同忻煤礦水害防治技術(shù)

鮑永生

(同煤國(guó)電同忻煤礦有限公司，山西大同037001)

同忻煤礦設(shè)計(jì)產(chǎn)量10Mt/a，是同煤集團(tuán)年產(chǎn)千萬(wàn)噸級(jí)的大型礦井。井田位于大同煤田北東部，屬大同向斜的東翼，口泉斷裂帶北部，天山—陰山緯向構(gòu)造帶南側(cè)?；緲?gòu)造形態(tài)為一走向N10～50°E，傾向北西，東高西低的單斜構(gòu)造。地層傾角一般為3～10°，東南及南部靠煤層露頭處地層陡峭，傾角30～80°，局部直立、倒轉(zhuǎn)，向西北方向變?yōu)槠骄彙?/p>

1 水文地質(zhì)

同忻井田位于干旱、半干旱氣候區(qū)，屬于低山丘陵地帶，地形東南邊緣口泉山脈較高，最高標(biāo)高約1550m，最低在口泉溝口河床處，約1100m，相對(duì)高差450m，一般標(biāo)高約1300m。井田內(nèi)基巖出露較廣，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，風(fēng)化殼厚度在河谷低洼處埋藏淺，一般為30～40m，在河谷兩岸埋藏較深，一般為50～110m，其含水性變化較大，一般靠近河床地區(qū)含水性較強(qiáng)。區(qū)內(nèi)灰?guī)r巖溶發(fā)育不均，具有南強(qiáng)北弱特征，但由于井田內(nèi)斷裂少，地表植被稀疏，降雨量少且強(qiáng)度集中，不利于大氣降水的入滲補(bǔ)給，灰?guī)r埋深大，巖溶水交替運(yùn)動(dòng)緩慢，含水性弱。第四系沖擊層，巖性主要為砂礫石，砂質(zhì)黏土及亞黏土，地層厚度各地不一，一般為10m左右，主要分布于井田東南口泉河一帶，含水較豐富。受煤礦開(kāi)采“三帶”影響，沖擊層潛水水位下降明顯，含水性減弱，河水流量減小。大同組以上含水層，由于煤層開(kāi)采遭破壞，地下水通過(guò)地表塌陷裂隙等潛入井下形成采空區(qū)積水，對(duì)下組煤層開(kāi)采造成影響。

2 井田充水水源及充水通道

2.1 礦井充水水源

同忻煤礦主要充水因素有大氣降水、巖溶陷落柱、斷層破裂帶、侏羅系煤層采空區(qū)積水及石炭二疊系山西組、太原組砂巖含水層。

(1)井田東南部煤系地層露頭一帶，風(fēng)化裂隙發(fā)育，可接受少量大氣降水補(bǔ)給。

(2)井田有巖溶陷落柱和斷層破碎帶，若陷落柱及破碎帶巖石膠結(jié)不好，巖溶水在水頭壓力作用下將通過(guò)陷落柱及破碎帶上溢，補(bǔ)給煤系地層。此外，井田內(nèi)有許多以往施工及現(xiàn)已施工完的揭露灰?guī)r鉆孔，如果鉆孔封孔質(zhì)量不佳，也會(huì)形成巖溶地下水進(jìn)入煤系地層通道。

(3)在石炭二疊系地層之上，賦存有侏羅系煤層采空區(qū)積水，隨著煤層開(kāi)采“三帶”的形成影響，將沿導(dǎo)水裂縫帶、斷層及導(dǎo)水陷落柱下滲，補(bǔ)給下煤組地層。

(4)山西組底部砂巖為3～5號(hào)煤層直接充水含水層，太原組8號(hào)煤層頂部砂巖為8號(hào)煤層直接充水含水層，隨著煤層的開(kāi)采而直接流入礦井。

2.2 礦井充水通道分析

礦井主采3～5號(hào)煤層，厚度0～35.31m，平均15m左右，傾角3～10°，屬緩傾斜煤層。在其之上有侏羅系煤層采空區(qū)積水。侏羅系底部可采煤層至3～5號(hào)煤層間距56.85～251.14m，從南到北逐漸變薄，最薄處主要分布在井田東北部，巖性主要為砂礫巖，砂巖及砂質(zhì)泥巖，局部間夾山4號(hào)煤層。巖石抗壓強(qiáng)度20～40MPa，屬中硬覆巖類型。

