山西馬道頭煤礦水患類型及治水措施

姜士鵬

(山西大同煤礦集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司)

隨著我國煤炭地下開采深度不斷增加，礦井安全開采受到突水災(zāi)害的威脅日趨嚴(yán)重。為確保礦井安全生產(chǎn)，有必要按照井田內(nèi)水文地質(zhì)查明程度及防治措施實(shí)施情況，將井田分為可采區(qū)(水文地質(zhì)條件清楚、水害防治措施實(shí)施效果較好)、緩采區(qū)(存在老空積水、承壓水等隱患的煤礦，因經(jīng)費(fèi)、技術(shù)等因素的制約，水文地質(zhì)條件不清楚且水患治理效果欠佳)[1-2]，針對各類區(qū)域特殊情況采取不同的水文地質(zhì)災(zāi)害防治措施，勢必能夠取得理想效果。本研究以山西馬道頭煤礦5#煤層為例，進(jìn)行防治水分區(qū)研究，將區(qū)內(nèi)劃分為可采區(qū)和緩采區(qū)，并針對各區(qū)的水害類型，對相應(yīng)的治水措施進(jìn)行闡述。

1 礦井開采條件

馬道頭煤礦5#煤層底板標(biāo)高為760～1 230 m。采用斜、立井混合開拓，一個(gè)水平開采，布置有主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)立井、回風(fēng)立井4個(gè)井筒，主、副井采用斜井開拓，回風(fēng)井采用立井開拓[3]。采煤工作面采用單一走向長壁綜合機(jī)械化低位放頂煤開采工藝，后退式開采方式。掘進(jìn)巷道支護(hù)方式為錨桿(索)金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

井田內(nèi)鉆孔揭露的地層由老至新有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系以及第四系[4]。地層走向大致為EW向，傾向N，為一南高北低的單斜構(gòu)造，地層傾角一般為2°～3°。含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，共含煤18層。井田東北部雖然賦存侏羅系大同組地層，但僅賦存其底部地層，一般不含煤。其中，5#煤層位于太原組中部，距山西組底界K3砂巖一般約20 m。該煤層總厚0.34～26.24 m，平均厚11.85 m，煤層層位穩(wěn)定，厚度大，井田內(nèi)皆賦存且可采，煤層賦存范圍內(nèi)厚度變化較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有0～15層夾矸，一般為3～7層。井田內(nèi)煤層具有西部厚(3#、5#煤層合并)、東部薄的特征[5]。

井田內(nèi)斷層較發(fā)育，三維地震勘探及補(bǔ)充勘探解譯出落差大于10 m的斷層有182條，二維地震勘探解譯出落差大于15 m的斷層有41條，其中落差大于或等于20 m的可靠及較可靠斷層有20條；井田內(nèi)已確定了13個(gè)褶皺構(gòu)造，其中7個(gè)背斜，6個(gè)向斜；井田內(nèi)地表地球物理勘探解譯出19個(gè)陷落柱，另勘探鉆孔揭露的陷落柱編號分別為ZTXLZ1、TXL1、TXL2，針對二、三維地震解譯出的斷裂構(gòu)造、陷落柱、異常體，布設(shè)了機(jī)動孔進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)煤層底板與相鄰鉆孔底板高差不明顯，說明陷落柱陷落煤層較??；井田巖漿巖沿?cái)嗔褬?gòu)造上升侵入煤層，井田西部715、711、713鉆孔內(nèi)的5#煤層有煌斑巖侵入，對太原組上段的5#煤層有破壞作用，但影響范圍較小[6-8]?？傮w上，井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度中等。

2 礦井水患類型

現(xiàn)階段，馬道頭煤礦水患類型主要有地表水及大氣降水、采空區(qū)積水、地下水，導(dǎo)水通道主要有斷層、陷落柱、導(dǎo)水裂縫帶和封閉不良鉆孔。

2.1 大氣降水及地表水

井田內(nèi)5#煤層開采形成的導(dǎo)水裂縫帶高度平均為193.48 m，最大導(dǎo)水裂縫帶高度為374.68 m，大部分地區(qū)能夠溝通地表，使得大氣降水及其形成的溝谷洪水對礦井充水有一定的影響。井田及周邊分布有較大的河流，由北至南、由西至東分別為十里河、元子河、大峪河、小峪河，多為季節(jié)性河流，即大氣降水及地表水對礦井采掘有一定的影響。

