煤層頂板水及奧灰承壓水防治技術(shù)研究

王曉亮

（晉能控股煤業(yè)集團地煤大同公司鑫泰建井，山西 大同 037000）

1 礦井水害研究的背景及意義

我國大多數(shù)煤礦開采的水文地質(zhì)條件相對較為復(fù)雜，井下采掘活動受到各種水害影響，礦井水害事故頻繁發(fā)生，水災(zāi)事故在我國煤礦總事故中排名第二，所造成的傷亡人數(shù)及破壞性僅次于瓦斯，且水災(zāi)所造成的經(jīng)濟損失也很大。煤礦水害大多數(shù)是煤層頂板水害和底板水害[1]。

煤礦頂板水害由煤層頂板砂巖含水層水、上覆采空區(qū)積水、地表河流湖泊水、第四紀松散層水等在采掘過程中沿斷裂帶、巖層裂隙及回采后所形成的頂板導(dǎo)水裂縫帶以淋、突水等形式涌入工作面而形成水害。在煤礦生產(chǎn)過程中頂板水普遍存在。一般情況下頂板水水量小，比較易疏干，但是如果有穩(wěn)定水源的補給，則能保持長期穩(wěn)定涌水，惡化工作環(huán)境，嚴重影響礦井安全生產(chǎn)。 煤礦底板水害主要由煤層下伏承壓含水層中的水突然涌入采掘工作面而造成，嚴重的可淹沒工作面、采區(qū)，甚至淹至整個礦井。我國很大一部分的煤田都受到底板承壓含水層水的威脅，導(dǎo)致很多煤礦突水事故頻繁的發(fā)生[2]。因此，查清礦井水文地質(zhì)條件，研究礦井突水措施，進行頂、底板突水預(yù)測預(yù)報，采取有效方法，確保礦井安全生產(chǎn)，意義重大。

2 礦井簡況

永財坡煤業(yè)地處山西省大同市左云縣境內(nèi)，隸屬于晉能控股集團，為2009年兼并重組整合礦井，礦區(qū)面積6.153 2 km2，批準開采19#、22#、25#煤層，開采方式為地下開采，生產(chǎn)規(guī)模0.90 Mt/a，開采標高由+1 080 m至+740 m。

3 礦井水文地質(zhì)條件

3.1 含水層的分布及特征

（1）第四系沖、洪積層含水層

分布于較大的溝谷之中，巖性為砂、礫石層等，厚度25 m。2006年在夏家河村南井兒溝的水井（S11），井深18 m，靜止水位埋深2.7 m，1.2時泵抽水；井兒溝泉（S10），泉水流量1 L/s。由于多年受周邊侏羅系煤礦地下采煤形成“三帶”的影響，使其地下水的補給、排泄發(fā)生了改變，大部分含水層的水沿煤層采空形成的裂縫帶滲入井下，形成采空積水或被礦井排出地表補給河谷沖積層。經(jīng)調(diào)查，目前井兒溝水井、泉已干枯，干枯時間為2012年。

（2）二疊系可采煤層以上層段砂巖裂隙含水層

該含水層段包括二疊系19號煤層以上不同時代砂巖含水層。19號煤層以上山西組和侏羅系永定莊組、白堊系左云組普遍含砂巖裂隙水。節(jié)理裂隙不發(fā)育，鉆進過程中泥漿消耗量不大，未發(fā)現(xiàn)漏失現(xiàn)象。

（3）石炭二疊系可采煤層段砂巖裂隙含水層

該含水層段包括石炭系太原組含水層和二疊系山西組含水層。下部由太原組可采煤層和砂質(zhì)泥巖，灰白色粗砂巖組成，在22號煤層上下均發(fā)育有一層厚層砂礫巖，厚度35 m，巖層一般完整致密，裂隙不發(fā)育，沿裂隙見白色鈣質(zhì)物充填；上部山西組含水層為中粗砂巖和砂質(zhì)泥巖互層組成，底部有一層灰白色中粗粒石英砂巖，厚度20 m，巖石較致密，裂隙不發(fā)育。

