慈林山煤礦涌水問題防治探討

郭軍峰

（山西潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司，山西長治 046605）

煤礦水害是與礦井瓦斯、火災(zāi)等并列的礦山建設(shè)與生產(chǎn)過程中最常見的主要威脅礦井安全生產(chǎn)的災(zāi)害之一[1]。在煤礦建設(shè)和生產(chǎn)過程中，由于礦井水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性和人們對礦井充水要素認(rèn)知的局限性，常常會因?yàn)榈V井水害防治措施的不到位或其他超越人們認(rèn)識能力的隱蔽型水害條件的存在，造成多種類型的礦井水害[2]。

多年來大量的礦井水害事故顯示，發(fā)生礦井水害的主要充水水源有老空水、地表水、孔隙水、裂隙水、巖溶水等，造成礦井水害的主要導(dǎo)水通道有斷層、陷落柱、采動裂隙和封閉不良鉆孔等[3]。近年來，晉陜蒙地區(qū)大量的煤礦在生產(chǎn)過程中遇到了頂板潰水潰沙導(dǎo)致的礦井水害事故，直接威脅礦井安全生產(chǎn)和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[4]。

在慈林山煤礦范圍內(nèi)，奧灰承壓水位低于15號煤層底面約100m，據(jù)此分析奧灰水不會影響下組煤開采。但是由于9號煤層距3號煤層采空區(qū)平均45m，因此9號煤開采首先面臨的是3號煤老空積水的嚴(yán)重威脅。由于老采空區(qū)水害具有突發(fā)性強(qiáng)、水量大、來勢猛、破壞性大且有腐蝕性等特點(diǎn)，對礦井采掘工作面人員及安全生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅，輕則使工作面、采區(qū)停產(chǎn)，重則可能導(dǎo)致開采水平甚至全礦井被淹。因此，探究慈林山煤礦涌水問題及水害防治有著尤為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 礦井概況

慈林山煤礦位于長治市長子縣慈林鎮(zhèn)莊頭村北。該礦始建于1953年，井田范圍內(nèi)含可采煤層3層，自上而下煤層編號分別為3、9、15號煤層。全礦井共布置2個回采工作面，4個掘進(jìn)工作面。礦井采用斜井、立井聯(lián)合開拓方式，現(xiàn)設(shè)有主斜井、副立井、進(jìn)風(fēng)斜井和回風(fēng)斜井，其中主斜井傾角18°。2010年7月，3號煤層工作面全部結(jié)束開采，礦井現(xiàn)正在回采9、15號煤層。

3號煤開采時正常涌水量為80m3/h，最大涌水量為180m3/h。目前采空區(qū)涌水量基本穩(wěn)定在120m3/h，采空區(qū)的補(bǔ)給水源為第四系松散層潛水及正?；鶐r裂隙水，3號煤埋深較淺，大氣降水入滲補(bǔ)給松散層潛水，并以接力下滲的方式最終進(jìn)入到3號煤采空區(qū)。鑒于3號煤現(xiàn)已采完，為保證礦井可持續(xù)發(fā)展，對9、15號煤層的延深做了大量工作。

新開鑿主斜井到15號煤，安裝帶寬1200mm帶式輸送機(jī)和索道架空人車，擔(dān)負(fù)全礦井煤炭運(yùn)輸任務(wù)和上下人員任務(wù)并兼做進(jìn)風(fēng)井和安全出口。原有主斜井直接延深到15號煤作為副斜井，擔(dān)負(fù)礦井輔助提升任務(wù)并兼做進(jìn)風(fēng)井和安全出口?；仫L(fēng)斜井延深至9號煤，15號煤采用集中回風(fēng)斜巷延深，擔(dān)負(fù)全礦井的回風(fēng)任務(wù)，并兼作安全出口。

本區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。本區(qū)最高溫度36℃，最低溫度-29℃，年平均氣溫7.5℃～12℃。一月份氣溫最低，平均-4.8℃，七月份氣溫最高，平均23.3℃；年平均降水量500～650mm，多集中在夏秋兩季。蒸發(fā)量1400mm，大于降水量。風(fēng)向多為正南及南西向，最大風(fēng)速為20m/s，無霜期150～200d，冰凍期在十月下旬至來年四月中旬，最大凍深度55mm。

根據(jù)地質(zhì)測量及鉆探資料，區(qū)內(nèi)發(fā)育地層包括奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）、石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、上統(tǒng)太原組（C3t），二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、下石盒子組（P1x），上統(tǒng)上石盒子組（P2s）及第四系中、上更新統(tǒng)（Q2+3）。井田內(nèi)煤層主要分布在二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，具體見表1。

2 礦井涌水量預(yù)測

表1 可采煤層一覽表

礦井的涌水量構(gòu)成包括井筒殘留水量，巷道涌水量、工作面涌水量和老空區(qū)來水量等。3號煤由于埋藏淺，在開采過程中導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育最高可直接導(dǎo)通地表，因此涌水一部分是直接由地表進(jìn)入礦井的。同時3號煤頂板為板砂巖裂隙含水層，構(gòu)成3號煤層的充水水源。9號、15號煤開采時礦井內(nèi)涌水除一部分直接來自于導(dǎo)水裂縫帶，另一部分將來自井田內(nèi)的老空區(qū)。慈林山煤礦4-4線工程地質(zhì)剖面見圖1。

