溝底煤礦充水條件分析及防治水對(duì)策

趙方亮

（山西高平源野煤業(yè)有限公司 山西晉城048000）

1 引言

沁水煤田溝底煤礦為晉城礦區(qū)規(guī)劃新建礦井之一，礦井建設(shè)規(guī)模為5.0 Mt/a，井田面積71.07 km2，批準(zhǔn)開采3號(hào)煤層。針對(duì)3號(hào)煤層受頂板多層砂巖裂隙水、底板灰?guī)r巖溶裂隙承壓水威脅的實(shí)際情況，在分析水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,運(yùn)用地理學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)理論和定性、定量相結(jié)合的方法，對(duì)礦井充水條件進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)礦井涌水量進(jìn)行了估算。同時(shí)，針對(duì)主要水害因素，提出了相應(yīng)的安全技術(shù)措施。

2 井田地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

溝底煤礦井田位于沁水煤田南部晉城礦區(qū)東北部，所在區(qū)域地層自下而上為：古生界（奧陶系、石炭系、二疊系）、中生界（三疊系）、新生界（第四系）。巖溶水文地質(zhì)單元屬高平－晉城盆地三姑泉域水文地質(zhì)單元。首采盤區(qū)3 km2三維地震勘探解釋斷層14條，陷落柱23個(gè)。

圖1 井田構(gòu)造綱要圖

3 3號(hào)煤層充水條件分析

3.1 充水水源

3.1.1 大氣降水及地表水

經(jīng)調(diào)查區(qū)域井田年均降水量為458.33 mm，雨量集中于5～9月份。一般大氣降水不會(huì)直接造成礦井災(zāi)難性水害。溝底煤礦3號(hào)煤層埋深在300 m以上，開采形成的最大導(dǎo)水裂隙帶高度為83.49 m，小于煤層埋深。井田內(nèi)無大的地表水體，溝谷中均存在季節(jié)性河流。一般情況地表水對(duì)3號(hào)煤層不存在充水威脅。

3.1.2 3號(hào)煤層頂板充水水源

開采3號(hào)煤層形成的導(dǎo)水裂隙可延伸到上石盒子組K9砂巖裂隙含水層、二疊系下統(tǒng)下石盒子組、山西組砂巖裂隙承壓水含水層。K9砂巖平均厚度5.39 m，屬弱富水性－中等富水性含水層。K8砂巖平均厚度5.55 m，屬弱富水性含水層。井田內(nèi)3號(hào)煤層大部分頂板含水層富水性弱，補(bǔ)給主要靠上部風(fēng)化帶和松散層補(bǔ)給，補(bǔ)給條件一般。

3.1.3 上石炭統(tǒng)太原組巖溶裂隙含水層

該含水層由K2、K3、K4、K5、K6五層石灰?guī)r組成，全井田發(fā)育。其中K6石灰?guī)r平均厚度0.30 m，。K5石灰?guī)r平均厚度2.62 m，K4石灰?guī)r平均厚度0.56 m，K3石灰?guī)r平均厚度3.13 m，K2石灰?guī)r平均厚度10.60 m，局部發(fā)育巖溶裂隙。該含水層屬富水性弱的巖溶裂隙含水層。

3.1.4 奧灰水

帶壓開采是指在經(jīng)濟(jì)技術(shù)允許的情況下，充分利用3號(hào)煤層底板至奧陶系峰峰組頂面之間隔水層的抗（阻）水性能，在帶壓開采范圍采取某些技術(shù)措施之后，能夠安全、順利的進(jìn)行煤層采掘過程。井田內(nèi)奧灰水水位標(biāo)高625 m～607 m，3號(hào)煤層底板標(biāo)高280 m～680 m，3號(hào)煤層大部塊段處于奧灰水水位之下存在帶壓開采。對(duì)底板的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)采用完整隔水層突水系數(shù)法。

（1）底板突水系數(shù)計(jì)算公式選?。罕敬瓮凰禂?shù)采用《煤礦防治水規(guī)定》中突水系數(shù)計(jì)算公式（1）計(jì)算：

式中：T－突水系數(shù)，MPa/m；

P－3號(hào)煤層底板至奧灰頂之間隔水層所承受的水頭壓力，MPa；

M－3號(hào)煤層底板至奧灰頂之間隔水層厚度,m。

（2）計(jì)算突水系數(shù)相關(guān)參數(shù)的選取

底板隔水層厚度（M）：本次底板隔水層厚度是指3號(hào)煤層底板至奧陶系頂面之間的隔水巖層總厚度，即：

式中：H煤－3號(hào)煤層底板賦存標(biāo)高，m；

h－奧陶系頂面標(biāo)高，m。

底板隔水層承受的水頭壓力（P）：溝底煤礦3號(hào)煤層底板所承受的承壓水主要為奧陶系巖溶含水層水。因此，在確定水頭壓力時(shí)，采用奧灰水的水位標(biāo)高減去相應(yīng)的奧陶系頂面標(biāo)高值，作為3號(hào)煤層底板所承受的水壓力。