（4）寒武－奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層

奧陶系石灰?guī)r構(gòu)成了石炭二疊系煤系的基底，為巖溶裂隙承壓水。

井田內(nèi)巖溶發(fā)育不均，結(jié)合周邊寒武－奧陶系抽水孔資料分析，寒武－奧陶系含水層富水性弱－中等，單位涌水量0.050 54～0.435 3 L/s·m，水位標高+960～+1 010 m，奧灰水由北向南徑流。

3.2 隔水層特征

（1）各含水層間泥巖層間隔水層

井田地層以砂巖、泥巖及煤相間沉積為特點，分布于不同時代地層中的泥巖和砂質(zhì)泥巖為主要隔水層。巖石完整，結(jié)構(gòu)致密，層數(shù)多，水平分布及垂直方向上的厚度變化大，為隔水和半隔水巖層。

（2）石炭系本溪組鐵鋁質(zhì)泥巖隔水層

上部由致密完整粉砂巖組成，中下部為泥巖夾一層石灰?guī)r，底部主要是鐵鋁質(zhì)泥巖，厚24.04～38.94 m，平均29.45 m。該隔水層空間分布穩(wěn)定，為煤系地層與巖溶含水層之間良好的隔水層。

3.3 礦井充水條件

（1）充水水源

礦井充水水源指的是能夠進入礦床或井巷的水。通過對永財坡煤業(yè)礦井各含水層的賦存條件、補給條件分析，結(jié)合井下生產(chǎn)實際涌水特征，礦井充水水源為大氣降水及地表水、各種類型地下水和采空區(qū)積水。

①大氣降水及地表水

本井田位于干旱、半干旱氣候區(qū)，無常年地表徑流水體，降水量少。大氣降水主要集中在每年7、8、9月份，年平均降水量406 mm左右，年蒸發(fā)量1 777.3 mm，年蒸發(fā)量是降水量的4倍多。

井田地表水體不發(fā)育，井田內(nèi)較大的河流有井兒溝河，屬季節(jié)性河流，據(jù)1980～2003年觀測，流量為1.21～4.54 L/s。井田內(nèi)其他沖溝均屬季節(jié)性排洪沖溝，平時干涸無水，雨季排泄洪水。

大氣降水是永財坡煤業(yè)礦井充水的最終來源，因為無論是地表水或地下水，均直接或間接來自大氣降水的補給。從19號煤層采空區(qū)形狀看，以往采用刀柱式開采，煤層開采后導(dǎo)水裂縫帶沒有與地表溝通，地表沒有出現(xiàn)塌陷和地裂縫，大氣降水及地表水目前還沒有成為礦井充水水源。

②地下水

a.第四系孔隙水

第四系孔隙水主要賦存于永財坡煤業(yè)井田東南部的井兒溝，從井兒溝水井、泉水干枯分析，井田南部相鄰礦井侏羅系煤層開采形成的導(dǎo)水裂縫帶影響到了井兒溝第四系孔隙水，并成為侏羅系礦井充水水源，但未成為本礦開采石炭系二疊系、煤層充水水源。

b.二疊系可采煤層以上段砂巖裂隙水

二疊系19號煤層以上山西組、侏羅系永定莊組和白堊系左云組礦巖含水層普遍分布于井田內(nèi)，二疊系、石炭系煤層開采后，導(dǎo)水裂隙帶與上覆含水層溝通，砂巖裂水成為本礦開采二疊系、石炭系煤層開采的直接充水水源。

c.二疊－石炭系可采煤層段砂巖裂隙水

二疊系19號煤層以下山西組及石炭系太原組含水層普遍分布于井田內(nèi)。石炭系煤層開采后，導(dǎo)水裂縫帶與上覆含水層溝通，砂巖裂隙水成為本礦開采石炭系煤層開采的直接充水水源。

d.寒武－奧陶系巖溶水

奧陶－寒武系碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層在井田廣泛分布，是二疊系、石炭系煤層下伏的巖溶裂隙含水層，巖溶發(fā)育不均一性，富水性弱－中等。

