淺談鶴濟(jì)克井二礦水害分析與治理

【摘 要】分析礦區(qū)水源補(bǔ)給及水害成因，為礦區(qū)水害防治提供可靠依據(jù)，對(duì)礦區(qū)安全生產(chǎn)起決定性作用。

【關(guān)鍵詞】水害分析；研究；治理

0.前言

鶴濟(jì)克井二礦屬兼并重組礦井，鶴濟(jì)礦業(yè)投資有限公司控股的股份制企業(yè)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力30萬t/a，目前正在技改期間。礦井西鄰濟(jì)聯(lián)礦，東臨東井礦，南鄰克井一礦。開采標(biāo)高為190m～－200m，礦區(qū)面積1.0850km2。累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量853.57萬噸，可采儲(chǔ)量266.6萬噸。立井單水平下山開拓，開采水平標(biāo)高為+33.8m，主井深233.8m，副井井深233.3m。采區(qū)巷道布置，兩條下山長度均為700余米，上段360米布置在煤層底板的巖層內(nèi)，采用錨噴支護(hù)，下段布置在煤層內(nèi)，沿煤層底板掘進(jìn)，采用U鋼支護(hù)。中央泵房布置在副井筒北側(cè)的+33.8m水平，擔(dān)負(fù)全礦井排水任務(wù)。安裝MD450-60×5型水泵3臺(tái)。主井井筒敷設(shè)兩趟￠273×6.5型無縫鋼管，直接排至地面。內(nèi)外水倉總?cè)萘繛?274m3。本井田開采二1煤層，厚度3.38～6.1m，平均4.73m，煤層傾角160～300，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤種為無煙煤；瓦斯礦井；煤塵無爆炸危險(xiǎn)性，煤炭不易自燃。

由于近年來全國水害事故時(shí)有發(fā)生，又加之上部小煤窯較多，原始資料部分缺失，搞清礦區(qū)水文地質(zhì)條件，是擺在我們面前的一大課題，弄清礦區(qū)補(bǔ)給水源及水害成因至關(guān)重要。通過對(duì)礦區(qū)的水害分析和治理，能夠消除安全隱患，為礦區(qū)安全生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.礦井充水條件分析

1.1地表水基本情況

鶴濟(jì)克井二礦地處太行山南麓，克井盆地東南側(cè)，系沖、洪積扇地帶，地勢(shì)北高南低，區(qū)內(nèi)地勢(shì)較為平坦，最高海拔380m，最低海拔220m，相對(duì)高差160m，地形相對(duì)開闊，區(qū)內(nèi)發(fā)育有小型沖溝，地表水易于排泄，無常年積水，雨季地表降雨多順沖溝流走。

地表常年河流為引沁濟(jì)漭渠，從礦區(qū)北部自東向西流過，引沁濟(jì)漭渠建成于1972年，區(qū)內(nèi)渠底最低標(biāo)高276m，設(shè)計(jì)引水量23m3/s，據(jù)引沁渠80～90年觀測(cè)資料平均流量5.19m3/s，1980年最大流量8.44m3/s，1984年最小流量4.03m3/s，平均引水276天，1990年最多330天，1984年最少211天。

1.2含水層基本情況

1.2.1奧陶系～寒武系巖溶裂隙含水層

奧陶系、寒武系碳酸鹽巖在井田周圍有大面積的分布，奧陶系與寒武系之間無明顯的隔水層存在。由于在濟(jì)源煤田內(nèi)該含水層研究的程度較低，僅對(duì)奧陶系地層進(jìn)行過1次抽水，單位涌水量僅0.085 L/s·m，水位標(biāo)高169.83m，低于太原組巖溶裂隙水的水位(約225m)，與一般的規(guī)律不相符，據(jù)此分析，奧陶系～寒武系巖溶裂隙水的水位在標(biāo)高250m左右。由于巖溶裂隙發(fā)育的不均一性，抽水結(jié)果不能準(zhǔn)確代表奧陶系～寒武系巖溶裂隙含水層的富水性，根據(jù)奧陶系～寒武系碳酸鹽巖分布面積大，補(bǔ)給量也相當(dāng)大；根據(jù)太原組上段巖溶發(fā)育，奧陶系～寒武系巖溶應(yīng)比太原組上段發(fā)育，據(jù)此分析，奧陶系～寒武系巖溶裂隙含水層富水性應(yīng)為強(qiáng)。

一般情況下該含水層為二1煤層的間接充水含水層，上距二1煤底約90m，正常情況下對(duì)開采二1煤層影響影響不大。但在林場斷層附近開采煤層時(shí)，對(duì)煤礦有一定安全威脅。

