淺埋近距離煤層水文地質(zhì)及防水措施研究

金　鑫

(中國煤炭科工集團重慶設(shè)計研究院有限公司，　重慶　400016)

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淺埋近距離煤層水文地質(zhì)及防水措施研究

金鑫

(中國煤炭科工集團重慶設(shè)計研究院有限公司，重慶400016)

某礦井區(qū)內(nèi)地下水賦水情況復雜，涌水量及水壓均較大，為了保證礦井安全生產(chǎn)，需查明該礦井的水文地質(zhì)條件并制定行之有效的防冶水措施。主要研究了首采工作面煤層采動前、后含水層變化規(guī)律及導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律，以超前探水、疏水降壓、合理留設(shè)防水煤巖柱等防治水措施來指導企業(yè)進行水害安全防治，通過多種防治水措施的綜合運用，杜絕了礦井重大水害事故，為礦井帶來了較大的經(jīng)濟和社會效益。

含水層；充水因素；導水裂隙帶;防水措施

0　引　言

礦井透水事故在礦井水災(zāi)中發(fā)生最多，后果最為嚴重，其是在采掘工作面與地表水或地下水相溝通時突然發(fā)生大量涌水，造成淹井事故。隨著煤田開采向地層深處不斷延伸，井筒深度不斷增加，地層情況越加復雜，開鑿條件越加惡劣，突水淹井事故呈現(xiàn)出上升的趨勢，嚴重影響和威脅礦井安全生產(chǎn)。

我國礦井水文地質(zhì)條件極為復雜，無論是受水威脅的面積、類型，還是水害威脅的嚴重程度，都是世界罕見的。2002～2012年全國煤礦共發(fā)生水災(zāi)事故816起、死亡3805人，分別占死亡事故總起數(shù)和死亡總?cè)藬?shù)的3.0%和8.2%，平均每起事故死亡4.66人。同時，礦井災(zāi)害事故對煤礦正常生產(chǎn)，特別是對高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井影響極大，一旦發(fā)生水災(zāi)，停產(chǎn)就會造成巨大的經(jīng)濟損失。有效遏制礦井水災(zāi)事故的發(fā)生，已成為保障礦井安全生產(chǎn)十分迫切的需要。

某礦井井田南北長約5.643 km，東西寬約3.807 km，面積為10.4804 km2。井田內(nèi)沖溝發(fā)育，平時干涸無水，雨季為排泄通道，井田北東部有較大的溝谷，為井田內(nèi)地表水的排泄通道，往東流入井田外的常年性水流西河。區(qū)內(nèi)地下水賦水情況較為復雜，涌水量及水壓均較大。因此，查明該區(qū)的水文地質(zhì)條件并制定行之有效的防治水措施，對礦井安全生產(chǎn)具有十分重要的意義，同時也可為保水采煤的協(xié)調(diào)統(tǒng)一， 建設(shè)綠色礦井提供地質(zhì)依據(jù)和安全保障。

1　礦井水文地質(zhì)條件及充水因素分析

1.1礦井水文地質(zhì)類型

14，15號煤層為井田內(nèi)主要可采煤層，也是本井田批準開采煤層。其直接充水含水層為太原組K2～K4石灰?guī)r裂隙巖溶含水層和頂板砂巖裂隙含水層，據(jù)石港井田精查地質(zhì)報告，太原組含水層的含水性較弱。井田內(nèi)煤層直接或間接充水含水層組涌水量均小于0.1 L/s·m，屬于頂板進水為主、水文地質(zhì)條件簡單的巖溶充水礦床。井田東部，由于構(gòu)造簡單，雖發(fā)現(xiàn)破壞15號煤層的11個陷落柱，但其導水性很差，且15號煤層距奧灰頂界有厚約27.0 m的隔水層。在井田西部礦界小部分，由于下伏中奧陶統(tǒng)巖溶裂隙含水層的含水性較強，水頭較高，15號煤層最低底板標高為+800 m，西部最低煤層低于奧灰水位(+810 m)10 m，構(gòu)成了15號煤層開采時涌水的不利因素，在陷落柱及構(gòu)造薄弱地帶有可能突水，可轉(zhuǎn)化為以底板進水為主的礦井水文地質(zhì)類型中等的巖溶充水礦床。

1.2礦井涌水量

《地質(zhì)報告》提供結(jié)果：經(jīng)預(yù)算，本礦井生產(chǎn)能力達到300萬t/a，其礦井正常涌水量為1200 m3/d，最大涌水量2100 m3/d。

