上部煤層采空區(qū)積水對(duì)下組煤層開采的影響

劉德旺

(山西焦煤集團(tuán)公司，山西 太原 030024)

1 防治水工作概況

1.1 目的與意義

古窯、老窯的積水、礦井回采后采空區(qū)的積水(特別是頂板裂隙發(fā)育，充水較好的礦井)采空區(qū)下山巷道封閉積水(遇構(gòu)造或坡度增大停掘退出回采)，通常這些積水為靜儲(chǔ)量積水，但其潰入瞬間水量較大，極易造成惡性人身傷害事故或透水停產(chǎn)事故。為了加強(qiáng)礦井防治水工作，防止和減少水害事故的發(fā)生，特別是上部煤層采空積水在沒有查清情況下盲目開采下組煤層，使上部采空積水潰入井下造成突發(fā)性水害。所以，上部采空積水是今后下組煤開采主要研究的對(duì)象。只有加強(qiáng)預(yù)測預(yù)報(bào)、實(shí)現(xiàn)有效防范，全面落實(shí)山西焦煤集團(tuán)公司“有掘必探、有疑必鉆”的規(guī)定，從整體上提高集團(tuán)公司防治水工作的專業(yè)技術(shù)水平和基礎(chǔ)工作水平，是做好礦井防治水工作的重要保證。

1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

水害是煤礦五大災(zāi)害之一，我國煤田水文地質(zhì)條件非常復(fù)雜，因煤礦水害造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害均居世界之首。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1996年—2010年6月末，有300多個(gè)礦井被水淹沒，死亡人數(shù)2 300多人，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。特別是近年來，由于煤礦生產(chǎn)的擴(kuò)大和開采深度的加大，煤礦各種水害事故呈反彈和上升趨勢。

1.3 研究的內(nèi)容

主要研究清交煤田(中興)礦井構(gòu)造水、裂隙帶水、地表裂縫水、生產(chǎn)用水在采空區(qū)低洼地段積聚，如何進(jìn)行鉆探、疏干。

2 礦區(qū)的基本概況與水文地質(zhì)條件

2.1 礦區(qū)的基本概況

中興煤礦是山西焦煤集團(tuán)公司汾西礦業(yè)下屬主要生產(chǎn)礦井之一，為地方小型煤礦(聚鑫煤礦)改擴(kuò)建的礦井，原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為30萬t/年，通過多次技術(shù)改造，產(chǎn)能不斷增加，目前，礦井生產(chǎn)能力基本達(dá)到300萬t/年。

2.1.1 礦井位置、范圍、交通

中興煤礦位于山西省交城縣境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬交城縣嶺底鄉(xiāng)管轄，距交城縣約10 km。礦區(qū)屬西山煤田清交礦區(qū)清徐詳查區(qū)的一部分。

2.1.2 礦區(qū)地形、地貌

中興煤礦位于西山煤田東南部，地處呂梁山脈東側(cè)，地貌區(qū)劃屬呂梁山南段侵蝕、構(gòu)造中山區(qū)。地勢總體西北高、東南低，向太原盆地傾斜。

2.2 礦區(qū)的水文地質(zhì)條件

井田內(nèi)河流屬黃河流域汾河水系。磁窯河為礦區(qū)較大的季節(jié)性河流，在井田中部流過，磁窯河地處汾河中游的西部，屬汾河一級(jí)支流，它發(fā)源于狐偃山東南側(cè)解板溝、塔棱一帶，流向東南，于交城縣城北部轉(zhuǎn)成南北向匯入白石南河，然后流入汾河。礦區(qū)內(nèi)的含水巖組可分為奧陶系石灰?guī)r、太原組石灰?guī)r、二疊系碎屑巖及第四系砂礫石層。其中奧陶系石灰?guī)r為主要含水巖組，其富水性強(qiáng)，是構(gòu)成西山煤田東側(cè)蘭村泉、晉祠泉的含水層。奧灰?guī)r溶水在西山煤田外圍西、北部裸露接受大氣降水補(bǔ)給，由西、北向東、南徑流，于蘭村泉、晉祠泉排泄。