1.2.2太原組下段巖溶裂隙含水層

含水層性為石灰?guī)r，由L1～L4石灰?guī)r組成，其中L1較發(fā)育，石灰?guī)r總厚度約10m。在原克井井田勘探中未對(duì)該含水層進(jìn)行單獨(dú)抽水，而是與太原組上段混合抽水，一般情況下，其富水性與太原組上段巖溶裂隙含水層的富水性相近，水位亦與太原組上段巖溶裂隙水相近而略高于太原組上段。

一般情況下該含水層為二1煤層的間接充水含水層，上距二1煤底約50m，正常情況下對(duì)開采二1煤層影響不大。但遇構(gòu)造裂隙帶開采煤層時(shí)，對(duì)煤礦有一定的影響。

1.2.3太原組上段巖溶裂隙含水層

含水層性為石灰?guī)r，由L7～L9石灰?guī)r組成，其中L7較發(fā)育，石灰?guī)r總厚度約10m。在原克井井田勘探中在標(biāo)高100～160m有6個(gè)地質(zhì)鉆孔遇0.1～1.02m高的溶洞，說明太原組上段巖溶裂隙發(fā)育。從鉆探時(shí)遇溶洞較多分析，其富水性比抽水時(shí)單位涌水量大一些，但目前從底板進(jìn)入的水量不大分析，富水性弱，但不排除局部富水性可能。

該含水層為二1煤層的底板直接充水含水層，上距二1煤層底板6.3～11.9m，天然條件下，太原組巖溶裂隙水不易趕往二1煤層，在開采二1煤層條件下，由于對(duì)煤層底板的擾動(dòng)破壞，太原組上段巖溶裂隙水會(huì)進(jìn)入礦井，因此太原組上段巖溶裂隙水對(duì)礦井影響較大。

1.2.4二1煤層頂板碎屑巖裂隙含水層

含水層巖性為中粒砂巖，井田內(nèi)及附近一般有1～3層，厚度5.8～55.51m，一般約30m，裂隙較發(fā)育，但多被方解石充填。該含水層在與第四系接觸部位接受孔隙水補(bǔ)給，該含水層為二1煤層的頂板直接充水含水層，在開采條件下，其中的裂隙水會(huì)進(jìn)入礦井，對(duì)開采二1煤層有一定的影響，由于其富水性弱，一般以淋水及小股狀進(jìn)入礦井，一般不會(huì)對(duì)礦井的安全構(gòu)成威脅。

1.2.5下石盒子組碎屑巖裂隙含水層

含水層巖性為為中粒砂巖，井田內(nèi)及附近一般有2～12層，厚度33.03～108.96m，一般約30～40m，裂隙較發(fā)育，但多被方解石充填。該含水層在與松散層部位接受孔隙水補(bǔ)給，裂隙水順巖層傾向向深部徑流于盤石寺斷層與巖溶裂隙水匯合。該含水層為二1煤層的頂板間接充水含水層，在開采條件下，其中的裂隙水一般不會(huì)進(jìn)入礦井，對(duì)開采二1煤層幾乎無影響。

1.2.6松散巖類孔隙含水層

井田及周邊松散層厚12.58～94.15m(即第四系至古近系)，由黃土及砂礫石層及礫巖組成，其中的砂礫石層和礫巖為含水層，分布的連續(xù)性差，據(jù)鉆孔揭露的砂礫石層厚度2.24～8.78m，單位涌水量為1.51L/s·m，富水性強(qiáng)；新近系中的礫巖富水性相對(duì)較弱。松散巖類孔隙水接受大氣降水的補(bǔ)給，其徑流方向與地面傾向一致。

該含水層為二1煤層頂板間接充水含水層，一般情況下對(duì)開采二1煤層無影響，但在二1煤層上基巖厚度較薄時(shí)，孔隙含水層成為二1煤層頂板直接充水含水層，對(duì)開采二1煤層有一定影響。

1.3隔水層基本情況

1.3.1本溪組隔水層

本溪組厚度2.5～16.08m，平均6.14m。由鋁土質(zhì)泥巖、泥巖和薄煤層組成。該隔水層在厚度正常情況下隔水性能良好，可阻止太原組下段和奧陶系～寒武系巖溶裂隙水的水力聯(lián)系，但在厚度小的地段或斷層附近將失去隔水作用。

1.3.2太原組中段隔水層

太原組中段砂泥巖段平均厚32.80m，由巖性以泥巖、粉砂巖、砂巖為主、薄層組成。該隔水層在厚度正常情況下隔水性能良好，可阻止太原組上、下段和巖溶裂隙水的水力聯(lián)系，但在斷層附近將失去隔水作用。

