巖溶充水煤礦床帶水壓開采優(yōu)勢(shì)分析

卿國(guó)屏，何紅生，唐憶晨，張江柳

(1.湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南 長(zhǎng)沙410014；2.湖南煤業(yè)集團(tuán)辰溪礦業(yè)有限公司，湖南 辰溪419500)

湖南、貴州、廣西等地廣泛分布巖溶充水煤礦床。眾所周知，巖溶充水煤礦床一般采取強(qiáng)排疏干開采，往往引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問題，如巖溶地面塌陷、地下水資源枯竭等，造成農(nóng)田損毀、建構(gòu)筑物破壞、地表水倒灌、井泉干枯等。嚴(yán)重地破壞了地質(zhì)環(huán)境，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失及惡劣的社會(huì)影響，且礦井涌水量大，排水成本極高。例如湖南煤炭壩煤礦開采造成地下水降落漏斗影響范圍在300km2以上，引發(fā)了大范圍的巖溶地面塌陷，對(duì)環(huán)境造成極大的破壞，排水量達(dá)13000m3/h，2012年的排水費(fèi)達(dá)2.4億元。

大坪煤礦為巖溶充水煤礦床。前期采用強(qiáng)排疏干采煤，也引發(fā)了類似的環(huán)境問題；后期采取建水閘墻堵水的措施，采用帶水壓開采方式開采，取得了良好的效果，符合資源節(jié)約型、環(huán)境友好型礦山建設(shè)要求。下面以湖南煤業(yè)集團(tuán)辰溪礦業(yè)有限公司大坪煤礦巖溶充水礦床帶水壓開采為例，在實(shí)地廣泛調(diào)查、收集了大量技術(shù)資料的基礎(chǔ)上綜合分析帶水壓開采的優(yōu)勢(shì)。

1 大坪煤礦概況

1.1 開采概況

大坪煤礦始建于1968年1月，1971年12月投產(chǎn)，為地下開采；設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10萬(wàn)t/a，2007年核定生產(chǎn)規(guī)模6萬(wàn)t/a，礦區(qū)面積6.3539km2，準(zhǔn)采下限為-400m。礦山開采二疊系吳家坪組8煤層，煤層厚0～2.50m，平均厚0.82m。該礦屬頂、底板巖溶充水礦井。礦井劃分五個(gè)水平開拓，依次為±0m、 -75m、 -150m、-280m、-400m水平。目前最低開拓到-400m水平。主要巷道均布置在茅口組灰?guī)r中。采用短壁式開采方式及全部陷落法管理頂板。

1.2 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

1.2.1 直接充水含水層特征

大坪煤礦位于大坪井田內(nèi)，水文地質(zhì)單元為傾向北西的單斜蓄水構(gòu)造。區(qū)內(nèi)地表水主要有雙溪河及大坪溪。吳家坪組與茅口組灰?guī)r巖溶含水層分別為開采煤層頂、底板直接充水含水層。

吳家坪組巖性為厚層狀灰?guī)r，一般厚83m，為8煤層直接頂板。地表巖溶發(fā)育，多形成巖溶漏斗、洼地等；出露的泉流量0.10～54.10 L/s。本礦區(qū)24個(gè)鉆孔揭露了吳家坪組灰?guī)r，有3個(gè)鉆孔遇見溶洞3個(gè)，鉆孔溶洞能見率12.5%，溶洞總高為15.8m，溶洞發(fā)育標(biāo)高+161.22～+173.46m。1個(gè)鉆孔遇裂隙，最低發(fā)育標(biāo)高+96.37m。地下水位標(biāo)高為+175.0～+195.50m；經(jīng)鉆孔抽水試驗(yàn)，單位涌水量為0.158L/s· m。該含水層為富水性強(qiáng)的承壓含水層。