根據(jù)煤炭科學(xué)研究院總院西安研究院，礦井防治水安全技術(shù)“會(huì)診”報(bào)告，本礦井充水的含水層富水性弱，礦區(qū)大部分地區(qū)水文地質(zhì)條件簡單。

根據(jù)近幾年井下采掘過程中礦井涌水量較小為353～630 m3/d(2005年1月—2010年8月)，工作面頂板無涌水現(xiàn)象或者水量極小，說明現(xiàn)開采標(biāo)高開采2#煤層，對(duì)頂板上覆砂巖裂隙含水層擾動(dòng)破壞較小。

3 礦區(qū)主要水源

3.1 礦區(qū)主要地表水的滲入

井田處于煤層深埋區(qū)，地表出露基巖自東向西為上石盒子組，石千峰組及劉家溝組地層。根據(jù)目前開采現(xiàn)狀，采空區(qū)上部地表出現(xiàn)不同程度的裂縫(馬莊村東南地表裂縫見圖1)，增加了第四系地表水的補(bǔ)給，在不同程度上使井下裂隙帶涌水和采空積水有所增加。

圖1 塌陷裂縫示意圖

對(duì)于上述情況，對(duì)井田采空區(qū)上部地表裂縫進(jìn)行了排查，針對(duì)地表裂縫所涉及的范圍進(jìn)行了充填。

3.2 礦井的充水水源

3.2.1 頂板充水水源

中興煤礦的頂板含水層，作為充水水源的直接式和間接式類型都存在。2#煤層頂板以泥巖為主，頂板含水層包括山西組和上、下石盒子組等碎屑巖類裂隙含水層。受補(bǔ)給條件及徑流通道不暢限制，其充水的強(qiáng)度較弱。當(dāng)在淺部開采2#煤層時(shí)，其頂板水一般補(bǔ)給途徑短、循環(huán)淺，與淺層地下水發(fā)生聯(lián)系，因此，水量季節(jié)性變化較明顯。特別是地表裂縫水的滲入。

開采引起的頂板出水點(diǎn)的裂隙張開性好，無泥質(zhì)充填，一般通過放頂后形成的裂隙帶向采面充水，在大面積開采的條件下，頂板水多呈滴水、淋水狀態(tài)。由于回采對(duì)頂板砂巖含水層疏放強(qiáng)度較大，且補(bǔ)給不足，淺部頂板含水層處于疏干狀態(tài)，其頂板已基本無水。

3.2.2 底板間接充水水源

山西組2#煤層煤層底板為泥巖、細(xì)粒砂巖，局部為粉砂巖。而2#煤層下3 m左右的4#煤層，該煤層同屬山西組并位于其下部，煤厚1.09～5.39 m，平均2.98 m。屬中厚～厚煤層，中西部與5#煤合并，合并區(qū)煤厚1.65 ～5.39 m，平均 3.54 m，東薄西厚，規(guī)律明顯。不含或含1～2層夾石，結(jié)構(gòu)簡單－中等。頂板巖性為炭質(zhì)泥巖，底板巖性為砂質(zhì)泥巖。由于2#煤層和4#(4+5)煤層相距較近，4#(4+5)煤層為穩(wěn)定可采煤層，具有隔水層作用，其直接底板為山西組底部的K3砂巖，富水性較弱。

2#煤層底板間接充水水源除山西組底部的K3砂巖(水位標(biāo)高 +800 m)外，還有太原統(tǒng)(水位標(biāo)高+789.4 m)薄層L5～L1灰?guī)r和K2灰?guī)r含水層以及本溪組隔水地層之下的巨厚奧灰含水層(水位標(biāo)高+787.2 m)，由于太灰和奧灰含水層水壓均高于開采高程，2#煤層底板承受奧灰含水層水壓0～2.6 MPa，屬帶壓開采，開采中遇到大的斷裂構(gòu)造和導(dǎo)水陷落柱時(shí)，將導(dǎo)致底板下奧灰含水層地下水向上導(dǎo)通發(fā)生工作面突水，一旦灰?guī)r巖溶水進(jìn)入工作面，由于出水量大并且穩(wěn)定，不易疏干，會(huì)給礦井帶來巨大災(zāi)害。在正常地層情況下，不會(huì)發(fā)生對(duì)開采造成威脅的突水。