2.2.1 煤層采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶

由鉆孔資料可知，3～5號(hào)煤層與大同組14號(hào)煤層間距為56.85(2504號(hào)孔)～235.14(502號(hào)孔)m，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中硬覆巖煤層導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式可得各鉆孔3～5煤層的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，并與其上覆頂板間距對(duì)比可知，在井田東北部大范圍及井田中西部和南部小范圍3～5號(hào)煤層與大同組14號(hào)煤層的間距小于3～5號(hào)煤層導(dǎo)水裂縫帶高度。因此，3～5號(hào)煤層導(dǎo)水裂縫帶會(huì)成為上部所有水 (包括永定莊組、山西組砂巖裂隙水、大同組煤層開(kāi)采后形成的采空區(qū)積水)的導(dǎo)水通道。雖然永定莊組、山西組砂巖裂隙水富水性弱，充水強(qiáng)度低，對(duì)礦井生產(chǎn)影響小，但大同組采空區(qū)積水充水強(qiáng)度大，是煤礦安全生產(chǎn)最大的隱患。

根據(jù)鉆孔資料，8號(hào)煤層與3～5號(hào)煤層的間距為8.17～59.05m，8號(hào)煤層厚度為0～13.70m。根據(jù)導(dǎo)水裂縫帶公式計(jì)算，東南部和西北部8號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶將達(dá)到3～5號(hào)煤層底板。因此，在井田的東部3～5號(hào)煤層頂板會(huì)形成頂板漏水區(qū)，即使開(kāi)采3～5號(hào)煤時(shí)大同組采空區(qū)積水全部排放，地表水和大氣降水也會(huì)向永定莊向斜匯集，影響8號(hào)煤層的安全生產(chǎn)。

2.2.2 突水系數(shù)

根據(jù)井田及周邊揭露奧灰鉆孔分析，奧灰含水層巖溶裂隙發(fā)育不均，富水性弱－中等，根據(jù)2009年12月1日由國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局頒發(fā)的《煤礦防治水規(guī)定》附錄四中的突水系數(shù)計(jì)算公式:

式中，T為突水系數(shù)，MPa/m;P為底板隔水層承受的水頭壓力，MPa;M為采厚，m。

由公式 (1)計(jì)算可得，3～5號(hào)煤層突水系數(shù)0.029～0.058MPa/m，8號(hào)煤層突水系數(shù)0.039～0.108 MPa/m。按照突水危險(xiǎn)性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，即正常區(qū)突水系數(shù)大于等于0.1MPa/m的區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū);底板受構(gòu)造破壞段突水系數(shù)大于等于0.06MPa/m區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)。3～5號(hào)煤層正常塊段突水系數(shù)均小于0.1MPa/m，因此，視為安全區(qū);而由于斷層、陷落柱附近巖體破碎，巖石強(qiáng)度低，易成為導(dǎo)水通道，其兩側(cè)可視為危險(xiǎn)區(qū)。8號(hào)煤層在井田的北部1902，2504號(hào)孔附近，正常塊段突水系數(shù)大于0.1MPa/m，視為危險(xiǎn)區(qū)，其他地段為安全區(qū);由于斷層、陷落柱附近巖體破碎，巖石強(qiáng)度低，易成為導(dǎo)水通道，其兩側(cè)可視為危險(xiǎn)區(qū)。

3 防治技術(shù)實(shí)踐

3.1 物探先行

掘進(jìn)巷道施工前，采用電阻率法對(duì)巷道前方、頂?shù)装寮跋飵蛡?cè)的導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)。采用YTD400(A)礦井全方位探測(cè)儀在井下巷道周圍巖層中建立起全空間穩(wěn)定人工電場(chǎng)，測(cè)量電場(chǎng)的變化規(guī)律，求取巖層的視電阻率。結(jié)合全空間電場(chǎng)理論以及解譯處理系統(tǒng)，掌握巷道周圍巖石中的水文地質(zhì)構(gòu)造情況，如圖1所示。

圖1 一盤區(qū)2107巷1576m超前探測(cè)

工作面回采前，先采用瞬變電磁及可控源音頻大地電磁法探測(cè)工作面上覆侏羅系大同組煤層采空區(qū)積水及上覆砂巖層含水情況，分析突水危險(xiǎn)性，查明積水面積及積水量，見(jiàn)圖2、圖3。然后進(jìn)行井下坑透，查明工作面內(nèi)的導(dǎo)水構(gòu)造 (如斷層、陷落柱等隱伏地質(zhì)構(gòu)造)，如圖4所示。