茅口組巖性為厚層狀石灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r，位于煤系地層下部。地表出露的泉流量0.30～100 L/s。全區(qū)24個(gè)鉆孔揭露了茅口組灰?guī)r，有5個(gè)鉆孔遇見溶洞11個(gè)，鉆孔溶洞能見率20.8%，溶洞總高14.92m，溶洞發(fā)育標(biāo)高+6.84～+175.85m。1個(gè)鉆孔遇裂隙，最低發(fā)育標(biāo)高+96.37m。8煤層與茅口灰?guī)r中間雖隔有0～2.77m厚的鋁土巖，但一般不具普遍隔水作用。地下水位標(biāo)高為+176.65～+197.59m；經(jīng)6-3孔放水試驗(yàn)，單位涌水量為0.252L/s·m，滲透系數(shù)為0.209m/d。該含水層為富水性強(qiáng)的巖溶裂隙承壓含水層。

1.2.2 斷層的富水性、導(dǎo)水性

區(qū)內(nèi)斷層較發(fā)育，其中富水性、導(dǎo)水性強(qiáng)的斷層有F3、F4、F5、F8，簡(jiǎn)述如下文所示。

F3斷層：據(jù)該斷層附近的7-4孔放水試驗(yàn)結(jié)果，單位涌水量為0.158l/s·m，滲透系數(shù)0.108m/d。1972年8月26日，大坪煤礦開采+107m中段時(shí)發(fā)生礦井突水，8小時(shí)后地面井水干枯；突水64小時(shí)后，地面產(chǎn)生塌陷8處，影響范圍1km2。F3斷層位于突井下水點(diǎn)與地面干枯井、塌陷區(qū)之間，說(shuō)明F3斷層的富水性、導(dǎo)水性強(qiáng)。

F4斷層：據(jù)該斷層附近的6-3孔放水試驗(yàn)，單位涌水量為0.25l/s·m，滲透系數(shù)0.209m/d。表明該斷層的富水性、導(dǎo)水性強(qiáng)。

F5斷層：1988年8月21日，大坪煤礦南翼+100m平巷發(fā)生突水，瞬時(shí)突水量5150m3/h，淹沒了礦井，造成大坪溪溪水下灌而斷流，地面形成18個(gè)塌陷群，最大的塌陷群位于F5斷層附近，面積9000m2，表明斷層含、導(dǎo)水性強(qiáng)。

F8斷層：1988年8月21日，大坪煤礦于南翼+100m平巷突水，造成F8斷層兩盤地面發(fā)生大面積塌陷。說(shuō)明F8斷層含、導(dǎo)水性強(qiáng)。

綜上所述，大坪煤礦可采煤層頂、底板直接充水含水層分別為吳家坪組、茅口組強(qiáng)巖溶裂隙含水層，礦區(qū)內(nèi)斷層的富水性、導(dǎo)水性強(qiáng)，對(duì)礦井充水影響大，本礦水文地質(zhì)條件為復(fù)雜類型。

1.3 煤層頂、底板工程地質(zhì)特征

1)煤層頂板：8煤層偽頂為碳質(zhì)泥巖，厚0～0.20m，回采時(shí)和煤一起脫落，不用專門放頂。直接頂為吳家坪組灰?guī)r，抗壓性能強(qiáng)，層面平整，起伏不大，巖層穩(wěn)定，生產(chǎn)中大部分可不用支護(hù)。屬Ⅱ～Ⅲ級(jí)頂板。

2)煤層底板：8煤層直接底板為一層灰～灰綠色鋁土巖或鋁土質(zhì)泥巖，硬度小，略具可塑性，厚0～2.77m，一般為1.50m。間接底板為茅口組灰?guī)r，屬堅(jiān)硬巖層。