2.2 采空區(qū)積水

2.2.1 井田內(nèi)采空區(qū)積水情況

馬道頭礦已回采了4個(gè)工作面，其中1個(gè)工作面為下山回采，工作面采空區(qū)積水沿工作面排水系統(tǒng)已排凈，其余3個(gè)工作面總體為上山回采，該類工作面南部由于受到褶皺影響，存在一定量的采空區(qū)積水(表1)。

表1 井田內(nèi)5#煤層采空積水情況

2.2.2 周邊礦井采空區(qū)積水情況

馬道頭井田周邊礦井煤層特征參數(shù)及采空區(qū)積水情況見表2。

2.3 地下水

井田內(nèi)第四系松散層厚度小，含水層富水性差，分布區(qū)域有限，由砂礫石層、粉土組成。地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，隨地形由高至低運(yùn)移，同時(shí)向下伏基巖滲漏，主要排泄方式為人工開采，礦井涌水量可能增大。石炭—二疊系含水層為煤層開采的直接充水含水層，井田內(nèi)5#煤層開采時(shí)，砂巖裂隙水易進(jìn)入礦井，故砂巖裂隙水為該煤層的主要直接充水因素。該地段含水層富水性中等—弱，充水量有限，一般情況下不影響礦井生產(chǎn)，但由于其富水性具有不均一性，不排除局部地段富水性增強(qiáng)，故對5#煤層開采將構(gòu)成一定威脅。

賦存于巖溶裂隙中的承壓含水層為太原組5#煤層底板突水的間接性充水含水層，井田內(nèi)開采煤層屬于帶壓開采煤層。依據(jù)井田內(nèi)揭露的寒武—奧陶系灰?guī)r鉆孔數(shù)據(jù)，灰?guī)r含水層巖溶裂隙發(fā)育極不均一，涌水量為0.0915～0.1317L/(s·m)，為富水性中等—強(qiáng)含水層，尤其在構(gòu)造破碎帶或封閉不良的鉆孔地帶，灰?guī)r水很可能沿導(dǎo)水裂隙帶間接成為5#煤層的礦井充水水源，對煤層開采構(gòu)成威脅。

表2 馬道頭礦井周邊礦井煤層參數(shù)及采空積水情況

通過綜合考慮煤層突水系數(shù)、充水含水層富水性、底板隔水層和有效隔水層、地質(zhì)構(gòu)造等因素，本研究采用多因素疊加法對5#煤層底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行了評價(jià)[9-10]，結(jié)果如表3、圖1所示。

由表3知：5#煤層底板的突水系數(shù)均小于0.06 MPa/m，屬于底板突水安全區(qū)[11]，總體上看，F(xiàn)98、F99斷層構(gòu)成的地塹區(qū)域的太原組地層可能導(dǎo)通奧陶系灰?guī)r地層，兩者在部分塊段會產(chǎn)生水力聯(lián)系，因此在F98、F99斷層影響區(qū)域內(nèi)的5#煤層區(qū)屬于底板突水危險(xiǎn)區(qū)。

表3 5#煤層突水系數(shù)

3 煤礦防治水分區(qū)劃分及治水措施

3.1 防治水分區(qū)劃分

防治水分區(qū)劃分的原則為：①井田內(nèi)5#煤層為帶壓開采，經(jīng)計(jì)算，屬于帶壓開采安全區(qū)，根據(jù)以往地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探成果以及物探、鉆探資料，可將井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造情況及水文地質(zhì)條件明確的區(qū)域劃為可采區(qū)，將井田內(nèi)水文地質(zhì)條件暫不清晰的區(qū)域劃為緩采區(qū)；②將大巷及已掘巷道劃為可采區(qū)；③井田邊界保安煤柱范圍及采空區(qū)不參與劃分。根據(jù)上述原則，井田內(nèi)5#煤層防治水分區(qū)劃分結(jié)果見表4及圖2。

表4 5#煤層防治水分區(qū)劃分結(jié)果

3.2 分區(qū)防治水措施

3.2.1 可采區(qū)

圖1 5#煤層底板突水系數(shù)分區(qū)

