巖為該區(qū)出露的主要地層，整個(gè)研究區(qū)含水層按地層時(shí)代可劃分為奧陶系灰?guī)r巖溶含水層、太原組巖溶裂隙含水層、山西組砂巖裂隙含水層、第四系孔隙含水層。其中奧灰水含水層水位標(biāo)高為802.8 m，富水性較強(qiáng);太原組含水層主要由灰?guī)r組成，水位標(biāo)高為790 m，深部單位涌水量0.001～0.013 L/s·m，富水性弱，淺部單位涌水量為 0.22～0.90 L/s·m，富水性中等;山西組含水層水位標(biāo)高為730 m，含水層由砂巖組成，單位涌水量0.019 L/s·m，富水性較弱;第四系含水層主要分布在近代河谷附近，厚度在5～30 m之間，含水層由沖洪積礫石組成，富水性較好。

1.2 煤炭開采概況

雙柳井田面積為31.03 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量 4×108t，剩余可采儲(chǔ)量為2.42×108t。雙柳煤礦含煤地層以石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組為主，煤系地層主要巖性為砂質(zhì)頁巖、頁巖夾薄層灰?guī)r、泥巖、砂巖和煤層。井田內(nèi)共有含煤地層 17 層，自上而下依次為 01#、02#、03#、1#、2#、3#、4#、5#、5下#、6#、7#、7下#、8#、8下#、9#、10#、11#，其中 2#、3#、8下#、10#為局部可采煤層，4#、8#、9#號(hào)煤為全區(qū)可采煤層(主煤層)，17層煤層總厚15.40 m，目前正在開采的煤層有山西組3#、4#及太原組的 8#、9#煤層。

自1998年以來，雙柳煤礦煤產(chǎn)量逐年增加，截止2002年底年開采量達(dá)到150萬 t。煤炭開拓方式一般為斜井式，個(gè)別為豎井式;采煤方法以短壁式、倉房式、高落式為主。為了進(jìn)一步滿足煤炭市場(chǎng)對(duì)離柳礦區(qū)環(huán)保型奇缺煤種的需求，最大限度地提高礦井的綜合經(jīng)濟(jì)效益，雙柳礦井生產(chǎn)能力將由現(xiàn)在的1.5×106t/a擴(kuò)大到3×106t/a。

2 礦井充水條件分析

礦山井巷之所以有水涌入，是各種水源通過各種通道進(jìn)入井巷造成的，其涌入水量的大小主要受礦床賦存與開采的具體條件控制［1］。因此，充水水源與通道是形成礦井涌水的必備條件，加上涌水強(qiáng)度諸因素，三者綜合作用構(gòu)成礦床充水條件。正確掌握充水水源及涌水通道對(duì)礦山安全開采十分重要。

2.1 礦床充水水源分析

通過對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件和礦井開采資料分析，得出影響雙柳井巷涌水的充水水源主要有大氣降水、地下水和老空水，其中地下水和老空水是最主要的充水水源。

2.1.1 大氣降水

在本礦井開采過程中，山西組4#煤(上組煤)直接充水含水層為山西組砂巖裂隙含水層組，4#煤回采冒裂帶可以波及到下石盒子組。雖然山西組、下石盒子組在礦區(qū)溝谷處出露并接受大氣降水補(bǔ)給，但由于含水層露頭面積有限，且當(dāng)?shù)亟涤炅肯鄬?duì)較少，因此補(bǔ)給量有限，大氣降雨不構(gòu)成礦井涌水的主要充水水源。

2.1.2 地下水

地下水是本礦井涌水的主要水源之一。因此需要加強(qiáng)對(duì)地下水的研究分析，以便降低礦坑突水的幾率。與礦井開采相關(guān)的主要含水層包括山西組砂巖裂隙含水層和太原組裂隙巖溶水含水層。山西組4#煤層以頂板砂巖為直接充水含水層，涌水量穩(wěn)定在100 m3/h左右。隨著采空區(qū)面積擴(kuò)大及掘進(jìn)長度增加，采動(dòng)裂隙增加，各含水層之間水力聯(lián)系增強(qiáng)，礦坑涌水量有增大的趨勢(shì)。

(1)自混凝土入模至澆搗完畢的3 d內(nèi)，每隔2 h測(cè)溫1次，此后每隔4 h測(cè)溫1次，溫度下降階段每8 h測(cè)溫1次。一般在14 d后可停止測(cè)溫；或溫度梯度<20 ℃時(shí)，可停止測(cè)溫。

太原組8#、9#煤層沿頂板掘進(jìn)時(shí)將貼近 L1灰?guī)r(見圖1)，煤炭開采時(shí)頂板灰?guī)r水將直接涌入巷道。開采過程中形成的冒落帶高度為10.50～14.0 m，頂板垮落層位為 L1～L3，裂隙帶將貫穿L4和L5灰?guī)r層。富水性中等的L1～L5作為太原組統(tǒng)一含水層構(gòu)成為充水水源時(shí)，對(duì)下組煤層的開采有較大影響。