2 大坪煤礦帶水壓開采方式

2.1 礦井突水概況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，大坪煤礦自建礦40多年以來(lái)，井下開拓區(qū)共遇見56個(gè)突水點(diǎn)與淋水點(diǎn)，其中突水點(diǎn)29個(gè)，淋水點(diǎn)27個(gè)。涌水量大于100m3/h的突水點(diǎn)主要分布在±0m標(biāo)高以上，個(gè)別在±0m ～-150m標(biāo)高之間，-150m標(biāo)高以下突水點(diǎn)涌水量在2～60m3/h范圍內(nèi)，涌水量較小。突水量最大的一次發(fā)生在1988年8月21日+100m平巷突水，突水流量5150m3/h，淹沒了礦井，死亡2人；造成大坪溪溪水下灌而斷流，地面形成18個(gè)塌陷群，最大的塌陷群面積9000m2。井下淋水點(diǎn)主要分布在-300m標(biāo)高以下(詳見圖1)。

圖1 大坪煤礦井下突水點(diǎn)及水閘墻分布示意圖

2.2 帶水壓開采方式

大坪煤礦40多年的開采歷史，也是礦山企業(yè)不斷同礦井水害作斗爭(zhēng)的歷史。針對(duì)礦井突水問題，礦山采取了砌筑水閘墻、注漿堵水措施實(shí)施井下堵水防治工程，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，杜絕了礦井透水的安全事故。

礦山在井下修建水閘墻，在水閘墻出水管安裝了水壓表，定期對(duì)水壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，控制礦井的排水量。1985年11月首座水閘墻在該礦井問世，至今已建成42座(詳見圖1)。按分布標(biāo)高統(tǒng)計(jì)，±0m以上18座，±0～-150m段12座，-150～-300m段9座，-300m以下3座。由此可見，水閘墻主要分布在-150m水平以上。按建設(shè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)，1985～2002年底共建設(shè)了16座，2003年年內(nèi)建設(shè)了15座，2003～2013年建設(shè)了11座，2003年為全面集中治水年。通過水閘墻防治水工程的建設(shè)，礦井涌水量明顯減少，礦井年平均涌水量由2002年的1413m3/h減少至2004年的407m3/h(詳見表1)。地下水位得以全面恢復(fù)，如F3斷層下盤北翼2003年6月封堵后，地下水位恢復(fù)到+160m標(biāo)高，局部呈現(xiàn)地下水補(bǔ)給地表水的狀態(tài)。

3 大坪煤礦帶水壓開采優(yōu)勢(shì)分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

大坪煤礦2003年為集中治水年，全面實(shí)現(xiàn)了帶水壓開采。因此，以2002年作為基準(zhǔn)年進(jìn)行經(jīng)濟(jì)估算分析。據(jù)調(diào)查，礦山從2003～2013年共建水閘墻26座，每座水閘墻建設(shè)費(fèi)約3萬(wàn)元，花費(fèi)資金共78萬(wàn)元。與2002年比較，2003～2012年底小時(shí)排水量減少了701～1178m3，10年間共減少排水量88230720m3，共節(jié)約用電量6700萬(wàn)kWh，按平均0.72元/kWh計(jì)算，共節(jié)約排水費(fèi)4824萬(wàn)元，扣除水閘墻建設(shè)費(fèi)，礦山增效4746萬(wàn)元。礦山尚存可采資源儲(chǔ)量約70萬(wàn)t，可開采9年，按此標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，可節(jié)約排水費(fèi)4275萬(wàn)元。2003年后至礦井閉坑可為礦山共計(jì)增效9021萬(wàn)元。因此，帶水壓開采為礦山企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 大坪煤礦歷年年平均涌水量統(tǒng)計(jì)

3.2 環(huán)境效益分析

大坪煤礦前期強(qiáng)排疏干開采引發(fā)最突出的環(huán)境地質(zhì)問題為巖溶地面塌陷及區(qū)域性地下水位下降。據(jù)統(tǒng)計(jì)，礦山建礦40多年以來(lái)，累計(jì)發(fā)生巖溶塌陷約85個(gè)，塌陷分布范圍達(dá)1.93km2，共毀壞民房51棟，影響300多人的人生命財(cái)產(chǎn)安全，破壞了57畝稻田，并造成了大坪溪斷流。巖溶地面塌陷主要集中發(fā)生在1973年、1988年、1993年，塌陷數(shù)量分別為9處、18處、9處，共計(jì)34處，占總數(shù)的40%。前期強(qiáng)排疏干開采引區(qū)域性地下水位下降，造成了井泉干枯，導(dǎo)致1700人飲水因難。

