敘永煤礦礦井水害因素分析

鄧 偉，陳傳燕

(四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)地測與防治水研究所，四川成都610500)

0 引言

西南地區(qū)的煤礦，因煤層賦存條件差、埋藏深度大、有著面積廣闊的喀斯特地貌，水文地質(zhì)條件普遍極其復(fù)雜，水害類型繁多，煤礦在水害治理方面，取得的效果不佳。筆者將在煤礦防治水方面的一些分析和個(gè)人見解與之共享，望對礦井水害治理有所幫助。

1 礦區(qū)概況

敘永位于落葉壩背斜北翼，西端與洛窩背斜連接，為單斜構(gòu)造。地層走向自西向東由近東西向逐漸轉(zhuǎn)為北西向，傾角變化較大。以沈家山為最高(1 453.3 m)，后面河最低(標(biāo)高585 m)，相對高差440 m ～868.3 m。屬于中低山地形。

礦山地貌因地層巖性不同，大致可分為兩類:飛仙關(guān)組至龍?zhí)督M地層出露區(qū)，山巒和溝谷相間，渾圓形山丘與鰭背狀的長粱山脊，地形陡峻，為構(gòu)造剝蝕地貌;而嘉陵江組、茅口組、棲霞組的碳酸鹽地層出露區(qū)的山間平壩內(nèi)，溶蝕洼地與溶蝕殘丘、溶洞、漏斗十分發(fā)育，為典型的巖溶地貌景觀。除主背斜外僅井田東端有三條小褶曲，斷層較發(fā)育，井田構(gòu)造屬簡單偏中等。

井田含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)，為海陸交互相含煤沉積。厚92.09 ～108.50 m，平均厚98.11 m。含煤6 ～15層，一般有 9 層，礦山主采 C19、C20、C24煤層。

主要含水層為:二疊系上統(tǒng)長興組(P2c)巖溶弱含水層、二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)、棲霞組(P1q)巖溶含水層，其余為相對隔水層。

礦區(qū)發(fā)育有9 條地表沖溝，個(gè)別有常年流水，其余為季節(jié)性沖溝。

2 充水因素分析

2.1 充水水源

2.1.1 大氣降水

大氣降水是地表水及地下水的主要補(bǔ)給源。降水通過各種成因形成的裂隙進(jìn)入地下補(bǔ)給巖溶裂隙。含水層主要為飛仙關(guān)組一段上亞段巖溶裂隙含水層、長興組灰?guī)r溶蝕裂隙含水層，是煤層頂板的直接充水含水層，茅口組巖溶含水層是煤層底板充水含水層，受大氣降水的滲透補(bǔ)給，使含水層的水量增大。另外，大氣降水還可沿采動(dòng)裂隙或構(gòu)造斷裂發(fā)育的部位，形成新的涌水點(diǎn)，特別是汛期可能造成大量涌水。

2.1.2 地表水

礦區(qū)內(nèi)河流、季節(jié)性沖溝發(fā)育，有水落坡河、肖家河、梯子田溝、上、下桐子溝、杉樹溝、大灣子溝、田塆子溝、懶子溝等多條河流、沖溝。這些沖溝是地表水快速排泄的通道，僅有少量沖溝水通過地表裂隙、補(bǔ)給地下巖溶水、切割煤系地層等間接途徑補(bǔ)給地下水，對礦井充水影響較小。

2.1.3 地下水充水水源

1)頂板充水水源:礦山主采 C19、C20、C24煤層。長興組(P2c)含水層下距C19、煤層平均厚度67.38 m，煤層回采時(shí)采用全部陷落法管理頂板。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(2000 年)中堅(jiān)硬頂板垮落帶高度和導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式:

冒落帶:

導(dǎo)水裂隙帶:

式中:Hm—冒落帶最大高度(m)

Hf—導(dǎo)水裂隙帶(包括冒落帶)最大高度(m)

M—累計(jì)采厚(m)

m—開采煤層層數(shù)

C19煤層單獨(dú)開采時(shí)，冒落帶高度為5.52 ±2.5 m，導(dǎo)水裂隙帶的影響高度為31.25 ±8.9 m。綜合開采 C19、C20、C24煤層時(shí)，冒落帶高度為13. 45 ±2. 5 m，導(dǎo)水裂隙帶影響高度為53.57 ±8.9 m，導(dǎo)水裂隙帶已接近長興組巖溶含水層，故長興組(P2c)含水層水對礦井開采有一定影響。