2.1.3 老空水

統(tǒng)計(jì)資料顯示［2］，我國許多老礦區(qū)的淺部分布著大面積的老空區(qū)，老空區(qū)中積蓄著大量的老空水。由于廢棄時(shí)間長，大部分老空區(qū)積水范圍不明，連通復(fù)雜，水量大且水壓高，當(dāng)后續(xù)的礦井接近或冒裂帶導(dǎo)通它們時(shí)，極易造成突水［3］。本礦在開采下組煤層時(shí)，頂板冒裂帶最大高度為65.35 m。從下組煤煤層開采剖面圖(圖2)可以看出，冒裂帶的發(fā)育高度雖未到達(dá)上組煤層，但在開采上組煤層時(shí)存在底板破壞帶，且破壞深度可達(dá)10 m，從而下組煤層可通過冒裂帶和破壞帶導(dǎo)通上組煤層的采空區(qū)，使采空區(qū)中的積水成為充水水源。

圖1 太原組下組煤頂板柱狀示意圖

2.2 礦井涌水通道分析

礦體周圍的水只有通過某些通道才能進(jìn)入井巷形成涌水［4］。對(duì)于雙柳井巷來說，主要涌水通道有:陷落柱通道、頂板冒落裂隙通道、地層裂隙與斷裂帶、鉆孔通道。

2.2.1 陷落柱通道

導(dǎo)水陷落柱通道形成于太原組碳酸鹽巖地層中的垂直柱狀坍落體，本礦井在生產(chǎn)過程中共揭露14個(gè)陷落柱，除編號(hào)為X12的陷落柱出水外，其余均未見出水。X12陷落柱長軸約10 m，寬約5 m，出水水源為太原組巖溶裂隙水，初始出水量為 3 m3/h，一周后水量減至 0.5 m3/h，水壓為 0.3 ～ 0.5 Mpa。隨著下組煤的開采，井田內(nèi)太原組巖溶裂隙水逐漸疏降，從而增大了與奧灰水之間的水壓差，陷落柱的下段(L1灰?guī)r至奧灰)容易“活化”為新的導(dǎo)水通道。

圖2 下組煤開采頂部巖層破壞形態(tài)示意圖

采用崩落法采礦造成的透水裂隙，如抵達(dá)上覆水源時(shí)，則可導(dǎo)致水源涌入井巷，造成突水［5］。因此煤層頂板含水時(shí)，則要進(jìn)行頂板管理，不許冒裂帶抵達(dá)諸如地表水、老空水或接受降水補(bǔ)給的煤層等強(qiáng)含水層。黃河從本井田西緣流過，河床標(biāo)高為650 m，太原組4#煤層為340 m，河底與煤層落差達(dá)310 m，其間巖性為砂質(zhì)泥巖、砂巖等。經(jīng)計(jì)算，導(dǎo)水裂隙帶最大高度為100 m。當(dāng)煤礦開采引發(fā)的冒裂帶在井田范圍內(nèi)特別是井田西緣黃河一帶裂隙到達(dá)地表時(shí)，使地表水通過裂縫流入煤礦上部含水層，進(jìn)而威脅到煤礦的生產(chǎn)安全。因此，在井田西緣開采應(yīng)按有關(guān)技術(shù)規(guī)程留足保安煤柱。

2.2.3 地層裂隙與斷裂帶

一般情況下充水層起蓄水作用，裂隙起輸水作用［6］。在礦井生產(chǎn)過程中，當(dāng)井巷揭露充水層或與充水層有水力聯(lián)系的裂隙時(shí)，地下水會(huì)不斷地流入井巷，地層的裂隙或斷裂帶在此條件下可能成為涌水通道。本井礦在生產(chǎn)過程中共揭露20條斷層，其中18條為高角度正斷層，落差小于5 m，不含水也不導(dǎo)水，對(duì)生產(chǎn)影響較小。另外2條走向近東西向的正斷層(F1和F2)組合構(gòu)成聚財(cái)塔地塹，其中F1傾向南，落差為100～135 m;F2傾向北，落差為108～135 m(如圖3所示)。根據(jù)調(diào)查，F(xiàn)1斷層破碎帶已膠結(jié)，原始狀態(tài)下導(dǎo)水性較差，但由于斷層向西延伸穿過黃河，因此在此斷層附近開采時(shí)，若未留下足夠的保安煤柱，可能誘發(fā)斷層導(dǎo)水。

圖3 聚財(cái)塔地塹剖面示意圖

2.2.4 鉆孔通道

在進(jìn)行勘探時(shí)，打通的鉆孔一般可溝通煤層上下各含水層或地表水［7］。當(dāng)鉆孔封孔質(zhì)量差、工作面或巷道揭露鉆孔時(shí)，鉆孔極易成為導(dǎo)水通道，從而造成突水事故。由于本礦區(qū)鉆孔少，未遇到因鉆孔而造成的大量突水事故。

3 礦井涌水量預(yù)測(cè)