2.1 9號煤層

對9號煤層開采地段進(jìn)行涌水量預(yù)算。計(jì)算面積為6.4640×106m2。采用大井法，選用承壓轉(zhuǎn)無壓完整井涌水量公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：k——滲透系數(shù)，m/d，取0.0227m/d；

h——計(jì)算范圍內(nèi)9號煤層底板至K4底板間距的平均值，取4.41m；

H——水柱高度，m，為E1孔抽水時恢復(fù)水位標(biāo)高（932.78m），至計(jì)算范圍內(nèi)9號煤層最低標(biāo)高（816.30m）的間距與h之和，取120.89m；

M——含水層厚度，m，取E1孔的資料25.09m；

s——水位降深，m，為E1孔恢復(fù)水位標(biāo)高至計(jì)算范圍內(nèi)9號煤層最底標(biāo)高的距離，取116.48m；

r0——視計(jì)算范圍為不規(guī)則形狀，

經(jīng)計(jì)算，該含水層涌水量為3346.33m3/d。井田周圍沒有開采9號煤層的礦井。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，礦井正常涌水量取1500m3/d，即62.5m3/h。最大涌水量取3300m3/d，即137.5m3/h。

2.2 15號煤層

本次對15號煤層開采地段進(jìn)行涌水量預(yù)算。計(jì)算面積為6.4640×106m2。采用大井法和水文地質(zhì)比擬法進(jìn)行計(jì)算。

（1）采用大井法，選用承壓轉(zhuǎn)無壓完整井涌水量公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：k——滲透系數(shù)，m/d，取0.0511m/d；

h——為計(jì)算范圍內(nèi)15號煤層底板至K2底板間距的平均值，取6.67m；

H——水柱高度，m，為E1孔抽水時恢復(fù)水位標(biāo)高（894.87m），至計(jì)算范圍內(nèi)15號煤層最低標(biāo)高（771.23m）的間距與h之和，取130.31m；

M——含水層厚度，m，取E1孔的資料10.50m；

s——水位降深，m，為E1孔恢復(fù)水位標(biāo)高至計(jì)算范圍內(nèi)15號煤層最底標(biāo)高的距離，取123.64m；

r0——視計(jì)算范圍為不規(guī)則形狀，r0=

經(jīng)計(jì)算，該含水層正常涌水量為2327.59m3/d，即97.0m3/h，最大涌水量取142.5m3/h。

（2）水文地質(zhì)比擬法。根據(jù)本井田相鄰的反坡煤礦資料顯示，該礦井年產(chǎn)量為30×104t，涌水量為10m3/h，用含水系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：Q——生產(chǎn)礦井涌水量，m3/d；

Kp——含水系數(shù)，m3/t；

P——礦井設(shè)計(jì)產(chǎn)量為60×104t，每年按300d計(jì)算，取2000t/d。

經(jīng)計(jì)算預(yù)計(jì)礦井涌水量為480m3/d。

2.3 計(jì)算結(jié)果確定

經(jīng)計(jì)算9號煤開采時正常涌水量為62.5m3/h，最大涌水量為137.5m3/h；15號煤開采時正常涌水量為97.0m3/h，最大涌水量為142.5m3/h，9號、15號煤正式投產(chǎn)后全井田正常涌水量為159.4m3/h，最大涌水量為280.0m3/h。

3 礦井水害防治技術(shù)及措施

3.1 開采9號煤綜合水害防治技術(shù)

根據(jù)已施工的井下探放水鉆孔表明，慈林山煤礦9號煤至3號煤之間砂巖含水層富水性較弱，鉆孔在穿越該段基巖時，鉆孔基本不出水，只有部分鉆孔在穿透基巖進(jìn)入到3號煤采空區(qū)時，有采空區(qū)積水流出。因此9號煤開采時，基巖內(nèi)的水不會對工作面產(chǎn)生災(zāi)難性威脅，但是3號煤采空區(qū)積水將會對工作面產(chǎn)生災(zāi)難性威脅，開采時應(yīng)加強(qiáng)采空區(qū)積水的疏放工作。此外，為了防治同層煤相鄰采空區(qū)積水對開采工作面的威脅，應(yīng)加強(qiáng)相鄰工作面之間的煤柱合理寬度留設(shè)工作，并對防水墻進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)與施工[5]。9號煤水害防治具體有以下措施：

（1）為了減輕3煤采空區(qū)積水對9煤回采的影響，設(shè)計(jì)在采空區(qū)地表施工抽水孔（井），把采空區(qū)水抽到地表然后利用管路排放到污水處理池中，經(jīng)簡單處理后再回收利用。

（2）利用在9號煤工作面兩側(cè)順槽向影響區(qū)域內(nèi)的3號煤采空低洼處施工泄水孔，將老空積水通過鉆孔導(dǎo)入管路或水溝內(nèi)，然后再排到指定水倉。