目前，礦井已揭露斷層42條，陷落柱31個(gè)，在二采區(qū)皮帶巷掘進(jìn)中發(fā)現(xiàn)有陷落柱充填差涌水現(xiàn)象。

實(shí)例1:2011年，在二采區(qū)皮帶巷揭露的兩個(gè)陷落柱中，其中一個(gè)陷落柱在測點(diǎn)P36前13.5 m打鉆出水，出水量達(dá)到10 m3/h，后4 h出水量逐漸減弱。巷道掘進(jìn)為下山－6°坡，出水淹沒巷道長達(dá)20 m，最深地段達(dá)1.5 m，排水后，向頂?shù)装宀贾?個(gè)孔鉆探50 m均無水，鉆探示意圖見圖2。通過向前掘進(jìn)，揭露長軸約15 m，短軸12 m陷落柱，且局部充填較差，有空洞現(xiàn)象，以上原因是掘進(jìn)正前出水的主要原因。在后來揭露的陷落柱均無水，且充填較好。

圖2 實(shí)例1鉆探示意圖

3.3 采空積水

采空積水一般為封存的“死水”，屬靜貯量，但具有一定的靜水壓力，所以，其充水特點(diǎn)為突發(fā)性強(qiáng)，瞬時(shí)水量大，持續(xù)時(shí)間短，破壞性強(qiáng)，有害氣體含量高，對(duì)人身和設(shè)備的傷害較大。

采空積水由于形成時(shí)間較長，積存的水量較大，水源的補(bǔ)給層位復(fù)雜，多為混合補(bǔ)給(構(gòu)造水、裂隙帶水、地表裂縫水、生產(chǎn)用水)，突水時(shí)不易控制，是生產(chǎn)礦井的一大隱患。

4 礦井水害隱患威脅程度評(píng)價(jià)

根據(jù)煤炭科學(xué)研究院總院西安研究院，礦井防治水安全技術(shù)“會(huì)診”報(bào)告，結(jié)合多年來對(duì)中興煤礦可能形成的水害隱患分析如下:

4.1 采空區(qū)積水

中興煤礦2#煤采空區(qū)主要為一采區(qū)、二采區(qū)，位于西雷莊背斜和東雷莊向斜構(gòu)造中，隨采空區(qū)面積逐步擴(kuò)大，特別是在開采2#煤之下的煤層時(shí)，采空區(qū)積水將嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。在同層開采時(shí)注意留設(shè)隔離煤柱，而在開采2#煤之下的煤層時(shí)，采空區(qū)積水將嚴(yán)重威脅礦井的安全，必須采取提前疏放措施確保安全。

4.2 導(dǎo)水構(gòu)造及導(dǎo)水陷落柱

礦井現(xiàn)開采上組煤2#煤層，煤層底板標(biāo)高為+520～760 m，由于礦區(qū)太原統(tǒng)薄層灰?guī)r(+792.22 m)和奧陶系厚層灰?guī)r(+787.21 m)水位標(biāo)高均高于開采高程，屬帶壓開采，但由于太灰和奧灰與2#煤層之間有穩(wěn)定隔水層，能起到一定的隔水作用，在正常地層層序不會(huì)發(fā)生該含水層水直接涌入2#煤開采工作面，開采中遇到大的斷裂構(gòu)造和導(dǎo)水陷落柱時(shí)，將導(dǎo)致底板下奧灰含水層地下水向上導(dǎo)通發(fā)生工作面突水。中興煤礦截至目前井下共揭露陷落柱31個(gè)，從礦井揭露的陷落柱情況看，多數(shù)陷落柱都不導(dǎo)水，個(gè)別陷落柱滲水、淋水。因此，工作面導(dǎo)水構(gòu)造探查尤為重要，在礦區(qū)補(bǔ)充勘探中開展構(gòu)造探查，在掘進(jìn)巷道、工作面實(shí)施水文地質(zhì)條件精細(xì)探查，采用物探方法重點(diǎn)探查導(dǎo)水構(gòu)造。