圖2 5#煤層分區(qū)劃分示意

(1)采空區(qū)積水。①生產(chǎn)過程中須嚴(yán)格執(zhí)行老空積水的“三線”管理制度，綜合分析采空區(qū)分布范圍，劃出積水線、探水線和警戒線，并結(jié)合礦井實(shí)際情況，最終確定的探水線為積水線外推40 m，警戒線為探水線外推50 m；②采掘工作面進(jìn)行探水前，應(yīng)預(yù)先編制專項(xiàng)的探放水方案，確定允許掘進(jìn)的距離和超前距離，并制定有害氣體安全防范措施；③按照相關(guān)規(guī)定對采空區(qū)及廢巷進(jìn)行密閉，留設(shè)導(dǎo)水孔，加強(qiáng)觀測，及時(shí)將采空區(qū)積水排出，同時(shí)留設(shè)觀察孔，觀測采空區(qū)內(nèi)的溫度和有害氣體分布情況；④須定期收集、調(diào)查和核對相鄰煤礦和廢棄老窯積水情況，并在井上下對照圖件上標(biāo)出相關(guān)井田位置、開采范圍、開采年限及積水情況，在采掘工程平面圖及充水性圖件上標(biāo)繪出積水井巷及采空區(qū)積水范圍、底板標(biāo)高和積水量等信息，此外，還應(yīng)建立井田及相鄰礦井采空區(qū)動態(tài)管理機(jī)制，以有效掌握采空區(qū)范圍、涌(積)水情況等信息。

(2)大氣降水及地表水。①地面廣場應(yīng)定期檢查疏通各排水系統(tǒng)，確保地面無積水，遇有外水時(shí)確保不流向井口方向，在礦井井筒附近儲備防洪(雨)水黏土袋，在礦區(qū)內(nèi)應(yīng)采取填坑、補(bǔ)凹、整平地表等措施，定期清理礦井工業(yè)廣場以及周邊水溝；②封堵塌陷坑及地裂縫；③加強(qiáng)雨季前防汛工作，嚴(yán)格執(zhí)行礦井雨季“三防”管理制度，每年根據(jù)本年度采掘工程布置情況制定詳細(xì)的水災(zāi)應(yīng)急處理預(yù)案。

(3)煤層頂板水。對于物探解譯的煤層頂板含水層的富水異常區(qū)，應(yīng)采用井下瞬變電磁勘探方式進(jìn)一步核實(shí)，而后對富水異常區(qū)進(jìn)行井下鉆探驗(yàn)證，經(jīng)證實(shí)本含水層與強(qiáng)含水層或其他水體未發(fā)生水力聯(lián)系，且采區(qū)有足夠排水能力時(shí)，可在采區(qū)最底部首先回采，實(shí)行采動放水，也可以結(jié)合生產(chǎn)開拓需要，直接在含水層內(nèi)掘進(jìn)巷道放水。

(4)奧灰水。礦井5#煤層為帶壓開采，需做好奧灰水防治工作，即加強(qiáng)對帶壓區(qū)內(nèi)斷層和陷落柱富導(dǎo)水性的探測與研究工作，可通過注漿封堵方式切斷其與奧陶系灰?guī)r含水層的水力聯(lián)系，也可通過留設(shè)防隔水煤柱進(jìn)行隔離[12-15]。

(5)斷層水。①在巷道掘進(jìn)過程中，巷道前方若揭露到斷層，應(yīng)采用直流電法超前探方式進(jìn)行探查工作，若探測為導(dǎo)水?dāng)鄬?，?yīng)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證工作，必要時(shí)編制探放水方案，由專業(yè)探放水技術(shù)人員依據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行探放工作；②采取各種鉆探及物探手段探明隱伏構(gòu)造，尤其應(yīng)查明導(dǎo)水構(gòu)造和隔水層的薄弱帶[16]，對落差大且富水性較強(qiáng)的斷層，按照相關(guān)規(guī)范合理留設(shè)煤柱。

