巴拉素煤礦富水含水層下開采防治水技術(shù)研究

魏瀚昆 方剛 梁向陽 李彥民

摘? 要：我國陜北侏羅紀煤田內(nèi)煤炭資源豐富、水害問題嚴重。為了解決礦井富水含水層下開采過程中所面臨的水害問題，以侏羅紀煤田榆橫北區(qū)巴拉素煤礦為例，通過礦井水文地質(zhì)條件分析，確定主要充水水源和充水通道，計算防隔水煤巖柱留設(shè)寬（厚）度，提出相應(yīng)的防治措施。結(jié)合礦井條件和現(xiàn)場實際，提出井下鉆探、地球物探、水文地質(zhì)監(jiān)測等綜合防治措施，通過預(yù)防、探查、疏排、監(jiān)測等手段共同解決礦井水害問題。

關(guān)鍵詞：侏羅紀煤田? 礦井水害? 煤柱留設(shè)? 防治措施

中圖分類號：TD745? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（c）-0045-04

Abstract： There are abundant coal resources in Jurassic coalfield of Northern Shaanxi Province， and the problem of water disaster is serious. In order to solve the problem of water disaster in mining under water rich aquifer， taking Balasu coal mine in Yuheng north area of Jurassic coalfield as an example， through the analysis of mine hydrogeological conditions， the main water filling source and water filling channel are determined， the width （thickness） of waterproof coal and rock pillar is calculated， and the corresponding prevention measures are put forward. Combined with the mine conditions and the actual situation， the comprehensive prevention and control measures such as underground drilling， geophysical prospecting and hydrogeological monitoring are put forward. Through prevention， exploration， drainage， monitoring and other means， the problem of mine water disaster is solved.

Key Words： Jurassic coalfield; Mine water hazards; Coal pillar retention; Prevention and control measures

陜北侏羅系煤田內(nèi)采礦條件簡單、資源儲量豐富，但也面臨有多類水害影響[1]。對于還處在建設(shè)階段的礦井而言，井下排水系統(tǒng)、地面水處理設(shè)施的不健全則更易造成礦井采掘過程中的水害威脅[2]。

筆者以陜北侏羅系煤田榆橫北區(qū)的巴拉素煤礦為例，在分析礦井水文地質(zhì)條件、計算防隔水留設(shè)煤柱的基礎(chǔ)上，提出針對性的水害防治措施，為礦井今后采掘生產(chǎn)過程中的水文地質(zhì)工作提供依據(jù)。

1? 礦井概況

巴拉素煤礦位于陜西榆林以西約40km處，隸屬陜西省榆林市榆陽區(qū)巴拉素鎮(zhèn)、補浪河鄉(xiāng)、紅石橋鄉(xiāng)等管轄，井田含煤巖系為侏羅系延安組含煤地層，首采2號煤層，平均埋深在430～510m之間，煤厚約3.64m，設(shè)計礦井達產(chǎn)后生產(chǎn)能力為10.00Mt/a[3]。

井田地層由老至新依次為三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組（T3w），侏羅系下統(tǒng)富縣組（J1f），侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a），白堊系下統(tǒng)洛河組（K1l）和第四系（Q），其中，第四系松散層包括全新統(tǒng)風(fēng)積沙（Q42eol）、沖洪積層（Q4al+pl）、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組（Q3s），中更新統(tǒng)離石組（Q2l）。根據(jù)井田地層分布，存在有地下含水層若干（見表1），此外，在白堊系地層下伏的侏羅系安定組中，多存在泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等層間隔水層[3]。

根據(jù)礦井以往地質(zhì)及水文地質(zhì)資料分析[4-5]，2號煤層開采時不受大氣降水、地表水、老空水等影響，礦井主要充水水源為地下水含水層水（2號煤層水和頂板砂巖水），充水通道主要為煤層原生及采掘裂隙[4-5]。礦井開采2號煤層時可溝通侏羅系延安組、直羅組、安定組含水層（按照區(qū)內(nèi)綜合成果經(jīng)驗值，裂采比取30倍，計算2號煤層導(dǎo)裂帶高度平均約109.2m）[4-5]，而對于以上各含水層，其上覆有白堊系下統(tǒng)洛河組含水層，該含水層的富水性中等（局部可能富水性強），可能為礦井的主要補給來源，而由于2號煤層水目前了解富水性不均一，故對該含水層水的防治為礦井未來防治水工作的主要任務(wù)。