4.3 礦井范圍內(nèi)封閉不良鉆孔

由于封閉不良鉆孔在垂向上串通了多個(gè)含水層，所以一旦發(fā)生該類導(dǎo)水通道的突水事故，不僅突水初期水量大，而且還會(huì)有比較穩(wěn)定的補(bǔ)給量。所以在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)，必須查清井巷揭露區(qū)或其附近地區(qū)各種鉆孔的技術(shù)參數(shù)及其封孔技術(shù)資料，以確保不會(huì)因封孔不良而引起突水事故。

5 礦井防治水

5.1 礦井防治水工作

1)中興煤礦水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探基本完成，井上下水動(dòng)態(tài)觀測系統(tǒng)正在試驗(yàn)中，對(duì)威脅礦井安全生產(chǎn)的充水含水層進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，根據(jù)ZX3孔水位觀測，測定某區(qū)域奧灰水的最大壓力為0.75 MPa，并制定有針對(duì)性的防治水措施。

2)根據(jù)礦井開采接續(xù)情況，對(duì)將開采區(qū)段進(jìn)行地面三維地震勘探，查明構(gòu)造規(guī)模與分布。在井下對(duì)地面物探探測出的構(gòu)造異常地段進(jìn)行井下物探和鉆探驗(yàn)證，采用直流電法超前探測構(gòu)造異常部位的富水性，對(duì)有含水異常的部位按照探放水規(guī)程規(guī)范進(jìn)行探放水。

3)開展井下物探工作，對(duì)掘進(jìn)巷道、工作面實(shí)施水文地質(zhì)條件精細(xì)探查。采用物探(瑞利波、坑透儀)與鉆探相結(jié)合的方法，即“物探先行，鉆探驗(yàn)證”，對(duì)掘進(jìn)巷道、工作面前方構(gòu)造進(jìn)行超前探測，對(duì)物探探測有疑部位進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。放水鉆孔必須設(shè)置孔口安全裝置。

4)配備專業(yè)的探放水隊(duì)伍和設(shè)備。完成新排水系統(tǒng)建設(shè)，使礦井擁有一定的抗災(zāi)能力。

5.2 探放水

中興煤礦多年來根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》和《煤礦安全規(guī)程》在防治水方面堅(jiān)持“預(yù)測預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則，在井下各采掘工作面編制各種預(yù)防水情、水害措施，并對(duì)有疑地方進(jìn)行探放水。

5.2.1 同一煤層采空區(qū)、巷道的鉆探

實(shí)例2:一采區(qū)1208工作面切眼與1206尾巷貫通剩30 m處，下發(fā)停掘通知單。根據(jù)一采區(qū)1206工作面處在西雷莊背斜構(gòu)造一翼，有裂隙水和回采中生產(chǎn)用水順背斜流入采空區(qū)低洼地段，且探放水設(shè)計(jì)措施預(yù)測有7 000 m3水存在(根據(jù)原1206工作面回采期間涌水量、生產(chǎn)用水估算)。在2008年9月19日4點(diǎn)班根據(jù)措施進(jìn)行探放水，鉆探31 m與1206尾巷鉆通，積水順預(yù)埋管流出，后啟動(dòng)型號(hào)為IS80－50－320Z，流量為50 m3/h的離心泵排水，截止2008年10月11日，累計(jì)22天，排水238 h，共排水約9 330 m3。后經(jīng)打鉆核實(shí)無水后，下發(fā)允許掘進(jìn)通知單，向前掘進(jìn)與1206尾巷順利貫通。貫通后發(fā)現(xiàn)1206尾巷190 m巷道及4個(gè)橫貫有被采空積水所淹的痕跡，確認(rèn)采空積水90%為原生產(chǎn)用水，見圖3。

