蒲白煤礦開采技術(shù)條件分析

呂 云

(安徽省煤田地質(zhì)局水文隊，安徽 宿州234000)

蒲白煤礦開采技術(shù)條件分析

呂 云

(安徽省煤田地質(zhì)局水文隊，安徽 宿州234000)

為提高煤炭開采率，保證后期生產(chǎn)安全、產(chǎn)量穩(wěn)定，根據(jù)以往地質(zhì)及礦井生產(chǎn)資料，通過礦區(qū)水文、工程、環(huán)境地質(zhì)等要素分析、評價煤礦開采技術(shù)條件，為企業(yè)后續(xù)生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

蒲白煤礦;開采技術(shù)條件;分析

蒲白煤礦剩余服務(wù)年限約5 a，周邊歷史老窯多，不能準(zhǔn)確圈定原開采范圍。巷道掘進(jìn)中易造成突水事故。另礦權(quán)范圍內(nèi)小斷層極其發(fā)育，煤層的連續(xù)性和完整性變差，增加了煤層開采的難度。

1 水文地質(zhì)條件狀況

1.1 地形地貌及地表水系

蒲白煤礦地處渭北黃土高原南緣，地表均為第四系黃土覆蓋，除西南部及器休村東北部溝谷發(fā)育外，其余均為廣闊的黃土臺塬地貌，地勢總體呈西北高而東南低，相對高差202 m。

白水河是區(qū)內(nèi)唯一的長年性流水河，由煤礦的西南邊界流過，近年河流量一般僅0.1～0.2 m3/s，向東匯入洛河。

1.2 含(隔)水層(段)的劃分及其水文地質(zhì)特征

1.2.1 奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙承壓強含水層

位于含煤地層之下，受斷裂構(gòu)造發(fā)育程度及巖溶裂隙的密集程度所控制，在空間上為一含水既不均勻，但又互相連通的含水巖體。歷史上，凡礦區(qū)在380 m標(biāo)高以下掘進(jìn)的灰?guī)r巷道，均有不同程度的涌水，是礦井的主要充水含水層。

多年來，由于開采量增加(奧灰供水工程，水位已下降至372.65 m，并有持續(xù)下降趨勢。因此，在370 m標(biāo)高以下采煤時，應(yīng)防止巖溶裂隙水突出。

1.2.2 石炭系上統(tǒng)太原組底部隔水層

為奧灰?guī)r之上、K2之下的太原組地層，由泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖及煤層組成，最小厚度5.87 m，最大厚度23.25 m，一般12～14 m，隔水性能良好。

1.2.3 石炭二疊系及其上覆基巖裂隙含水層組

賦存于石炭二疊系及其上覆基巖裂隙含水層中，巖性為堅硬的粗、中、細(xì)粒砂巖及石灰?guī)r，由于為剛脆性巖石，在地應(yīng)力作用下易產(chǎn)生各種裂隙及斷裂，這就為地下水的賦存和運移提供了條件;但各含水層間常被分布普遍、厚度較穩(wěn)定的泥巖、砂質(zhì)泥巖(相對隔水層)所隔離，故在無斷裂影響的情況下，形成無水力聯(lián)系的復(fù)合含水層。

1.2.4 第四系松散層孔隙、裂隙潛水含水層(Q)

第四系全新統(tǒng)(Qh)沖洪積層孔隙潛水主要賦存于西南邊界蒲白河兩側(cè)漫灘及一級階地的砂礫層中，沿河谷呈帶狀分布，水位埋藏淺，富水性相對較好。

更新統(tǒng)(Qp)黃土廣布全區(qū)，一般厚度60～120 m，含孔隙裂隙潛水，主要貯存于其底部礫石層中，水位埋藏深，富水性弱。

1.3 地下水的補給、逕流和排泄條件

1.3.1 第四系松散層潛水

白水河河谷區(qū)沖洪積層潛水具有良好的儲水空間，透、儲水性強，水位埋藏淺，季節(jié)性變化明顯，且與地表河流存在互補關(guān)系。黃土臺塬區(qū)以大氣降水補給為主，由北向南或由塬中心向邊緣逕流，在溝谷地段以泉或潛流的形式排泄。