2? 煤柱留設(shè)計算

依據(jù)相關(guān)規(guī)范[6]要求，對于有疏降條件的松散層和基巖弱含水層水體，應(yīng)屬于允許導(dǎo)水裂隙帶波及松散孔隙弱含水層水體，但不允許垮落帶波及該水體，需留設(shè)頂板防砂安全煤（巖）柱，屬于水體采動等級Ⅱ級?？紤]到區(qū)內(nèi)薩拉烏蘇組潛水含水層水的作為維持區(qū)內(nèi)生態(tài)、生產(chǎn)和生活的重要水源，且薩拉烏蘇組潛水層與白堊系洛河組存在有直接的水力聯(lián)系，因此在要將薩拉烏蘇組潛水含水層的下邊界下移至白堊系洛河組底界，從而造成了白堊系洛河組含水層也構(gòu)成了區(qū)域內(nèi)的重要水體。為此，結(jié)合規(guī)范參考標準，應(yīng)該講水體采動等級設(shè)置為Ⅰ級，允許采動程度為不允許導(dǎo)水裂隙帶波及到水體，要求留設(shè)的安全煤巖柱類型為頂板放水安全煤（巖）柱。

（1）水平方向防隔水煤柱（寬度）計算。

依據(jù)規(guī)范規(guī)程要求[6-8]，水文地質(zhì)類型復(fù)雜、極復(fù)雜的礦井，應(yīng)當根據(jù)煤層賦存條件、地質(zhì)構(gòu)造、靜水壓力、開采煤層上覆巖層移動角、導(dǎo)水裂隙帶高度等因素確定。由此，巴拉素煤礦2號煤層開采時水平方向防隔水煤柱（寬度）計算時，按照相鄰礦井人為邊界防隔水煤柱留設(shè)的計算公式進行計算：

式中：LY為導(dǎo)水裂隙帶上限巖柱留設(shè)寬度（m）;H為煤層底板以上的靜水位高度（m）;根據(jù)最上覆直接充水含水層抽水資料取473.79m計算;HL為導(dǎo)水裂隙帶最大值（如前文所述取109.2m）;Ts為水壓與巖柱寬度的比值（本次取1）;θ為巖層移動角（按區(qū)內(nèi)經(jīng)驗值取70°）。

由此，計算得出巴拉素2號煤層開采時人為邊界水平方向防隔水煤柱（寬度）為76.20m，本次取80m。

另外，根據(jù)礦井開采設(shè)計，井下各相鄰盤區(qū)間留設(shè)20m寬的邊界防水煤柱，每側(cè)10m。大巷煤柱留設(shè)計算寬度，應(yīng)按照如下公式計算：

式中：S為大巷煤柱留設(shè)寬度（m）;S1為巷道護巷煤柱的水平寬度（m）;a為受護巷道寬度的一半（m）;H為巷道的最大垂深（m），2號煤取H=570m;M為煤厚（m），2號煤取M=3.64m;f為煤層的強度系數(shù);Rc為煤層的單向抗壓強度（Mpa），2號煤取Rc=12.44Mpa。

通過計算，2號煤大巷煤柱寬度為101.60m，設(shè)計為了便于后期大巷煤柱回收，按照寬煤柱留設(shè)，各煤層大巷兩側(cè)各留100m煤柱。

（2）垂直方向防隔水安全煤巖柱計算。

依據(jù)規(guī)范規(guī)程要求[6-8]，防水安全煤（巖）柱的垂高（Hsh）應(yīng)當大于或者等于導(dǎo)水裂隙帶的最大高度（HL）加上保護層厚度（Hb）（見表2）。由此，結(jié)合大海則煤礦覆巖巖性為較弱～中硬類，且根據(jù)區(qū)內(nèi)地層巖性組成特征分析，各含水層段中的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖均呈互層狀沉積，巖性粒度小，孔隙率小，膠結(jié)致密，分選性好，一般以水平層理為特征，是區(qū)內(nèi)上、下含水層段之間相對較好的隔水層。區(qū)內(nèi)全區(qū)分布的隔水層為穩(wěn)定的厚層泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，其厚度遠大于2號煤層厚度。

