朱家店煤礦充水來源及控制對(duì)策研究

石 偉

（山西地寶能源有限公司，山西 太原 030045）

1 工程概況

朱家店煤礦井田南北長約4.5km，東西寬約4.2km，面積為17.1518km2，批準(zhǔn)開采03-10號(hào)煤層，生產(chǎn)規(guī)模120萬t/a，批準(zhǔn)開采深度1099.99～459.99m標(biāo)高，井田內(nèi)賦存含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組、石炭系上統(tǒng)太原組，總厚度159.59m，含煤達(dá)18層，煤層總厚約15.14m，含煤系數(shù)為9.14%。區(qū)域上主要含水層有第四系全新統(tǒng)沖積礫石含水層、上第三系上新統(tǒng)礫石含水層、二疊系下統(tǒng)下石盒子組砂巖含水層、二疊系下統(tǒng)山西組砂巖含水層、石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r、砂巖含水層、奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r含水層。

2 朱家店煤礦充水來源分析

2.1 地表水

井田地表水屬黃河流域，三川河水系。井田內(nèi)無常年性水流，僅在雨季溝谷中有短暫洪水向西流入南川河，最后匯入黃河。井田內(nèi)溝谷縱橫，均為季節(jié)性溝谷，在雨季有短暫洪水流過，干旱時(shí)干涸無水。據(jù)近年來煤礦觀測(cè)記錄資料顯示，井田內(nèi)工業(yè)廣場附近最高洪水位993.00m，該礦主斜井井口標(biāo)高997.416m，副斜井井口標(biāo)高999.345m，人行斜井井口標(biāo)高999.160m，高于最高洪水位，回風(fēng)立井井口處最高洪水位991.00m，井口標(biāo)高1070.836m，高于最高洪水位，其他井口也均高于最高洪水位，本區(qū)雨季多暴雨，強(qiáng)度大，來勢(shì)猛，在雨季應(yīng)做好防洪、防汛工作。

2.2 采（古）空區(qū)積水

通過分析朱家店煤礦煤層采掘圖，當(dāng)前朱家店煤礦井田范圍內(nèi)主要有一處采空積水區(qū)，采空區(qū)位于井田中北部井底車場的北側(cè)，面積為11785m2，積水量為4118m3。從底板等高線上看井田內(nèi)東西兩頭高，中間低，中部采空區(qū)易于積水。采空區(qū)內(nèi)底板等高線東高西低，積水應(yīng)在采空的西部區(qū)。

井田內(nèi)共發(fā)現(xiàn)5個(gè)古空區(qū)，古空區(qū)全部位于井田西部礦界處朱家店村內(nèi)，其中開采03號(hào)煤層的2個(gè)，斜井開拓，掘進(jìn)長度分別為100m、250m。開采6號(hào)煤層1個(gè)，立井開拓，開采長度70m，采空區(qū)面積約為4758m2。開采10號(hào)煤層2個(gè)，斜井開拓，開采長度分別為100m、200m，采空區(qū)面積約為13468m2，從底板等高線上看采空區(qū)內(nèi)底板等高線西高東低，積水應(yīng)在采空的東部區(qū)。表1為朱家店煤礦周邊停廢小窯調(diào)查表。

表1 朱家店煤礦周邊停廢小窯調(diào)查表

2.3 地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)水

井田呈不對(duì)稱的向斜構(gòu)造，已發(fā)現(xiàn)4條落差大于10m的斷層，由于構(gòu)造具有一定的導(dǎo)水作用，其中朱家店斷層（即F3斷層）是井田西南天然邊界，斷距最大80m。野外調(diào)查顯示白草溝內(nèi)淺層孔隙水在斷層附近大量漏失，反映該斷層存在導(dǎo)水的可能性。此外，斷層的錯(cuò)動(dòng)使得開采煤層與對(duì)盤的巖溶含水層接近或?qū)?，并使得煤系地層各含水層與奧陶系巖溶含水層形成水力聯(lián)系，導(dǎo)致斷層附近礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜化。井田內(nèi)暫未揭露陷落柱，據(jù)調(diào)查，周邊礦井也未揭露陷落柱，可認(rèn)為本區(qū)陷落柱不甚發(fā)育。但本區(qū)奧陶系地層盛產(chǎn)石膏，較易形成陷落柱，容易引發(fā)隱伏構(gòu)造導(dǎo)水事故的發(fā)生。

2.4 奧灰?guī)r溶水

本井田奧灰水水位標(biāo)高為805.5～808m左右。井田內(nèi)各可采煤層最低底板標(biāo)高均不同程度低于奧灰水水位標(biāo)高，現(xiàn)利用下述公式來計(jì)算井田內(nèi)各可采煤層最低點(diǎn)的突水系數(shù)，突水系數(shù)計(jì)算公式:

T=P/M

式中：

T-突水系數(shù)，MPa/m；

P-底板隔水層承受的水頭壓力，MPa；

M-底板隔水層厚度，m。

結(jié)合朱家店煤礦的實(shí)際條件，各煤層奧灰最大突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2所示。

表2 朱家店煤礦各煤層奧灰最大突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)，由于朱家店井田內(nèi)為構(gòu)造簡單類型，因而突水系數(shù)臨界值采用0.10MPa/m，除10號(hào)煤層突水系數(shù)0.062MPa/m，03、4、5上、6、9號(hào)煤層底板突水系數(shù)均小于突水系數(shù)0.06MPa/m。