1.3.2 含煤地層及其上覆基巖裂隙水

煤系及其上覆基巖裂隙含水層在露頭地段接受大氣降水的直接滲入補給，在河流流經(jīng)地段接受地表水及沖洪積層潛水的垂直滲透補給，在透水“天窗”和隔水層薄弱地段接受上覆含水層及黃土層潛水的垂直滲透補給或越流補給，沿隔水底板由高向低運移，向東南方向排入洛河谷地或沿導(dǎo)水?dāng)嗔雅湃電W陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層中。

另外，煤礦開采過程中的疏、排水也是含煤地層裂隙水的重要排泄方式。

1.4 礦井充水條件

1.4.1 充水水源

煤系中的太原組、山西組裂隙含水層雖是煤層開采的直接充水含水層，但補給條件差，裂隙不甚發(fā)育，故水量較小;上、下石盒子組中下段砂巖裂隙含水層、底部砂巖裂隙含水層為礦井的間接充水含水層，因其含水不甚豐富，加之受下部隔水層的阻隔，因而對煤層開采影響不大;奧陶系巖溶裂隙水僅對370m高程以下的煤層開采產(chǎn)生威脅。

蒲白煤礦開采5號煤層，據(jù)建井及采煤積累的資料，礦井水主要來自以下幾個方面:

(1)直接充水水源

K3砂巖裂隙水，與煤層底板直接接觸或上覆隔水層較薄時，以滲水方式向礦坑充水，涌水量0.5 m3/h左右。

K4砂巖裂隙水。為5號煤層老頂，局部地段與煤層直接接觸，煤層開采后，以頂板滴水或淋水向礦坑充水，涌水量一般 0.5 ～5.0 m3/h。

歷史老窯積水，本區(qū)煤層開采歷史悠久，在新井?dāng)鄬訓(xùn)|南側(cè)及蒲白河兩岸，老窯密布，由于其停采年久，采空區(qū)塌陷并有不同程度的積水，開采范圍不能準(zhǔn)確圈定，當(dāng)巷道掘進(jìn)遇到老窯采空區(qū)時，可能造成突水事故。

(2)間接充水水源

地下水:上、下石盒子組砂巖裂隙含水層及第四系松散層潛水含水層為礦井水的間接充水水源，主要在隔水層薄弱地帶通過采礦冒裂帶間接向礦坑充水，或直接向井筒涌水。蒲白煤礦井筒在開鑿初期，上述含水層曾涌水，最大涌水量31.2 m3/h，經(jīng)砌碹后逐漸減小。據(jù)近年疏、排水資料統(tǒng)計，蒲白煤礦主斜井涌水量4.4 m3/h，副立井涌水量3.2 m3/h，風(fēng)井涌水量2.7 m3/h，均為上述含水層充水。

地表水:白水河從煤礦西部邊界流過，據(jù)以往觀測資料，在流經(jīng)郭家圍斷層處漏失量為0.205 m3/s，新井?dāng)鄬犹幝┦Я繛?.120 m3/s，毛家河斷層處漏失量0.169 m3/s;另外蒲白河河床附近老窯分布較多，特別是在洪峰期更易與老窯水發(fā)生水力聯(lián)系，進(jìn)而通過老窯采空區(qū)間接向礦坑充水。

煤層回采后產(chǎn)生的地表塌陷在暴雨時常有積水，這些暫時性積水也可通過地裂縫間接向礦坑充水。

在渠道下采煤時，渠道灌溉水也是礦井水的又一水源。

1.4.2 充水途徑

主要有采礦冒裂帶、斷層、未封閉或封閉不良鉆孔三種途徑。

當(dāng)煤層位于370 m高程以上時，北部杜康溝逆斷層阻止了區(qū)外地下水的側(cè)向補給，東南及西北均為泄水邊界;加之東部沖溝較多，大氣降水多以地表徑流形式排泄，因而本區(qū)地下水補給條件差，排泄條件好，水文地質(zhì)勘探類型為二類一型，即“以裂隙含水層充水為主的水文地質(zhì)條件簡單的礦床”。