因此，對于巴拉素煤礦2號煤層開采來說，其保護層厚度的選取3A，即：Hb=3M=3×3.64=10.92m，式中M為2號煤層厚度（m）。

如前所述，本井田內(nèi)2煤頂板含水層中白堊系洛河組含水層屬于富水性中等（局部可能富水性強）的含水層，而對于該含水層防隔水煤柱的留設(shè)要求為：防水安全煤（巖）柱的垂高（Hsh）應(yīng)當大于或者等于導(dǎo)水裂縫帶的最大高度（HL）加上保護層厚度（Hb），即：Hsh≥HL+Hb。

如前所述，2號煤層回采過程中，巴拉素煤礦2號煤層回采后導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為采高的30倍，即：HL=30M，而保護層厚度值為采高的3倍，即：Hb=3M，由此，可綜合得到：Hsh≥（30+3）M=33M，即可得本區(qū)的垂向煤柱平均厚度值為33×3.64=120.12m。

通過對比垂向煤柱厚度與2號煤層至白堊系洛河組含水層底部距離可知，防水安全煤巖柱厚度值小于煤層與含水層垂高間距，即滿足規(guī)范規(guī)程要求，可進行安全回采。

3? 水害防治措施

根據(jù)以往礦井水文地質(zhì)工作資料可知[2-5]，巴拉素煤礦2號煤回采階段，礦井正常涌水量為1865m3/h，最大涌水量為2380m3/h，該數(shù)據(jù)可作為礦井防排水系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)。但由于本區(qū)礦井涌水量與采掘布局與接續(xù)關(guān)系密切，對于目前巴拉素煤礦仍處于建井階段，采掘布局和接續(xù)調(diào)整后，應(yīng)根據(jù)井下實際揭露情況，進一步進行涌水量預(yù)測計算。

通過對礦井水文地質(zhì)條件的分析、面臨水害問題的評估及礦井涌水量預(yù)測成果，結(jié)合規(guī)程規(guī)范[9-10]要求，及參考區(qū)內(nèi)條件類似礦井存在的水文地質(zhì)問題[2-5]，提出防治水總體思路，并制定出以下礦井水害防治措施（見圖1）。

（1）總體思路：開展2號煤層及頂板侏羅系含水層的局部探查預(yù)疏放工作，以建立礦井、采區(qū)、工作面有效排水系統(tǒng)為重點，結(jié)合水文監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，以自然疏放為主的防治水對策，開展相關(guān)專項研究，進行礦井水害的防治。

（2）具體措施。

①井下鉆探：用于頂板富水區(qū)探查及預(yù)疏放等;

②地球物探：如地面三維地震、井下直流電法、瞬變電磁等;

③水文地質(zhì)監(jiān)測：各含水層水位、井下涌水量監(jiān)測等;

④輔助措施：提前制定科學(xué)合理有效的井下出水應(yīng)急預(yù)案，定期組織技術(shù)人員培訓(xùn)學(xué)習(xí)交流，邀請行業(yè)專家進行會診授課等輔助措施。

巴拉素煤礦的礦井防治水技術(shù)路線以礦井排水工程、水害探查研究、水害治理工程為3個主要內(nèi)容。

其中排水工程主要礦井主排水系統(tǒng)、采區(qū)排水系統(tǒng)、工作面排水系統(tǒng)、抗災(zāi)強排系統(tǒng)建設(shè)為主;水害探查研究主要是采區(qū)回采開拓前、主要巷道掘進前、工作面回采前及回采時應(yīng)開展的防治水工程;水害治理工程主要為煤層及頂板物探、鉆探探查預(yù)疏放等工程。

此外，在煤礦實際回采過程中，應(yīng)該結(jié)合詳細的鉆孔封孔資料，進行封閉不良鉆孔的排查，并針對可能導(dǎo)水封閉不良鉆孔制定專門的防治水方案，防治出現(xiàn)突水事故。

4? 結(jié)論

（1）根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件，分析判斷礦井采掘2號煤層時的主要充水水源為煤層水及頂板砂巖水，主要充水通道為煤層原生及采掘裂隙。

（2）通過計算，在白堊系含水層下采煤時的防隔水煤巖柱水平和垂直方向?qū)挘ê瘢┒龋袛嗥浒踩院秃侠硇浴?/p>

（3）基于規(guī)范要求和現(xiàn)場實際，提出井下鉆探、地球物探、水文地質(zhì)監(jiān)測等綜合防治措施，通過預(yù)防、探查、疏排、監(jiān)測等手段共同解決礦井水害問題。

參考文獻

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