3.2 鉆探驗(yàn)證

對(duì)可掘進(jìn)巷道，以一盤區(qū)回風(fēng)巷為例。一盤區(qū)回風(fēng)巷掘進(jìn)至634m，巷道全斷面為粗砂巖，且頂板有淋水，采用YTD400(A)全方位探測(cè)儀對(duì)巷道前方進(jìn)行了探測(cè) (如圖5)，探測(cè)深80m，揭露兩處低阻區(qū)，分別位于巷道前方0～3m，40～45m，根據(jù)物探結(jié)果，采用長(zhǎng)、短探結(jié)合的探放水技術(shù)方案進(jìn)行驗(yàn)證。長(zhǎng)探使用ZYJ－400/270架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，單循環(huán)施工鉆孔3個(gè)，單孔孔深鉆孔呈半扇形布置，如圖6所示。短探探水鉆機(jī)為ZYJ－750型礦用液壓坑道鉆機(jī)，單孔孔深可達(dá)80m，每組布置鉆孔3個(gè)，超前距30m，幫距8m，孔口距頂板1.5m，鉆孔呈扇形布置，如圖7。鉆孔施工至43m，孔內(nèi)出水，單位涌水量8.3m3/h，累計(jì)排放積水640m3。達(dá)270m，超前距30m，允許掘進(jìn)距離240m，幫距 8.5m，孔口高為距巷道底板1.5m，孔間距0.4m，

圖2 8107工作面上覆11號(hào)層TEM法等視電阻率平面

圖3 8107工作面上覆14號(hào)層TEM法等視電阻率平面

圖4 8107工作面坑透成果

圖5 一盤區(qū)回風(fēng)巷634m超前探測(cè)成果

圖6 長(zhǎng)探施工示意

圖7 短探施工示意

對(duì)于回采工作面，以8100工作面為例，根據(jù)物探成果，8100工作面5100巷900～1020m段上覆J11號(hào)層采空區(qū)有積水1.5×104m3，為此，于地面施工2個(gè)探放水孔，孔徑開(kāi)孔φ133mm，終孔φ89mm，鉆孔施工至J15號(hào)層底板，先進(jìn)行電測(cè)，后用地質(zhì)攝錄儀進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)存有積水，繼續(xù)施工鉆孔至3～5號(hào)層8100工作面5100巷，并進(jìn)行疏放，共計(jì)疏放采空區(qū)積水1.2×104m3。目前，井田范圍共探明采空區(qū)積水1.51×106m3，累計(jì)排放侏羅系煤層采空區(qū)積水1.10×106m3。

3.3 化探跟進(jìn)

收集侏羅系各組煤層采空區(qū)積水水樣、口泉河水樣、上覆砂巖含水層水樣、灰?guī)r巖溶水等水樣，進(jìn)行化驗(yàn)、分析對(duì)比，掌握井田范圍內(nèi)各類水患的水質(zhì)類型、礦化度、硬度、酸度、PH值、離子成分及天然物質(zhì)的化學(xué)指標(biāo)，提高化學(xué)分析手段。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)分析礦井充水條件及突水因素，山西組砂巖含水性弱，奧灰?guī)r溶水含水層富水性弱－中等，且3～5號(hào)煤層突水系數(shù)小于0.1MPa/m，開(kāi)采“三帶”影響，沖擊層及風(fēng)化殼潛水水位下降明顯，富水性弱，井田內(nèi)主要水患為上覆侏羅系煤層采空區(qū)積水。

(2)針對(duì)這一特殊水文地質(zhì)條件，研究制定了物探、鉆探、化探相結(jié)合的水害防治方法。

(3)經(jīng)長(zhǎng)期驗(yàn)證，取得了較好的成效，探明采空區(qū)積水1.51×106m3，截至目前，累計(jì)排放上覆侏羅系煤層采空區(qū)積水1.10×106m3，遏制了礦井水害事故的發(fā)生，提高了煤炭資源利用率。

［1］國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2009.

［2］國(guó)家煤炭局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

［3］吳玉華，張文泉，趙開(kāi)全.礦井水害綜合防治技術(shù)研究［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

［4］山西省大同煤田同忻井田石炭二迭系煤炭勘探 (精查)地質(zhì)報(bào)告［R］.2002.

［5］大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司同煤國(guó)電同忻煤礦有限公司.礦井水文地質(zhì)類型劃分報(bào)告［R］.2002.

［6］狄效斌.同忻井田采空區(qū)積水貯存分布特征及突水預(yù)測(cè)［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007，34(3).