煤礦充水因素及水害防治措施的應(yīng)用研究

王海濤

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司團(tuán)柏煤礦水害防控工程技術(shù)中心，山西 霍州 031400）

1 礦井地質(zhì)分析

霍州煤電集團(tuán)公司團(tuán)柏煤礦位于霍州市城南，井田面積33.8372km2，當(dāng)前核定礦井生產(chǎn)能力為270萬t/a，礦井現(xiàn)有主、副斜井及3個風(fēng)井。井田內(nèi)以小落差斷層為主，10-301工作面內(nèi)遭遇F3、F4斷層，其余均距離計劃開采區(qū)較遠(yuǎn)。井田投產(chǎn)以來，在生產(chǎn)中揭露較多斷層，斷層落差多為1.0～3.0m左右的層間斷層。

2 礦井充水水源

2.1 10號煤充水水源

未來采掘范圍松散層厚度150 m左右，10號煤層埋深400 m左右，埋藏較深，一般不接受大氣降水和地表水的直接補(bǔ)給。但10號煤層未來開采區(qū)上方存在廢棄小窯，不排除構(gòu)造導(dǎo)通或個別開采較深的小煤窯積水涌入礦井的可能。10號煤開采的底板破壞深度為12 m，+400 m水平10號煤至奧灰平均間距約為35.6 m，采掘中直接揭露導(dǎo)水陷落柱或斷層，奧灰水就能通過導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)入礦井成為充水水源。

2.2 11號煤充水水源

采掘范圍松散層厚度150 m左右，11號煤層埋深350 m左右，埋藏較深，一般不接受大氣降水和地表水的直接補(bǔ)給。11號煤開采時頂板直接充水水源為10號煤采空區(qū)積水。10、11號煤層間距平均5.83 m，11號煤開采時的導(dǎo)水裂縫帶高度為61.6～68.7 m。11號煤開采時不會導(dǎo)通2號煤采空區(qū)，僅可導(dǎo)通太原組灰?guī)r含水層，該含水層在開采10號煤時已經(jīng)得到疏放，預(yù)計會在10號煤采空低洼處形成積水，以采空積水的形式向11號煤充水。10號煤為礦井自有采空區(qū)，積水范圍、標(biāo)高清楚，通過放水鉆孔可基本疏放完畢，一般對生產(chǎn)造成的影響小。

11號煤開采的底板破壞深度為15 m，首采區(qū)11號煤至奧灰平均間距約為27 m，縮小了11號煤與奧灰頂面有效隔水層厚度，根據(jù)華北型煤田的帶壓開采經(jīng)驗，當(dāng)?shù)装甯羲畬雍穸刃∮?5 m時，奧灰水有可能直接突破隔水層進(jìn)入礦井，奧灰水有可能成為11號煤開采的直接充水水源。因此團(tuán)柏煤礦開采11號煤時，必須采取必要的帶壓開采防治水措施，降低奧灰突水的可能性。

3 礦井充水通道

3.1 自然形成充水通道

3.1.1 裂隙充水通道

井田內(nèi)10號煤層工作面回采后產(chǎn)生的頂、底板裂隙將破壞砂泥巖的完整性，這成為礦井的自然充水通道。

3.1.2 斷層

井田內(nèi)以小落差斷層為主，大、中斷層不多，勘查階段在井田西北、北部有落差10～20 m斷層8條（F3～F10），中東部有落差大于20 m斷層2條（F5、F6），計劃開采的10-301工作面內(nèi)遭遇F3、F4斷層，其余均距離計劃開采區(qū)較遠(yuǎn)。井田投產(chǎn)以來，在生產(chǎn)中揭露較多斷層，斷層落差多在5 m以下，多為1.0～3.0 m左右的層間斷層，主要包括 F1上團(tuán)柏斷層、 F2下團(tuán)柏斷層、 F5正斷層和F6正斷層。截至2017年底，下組煤生產(chǎn)共揭露斷層約102條，斷層落差0.3～3.3 m。注意底板隱伏構(gòu)造的探查，尤其11號煤層下距奧灰近，小斷層密集區(qū)破壞底板隔水層的穩(wěn)定性，可能使底板奧灰水沿薄弱地帶突入礦井。

3.1.3 陷落柱導(dǎo)水通道

井田內(nèi)陷落柱較多，上組煤已開采區(qū)域揭露的陷落柱基本不含水。截至2017年底已揭露陷落柱303個，其中有10個陷落柱為上下煤層同時揭露。目前下組煤開采的+400 m水平已揭露陷落柱近200個，其中下組煤一采區(qū)揭露陷落柱97個，有8個陷落柱涌水；二采區(qū)揭露陷落柱81個，有10個陷落柱涌水；三采區(qū)揭露陷落柱15個，有8個陷落柱涌水。根據(jù)開采揭露實際情況，分析陷落柱有隨煤層底板標(biāo)高降低增多且導(dǎo)水性增大的趨勢。

3.2 人為形成充水通道

計算各煤層頂板垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度，結(jié)果見表1所示。

10號煤層產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶最大高度為60.3 m，最高可達(dá)太原組頂部，直接充水含水層為頂板石灰?guī)r夾砂巖裂隙含水層，2、10號煤層相距65.61～111.3 m，平均90 m左右，開采時形成的導(dǎo)水裂縫帶，會溝通10號煤層上覆含水層。據(jù)生產(chǎn)實踐證明，2號煤層采空區(qū)積水一般以滲、淋水進(jìn)入10號煤層，影響較小。10、11號煤層間距很小，11號煤層最大綜合開采厚度取10、11號煤累積厚度5.65～6.64 m，計算11號煤層產(chǎn)生導(dǎo)水裂縫帶最大高度為68.7m，10、11號煤層相距3.52～7.43 m，平均5.83 m左右，11號煤層開采后會溝通上方10號煤層采空區(qū)及其上石灰?guī)r、砂巖含水層。