圖3 實(shí)例2積水示意圖

5.2.2 上組煤層采空區(qū)、巷道的鉆探

實(shí)例3:一采區(qū)1202下工作面材、尾巷布置在已回采的1202、1204工作面下3 m的2#下煤層中。在2009年9月10日，1202下材巷開鉆場對(duì)1204中部構(gòu)造地段(h=5 m的逆斷層)局部低洼地段進(jìn)行鉆探，放水量為130 m3，出水有異味，判斷為巷道積水，見圖4。

圖4 實(shí)例3鉆探示意圖

實(shí)例4:一采區(qū)1202下工作面切眼附近在2010年8月16日、17日、18日對(duì)已采的1202、1204工作面巷道低洼地段根據(jù)措施進(jìn)行鉆探，打鉆7個(gè)孔，共計(jì)580 m。共計(jì)放水440 m3，出水有異味，判斷為巷道積水。確認(rèn)積水基本放盡后，下放允許掘進(jìn)通知單，向前掘進(jìn)，見圖5。

圖5 實(shí)例4鉆探示意圖

以上4個(gè)案例充分說明了井下構(gòu)造導(dǎo)水、采空區(qū)、上部采空區(qū)、舊巷低洼地段積水還是存在的。如何更準(zhǔn)確的掌握構(gòu)造導(dǎo)水和礦井采空積水是目前和今后研究的課題。地測防治水工作要從基礎(chǔ)抓起，頂板裂隙含水層在礦井生產(chǎn)期間淋水大小的記錄，低洼處巷道采空區(qū)積水的預(yù)計(jì)，生產(chǎn)期間生產(chǎn)用水流入采空區(qū)的統(tǒng)計(jì)等，更能有效地為下組煤層開采和探放水工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而為安全生產(chǎn)提供保障。

6 結(jié)論

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》和以上探放水實(shí)踐，對(duì)今后開采下組煤層上部煤層采空區(qū)積水情況做到以下幾點(diǎn):

1)夯實(shí)防治水工作基礎(chǔ)，完善水害防治工作機(jī)制，從機(jī)構(gòu)人員的設(shè)置，崗位責(zé)任制的制定落實(shí)，基礎(chǔ)資料、圖紙、臺(tái)賬的建立，排水系統(tǒng)的建立與完善，應(yīng)急救援預(yù)案的編制演練等方面著手，嚴(yán)格落實(shí)有關(guān)措施，配齊機(jī)構(gòu)和人員，建立健全各級(jí)水害防治技術(shù)管理責(zé)任、部門業(yè)務(wù)保安、措施審批、隱患排查治理、安全設(shè)施管理和探放水等制度。

2)開展對(duì)礦井范圍內(nèi)老窯、采空區(qū)、含水層和地表裂縫調(diào)查等普查工作，通過收集資料、現(xiàn)場調(diào)查，落實(shí)防治水安全的技術(shù)措施、管理措施、探放水措施，提高礦井防范重特大水害的綜合能力。

3)成立專業(yè)探放水隊(duì)伍，嚴(yán)格執(zhí)行“有掘必探、有疑必鉆”規(guī)定，堅(jiān)持“物探先行，鉆探驗(yàn)證”，對(duì)掘進(jìn)巷道、工作面前方構(gòu)造進(jìn)行超前探測，對(duì)物探探測有疑部位進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

4)根據(jù)實(shí)際情況，建立健全水害事故應(yīng)急救援預(yù)案，做到機(jī)構(gòu)、人員、設(shè)備、設(shè)施、資金“五到位”。

5)加強(qiáng)科技攻關(guān)，提高水害防治技術(shù)水平，不斷加大防治水科技投入，按照標(biāo)準(zhǔn)提取安全生產(chǎn)費(fèi)用，保證煤礦水害防治的必要投入。