1.3.3二1煤層底板隔水層

系指太原組石灰?guī)r頂面至二1煤層之間的泥巖、砂質(zhì)泥巖，據(jù)以往資料，泥巖、砂質(zhì)泥巖厚6.3～11.9m，在自然條件下，可阻止太原組段巖溶裂隙水進(jìn)入二1煤層，但在開采條件下，由于采礦引起的煤層底板擾動(dòng)破壞，使該隔水層失去隔水作用。

1.3.4二1煤層頂板隔水層

系指開采煤層引起的裂隙帶之上的泥巖、砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖組成的隔水層，一般指下石盒子組中的泥巖、砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖組成的隔水層。該隔水層可阻止下石盒子組中裂隙水進(jìn)入礦井。

2.礦井水害分析

2.1地表水

由于該礦井田是由克井鎮(zhèn)一礦、克井鎮(zhèn)二礦和克井鎮(zhèn)大社村五礦整合而成，三個(gè)煤礦先后建井，開采對(duì)象均為二1煤層，均在淺部開采，至使克井二礦井田范圍內(nèi)地表出現(xiàn)多處裂縫。加之該礦區(qū)沒有較好的隔水層，雨季雨水滲入井下，井筒淋水也是淺層地表水所至，既增加礦井涌水量，又給安全生產(chǎn)帶來隱患。

由于小煤礦的開采，引沁濟(jì)蟒渠造成部分渠底、渠墻出現(xiàn)裂縫，雖經(jīng)治理，但仍存在渠水滲入井下現(xiàn)象，給克井二造成了水患威協(xié)。

2.2老空水

淺部的老窯遍布區(qū)，現(xiàn)為采空區(qū)。據(jù)2009年河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)隊(duì)對(duì)原克井二礦煤業(yè)有限公司井田進(jìn)行的物探工作結(jié)果，該井田內(nèi)有采空區(qū)積水兩處，標(biāo)高在-20～75m之間，積水面積分別為407536m2和17700m2，積水量分別為163000m3和7100m3。該積水對(duì)未來采掘活動(dòng)影響大。

2.3斷層水

林場斷層位于濟(jì)源鶴濟(jì)克井二礦煤業(yè)有限公司北部邊界外，僅在鉆孔中揭露。為一南盤下降，北盤上升的正斷層，走向近東西，傾向南西，傾角70°，落差約60～120m。其南盤的二1煤層與對(duì)盤的太原組、本溪組或奧陶系接觸。在自然條件下，該斷層破碎帶在垂向上的導(dǎo)水性可能不好，但由于南盤的二1煤層標(biāo)高約-220m，其煤層底板承受其下有巖溶裂隙水的水壓較大；如在開采條件下，由于開采被開采煤層的底板受到擾動(dòng)破壞，而斷層破碎帶為一軟弱結(jié)構(gòu)面，其力學(xué)強(qiáng)度比圍巖低得多，在開采對(duì)煤層對(duì)底板破壞因素的誘導(dǎo)下，巖溶裂隙水可沿?cái)鄬悠扑閹нM(jìn)入礦井，對(duì)礦井構(gòu)成較大的威脅。

3.水害治理

3.1防水煤柱留設(shè)

林場斷層處應(yīng)留足防水煤柱，防止巖溶裂隙水進(jìn)入礦井。林場斷層防隔水煤柱的留設(shè)計(jì)算：

依據(jù)煤礦防治水規(guī)定附錄三：防隔水煤（巖）柱的尺寸要求：二、含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲海◣r）柱的留設(shè)：

經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：L=0.5KM＞20m

式中：Ｌ—煤柱留設(shè)的寬度，ｍ；

ｋ—安全系數(shù)，一般取2～5；

Ｍ—煤層的高度或采高，ｍ；

Ｐ—水頭壓力，MPa;

k—煤的抗拉強(qiáng)度，MPa；目前國內(nèi)各礦采用的煤的抗拉強(qiáng)度值大多在0.22～1.4 MPa之間；

因此通過計(jì)算：

Ｌ＝0.5×3×4.72=50m＞20m

注：安全系數(shù)k取4，煤層的高度或采高Ｍ，取平均煤厚4.72ｍ；水頭壓力Ｐ通過計(jì)算取4.2 MPa；Ｏ2的靜水位標(biāo)高在150左右，通過推算巷道掘到林場斷層時(shí)的標(biāo)高在-260左右；煤的抗強(qiáng)度，取0.25MPa；