本礦井工作面采取灌漿防滅火措施，通過計算，每日灌漿用水量824 m3/d，考慮灌漿時間不均衡性，每日灌漿時間為6～18 h，故灌漿用水為井下貢獻水量45～135 m3/h，另加上煤層注水量(最大15 m3/h)、井下消防曬水、采掘設(shè)備用水等，本礦井按正常涌水量200 m3/h，最大涌水量400 m3/h進行設(shè)計。

1.3大氣降水及頂板和井筒滲水

大氣降水沿基巖裂隙入滲，或沿采空冒落帶、導水裂隙帶入滲，為本井田充水來源之一。

井田內(nèi)現(xiàn)有煤礦開采15號煤層，礦坑充水主要來源是各煤層頂?shù)装辶严都熬擦严稘B水所致。涌水量受產(chǎn)量、采空區(qū)擴大等因素影響不大，主要受降水量的影響。

1.4冒落帶和導水裂隙帶高度計算

14，15號煤層開采所產(chǎn)生的冒落帶、導水裂隙帶高度按式(1)和式(2)進行計算：

(1)

(2)

式中：H冒——煤層采空最大冒落帶高度，m；

M——煤層厚度，m；

H導——煤層采空最大導水裂隙帶高度，m；

n——煤層分層開采次數(shù)；

K——冒落巖石碎脹系數(shù)，取1.3。

14號煤層厚度0.85～1.3 m，平均1.07 m，一次采全高，計算得冒落帶高度3.0～4.3 m，導水裂隙帶高度為41.5 m。14號和15號煤層間距7 m左右，距離很小，15號煤層開采時完全進入14號層范圍內(nèi)，則綜合開采累計厚度M12=M1+M2，兩層煤厚7.27 m。一次采全高，計算得冒落帶高度24.5 m，導水裂隙帶高度為77.0 m。通過計算可知，14，15號煤層聯(lián)合開采時，可影響14號煤層頂板以上約100 m的層位。

從以上計算可知，14號煤層導水裂隙帶高度小于其煤層埋藏深度，因此季節(jié)性地表水對井下開采14號煤層無大的影響，14號煤層頂板K2灰?guī)r水可通過導水裂隙帶進入井下，對14號煤層產(chǎn)生一定的影響。15號煤層導水裂隙帶高度大于14號煤層間距(平均7.23 m)，因此若14號煤層采空區(qū)內(nèi)有積水，該積水會通過導水裂隙帶進入15號煤層井下，對15號煤層開采產(chǎn)生一定的影響。總之，未來礦井開采14，15號煤層時應(yīng)引起足夠的重視。

1.5最大突水系數(shù)

據(jù)礦井井田范圍內(nèi)新施工的水源井資料，推測井田內(nèi)奧陶系石灰?guī)r含水層，水位標高為810 m，而井田內(nèi)14號煤層底板標高在820～1280 m，15號煤層底板標高在800～1280 m，15號煤承壓水頭高約10 m，15號煤層最大突水系數(shù)按式(3)計算。

(3)

式中：T——突水系數(shù)，MPa/m；

P——作用于隔水層的水壓，MPa，15號煤層隔水層的水壓分為0.1 MPa；

M——底板隔水層厚度，m，15號煤層底板隔水層厚度27.0 m。

受構(gòu)造破壞地段的臨界突水系數(shù)為0.06 MPa/m，正常地段的臨界突水系數(shù)為0.10 MPa/m。經(jīng)估算，15號煤層最低開采標高時，最大突水系數(shù)T為0.004 MPa/m。奧灰承壓水頭下的突水系數(shù)小于臨界突水系數(shù)。且峰峰組灰?guī)r隔水性能良好，正常情況下，不存在奧灰突水危險性，但也應(yīng)注意構(gòu)造裂隙溝通引發(fā)奧灰突水的可能性。

2　礦井防治水技術(shù)研究

2.1地表水防治技術(shù)

(1) 根據(jù)本礦的實際情況，井口及工業(yè)場地位于地勢較高的平緩地帶，因此地面防治工程相對比較簡單。在選擇井筒時，該礦井已避開可能發(fā)生的山洪沖刷、泥石流、滑坡的地段。在井口和工業(yè)場地建立必要的疏水、防水和排水系統(tǒng)，防止雨季來臨時，地面流水從井口進入井下坑道。