井田寒武－奧陶系巖溶水水位標高在+960～+1 010 m之間，永財坡煤業(yè)礦井主要可采煤層是19、22、25號煤層。19號煤層底板標高為+920～+1 050 m，22號煤層底板標高為+880～+1 020 m，25號煤層底板標高+840～+990 m。19號煤層局部帶壓開采，22號煤層大部帶壓開采，25號煤層全部帶壓開采。

e.采空區(qū)積水

現(xiàn)在301盤區(qū)東北部有原礦方采空區(qū)，預(yù)計積水1.0萬m3。后期隨采掘活動的進行將產(chǎn)生大量的采空積水。

4 礦井防治水方案

根據(jù)礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和煤層采掘現(xiàn)狀分析，永財坡煤業(yè)礦井目前存在的主要水害是采空區(qū)積水及奧陶系巖溶承壓水對礦井安全生產(chǎn)的危害。針對上述問題提出礦井防治水工作方案如下：

4.1 頂板及采空區(qū)積水防治方案

（1）礦井生產(chǎn)需加強采空區(qū)范圍及積水情況的探測，做好探放水工作。對采掘工作面有威脅的采空區(qū)積水，必須堅持“有掘必探，先探后掘”的原則，采用“物探先行、化探跟進、鉆探驗證”綜合探測手段，嚴格執(zhí)行“探掘分離”“探放水作業(yè)優(yōu)先”的探放水制度[3]。

19號煤層30101工作面回采結(jié)束后，采空區(qū)低洼處會形成采空區(qū)積水。30102回風順槽與30101工作面相鄰，由于30102回風順槽位于30101工作面下山方向，30102回風順槽掘進時30101工作面采空區(qū)積水對巷道掘進有影響。因此，30102回風順槽掘進時采用井下瞬變電磁物探方法探查30101工作面采空區(qū)積水情況，并施工井下探放水孔對積水進行排放。

22號煤層502盤區(qū)回風巷上覆預(yù)計有19號煤層采空區(qū)積水1.0萬m3，502盤區(qū)皮帶巷、502盤區(qū)軌道巷上覆為19號煤層采空區(qū)。為了確保22號煤層順利開采，502盤區(qū)回風巷、502盤區(qū)皮帶巷、502盤區(qū)軌道巷掘進時采用井下瞬變電磁物探方法探查19號煤層采空區(qū)積水情況，并施工井下探放水孔對積水進行排放。

22號煤層50104膠帶順槽巷西側(cè)有同發(fā)東周窯礦22號煤層采空區(qū)積水30 282 m3，巷道掘進時做好周邊礦井采空區(qū)積水的探查工作及排放。

礦井采空區(qū)積水探查資料時間相對較久遠，采空區(qū)積水情況可能已經(jīng)發(fā)生變化，因此，應(yīng)重新對老空水積水進行探查和探放工作，確保礦井安全生產(chǎn)。

（2）采空區(qū)積水防治管理工作：①對于已查明的老空水的位置、范圍、積水量實行“三線”管理，采用物探、鉆探等手段開展防治水工作。②對于有影響的煤層采空區(qū)積水，根據(jù)探測分析結(jié)果，編制探放水設(shè)計，按探放水設(shè)計要求布置探水孔，對煤層采空區(qū)積水進行探放。③按照規(guī)定對采空區(qū)進行密閉，留設(shè)導(dǎo)水孔，加強觀測，及時將采空水排出。建立井田及相鄰礦井采空區(qū)動態(tài)管理機制，掌握其采空范圍、涌（積）水情況。

（3）19號 煤 層30101、30102及22號 煤 層50101、50102工作面回采后，由于采空區(qū)頂板逐步垮落，地面會形成地裂縫和塌陷，大氣降水和地表水通過地裂縫進入礦井，對礦井生產(chǎn)有影響。因此在雨季汛期來臨前防治水管理機構(gòu)要按照雨季“三防”管理制度，組織搶險隊伍，儲備足夠的搶險救災(zāi)物資，在人力、物力、資金等方面給予保證；派專人定期對井田范圍內(nèi)地表裂隙、塌陷及廢棄井口情況進行摸底排查，對地面裂縫和塌陷地點在制定安全技術(shù)措施后進行填堵，并根據(jù)防治水規(guī)劃投入專用經(jīng)費。

（4）永財坡煤業(yè)礦井為新建礦井，在斷層、向斜和背斜軸部、裂隙密集帶等構(gòu)造發(fā)育區(qū)，煤層頂?shù)装逅鄬Ω凰V井在采掘過程中應(yīng)加強探放水工作。需定期檢修礦井排水設(shè)備，及時清理排水溝和水倉，保證排水通暢。