當(dāng)煤層位于370 m高程以下時，由于本區(qū)斷裂構(gòu)造極其發(fā)育，奧灰?guī)r溶裂隙水更容易通過煤層底板隔水層薄弱帶或構(gòu)造裂隙帶進(jìn)入礦坑，造成突水事故。水文地質(zhì)勘查類型為三類三型，即“以巖溶含水層充水為主的水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦床”。

1.5 供水水源

蒲白煤礦在工業(yè)廣場新井正斷層附近打有深水井二眼，井深505 m，抽取奧灰?guī)r溶水作為礦井的供水水源。經(jīng)取樣分析，其水質(zhì)為 HCO3·SO4－Na·Ca·Mg型，礦化度一般0.774 g/L，細(xì)菌總數(shù) 27個/ml，大腸菌群 2個/L，其水量大、水質(zhì)較好，可滿足該礦生活及工業(yè)用水的需要。

2 工程地質(zhì)條件狀況

2.1 巖(土)體工程地質(zhì)特征及物理力學(xué)性質(zhì)

2.1.1 土體工程地質(zhì)特征及物理力學(xué)性質(zhì)

沖洪積層及坡積物:分布于蒲白河河谷和各沖溝溝底及坡腳地帶，厚度變化大，呈散體結(jié)構(gòu)，孔隙率高，含水率大，承載力低，穩(wěn)定性差。

黃土層:更新統(tǒng)黃土廣布全區(qū)，結(jié)構(gòu)疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，多不具濕陷性，承載力老黃土優(yōu)于新黃土。沖溝邊緣雨季受流水沖蝕，常有小型滑坡、崩塌現(xiàn)象發(fā)生。

2.1.2 巖石工程地質(zhì)特征及物理力學(xué)性質(zhì)

本區(qū)巖石包括正常巖石、風(fēng)化巖石和構(gòu)造破碎帶巖石三類。依據(jù)以往資料及鄰區(qū)礦井資料。

(1)正常巖石

分堅硬巖、中硬巖和軟弱巖三類。

堅硬巖、中硬巖巖體結(jié)構(gòu)為塊狀結(jié)構(gòu)，巖體完整性及穩(wěn)定性好。

軟弱巖主要為粉砂巖、泥巖、煤層及互層巖組。易受地下水軟化;穩(wěn)定性較差。

(2)風(fēng)化巖石

主要為上石盒子組上部地層，結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)性能低，抗壓強度小，屬軟弱巖。

(3)構(gòu)造破碎帶巖石

主要位于各大型斷裂兩側(cè)，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，地下水對其穩(wěn)定性影響較大，易使井巷圍巖失穩(wěn)破壞或造成工作面采空區(qū)頂板大面積切頂垮落。

2.2 煤層結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)

5號煤層為蒲白煤礦的主采煤層，厚度0.16～5.87 m，平均3.23 m。含矸 0～6層，一般 2層，一般厚度 0.10～0.35 m，多為高嶺石炭質(zhì)泥巖。

受構(gòu)造影響，本區(qū)煤體結(jié)構(gòu)以碎裂—碎粒煤為主，煤層硬度3～4級，煤層破壞比較嚴(yán)重的區(qū)域，煤體大多為粉末狀，開采時易發(fā)生片幫現(xiàn)象，采下的煤遇水后易形成煤泥堵塞溜煤眼。

2.3 煤層頂?shù)装鍘r石穩(wěn)定性評價

5號煤層直接頂板按巖性特征分為二類。一類為泥巖、砂質(zhì)泥巖組成的頂板，分布面積廣泛，一般厚度3～5 m，巖體破碎，穩(wěn)定性差，常常誘發(fā)冒頂事故，是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要地質(zhì)因素之一。另一類為中、細(xì)粒砂巖組成的頂板，一般3～8m，較堅硬，穩(wěn)定性好，易于管理。