據(jù)川南、川東等地礦井觀測資料，導(dǎo)水裂隙帶高度一般是煤層采高50 ～100 倍。巖層裂隙發(fā)育、傾角平緩的取100 倍，長興組(P2c)含水層是C19煤層頂板直接的巖溶充水含水層。

2)底板充水水源:茅口組石灰?guī)r上距C24煤層12.13 m，C24煤層下部巖性為淺灰色高嶺石黏土巖，中間夾C25煤層，若不開采C25煤層，茅口組灰?guī)r水在局部潰入礦井的可能性較小。由于受P1m 頂部古侵蝕面和構(gòu)造裂隙的影響，在黏土巖較薄部位失去隔水作用，可直接導(dǎo)水，因此P1m 含水層是底板巖溶充水含水層。

井口建于志留系中統(tǒng)韓家店組上部，穿過棲霞、茅口組灰?guī)r后進(jìn)入含煤巖系。平硐以上的灰?guī)r地下水屬疏干范圍。由于其含水空間分布極不均一，使巖溶水具有宏觀上的統(tǒng)一而局部水力聯(lián)系不好，且水量分布也極不均一。因此，巖溶充水巖層對礦井充水影響的兩個(gè)特點(diǎn):一是位于巖溶發(fā)育強(qiáng)徑流帶上的礦井易發(fā)生突水且突水頻率高，礦井涌水量大;二是礦井充水以突水為主，個(gè)別突水點(diǎn)的水量常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過礦井正常涌水量，極易發(fā)生淹井事故。

據(jù)地面調(diào)查，茅口、棲霞組灰?guī)r垂直裂隙發(fā)育，溶蝕裂隙發(fā)育較深，深部溶蝕裂隙儲(chǔ)積地下水是可能的。礦井運(yùn)輸大巷、回風(fēng)巷等許多巷道直接開拓于底板茅口灰?guī)r當(dāng)中，茅口灰?guī)r等底板水將直接通過巖溶裂隙、陷落柱、暗河、溶洞等通道進(jìn)入礦井巷道，對巷道掘進(jìn)構(gòu)成重大水患威脅。

2.1.4 生產(chǎn)井及老窯充水水源

威鑫煤礦屬于新建礦井尚未正式生產(chǎn)，僅有11902 工作面在進(jìn)行試采，無積水。其它相鄰煤礦雖然形成了大面積采空區(qū)，但本礦在此區(qū)域還未布置井巷工程，因此，對本礦井充水暫無影響。

調(diào)查周邊老窯16 個(gè)，均開采煤層露頭及淺部煤層;以平硐開拓為主，少數(shù)以斜井開拓為主，多采上山煤，開采C19、C20、C24煤層。因老窯開采規(guī)模有限，內(nèi)部采空區(qū)積水量有限。老窯水主要影響本礦井開采淺部煤層。

2.2 充水通道

2.2.1 巖溶通道

井田灰?guī)r裸露地表，各種巖溶特征十分發(fā)育，局部發(fā)育有巖溶陷落柱，可能成為礦井充水的主要途徑，且各個(gè)巖溶管道系統(tǒng)之間存在水力聯(lián)系或聯(lián)系微弱，因此各個(gè)巖溶管道系統(tǒng)的充水特征也完全不同。

礦井主平硐施工曾揭露4 條地下暗河，在雨季強(qiáng)降雨過后，匯集后的水仍有可能進(jìn)入該通道，且具一定壓力，形成涌(突)水事故。

礦區(qū)內(nèi)有巖溶陷落柱發(fā)育，陷落柱的充水受地質(zhì)構(gòu)造、地下水徑流條件、柱體內(nèi)物質(zhì)組成、壓實(shí)和膠結(jié)情況以及承受水壓大小等多種條件與因素的控制和影響，只有處在現(xiàn)代巖溶水強(qiáng)徑流帶和集中排泄帶并隱伏埋藏在地下水水位以下者，才構(gòu)成突水的威脅。若巖溶陷落柱一旦突水，水量大且迅猛，預(yù)測及防治難度極大。