礦井實(shí)際情況表明，開采上組煤時(shí)礦井涌水水源為頂板砂巖含水層，涌水通道為開采過程形成的導(dǎo)水冒裂帶，其開采水文地質(zhì)條件明確簡(jiǎn)單，開采階段礦井正常涌水量為175 m3/h，最大涌水量為230 m3/h，因此適當(dāng)對(duì)含水層采取防治措施，不再進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)。目前下組煤開采程度低，根據(jù)前面礦井充水條件的分析得知，下組煤礦井涌水水源主要來源于頂板太灰含水層，而上組煤采空區(qū)積水和奧灰含水層對(duì)之影響有限，因此，這里只對(duì)下組煤頂板含水層采用解析法和數(shù)值法兩種方法進(jìn)行涌水預(yù)測(cè)。

3.1 解析法

解析法是根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)原理，結(jié)合礦床疏干實(shí)際需要，對(duì)不同條件下流向各井、巷及巷道系統(tǒng)的地下水流建立相應(yīng)的偏微分方程，用解析方法計(jì)算他們的涌水量。本次采用的公式為承壓完整井流的Dupuit公式:Q=2.73KMS/(lgR－lgr)

Q為預(yù)計(jì)涌水量，m3/h;r=為大井半徑，m;R=10S+r，為引用影響半徑，m;M為含水層平均厚度，m;S為疏排水位降深，m;K為滲透系數(shù)，m/d。

通過計(jì)算得出不同開采水平時(shí)下組煤穩(wěn)定涌水量為118～179 m3/h，見表1。正常涌水量取開采水平為400時(shí)的涌水量Q正常=141 m3/h，最大涌水量取開采水平為200時(shí)的涌水量 Q最大=179 m3/h。

表1 不同開采水平時(shí)礦井穩(wěn)定涌水量

3.2 數(shù)值法

通過前面對(duì)礦井充水條件的分析可知，研究區(qū)的形狀很不規(guī)則，礦井充水水源以承壓水為主，涌水通道類型多，各通道延深的水平差異大，同時(shí)各通道存在著一定的水力聯(lián)系，據(jù)此，可用有限元法進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)。用有限元發(fā)計(jì)算時(shí)可分成兩步:第一步，據(jù)現(xiàn)有巷道的涌水量和觀測(cè)孔水位擬合，反求參數(shù);第二步，進(jìn)行巷道延伸時(shí)的涌水量預(yù)測(cè)。在本次預(yù)測(cè)的過程中，取各疏干孔水頭將至計(jì)算水平時(shí)的疏干孔壁為第一類水頭邊界，并進(jìn)行定水頭階段的疏干模擬，直至水頭相對(duì)穩(wěn)定，最后計(jì)算出穩(wěn)定條件下各水平標(biāo)高的穩(wěn)定礦坑涌水量，計(jì)算結(jié)果見表2。通過分析得知礦井正常涌水量取開采標(biāo)高為400水平時(shí)的涌水量Q正常=141 m3/h，最大涌水量取標(biāo)高在270水平時(shí)的涌水量Q最大=179 m3/h。

表2 不同開采水平時(shí)礦井穩(wěn)定涌水量

根據(jù)雙柳礦開采以來采區(qū)實(shí)際涌水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得出解析法計(jì)算的數(shù)值偏小，相對(duì)而言，數(shù)值法預(yù)測(cè)的結(jié)果更符合實(shí)際。因此，將數(shù)值法的預(yù)算數(shù)值作為下組煤涌水量的最終預(yù)測(cè)結(jié)果。通過以上分析，未來開采上、下組煤時(shí)正常涌水量可達(dá)279 m3/h，最大涌水量可達(dá)360 m3/h。

4 防治對(duì)策

為了減小雙柳煤礦礦井的涌水幾率，根據(jù)實(shí)際情況可采取如下措施加以防治。

(1)回填法。開礦棄渣不運(yùn)出礦井，而將其充填到采空區(qū)，以增強(qiáng)采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生裂縫。

(2)防水法。填堵地下進(jìn)水通道，匯集礦區(qū)內(nèi)原分布的水體并排除;修筑邊緣排水溝等地表防、排水工程，以攔截外圍流來的降水漫流、淺部潛水，并將其引出礦區(qū)影響范圍之外。

(3)疏水法。當(dāng)開采礦床的直接頂?shù)装搴蛑苯禹數(shù)装咫m有一定的厚度的隔水層，但間接含水層水壓過高有突水危險(xiǎn)時(shí)，可采用從地表進(jìn)行預(yù)先疏干或降壓的方法，以便達(dá)到安全采礦的目的。

(4)防滲法。對(duì)于透水天窗、通過井巷的斷裂帶采用注漿工程，在地下筑成不透水體，切斷井巷進(jìn)水通道，用以隔絕涌水水源或大量減少礦井涌水量。對(duì)于一些老采區(qū)，特別是已閉坑的采區(qū)，可采用灌漿方法治理。

(5)在開采煤炭時(shí)，要按照規(guī)定留足安全煤柱，以降低頂板冒落的幾率。

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TD823.83

B

1004－1184(2012)03－0192－03

2012－03－12

張躍生(1960－)，男，山西忻州人，高級(jí)工程師，主要從事水文地質(zhì)與工程地質(zhì)方面的研究工作。