通過以上計(jì)算圖上林場斷層保護(hù)煤柱留設(shè)符合《煤礦防治水規(guī)定》要求，雖然符合《煤礦防治水規(guī)定》要求，但克井二礦又委托安徽省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，對(duì)林場斷層進(jìn)行了瞬變電磁勘探，進(jìn)一步查明林場斷層確切位置和富水情況，林場斷層要留足防水煤柱尺寸，為安全生產(chǎn)消除隱患。

礦井生產(chǎn)過程中，要采取物探先行，鉆探驗(yàn)證方法進(jìn)一步查清水文地質(zhì)條件。按照“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有掘必探，先探后掘、先治后采”的原則進(jìn)行。

距林場斷層100米時(shí)，停止施工，先進(jìn)行物探，再進(jìn)行鉆探；距林場斷層50米時(shí)，停止施工，再進(jìn)一步物探，再鉆探。

3.2引沁濟(jì)蟒渠治理

引沁濟(jì)蟒渠為工農(nóng)渠，渠水豐富。橫穿克二井田，在克二井田范圍內(nèi)長度為560米，根據(jù)治理工程設(shè)計(jì)預(yù)算，克井二礦拿出資金134.34萬元。制定了引沁濟(jì)蟒渠具體治理方案。

（1）引沁濟(jì)蟒渠渠底沉陷部分利用就近山坡土夾石進(jìn)行回填，回填壓實(shí)后進(jìn)行Ｃ20鋼筋砼襯砌，襯砌厚度20；每7ｍ設(shè)一道伸縮縫，伸縮縫采用低發(fā)閉孔ＰＥ板，厚1.5；伸縮縫下鋪設(shè)防滲土工膜，寬40；鋼筋采用￠6＠250，縱橫向布置。

（2）引沁濟(jì)蟒渠左右側(cè)渠墻采用Ｃ20鋼筋砼襯砌，襯砌高度至設(shè)計(jì)渠頂，襯砌厚度15；每7ｍ設(shè)一道伸縮縫，伸縮縫采用低發(fā)閉孔ＰＥ板，厚1.5；伸縮縫下鋪設(shè)防滲土工膜，寬40；鋼筋采用￠6＠250，縱橫向布置。

（3）引沁濟(jì)蟒渠渠底護(hù)角部分采用Ｃ20鋼筋砼襯砌，襯砌高度0.5ｍ，襯砌，寬度0.5ｍ；鋼筋采用￠10＠250，橫向布置。

同時(shí)要在礦井東部邊界和西部邊界設(shè)測(cè)水站，以便掌握引沁濟(jì)蟒渠滲水情況。

3.3老空水治理

礦井后期生產(chǎn)受老空水威脅。應(yīng)采取增加本礦井出水點(diǎn)觀測(cè)次數(shù)，時(shí)刻注意水量變化情況，對(duì)井下巷道密閉進(jìn)行全面檢查、加固并確保其具有抗水壓能力。外圍堵截等方法。

礦井后期生產(chǎn)時(shí)，對(duì)老空水采取“物探先行、鉆探驗(yàn)證、措施保障”方法進(jìn)行疏、排降壓，解除水患。帶壓采掘時(shí)除留設(shè)足夠的防水煤柱外，還必須堅(jiān)持，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，有掘必探，先探后掘、先治后采”的原則。

3.4地表水治理

經(jīng)常巡視地表沉陷裂縫，發(fā)現(xiàn)裂縫及時(shí)封填。特別是大雨過后隨時(shí)檢查地表沉陷裂縫情況。井筒淋水需進(jìn)行了注漿堵水，減小井壁涌水量。

4.結(jié)語

通過對(duì)礦井補(bǔ)給水源及水害成因的分析，進(jìn)一步證明了礦井地層中無很好的隔水層，受地表水影響較大；上部采空區(qū)面積大、條件復(fù)雜，對(duì)深部開采提出了更高要求；引沁濟(jì)莽渠補(bǔ)給水源充足，治理難度大等。

通過以上分析，為采取有針對(duì)性應(yīng)的治理措施提供了理論依據(jù)，使措施更能符合實(shí)際。通過對(duì)引沁濟(jì)蟒渠及井筒淋水的治理，效果顯著，礦井的正常涌水量由原來的280m3/h，治理后為160m3/h，每年可節(jié)約上百萬元排水費(fèi)用，增加了經(jīng)濟(jì)效益，改善了員工作業(yè)環(huán)境，增加了礦井安全系數(shù)，確保了礦井正常安全、可持續(xù)發(fā)展。