（3）對開采工作面相鄰采空區(qū)積水的防治主要是留設(shè)適當(dāng)寬度的安全防水煤巖柱，用以抵御采空區(qū)內(nèi)的側(cè)向靜水壓力，防止地表水、地下水（松散層孔隙水、含導(dǎo)水?dāng)鄬印?dǎo)水陷落柱、含水層）、老窯水潰入巷道或工作面。

3.2 開采15號煤綜合水害防治技術(shù)

15號煤開采后，由于上覆基巖不能形成完整結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致15號煤導(dǎo)水裂縫帶與9號煤采空區(qū)相通，而9號煤又與3號煤采空區(qū)相通，因此15號煤開采后，將溝通上覆所有水體。15號煤巷道掘進(jìn)過程中，在運(yùn)輸巷和軌道巷各遇到1條逆斷層，均不導(dǎo)水，但不排除尚未揭露的導(dǎo)水?dāng)鄬樱涣碓谙锏谰蜻M(jìn)過程中，2條巷道都遇到了不導(dǎo)水陷落柱，迫使原設(shè)計(jì)開切眼后退至950m里程，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果該工作面內(nèi)尚存在異常區(qū)域；此外，通過巷道上方施工的錨桿及錨索揭露的頂板含水層情況分析，在頂板K2灰?guī)r富水性較強(qiáng)，對工作面的安全回采將會造成一定的威脅。

因此，15號煤開采時存在斷層、陷落柱及K2灰?guī)r水的威脅，另還有可能溝通3號煤老空水，在開采15號煤時應(yīng)加強(qiáng)上述水害的疏放工作。此外，為了防治同層煤相鄰采空區(qū)積水對開采工作面的威脅，應(yīng)加強(qiáng)相鄰工作面之間的煤柱合理寬度留設(shè)工作，并對防水墻進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)與施工。15號煤工作面形成后，應(yīng)根據(jù)已經(jīng)揭露的9號煤底板標(biāo)高情況，選擇底板標(biāo)高最低處作為探放水終孔目標(biāo)之一，對采空區(qū)積水進(jìn)行疏放，此外還必須將鉆孔延伸至3號煤采空區(qū)內(nèi)，將這2個采空區(qū)積水同時疏放，確保開采工作面的安全。

3.3 斷層水防治技術(shù)措施

據(jù)慈林山煤礦地質(zhì)報告，在礦區(qū)內(nèi)存在：莊頭正斷層、慈林山正斷層、反坡正斷層、F1斷層。對于斷層附近側(cè)向突水，一般留有足夠的防水煤柱就可以解決，而對于陷落柱垂向突水防治則難度很大。因?yàn)閷?dǎo)水陷落柱一般是隱伏的，事先很難發(fā)現(xiàn)。但這可通過放水試驗(yàn)，根據(jù)其高水位導(dǎo)常區(qū)，再配上物探方法探測其生存構(gòu)造空間及形態(tài)。

考慮到斷層水害對煤礦開采的嚴(yán)重威脅，且精查階段地震勘探的精度有限，本規(guī)劃建議在首采區(qū)補(bǔ)充勘探中列入三維地震物探探查工作，以進(jìn)一步查明首采區(qū)各工作面中斷層的發(fā)育情況，為采掘工作安全開展提供保障。采掘工程接近或揭露甚至穿過這些斷層時，可采取不同的預(yù)防與處理措施，具體見表2。

4 結(jié)論

表2 斷層水突出的防治措施

（1）慈林山煤礦9號煤層開采的主要充水水源是第四系松散層潛水含水層和3號煤采空區(qū)積水，導(dǎo)水通道是煤層開采形成的垂向?qū)芽p帶；15號煤開采時主要充水水源為K2灰?guī)r水、9號煤采空區(qū)積水及3號煤采空區(qū)積水，導(dǎo)水通道是煤層開采形成的垂向?qū)芽p帶、斷層及陷落柱。

（2）通過大井法和水文地質(zhì)比擬法預(yù)測9號煤開采時正常涌水量為62.5m3/h，最大涌水量為137.5m3/h；15號煤開采時正常涌水量為97.0m3/h，最大涌水量為142.5m3/h，9號、15號煤正式投產(chǎn)后全井田正常涌水量為159.4m3/h，最大涌水量為280.0m3/h。

（3）9號煤開采時主要面臨的是3號煤采空區(qū)積水威脅，通過充水系數(shù)法初步預(yù)測3號煤采空區(qū)積水量為39.4×104m3，鑒于采空區(qū)積水具有突發(fā)性強(qiáng)、水量大、來勢猛、破壞性大且有腐蝕性等特點(diǎn)，采用井下疏放水方案對該采空區(qū)積水進(jìn)行防治；9號煤、3號煤采空區(qū)積水對15號煤存在威脅，同樣采用井下疏放水方案對其進(jìn)行防治。

（4）鑒于慈林山礦區(qū)內(nèi)存在大量斷層，建議巷道掘進(jìn)過程中進(jìn)行采前探測工作，對于工作面內(nèi)的斷層、陷落柱建議采用物探方法探測其空間構(gòu)造及形態(tài)，為采掘工作順利、安全開展提供保障。