由于煤層與奧灰?guī)r溶水之間有較厚的隔水層存在，理論上奧灰?guī)r溶裂隙水對(duì)煤層影響不大。還應(yīng)指出受炭窯村正斷層影響，井田西部邊界以外9、10號(hào)煤層及太原組灰?guī)r與對(duì)盤奧陶系巖溶含水層對(duì)接，使得煤系地層各含水層與奧陶系巖溶含水層形成水力聯(lián)系，導(dǎo)致斷層附近礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜化。由于本區(qū)處于巖溶水系統(tǒng)徑流帶上，巖溶含水層富水性強(qiáng)，一旦發(fā)生突水，危害性較大。

3 朱家店煤礦防治水對(duì)策

朱家店煤礦開采以來，尚未發(fā)生水害事故。但隨著開采面積的擴(kuò)大，向深部延伸，以及降水量等自然因素變化的影響，朱家店煤礦涌水量明顯增大，因此，做好對(duì)朱家店礦井水控制較為關(guān)鍵。

3.1 煤礦采空區(qū)積水計(jì)算及控制

根據(jù)《煤炭安全手冊(cè)》第五篇礦井防治水中的采空積水可按下列公式估算其積水量。根據(jù)采空積水公式：

Q采=(K·M·F)/cosα

其中：

Q采-相互連通的各積水區(qū)總積水量，m3；

K-采空區(qū)的充水系數(shù)，一般采用0.25～0.5；

M-采空區(qū)的平均采高或煤厚，m；

F-采空區(qū)積水的投影面積，m2；

α-煤層傾角，（°）。

采空區(qū)的充水系數(shù)采用0.25，則4號(hào)煤層采空區(qū)積水量為：Q=(0.25×1.26×11785)/cos9°=4118m3

6號(hào)古空區(qū)積水量為：

Q=(0.25×1.65×4758)/cos17°=2052m3

10號(hào)古空區(qū)積水量為：

Q=(0.25×4.98×13468)/cos17°=17534m3

經(jīng)計(jì)算采空區(qū)積水約為23704m3。因此，要加強(qiáng)采空區(qū)管理和積水探放工作，始終堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原則，密切注視井下水文地質(zhì)條件變化和隱伏斷層等構(gòu)造現(xiàn)象的出現(xiàn)，對(duì)井下逐日排水量作好觀測(cè)、記錄，若發(fā)現(xiàn)異常，立即采取有效措施，防止水害發(fā)生。

3.2 奧灰水防治

（1）采煤工作面奧灰水防治

考慮到影響朱家店煤礦防治水的重要因素之一是斷層及相關(guān)的隱伏構(gòu)造，在采煤工作面開采的過程中，選擇使用了煤巷與巖巷連續(xù)跟蹤觀測(cè)、鉆探、旁站、現(xiàn)場觀測(cè)等方式，確保工作面開采過程中地質(zhì)資料的連續(xù)性，尤其是對(duì)煤巖層突變、隱伏構(gòu)造、地質(zhì)構(gòu)造等位置，選擇使用了槽探、物探、鉆探等方式，將其中存在的不確定位置的富水性、充填性、延伸方向、發(fā)育深度等全面勘察清楚，防止出現(xiàn)斷層活突水、滯后突水的情況。

（2）掘進(jìn)工作面奧灰水防治

對(duì)朱家店煤礦掘進(jìn)工作開掘時(shí)，選擇使用瞬變電磁超前勘探對(duì)開掘過程中突水的危險(xiǎn)性進(jìn)行探測(cè)，具體方式為“探測(cè)100m、掘進(jìn)70m”，通過該種方式全面了解掘進(jìn)前方的情況，同時(shí)結(jié)合實(shí)際掘進(jìn)揭露面，掌握前方地質(zhì)情況，并做好提前防治，確保礦井生產(chǎn)的安全性。

（3）物探富水異常區(qū)探測(cè)

在對(duì)朱家店煤礦物探富水異常區(qū)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，選擇使用了鉆探查證、注漿加固的具體方法，在使用電法勘探時(shí)，發(fā)現(xiàn)了1處低阻異常區(qū)，對(duì)應(yīng)的區(qū)域有1個(gè)高角度逆斷層，落差為3.4m～3.8m，∠65°，根據(jù)“有疑必探”，設(shè)計(jì)了3組9個(gè)鉆孔，對(duì)富水異常區(qū)進(jìn)行深入的探查，根據(jù)探查結(jié)果發(fā)現(xiàn)有突水危險(xiǎn)，設(shè)計(jì)采用了疏堵結(jié)合的方式，進(jìn)行了注漿加固，工作面安全通過這一區(qū)域。

3.3 對(duì)不良鉆孔進(jìn)行封閉

考慮到降低地表水等水源給開采安全性帶來的影響，對(duì)朱家店煤礦井田范圍內(nèi)不良鉆孔進(jìn)行了全面查找，對(duì)發(fā)現(xiàn)的不良鉆孔進(jìn)行了注漿封堵，共封堵鉆孔12個(gè)，較好地提升了朱家店煤礦生產(chǎn)的安全性。

4 結(jié)語

通過本文分析，朱家店煤礦在生產(chǎn)過程中面臨的充水來源較多，影響到朱家店煤礦生產(chǎn)的安全性。因此，在具體生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中，除采取上述措施之外，還應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，多方面分析研究，提出更好的防治水策略。