3.3 礦井自掘采空區(qū)積水

（1）2號煤層采空區(qū)

礦井2號煤層開采主要在井田東部，現(xiàn)已采完停采，10、11號煤層計劃開采區(qū)上方不存在2號煤采掘區(qū)，不受上方2號煤層自掘采空積水影響。

（2）10號煤層采空區(qū)

11號煤層開采后會溝通上方10號煤層采空區(qū)及其上石灰?guī)r、砂巖含水層，受10號煤采空區(qū)積水的威脅，必須采取防治措施。核減掉已探放的采空積水，通過地質(zhì)、水文地質(zhì)條件分析推測估算今后三年煤層開采有影響的采空積水見表2。

（3）11號煤層采空區(qū)

礦井以往未開采過11號煤層，目前正掘進(jìn)11號煤層11-101巷道，井田內(nèi)無11號煤層采空區(qū)。

4 礦井水害防治措施研究

4.1 含水砂巖水害防治措施

當(dāng)砂巖水柱高度小于6 m時，開拓準(zhǔn)備時間應(yīng)提前1～2年，開采時基本處于疏干狀態(tài)，采用防水煤柱的原則是“稍大于最大冒落高度”，防水煤柱應(yīng)盡量縮小，以采煤工作面不漏砂為原則；當(dāng)含水層水柱高6～10 m時開拓準(zhǔn)備期間內(nèi)不完全疏干，采取留設(shè)煤柱并且邊采邊疏的辦法。團(tuán)柏礦根據(jù)自己的情況和回采工藝的特點采用了開拓準(zhǔn)備疏水與邊采邊排放的辦法，取得很好的效果。在11號煤層1122工作面生產(chǎn)時，周圍均為未采區(qū)，其涌水較大，根據(jù)權(quán)臺礦的突水經(jīng)驗，1122工作面采取了一系列行之有效的防治措施，首先設(shè)置排水道，采用兩級排水，在風(fēng)道設(shè)置一臨時水倉和足夠排水能力的排水系統(tǒng)，設(shè)置一臺備用水泵，其次，生產(chǎn)上加強(qiáng)工程質(zhì)量，加強(qiáng)頂板管理，加快推進(jìn)速度，防止來壓和導(dǎo)水通道過大，造成涌水量增加。另外超前工作面打鉆進(jìn)行探放水，該種辦法的采取保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

4.2 煤層頂板砂巖裂隙水的防治措施

對于團(tuán)柏礦11號煤層1225工作面回采時，因工作面頂板砂巖裂隙水掉水，涌水量最高達(dá)60～80m3/h，造成工作面運輸巷被淹，工作面停產(chǎn)近10d。為了恢復(fù)工作面的正常生產(chǎn)，在運輸巷上方，另掘進(jìn)一條巷道抬高運輸巷，改變生產(chǎn)系統(tǒng)。運煤走抬高了的運輸巷，原運輸巷作放水道，且增加了原運輸巷的排水能力，使工作面恢復(fù)正常生產(chǎn)。主要防治水措施及經(jīng)驗有：（1）對上覆巖層中的含水層、隔水層等對采煤工作面的回采影響做到心中有數(shù)。（2）工作面建立完善的、具有足夠排水能力的排水系統(tǒng)。（3）當(dāng)工作面傾角小于10°時，將運輸巷布置在采煤工作面上方，材料道布置在工作面下方，利于排水。（4）適當(dāng)調(diào)面回采，將工作面涌水匯集到工作面下部的采空區(qū)，在運輸巷超前刮板輸送機(jī)尾挖臨時水倉，安泵排水。

4.3 陷落柱的防治水措施

團(tuán)柏礦在加強(qiáng)陷落柱的防治水工作的主要措施經(jīng)驗有：（1）采用物探手段進(jìn)行勘查，獲取了全面的水文資料；（2）對導(dǎo)水陷落柱留設(shè)足夠的煤（巖）柱保護(hù)；（3）進(jìn)入陷落柱內(nèi)的鉆孔嚴(yán)格進(jìn)行注漿封堵；（4）對誤人陷落柱的巷道，立即砌擋水墻封閉。

4.4 采空區(qū)水的防治措施

（1）標(biāo)明積水區(qū)及其最洼點的具體位置和積水外緣標(biāo)高，并外推20～60 m，用紅色圈出積水采空區(qū)警戒線。（2）以平面圖、剖面圖切實反映積水區(qū)與采掘工作面的空間位置，分析其主要充水因素，估算積水量和補(bǔ)給水量。（3）加強(qiáng)對職工的安全技術(shù)培訓(xùn)，要求職工掌握透水征兆，發(fā)現(xiàn)透水征兆及時向礦調(diào)度室匯報，情況危急時及時撤出人員。

5 結(jié)論

本文以團(tuán)柏煤礦井田地質(zhì)為基礎(chǔ)，對其充水因素和充水通道進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，基于以上分析提出了水害防治措施。實踐應(yīng)用效果良好，防止了井下水災(zāi)事故的發(fā)生，保障了團(tuán)柏煤礦的安全開采。