2003年全面實(shí)行帶水壓開采以來(lái)，地下水位得以區(qū)域性恢復(fù)。至今未引發(fā)或加劇過巖溶地面塌陷；井泉水位明顯上升，絕大部分居民飲用井泉水得到保障。因此，帶水壓開采所產(chǎn)生的環(huán)境效益十分明顯。

3.3 社會(huì)效益分析

大坪煤礦前期強(qiáng)排疏干開采引發(fā)的地下水位資源枯竭、巖溶地面塌陷等環(huán)境地質(zhì)問題往往影響礦區(qū)居民的生產(chǎn)生活用水，威脅其生命財(cái)產(chǎn)安全；造成工農(nóng)關(guān)系矛盾，干群關(guān)系緊張，影響社會(huì)穩(wěn)定等一系列的社會(huì)問題。而帶水壓開采能控制地下水位降幅，防止井泉干枯與巖溶地面塌陷，能最大限度地保護(hù)地質(zhì)環(huán)境，達(dá)到資源開發(fā)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展；進(jìn)而確保礦區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，使礦區(qū)居民安居樂業(yè)，保持社會(huì)的穩(wěn)定。因此，帶水壓開采產(chǎn)生的社會(huì)效益也是不可低估的。

綜上所述，帶水壓開采給大坪煤礦帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益及明顯的環(huán)境效益與社會(huì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

大坪煤礦為頂、底板巖溶充水的水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井，該礦從強(qiáng)排疏干開采到成功實(shí)現(xiàn)帶水壓開采，不僅是礦山企業(yè)礦區(qū)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，更是從認(rèn)識(shí)巖溶發(fā)育規(guī)律到利用巖溶發(fā)育規(guī)律成功治水的提升。打破了巖溶充水礦床傳統(tǒng)的強(qiáng)排疏干開采的舊思維，開創(chuàng)了帶水壓開采的新局面。

巖溶含水層具有不均一性，只有巖溶發(fā)育地段才有含、導(dǎo)水空間；不發(fā)育地段，其本身就是一個(gè)隔水層(體)。大坪煤礦就是利用巖溶發(fā)育的不均一性規(guī)律，成功實(shí)現(xiàn)了頂?shù)装鍘r溶充水礦床的帶水壓開采，創(chuàng)造了巨大的的經(jīng)濟(jì)效益及明顯的環(huán)境效益與社會(huì)效益，其優(yōu)勢(shì)顯而易見。這對(duì)巖溶充水煤礦床資源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)起到十分重要的示范作用。

湖南湘中、湘西北，廣西桂中、貴州黔西等地廣泛分布巖溶充水煤礦床。就湖南而言，巖溶充水煤礦床主要分布在漣邵煤田、韶山煤田、黔涂煤田及桑石煤田，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2009年底，保有資源儲(chǔ)量約3.5億t，約占湖南省保有資源儲(chǔ)量的11%。如何科學(xué)、安全、環(huán)保地開發(fā)這類煤礦資源，可以借鑒大坪煤礦帶水壓開采的成功經(jīng)驗(yàn)，將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益與社會(huì)效益。

[1] 湖南省煤田地質(zhì)勘探指揮部第五勘探隊(duì).湖南省辰溪縣大坪井田地質(zhì)最終勘探報(bào)告[R].1972.

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[4] 湖南省懷化地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計(jì)院.湖南省辰溪縣城郊鄉(xiāng)大坪村地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與評(píng)估報(bào)告[R].2005.

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[7] 湖南省煤田地質(zhì)局.湖南省煤炭資源潛力評(píng)價(jià)報(bào)告[R].2010.

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