式中：H－奧灰水水位標(biāo)高值，m；h－奧灰頂面標(biāo)高值，m。

（3）突水系數(shù)的計(jì)算

根據(jù)礦井水文地質(zhì)鉆孔資料，確定各鉆孔隔水層的厚度與底板隔水層承受的水頭壓力，并代入突水系數(shù)計(jì)算公式中計(jì)算突水系數(shù)，計(jì)算結(jié)果詳見表1。

由表1可知，井田內(nèi)3號(hào)煤層最大突水系數(shù)為0.042 MPa/m，小于底板受構(gòu)造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，井田大部屬于帶壓開采安全區(qū)（見圖2）。雖然井田可以進(jìn)行帶壓開采，但在隱伏斷裂構(gòu)造附近有發(fā)生突水可能。

表1 3號(hào)煤層突水系數(shù)計(jì)算成果表

圖2 3號(hào)煤層帶壓分區(qū)圖

3.2 礦井充水通道

可能成為充水通道包括斷層、陷落柱、封閉不良的鉆孔及瓦斯抽采井、導(dǎo)水裂隙帶、采空塌陷等。

3.2.1 斷層

經(jīng)首采區(qū)三維地震勘探，發(fā)育14條斷層，其中落差大于等于5 m的斷層7條，落差大于3 m的斷層7條。除DF1為逆斷層，其余均為正斷層。首采區(qū)內(nèi)絕大多數(shù)斷層均為張性正斷層，其中較大斷層具有一定破碎帶，存在一定導(dǎo)水性，開采臨近這些斷層時(shí)加強(qiáng)其導(dǎo)水性探測和防范。

3.2.2 陷落柱

三維地震勘探在首采區(qū)內(nèi)共解釋陷落柱23個(gè)，眾多的陷落柱在首采區(qū)內(nèi)形成大量無煤柱，并對(duì)陷落柱邊緣煤層也造成一定程度的破壞。在這些陷落柱附近開采時(shí)，必須留設(shè)保安煤柱并加強(qiáng)加防范，及時(shí)了解陷落柱的導(dǎo)水集水情況，確保安全生產(chǎn)。

3.2.3 封閉不良的鉆孔及瓦斯抽采井

根據(jù)勘探資料，井田內(nèi)施工的鉆孔均按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了封孔，雖然鉆孔均已密閉，達(dá)到封孔要求，但是在采礦活動(dòng)接近或者揭露鉆孔時(shí)，仍應(yīng)加強(qiáng)探測。

煤層氣公司施工的瓦斯抽放井，均不封孔。因此以后在采掘過程中需提前與煤層氣公司溝通協(xié)調(diào)，提前處置鉆孔，采取相應(yīng)的措施，以防作為導(dǎo)水通道，形成水害。

3.2.4 導(dǎo)水裂隙帶

3號(hào)煤層厚度為4.35 m～7.45 m，平均5.88 m，頂板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部為中粒、細(xì)粒砂巖，底板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部為炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖或泥質(zhì)細(xì)砂巖。由表2可知，3號(hào)煤層頂板巖石強(qiáng)度屬于軟弱－堅(jiān)硬。根據(jù)設(shè)計(jì)，井田內(nèi)3煤層采用大采高綜采一次采全高采煤法開采，平均采高高度6.0 m。

表2 3號(hào)煤層頂板力學(xué)測試結(jié)果表

依據(jù)《三下采煤規(guī)程》3號(hào)煤層垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶高度：

垮落帶高度計(jì)算公式（堅(jiān)硬）為：

式中：Hm－垮落帶高度；

∑M－累計(jì)采厚。

導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式（堅(jiān)硬）為：

式中：Hli－導(dǎo)水裂隙帶高度；

∑M－累計(jì)采厚。

3號(hào)煤層采高為6.0 m，經(jīng)公式計(jì)算3號(hào)煤層垮落帶高度為18.48 m～23.48 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為56.32 m～83.49 m。開采3號(hào)煤層形成的最大導(dǎo)水裂隙帶高度為83.49 m，小于煤層埋深，不會(huì)延伸到地表，可溝通下K9砂巖裂隙含水層、二疊系下統(tǒng)下石盒子組、山西組砂巖裂隙承壓水含水層。