(6)陷落柱水。巷道掘進(jìn)前應(yīng)采用井下物探技術(shù)對掘進(jìn)頭前方陷落柱進(jìn)行探測，初步確定陷落柱位置，而后采用鉆探方式進(jìn)行驗(yàn)證，精確探查陷落柱的發(fā)育形態(tài)、巖性、周邊裂隙發(fā)育程度、導(dǎo)水性等[17]。依據(jù)相關(guān)規(guī)程留設(shè)合理的防水煤(巖)柱或采用注漿封堵方式進(jìn)行治理。對于淺部巷道已經(jīng)揭露出的不含水也不導(dǎo)水的陷落柱，按照《煤礦防治水規(guī)定》，在深部掘進(jìn)時(shí)應(yīng)對其進(jìn)行探測，對于巷道已經(jīng)揭露的不含(導(dǎo))水陷落柱，應(yīng)對巷道底板進(jìn)行探查，防止出現(xiàn)滯后突水現(xiàn)象。

3.2.2 緩采區(qū)

①在水文地質(zhì)條件不明確的情況下，切勿在緩采區(qū)內(nèi)進(jìn)行任何采掘作業(yè)；②在進(jìn)入緩采區(qū)內(nèi)開采前，須進(jìn)行地面物探及其他技術(shù)探查工作，查明以往井田內(nèi)及周邊老窯破壞情況及老窯積水情況，查清緩采區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件，確保礦井生產(chǎn)安全；③在充分開展物探工作，且物探成果經(jīng)過嚴(yán)格評審?fù)ㄟ^后，緩采區(qū)方可轉(zhuǎn)化為可采區(qū)進(jìn)行開采。

4 結(jié) 語

分析了山西馬道頭煤礦的開采條件，并將該礦5#煤層的防治水分區(qū)劃分為可采區(qū)及緩采區(qū)。針對可采區(qū)及緩采區(qū)的水文地質(zhì)特征，制定了詳細(xì)的水患防治措施，對于確保該煤層安全開采有一定的借鑒價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王西泉.小保當(dāng)二號井田上部可采煤層賦存特征[J].硅谷，2014(20)：200-201.

[2] 陳少帥，白峰青，劉 猛，等.邢東礦隱蔽致災(zāi)因素研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，32(2)：97-100.

[3] 吳玉國，鄔劍明，張東坡，等.綜放工作面連續(xù)注氮下采空區(qū)氣體分布及“三帶”變化規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(6)：964-967.

[4] 施龍青.“下四帶”理論及其在底板突水評價(jià)中的應(yīng)用[C]∥中國煤炭學(xué)會礦井地質(zhì)專業(yè)委員會2008年學(xué)術(shù)論壇文集.北京：中國煤炭學(xué)會礦井地質(zhì)專業(yè)委員會，2008.

[5] 李 垚，朱 文，程海燕.潘一煤礦井田11-2煤層小構(gòu)造分布規(guī)律研究[J].煤田地質(zhì)與勘探，2003(5)：17-20.

[6] 盛守福.馬道頭煤礦水處理工程設(shè)計(jì)[J].露天采礦技術(shù)，2016，31(8)：75-78.

[7] 王紫艷.大同煤田馬道頭井田5號煤層特征淺析[J].科學(xué)之友，2013(7)：134-135.

[8] 史永廷.馬道頭井田開采水文地質(zhì)條件及充水因素分析[J].內(nèi)江科技，2008(5)：113-114.

[9] 邢麗花.基于多因素模糊聚類的底板突水危險(xiǎn)性預(yù)測研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2011.

[10] 路亞彬,馬良俊.煤層底板突水危險(xiǎn)性評價(jià)的RS-GSVM模型[J].現(xiàn)代礦業(yè),2018,34(01):90-94.

[11] 張建民.景福礦井開拓方案設(shè)計(jì)探討[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2012，22(3)：140-142.

[12] 宋紅旗.煤礦水害原因及綜合防治技術(shù)應(yīng)用探討[J].江西煤炭科技，2018(1)：102-103.

[13] 屈少波.帶壓開采工作面安全評價(jià)及防治水技術(shù)研究[J].陜西煤炭，2018，37(1)：19-22.

[14] 賀警龍.王莊煤礦水害防治技術(shù)措施[J].山東煤炭科技，2017(12)：84-85.

[15] 趙 章，白峰青，陳少帥，等.九龍礦15445N工作面底板破壞特征研究[J].煤炭與化工，2017，40(2)：26-29.

[16] 徐 睿，屠世浩，鄭西貴.淺析斷層構(gòu)造突水機(jī)理及防治措施[J].煤礦安全，2009，40(1)：79-81.

[17] 李永明.煤礦水害防治井下物探技術(shù)的選擇與應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2017，37(18)：184-185.