煤礦礦井防治水系統(tǒng)與治理措施分析

李如仙

（山西興新安全生產(chǎn)技術服務有限公司，山西 太原 030000）

引言

鑫巖煤礦位于黃河東岸，呂梁山西側，區(qū)內沖溝發(fā)育，地貌屬黃土丘陵。主要溝谷呈東西向展布，自北向南主要有龍河溝、溝背溝、岔溝、楊家圪塔溝等。工業(yè)場地位于龍河溝中，該溝呈東南—西北方向展布，溝長約17 km，寬50 m～150 m，溝谷斷面形態(tài)呈現(xiàn)“U”型，坡角20°～40°，縱坡降1.7%；陳家灣溝主溝及其支溝兩側出露區(qū)土質成分均為新近系上新統(tǒng)黏土和第四系中上更新統(tǒng)粉質黏土。地勢呈東南高西北低，最大相對高差269.0 m，最低處位于龍河溝溝谷最低點。

該礦所在地表水體屬于三川河水系，是山西省西部最大的河流，距煤礦西北部約15 km。以北川河為主流，與東川河和南川河交匯而形成，故稱為三川河，其發(fā)源地為方山縣赤堅嶺地區(qū)，最終匯入黃河，屬黃河一級支流，為常年性河流[1]。

1 礦井水害影響因素

1.1 地表水體水害

地表水體水害一旦發(fā)生，一般具有瞬時性、來勢迅猛、水流能量巨大的特點，鑫巖煤礦工業(yè)場地位于煤礦北部龍河溝谷的上游，匯水面積約45 km2，該溝屬三川河的季節(jié)性支流，平時干枯無水，暴雨或長期降雨具有短暫性的洪流，可能會引起當?shù)氐乇硭坏淖兓虮q，如果防洪設施不完善，一旦突發(fā)性進入礦井，水量如果遠遠超過了礦井自身排水系統(tǒng)的容量，可能會造成井下工程作業(yè)者被困井下，來不及撤離，造成財產(chǎn)損失和人員傷亡事故。

1.2 井下水水害

1）煤礦周邊存在的采空區(qū)及其影響：山西悅達軍山煤業(yè)為低瓦斯礦井，采空區(qū)位于煤礦西南部（鑫巖煤礦東北部外），部分采空區(qū)存在積水、積氣現(xiàn)象，對鑫巖煤礦影響?。簧轿髦嘘柸A潤聯(lián)盛東桉煤業(yè)采用斜井和立井聯(lián)合開拓，有2 個井口，短壁式采煤，普通機械化采煤工藝，抽出式通風，井下涌水量200 m3/d。采空區(qū)位于煤礦東北部，距鑫巖煤礦較遠，對鑫巖煤礦影響小；山西呂梁中陽梗陽煤業(yè)為單獨保留礦井，采用斜井開拓，長壁綜采放頂煤采煤法，頂板管理采用全部垮落法。該礦采空區(qū)位于煤層較淺的中西部，距鑫巖煤礦規(guī)劃期開采范圍較遠，對鑫巖煤礦影響小。雖然周邊采空區(qū)影響較小，但容易在很短的時間段內形成大批量的雨水突進到礦井，所以這種類型的危害一旦出現(xiàn)就會給礦井造成巨大的危害，且常伴隨著有害的氣體，其水勢兇猛，瞬時下泄流量大，流速快，沖擊力巨大。

2）奧灰?guī)r溶水：井田奧灰水水位標高最高為821 m～815 m，井田南西部埋藏最深，北東部埋藏最淺。5 號煤層底板標高在980 m～400 m，10 號煤層底板標高在930 m～320 m，由此可見，井田5 號、10 號煤層西南部分為帶壓開采區(qū)域。