3.2.5 采空塌陷

溝底煤礦井田內(nèi)煤層未進(jìn)行開采，地表不存在塌陷，但隨著井田內(nèi)3號(hào)煤層大面積開采后，塌陷裂隙帶與地表基巖分化裂隙帶溝通，導(dǎo)通采掘工作面與地表，這些裂隙將成為大氣降水及地表水與礦坑之間的導(dǎo)水帶。

3.3 充水強(qiáng)度

溝底煤礦處于基建階段，井下礦井涌水量每天約10 m3。

4 涌水量估算

礦坑系統(tǒng)涌水量采用水文地質(zhì)比擬法與解析法進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。

表3 3號(hào)煤礦坑涌水量預(yù)算結(jié)果表

據(jù)井田水文地質(zhì)條件分析，采用富水系數(shù)比擬法預(yù)算的結(jié)果在偏大，采用單位涌水量比擬法的預(yù)算結(jié)果偏小，采用解析法的預(yù)算結(jié)果相對(duì)較為適合本井田的水文地質(zhì)情況。解析法所得礦坑涌水量的平均值Q=5 597 m3/d（233 m3/h)作為首采區(qū)礦坑系統(tǒng)的正常涌水量。礦山生產(chǎn)初期的礦坑涌水量一般達(dá)不到正常涌水量，隨著開采時(shí)間的延長，巷道采空區(qū)范圍的逐步擴(kuò)大及礦坑頂板冒落導(dǎo)水裂隙帶的形成與發(fā)展，礦坑涌水量會(huì)相應(yīng)不斷增大。

5 礦井主要水害分析

（1）煤層上覆上石盒子組K9砂巖裂隙含水層、二疊系下統(tǒng)下石盒子組、山西組砂巖裂隙承壓水含水層局部富集區(qū)，通過構(gòu)造裂隙和頂板采動(dòng)裂隙滲入采區(qū)巷道導(dǎo)致局部地段礦井涌水量增大，存在發(fā)生水害的可能。

（2）上石炭統(tǒng)太原組巖溶裂隙含水層水對(duì)3號(hào)煤底板一般都具有承壓性。該含水層以弱富為主，但由于局部存在富水區(qū)，在高水壓的影響下，瞬時(shí)水量會(huì)較大，對(duì)礦井安全生產(chǎn)有一定的威脅。

（3）在奧灰?guī)簠^(qū)開采時(shí)，存在深部奧灰水沿導(dǎo)水構(gòu)造突入巷道的可能。

（4）隨著時(shí)間的推移，鄰礦開采范圍不斷擴(kuò)大，當(dāng)在本井田邊界鄰近形成采空區(qū)和廢棄巷道后，其積水將對(duì)本礦開采生產(chǎn)造成充水威脅。

（5）溝底井田斷層及陷落柱較發(fā)育，部分構(gòu)造存在一定的導(dǎo)水性，尤其是陷落柱如具有導(dǎo)水性可直接溝通奧灰水與生產(chǎn)掘進(jìn)工作面，易形成特大的水害事故。

6 防治水技術(shù)措施

（1）需采取合理布置巷道、疏水降壓、利用先掘巷道和工作面提前疏放水、加強(qiáng)井下排水能力，完善排水系統(tǒng)等措施。

（2）通過專門的工程和技術(shù)措施在人工受控的條件下進(jìn)行超前預(yù)疏水，根據(jù)礦井的水文地質(zhì)情況，可以采用突水點(diǎn)、疏水鉆孔疏水等。將水壓降至底板隔水層阻水所能承受的范圍。

（3）對(duì)采區(qū)內(nèi)的隱伏斷層及陷落柱提前進(jìn)行鉆探和物探勘查；對(duì)灰?guī)r水合理受控疏水，對(duì)奧灰水采取疏水降壓與堵水加固相結(jié)合；加強(qiáng)地質(zhì)與水文地質(zhì)補(bǔ)充性勘查；建立完善的水害監(jiān)測系統(tǒng)；提高排水能力；治水工程要按照疏放和堵水相結(jié)合的原則；采取“防、堵、疏、排、截”綜合治理措施。

（4）及時(shí)收集掌握相鄰礦井采掘情況，并標(biāo)示在充水性圖上。

（5）對(duì)已查明的斷層及陷落柱進(jìn)行導(dǎo)水可行性評(píng)價(jià)，對(duì)于隱伏斷層及陷落柱提前進(jìn)行井上下物探勘查和鉆探驗(yàn)證；對(duì)有可能溝通強(qiáng)含水層的斷層及陷落柱留設(shè)防水煤柱進(jìn)行保護(hù)。