5號煤層直接底板基本以K3石英砂巖為主，局部為深灰色泥巖。一般厚度1～4 m，硬度大，具有較強的支撐力，屬Ⅴ類堅硬底板。間接地板為泥巖，質(zhì)地松軟，支撐力弱，支柱有可能出現(xiàn)鉆底現(xiàn)象，但無底鼓現(xiàn)象。

2.4 工程地質(zhì)勘探類型

開采礦體為埋深200～300 m的層狀煤層，頂、底板為層狀碎屑巖，多屬半堅硬的—軟弱的層狀巖類。由于本區(qū)大中型斷裂構(gòu)造較多，特別是小斷層極其發(fā)育，使煤層的連續(xù)性和完整性變差，工程地質(zhì)勘探類型應(yīng)劃分為層狀巖類工程地質(zhì)條件中等型礦床。

3 環(huán)境地質(zhì)條件狀況

3.1 自然因素形成的環(huán)境地質(zhì)問題

3.1.1 地震

據(jù)有關(guān)資料，本區(qū)為地震烈度Ⅶ度區(qū);通過對郭家圍正斷層的觀測研究發(fā)現(xiàn)，郭家圍斷層不但兩側(cè)基巖被錯開數(shù)百米，而且切割了新生代洪積扇裙及馬蘭黃土等第四系沉積，說明其斷裂活動仍在繼續(xù)。

3.1.2 水資源現(xiàn)狀

區(qū)內(nèi)的地表水資源主要為蒲白河，河流量隨季節(jié)變化較大，洪峰期水體含砂量大，河水渾濁;枯水期河水澄清，水質(zhì)較好，僅細(xì)菌超標(biāo)，是良好的工農(nóng)業(yè)用水，經(jīng)處理后也可作為飲用水。

地下水主要有煤系及其上覆含水層及奧灰?guī)r溶裂隙水。煤系及其上覆含水層由于遭受采礦破壞及導(dǎo)水?dāng)鄬拥南滦棺饔?，含水微弱?/p>

奧灰?guī)r溶裂隙水水量大、水質(zhì)較好，為礦區(qū)供水水源。

3.1.3 煤礦開采對環(huán)境的影響和治理情況

(1)煤礦開采對環(huán)境的影響

煤層開采后造成地面下沉、地裂縫和塌陷及污水排放、渣石的不合理堆放等。

(2)治理措施

在采空地段應(yīng)采用不同的充填方式(帶狀充填、水砂充填等)，及時了解采空位區(qū)地表變形情況，根據(jù)變形程度進(jìn)行修復(fù)，及時填埋地裂縫，安置危險區(qū)內(nèi)的居民。

矸石應(yīng)在溝谷排棄，并在底部設(shè)置粘土墊層。待矸石填到一定程度時，及時覆土壓實，造田復(fù)墾，植樹種草，綠化環(huán)境。

4 結(jié)語

綜上所述。含煤地層及上覆巖石富水性弱，水量小，可以疏干或用于井下除塵;開采煤層位于370 m標(biāo)高以上，采煤不受奧灰水影響，水文地質(zhì)條件簡單;本礦為低瓦斯礦井，地溫正常，煤層不易自燃，但煤塵具爆炸性危險。主采5號煤層頂板巖性大部分為粉砂巖及泥巖類(直接頂)，單軸抗壓強度13.0 Mpa，受斷裂構(gòu)造影響，井巷圍巖結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，該礦屬開采技術(shù)條件中等的礦床(Ⅱ－2)，所以后續(xù)開采應(yīng)以防范工程地質(zhì)問題為主。

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［2］李東英.西北地區(qū)工礦資源開發(fā)的用水對策［M］.北京:科學(xué)出版社.2004:46－64.

［3］蔣澤泉.淺埋煤層開采的礦井突水與治理［J］.陜西煤炭.2006，25(3):35－36.

［4］渭北石炭二疊紀(jì)煤田蒲白礦區(qū)白水煤礦井田精查報告［R］.榆林:陜西省煤田地質(zhì)局一八五隊.1965.

P641.4+61

B

1004－1184(2012)04－0168－02

2012－04－19

呂云(1965－)，女，安徽界首人，工程師，主要從事水文工程地質(zhì)工作。