經(jīng)計算，5 號煤層最低點突水系數(shù)為0.044 MPa/m，煤層底板等高線400 m～821 m 區(qū)域，屬帶壓開采區(qū)，突水系數(shù)小于0.06 MPa/m，屬于奧灰?guī)r溶水帶壓開采威脅區(qū)[2]；煤層底板等高線821 m～980 m 區(qū)域，屬非帶壓開采區(qū)。10 號煤層最低點突水系數(shù)為0.088 MPa/m，煤層底板等高線320 m～501 m 區(qū)域，突水系數(shù)大于0.06 MPa/m，屬于奧灰?guī)r溶水帶壓開采突水危險區(qū)；煤層底板等高線501 m～821 m 區(qū)域，突水系數(shù)小于0.06 MPa/m，屬于奧灰?guī)r溶水帶壓開采突水威脅區(qū)。

3）斷裂及破碎帶：該井田在開采5 號、10 號煤層過程中揭露了14 條斷層，延伸長度約160 m～1 200 m，其中落差大于5 m 的斷層4 條，揭露斷層未發(fā)現(xiàn)導水現(xiàn)象。井田內所有可采煤層均屬部分帶壓開采煤層，一旦有導水構造溝通煤層與奧灰水，將對煤層開采產(chǎn)生較大的影響，目前為止，在掘進工程中只遇到了一些小斷層，均不含水或者含水量很小，在采掘過程中很快會被排干，雖然目前還未發(fā)現(xiàn)滯后導水現(xiàn)象，但不能輕易排除礦區(qū)內存在大的導水構造溝通含水層的可能性，應隨時查勘以免引發(fā)礦井突水事故。

4）煤層頂板垮落帶、導水裂縫帶：5 號煤層開采后形成的導水裂隙帶最大高度32.50 m，煤層埋深為122.11 m～741.16 m；10 號煤層開采后形成的導水裂隙帶最大高度51.90 m，10 號煤層上距5 號煤層40.92 m～85.70 m，因此，5 號煤層采空區(qū)積水可能對開采10 號煤層產(chǎn)生影響[3]。

礦井初期開采范圍5 號煤的導水裂隙帶雖不波及地表，但不排除通過風化裂隙溝通地表，由于井田北東部和溝谷中的煤層埋藏比較淺，開采過程中要特別重視，煤層在開采區(qū)域后會致使礦區(qū)地表巖層的裂隙逐漸加大、增多，導致冒落的導水裂隙帶和強風化裂隙中的含水層相互溝通。

5）老小窯井影響：鑫巖煤礦為新建礦井，井田內未發(fā)現(xiàn)老小窯。但井田東北部煤層埋藏較淺，是否有古老窯應做進一步調查，以防老窯透水造成淹井事故。

2 防治水系統(tǒng)分析

根據(jù)礦井建設項目防治水系統(tǒng)實際情況，采用故障樹分析法對該礦防治水系統(tǒng)進行分析。圖1 為鑫巖煤礦礦井水災故障樹分析圖，其中，故障樹中最小徑集只有4 組，因此可采用最小徑集對該礦防治水系統(tǒng)進行分析，式（1）為成功樹的結構函數(shù)式。

圖1 礦井水災故障樹圖

最小徑集集合如下，共有9 個：

K1={X1，X3，a}；K2={X2，X3，a}；K3={X4，X7，a}；K4={X5，X7，a}；K5={X6，X7，a}；K6={X8，a}；K7={X9，a}；K8={X10，X12，a}；K9={X11，X12，a}。

最小割集為96 組，式（2）為最小割集分析各基本事件結構重要度順序。

從最小割集的分析情況看，該礦防治水工作的重點為：

1）做好井口及地面排水設施的建設。安全出口的周圍，特別是封閉不密的已關閉老小窯井口的周圍必須設置排水明溝，防止雨季場地積水灌入井下和井田內溝谷，否則將導致地表巖層裂隙逐漸增多、變大，嚴重的甚至造成地面塌陷；另外，洪水季節(jié)匯集雨水后通過導水裂隙帶很可能造成雨水倒灌，因此必須提前修筑好堤壩和泄洪渠（或涵洞），及時填塞地面裂縫和塌陷區(qū)，采取工程措施有效防止積水滲入井下。