（5）30102工作面回采將遇到4號鉆孔，50101工作面回采將遇到Y(jié)4號鉆孔，502盤區(qū)軌道巷掘進將遇見Y5號鉆孔，50104回風順槽巷掘進將遇見2號鉆孔。這些鉆孔封孔質(zhì)量合格，但未做鉆孔啟封檢查。采掘時應(yīng)根據(jù)各鉆孔的空間位置采用井下鉆探的方法進一步查清其導(dǎo)水情況，并提前做好井下注漿封堵或井下排水等相應(yīng)措施預(yù)案。

4.2 奧灰承壓水的防治方案

（1）加強導(dǎo)水構(gòu)造的探查。采掘區(qū)內(nèi)22號煤層為奧灰含水層帶壓開采，雖然突水系數(shù)處于相對安全區(qū)，但存在發(fā)生構(gòu)造、陷落柱突水的可能，因此在煤層采掘過程中應(yīng)加強對直通式導(dǎo)水構(gòu)造、裂隙密集帶等的探查工作，重點預(yù)防構(gòu)造突水。

采掘的22號煤層帶壓開采，突水系數(shù)小于0.06 MPa/m，正常塊段為帶壓開采相對安全區(qū)，構(gòu)造塊段具有突水危險性。帶壓區(qū)防治水工作的重點是對導(dǎo)水斷層、導(dǎo)水陷落柱的探查。50101回風順槽和50101膠帶順槽掘進將遇見XL1陷落柱，50102回風順槽巷掘進時將遇見XL1陷落柱，50104膠帶順槽巷掘進時將遇見XL3陷落柱，50105回風順槽巷進時將遇見XL2陷落柱。巷道掘進時必須先通過物探探查陷落柱的水文地質(zhì)特征，然后通過鉆探確定陷落柱的導(dǎo)水性和富水性，并采取相應(yīng)的防治水措施，如注漿封堵、留設(shè)煤柱。

（2）寒武-奧陶系巖溶水對礦井安全生產(chǎn)存在一定的危害，應(yīng)盡快施工奧灰長觀孔，逐步建立和完善礦井動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

（3）井田構(gòu)造中等，22號煤層大部分帶壓開采，25號煤層全井田帶壓開采，22、25號煤層正常塊段屬于帶壓開采相對安全區(qū)，但在構(gòu)造塊段仍有突水危險性。因此掌握井田構(gòu)造分布尤為重要，應(yīng)開展全井田三維地震工作，以準確探查本井田的構(gòu)造情況。

（4）鑒于井田內(nèi)陷落柱、褶曲構(gòu)造和小斷層發(fā)育，且礦井未來深部為帶壓開采，應(yīng)進一步做好礦井水文地質(zhì)條件補充勘探工作，制定適合礦井實際的防治水技術(shù)路線，以便有計劃、按步驟、系統(tǒng)性地開展礦井超前探查與治理等防治水工作，保證采掘安全。

4.3 其他方案

（1）加強礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)工作。嚴格按《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》、《煤礦防治水細則》的要求編制地質(zhì)、水文地質(zhì)圖紙、臺帳，并做好資料歸檔工作。

（2）在以后的生產(chǎn)建設(shè)中，要與附近礦井經(jīng)常相互溝通，留設(shè)好各自的煤柱，嚴禁非法越界、越層開采。

（3）防治水工作要嚴格按照《煤礦防治水細則》進行，堅持“預(yù)測預(yù)報、探掘分離、有掘必探、先探后掘、有采必探，先治后采”的原則，采取“探、防、堵、疏、排、截、監(jiān)”等綜合治理措施，建立健全防治水專業(yè)機構(gòu)，配備足夠的專業(yè)設(shè)備和專業(yè)技術(shù)人員，建立健全防治水專業(yè)基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，定期開展水害隱患排查和治理，嚴格執(zhí)行井下探放水的各項規(guī)定，加強應(yīng)急救援工作。

5 結(jié)語

綜上所述，在永財坡煤業(yè)煤礦生產(chǎn)過程中為保證礦井安全，加強礦井防治水工作意義重大。需加大人力、物力、財力方面的投入，運用新技術(shù)、新裝備探查并治理水害隱患。