(2) 西溝自北向南從主場地與行政生活區(qū)之間穿流而過。根據(jù)《礦井地質(zhì)報告》提供的資料，西溝在此處的最高洪水位為+1295.00 m。為此，將位于最低臺階的行政生活區(qū)場地標高定為+1295.50 m水平，行人斜井的井口標高定為+1299.00 m，不會受到西溝的洪水威脅。主場地的標高在+1316.00 m水平，主斜井、副斜井及回風立井的井口標高分別為+1316.388，+1316.366，+1328.00 m，西溝的洪水更構(gòu)不成威脅。

(3) 為防止地表水對場區(qū)造成危害，特在場區(qū)靠山坡一側(cè)設(shè)置截水溝截走地表水。進入風井場地的道路的邊溝作為主排水溝將地表水引入西溝，主排水溝斷面為0.8 m×0.8 m。

2.2老窯的安全防治水措施

(1) 本礦井已經(jīng)采取物探(瞬變電磁探測技術(shù))、鉆探等手段完成了投產(chǎn)區(qū)的水情探查工作，完成了整合前采空區(qū)的水情探查工作，劃定了大于40 m的采空區(qū)防水保護煤柱和50 m的采空區(qū)水位警戒線。

(2) 接近探水線的掘進工作，編制探放水設(shè)計，超前探放水，采煤工作面受老空區(qū)積水威脅時，已編

制專門的探放水設(shè)計，嚴格按批準的措施執(zhí)行。

2.3奧灰水防治

(1) 本井田15號煤層底板標高在西北深部礦界，僅小部分范圍內(nèi)低于奧灰水位(+810 m)，礦井開采區(qū)域大部分在奧灰水位標高以上，正常情況下，本礦不存在奧灰突水危險性，但應(yīng)注意隱伏構(gòu)造裂隙溝通引發(fā)奧灰突水的可能性。本礦井設(shè)計有潛水泵強排系統(tǒng)，可一定程度上預(yù)防深部可能的奧灰水災(zāi)害。

(2) 今后礦井開采至西北深部，接近+810 m標高時，考慮到煤層底板可能存在隔水層變薄帶、構(gòu)造破碎帶、導水裂隙帶，應(yīng)加強警戒，探明底板富水情況，必須編制探放水設(shè)計和安全措施，待查明條件后，再確定是否開采。

3　結(jié)　論

通過以上的分析得知，某礦井主采14，15號煤層部分區(qū)域由于多年開采存在一定范圍的采空區(qū)，并形成了大量積水，為礦井井筒的安全施工和煤層開采帶來了困難。影響礦井安全生產(chǎn)的充水因素主要為大氣降水、煤層開采所產(chǎn)生的導水裂隙帶、采空區(qū)積水、奧灰?guī)r溶水，防治的方法就是要詳細查明礦井的水文地質(zhì)條件，合理確定防水煤巖柱和開采厚度,以超前探水、疏水降壓、合理留設(shè)防水煤巖柱等防治水措施來防治。對于淺埋深、近距離煤層采空區(qū)積水使用地面鉆孔排放、井口排放、井下探放的排水方法，井下疏導排水法，來指導企業(yè)進行水害安全防治，達到既保水又采煤的和諧局面，保持礦井可持續(xù)發(fā)展。礦井投產(chǎn)實踐證明，通過多種防治水措施的綜合運用，杜絕礦井重大水害和人身傷亡事故，為礦井帶來了較大的經(jīng)濟和社會效益。

[1]中國煤炭地質(zhì)總局一一九勘探隊.山西汾西瑞泰井礦正行煤業(yè)有限公司兼并重組整合礦井地質(zhì)報告[R].邯鄲：中國煤炭地質(zhì)總局一一九勘探隊，2010.

[2]中國煤炭地質(zhì)總局一一九勘探隊.山西汾西瑞泰井礦正行煤業(yè)有限公司采空區(qū)積水、積氣及火區(qū)調(diào)查報告[R].邯鄲：中國煤炭地質(zhì)總局一一九勘探隊，2010.

[3]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定[S].

[4]俞啟香.礦井災(zāi)害防治理論與技術(shù)[M].北京：中國礦業(yè)大學出版社，2008.

[5]王啟云.礦井防治水工作研究[J].煤炭技術(shù)，2010，29(1).

[6]隋旺華,孫亞軍.礦井水害防治關(guān)鍵技術(shù)及防治水專業(yè)人才培養(yǎng)方案探討[J].中國地質(zhì)教育，2009(1).

[7]鄧奇根,王燕,劉明舉,等.2001～2013年全國煤礦事故統(tǒng)計分析及啟示[J].煤炭技術(shù)，2014,3(09).

2016￣04￣26)

金鑫(1983-)，男，吉林四平人，工程師，主要從事礦井設(shè)計咨詢工作，Email：43854431@qq.com。