辛置礦下組煤開采地下水隱患分析與防治對策

姚建偉，牛偉峰，王克勤，齊躍明

(1. 霍州煤電集團有限責任公司 辛置礦，山西 霍州 031400； 2. 中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

我國煤炭資源儲備豐富，長期以來煤炭一直是我國的主要能源，隨著煤炭淺部資源的日漸枯竭，煤炭開采也逐漸向深部延伸，伴隨而來的將是高溫、高地應力、高滲透水壓和重復采動引起的擾動問題。在水害探查和防范上，前人做了大量的研究工作。在頂板突水理論方面主要有“上三帶”理論[1]、頂板隔水關(guān)鍵層理論[2]、采動薄基巖破斷機理等[3]；底板突水理論方面有突水系數(shù)法[4]、“下三帶”理論[5]、關(guān)鍵層理論等[6]；齊躍明等通過分析突水點附近的背景場以及對突水危險性的評估，改善了以往突水過程認識和利用的不足，通過疏放實驗為分析突水原因、解決突水事故提供重要依據(jù)[7]；李云峰等為了防止和減少水害事故，安全開采 1034 工作面，采用井下鉆探的方法，設計施工了防治水工程。通過分析、總結(jié)防治水工程，查明了工作面區(qū)域“四含”不發(fā)育，富水性弱，淺部缺失，對工作面回采無影響[8]；劉少偉等在研究東灘礦六采區(qū)煤層頂板富水程度時，運用AHP-FCM(即層次權(quán)重模糊聚類分析法)進行研究，得到了采區(qū)水性強弱示意圖，在對富水性評價時加入了煤層頂板埋深因素，將重力對裂隙的影響納入了分析范疇[9]；楊振華等采用礦井瞬變電磁法探測技術(shù)對白家莊煤礦36810工作面頂板進行了富水性探測[10]. 上述研究成果為解決煤礦水患問題提供了理論和實踐指導。

1 礦井概況

辛置礦是霍州煤電集團有限責任公司主力礦井之一，井田位于山西省南部臨汾市北緣，霍州市境內(nèi)，覆蓋辛置鎮(zhèn)、陶唐峪鄉(xiāng)、趙城鎮(zhèn)、興唐寺鄉(xiāng)的一部分，處于霍西煤田中部，霍州礦區(qū)東南，行政區(qū)劃隸屬于霍州市管轄。井田形狀呈不規(guī)則多邊形，東西長約11.505 km，南北寬約11.500 km，井田面積59.083 4 km2. 該礦核定生產(chǎn)能力280萬t/a，現(xiàn)生產(chǎn)區(qū)域為東區(qū)+540 m水平和南區(qū)+310 m水平。采用平硐、立井和暗斜井綜合開拓方式，礦井現(xiàn)開采2#、10#、11#煤層。

2 地下水隱患類型與特征

2.1 頂板水

10#煤頂板充水水源主要是石炭系太原組灰?guī)r水，太原組含水層富水性不均一，總體弱-中等，局部強。結(jié)合水文地質(zhì)資料和現(xiàn)場觀測可知：10#煤頂板太原組灰?guī)r含水層以滲水(或淋水)的形式進入井下工作面，由于煤層頂板以上含水層靜儲量已被釋放，補給主要為滲流補給，水量相對不大。但部分區(qū)域例外，比如東四采區(qū)，在開采10#煤過程中，掘進工作面最大涌水量可達150 m3/h以上，曾經(jīng)發(fā)生頂板突水，突水量達350 m3/h，部分區(qū)域頂板的突水威脅還是比較大的。

2.2 老空水

在辛置井田范圍及周邊存在29個礦井，其中部分距離礦井巷道很近，因小煤礦開采不規(guī)范，埋藏淺，易接受地表水補給，開采區(qū)內(nèi)推測有積水，但積水位置、范圍、水量目前技術(shù)設備尚無法查清，在無穩(wěn)定隔水層的情況下，因構(gòu)造溝通往往導致老空積水進入巷道，造成礦井充水或淹井，對煤層的開采造成威脅。但是由于周邊煤礦主要開采2#煤層，通過規(guī)范計算，下組煤開采產(chǎn)生的導水裂縫帶最大高度為61.5 m，小于2#煤與10#煤之間間距(約80 m)，這說明，正常情況下，10#煤采動所產(chǎn)生的導水裂縫帶在井田大部區(qū)域不會溝通2#煤層采空區(qū)，老空水影響較小。但是要注意一些特別情況，比如局部的較大斷層錯動，可能使2#、10#煤層間距小于導水裂縫帶高度，威脅10#煤層采掘安全。

而對于11#煤層的開采來說，10#煤層采空積水對其影響較大，以10#煤層10-401工作面采空區(qū)積水為例，井田北東部11-401工作面上方10-401工作面采空區(qū)有1塊積水區(qū)，積水面積26 806 m2，積水量34 847 m3. 由于10#、11#煤平均間距僅有10.5 m左右，所以，在開采11#時，需把該采空區(qū)積水轉(zhuǎn)移儲存到其它工作面或排到地面水處理站處理，達標排放。

2.3 底板奧灰承壓水

底板水主要隱患為奧陶系灰?guī)r水，對于礦井下組煤而言，全區(qū)屬于帶壓狀態(tài)，因此結(jié)合礦井煤層底板帶壓開采分區(qū)劃分結(jié)果和辛置礦實際生產(chǎn)條件，對井田10#、11#煤層帶壓開采危險性進行了分區(qū)劃分。劃分標準見表1.