2）加強采空區(qū)積水的探放水工作。嚴格執(zhí)行“物探先行、化探跟進、鉆探驗證”的綜合探測手段，及時全面調查清楚礦井的采空區(qū)積水現(xiàn)狀，導水斷層和陷落柱等水文地質結構，按照初步設計及安全專篇的探放水要求，采用探水鉆孔疏干上部積水，嚴禁頂水作業(yè)，并制定相應的“探、防、堵、截、排”綜合防治措施。

3 防治水措施

3.1 地面防治水

龍河溝及評估區(qū)內各支溝歷史最高洪水位為1 053 m，根據(jù)中陽縣水務局提供最高洪水位高程為1 068.2 m，低于工業(yè)場地最低整平標高1 068.8 m，其中主斜井為1 070.4 m，副立井為1 070.7 m，1 號、2 號回風立井為1 078.7 m，均高于最高洪水位，因此，礦井不受洪水威脅。

地面建有完善的疏排水系統(tǒng)設施，場內排水以面匯線、以線匯點，最終由排水溝將雨水引入場外的排洪溝中。每年雨季來臨前礦井組織雨季三防工作，檢查清理排水溝和截水溝，保證場區(qū)雨季排水通暢。

3.2 井下防治水

礦井防水煤柱留設：依據(jù)煤礦水文地質規(guī)程的相關要求，煤礦建設與開采時井田邊界煤柱和采空區(qū)防水煤柱均留設20 m，5 號和10 號作業(yè)面大巷防水煤柱層分別按30 m 和40 m 留設，村莊和工業(yè)廣場煤柱為80 m[4]。

超前探水：礦井探放水堅決執(zhí)行“預測預報、有掘必探、先探后掘、先治后采”制度[5]，每個掘進工作面必須編制探放水設計，并嚴格遵守“物探先行，鉆探驗證”的探放水方針，礦井掘進巷道超前探查采用瞬變電法和直流電法，確保工作面開口前探一次，然后每隔70 m 在巷道迎頭左方、前方、右方呈扇形設置探測位置，利用交接班時間進行探測。物探顯示無異常情況下，鉆探鉆孔呈扇形布置，布置4 個鉆孔，鉆探鉆孔孔深100 m，超前距30 m。物探顯示有異常時，根據(jù)異常解讀針對性增加鉆孔超前探測。

井下排水：礦井井下排水主要通過副立井排水系統(tǒng)，在副立井井底設主水倉和主排水泵房，主水倉容量為2 300 m3，滿足容納8 h 的正常涌水，主排水泵房井底水倉由主、副水倉組成，水倉入口應設沉淀池和鐵箅子等，減少懸浮物與污泥進入水倉，并對主、副水倉中雜物與污泥進行定期清理[6]。排水管沿副立井敷設兩趟至地面水處理站，主排水泵使用前通過有資質單位的性能測試投入使用，運轉正常。在北一上盤區(qū)北翼回風大巷內，布置兩條泄水孔，通過自流進入井底水倉。2 號盤區(qū)水泵房（北一上盤區(qū)南翼盤區(qū)水泵房及水倉）礦井在北一上盤區(qū)南翼，排水管2 趟沿5 煤輔助運輸大巷敷設至井底水倉。3 號盤區(qū)水泵房（北一下盤區(qū)北翼盤區(qū)水泵房及水倉）礦井在北一下盤區(qū)北翼排水管2 趟沿10 號煤輔助運輸大巷敷設至井底水倉。北一下盤區(qū)南翼排水系統(tǒng)，排水管2 趟沿10 號煤輔助運輸大巷敷設至井底水倉。

4 結論

采用故障樹分析方法對鑫巖煤礦礦井防治水系統(tǒng)和如何防治水災事故發(fā)生的各種危險、有害因素進行預測分析，結果表明該礦防治水重點是井口及地面排水設施的建設與采空區(qū)積水的探放水問題，針對5 號和10 號工作面，從地面水體與井下水分別提出了水害防治措施，建立疏排水系統(tǒng)，并制定了相應的“探、防、堵、截、排”綜合防治措施。