表1 辛置煤礦奧灰突水危險性分區(qū)表

根據(jù)表1礦區(qū)突水危險性分區(qū)指標，利用鉆孔等實際資料，經(jīng)過計算得到10#煤和11#煤的奧灰?guī)洪_采分區(qū)圖，見圖1，圖2.

圖1 10#煤層奧灰?guī)洪_采分區(qū)圖

圖2 11#煤層奧灰?guī)洪_采分區(qū)圖

3 防治對策

1) 井下超前探放水。

采區(qū)內(nèi)11#煤層上方有10#煤采空積水，10#煤層上方有2#煤層采空積水，且10#煤層頂板局部富水性強，而且下組煤開采受太灰、奧灰水影響，區(qū)內(nèi)也有斷層和陷落柱發(fā)育，為了消除這些隱患，按規(guī)定進行探放水，既可以探測頂板富水性為排水做準備，也可以有效地避免采空區(qū)積水造成的突水事故。

2) 留設防隔水煤(巖)柱。

10#煤、11#煤開采過程中都存在著斷層和陷落柱等導水通道，因此經(jīng)過超前探查，對導水、富水且不易進行疏放水的斷層、陷落柱、封孔情況不明的舊鉆孔(水文觀測孔、注漿孔和電纜孔等)等留設防隔水煤柱，防止因為導水通道的原因?qū)е聤W灰水對礦井生產(chǎn)造成威脅。

3) 注漿加固、封堵。

斷層和陷落柱是下組煤頂板太灰、奧灰突水的主要通道，在富水性較好地段對于斷層及小型陷落柱或底板薄弱處，確認安全后通過局部預注漿加固和配合一定的疏干工程消除突水隱患，保證正常開采。在巷道掘進過程中，為了減少井巷工程涌水量，對于已經(jīng)穿越含水層的井巷，如10#煤層開采時頂板灰?guī)r含水層涌水量較大時，可進行壁后注漿。對于底板薄弱區(qū)，可通過注漿加固、人為增加底板隔水層厚度等方式實現(xiàn)安全開采。工作面采煤結(jié)束后，對于已經(jīng)失去使用價值而關(guān)閉的疏水降壓鉆孔，應進行注漿封閉。

4) 完善井下排水系統(tǒng)。

10#煤層開采時，頂板水一般在煤層底板標高最低處匯集，嚴重惡化生產(chǎn)環(huán)境，增加排水壓力。10-423工作面底板標高335 m，10#煤層生產(chǎn)最低處，匯水量可能增大，且隨著生產(chǎn)區(qū)向南部延伸，煤層底板奧灰水突水危險性增大，應配備或增設適宜的排水設備，以防突水的威脅，保證生產(chǎn)的進行。

4 結(jié) 論

通過對辛置礦地質(zhì)、水文地質(zhì)特征進行分析和研究，結(jié)合煤礦鉆孔資料，確定了礦區(qū)下組煤地下水隱患類型和特征，并制定了相應的防治對策：

1) 下組煤地下水隱患類型主要有：頂板水、老空水和底板奧灰承壓水。頂板水患主要是太原組灰?guī)r水，其富水性總體弱-中、局部強的特點決定了不同區(qū)域頂板的涌水量不同，可以通過增加排水設施，提高排水能力來解決。

2) 周邊煤礦主要開采2#煤層，采空區(qū)的積水對下組煤的安全生產(chǎn)影響一般不大。礦井自掘的廢棄老空積水是煤礦開采的隱患，2#煤是10#煤的隱患，10#煤是11#煤的隱患，可以通過探放水，完善井下排水系統(tǒng)等措施來解決。

3) 下組煤由于臨近底板奧灰水，需以帶壓形式進行開采，根據(jù)分區(qū)可以看出：10#煤開采在整個礦區(qū)北中部屬于較安全區(qū)，中南部屬于中等危險區(qū)，整體開采條件比較好；11#煤開采在整個礦區(qū)北部屬于較安全區(qū)，中部屬于中等危險區(qū)，南部屬于危險區(qū)，開采條件相對差一些。為了防止斷層、陷落柱或底板采動破壞帶導致的突水，可以在斷層及陷落柱或底板薄弱處進行注漿加固、人為增加底板隔水層厚度等方式保證礦井安全生產(chǎn)。