根據(jù)收集地質(zhì)資料，S2101C19 回風(fēng)平巷在向南東掘進(jìn)時(shí)揭穿松軟巖體，推測為陷落柱影響范圍，推測陷落柱影響范圍約為50 000 m2，是礦井充水通道，屬邊緣導(dǎo)水型陷落柱。

2.2.2 構(gòu)造通道

礦區(qū)為單斜地層，斷層為主要構(gòu)造導(dǎo)水通道，勘探資料及沿?cái)鄬影l(fā)育泉水反映部分?jǐn)鄬泳邔?dǎo)水性，因此斷層帶亦成為礦井的充水途徑;其次在礦井范圍內(nèi)發(fā)育的小褶曲也可能成為重要的充水通道，特別是在褶曲的軸部或兩翼轉(zhuǎn)折部位，因?yàn)樵谶@些褶曲的轉(zhuǎn)折部位，由于構(gòu)造應(yīng)力集中，造成地層之間在受力擠壓彎曲過程中出現(xiàn)虛脫現(xiàn)象或產(chǎn)生層間裂隙，形成新的充水通道。另外，斷層的落差作用導(dǎo)致斷層一盤與對盤的含水層(含水體)對接，含水層(含水體)水便直接通過斷層涌入礦井，采掘工作接近斷層時(shí)容易發(fā)生水害事故。

斷層發(fā)育在灰?guī)r中的斷層容易形成充水通道，在延深較大的斷層附近開采或掘進(jìn)時(shí)，可能發(fā)生突水事故，斷層在深部傾角一般有所減緩，大、中型斷層尤其明顯。在留設(shè)防隔水煤柱時(shí)，應(yīng)將煤柱寬度適當(dāng)增大，防止頂、底板灰?guī)r水潰入礦井，發(fā)生突水事故。

2.2.3 人為采動(dòng)形成的裂隙通道

礦區(qū)范圍內(nèi)的二疊系龍?zhí)督M煤層有 C19、C20、C24、C25等多層煤可以開采，C19煤層距離上部長興灰?guī)r約67.38 m，C25距下部茅口灰?guī)r4.87 m，層間距離都比較小，因此，巷道掘進(jìn)和工作面回采后產(chǎn)生的頂、底板破壞裂隙將成為礦井重要的充水途徑之一。

2.2.4 封閉不良的鉆孔

在對本礦區(qū)進(jìn)行詳、普查階段，共施工鉆孔12 個(gè)，鉆孔封閉一般是從井底封至P2c 底部10 m，井口封2.5 m，井立石碑，僅13-12 號孔在P2l/P1m 界面下木塞往上封，木塞以下97.99 m(P1m)井段未封。封閉不良的鉆孔成為另外一個(gè)人為導(dǎo)水通道。礦區(qū)為多煤層開采，地質(zhì)勘探時(shí)間較早，若鉆孔的封閉質(zhì)量差，礦井鉆孔突水留下了隱患。它能溝通多個(gè)含水層，成為含水層間產(chǎn)生水力聯(lián)系的因素，將大量的混合水導(dǎo)入礦坑，對礦井構(gòu)成重大的水災(zāi)隱患。

2.2.5 采空區(qū)

礦區(qū)淺部小煤窯開采活動(dòng)留下的采空區(qū)不僅是地下水的匯集地，也是充水水源，而且很有可能成為其它水源(體)突水的一個(gè)通道，由于采空區(qū)在形成的特殊過程中，使得頂、底板的裂隙十分發(fā)育，溝通其他(如地表水、斷層等)水體后形成聯(lián)合充水通道，因此，應(yīng)該在對礦井充水途徑的考慮中將采空區(qū)考慮在內(nèi)。

3 水患防治方案的選擇

3.1 物探方法

采用物探手段:在地面或井下進(jìn)行瞬變等方法圈定地下水富集區(qū)，井下進(jìn)行礦井物探做到超前預(yù)測預(yù)報(bào)的作用，確定富水區(qū)，有針對性的進(jìn)行治理，為重點(diǎn)部位災(zāi)害治理提高了效率，節(jié)約了大量經(jīng)費(fèi)。

3.2 井下探放水

敘永煤礦礦井主要受底板灰?guī)r水的威脅，在受水害威脅的區(qū)域，進(jìn)行掘進(jìn)前，采用物探、化探和鉆探等方法查清地質(zhì)條件。根據(jù)預(yù)測預(yù)報(bào)的結(jié)果，首先確立積水線、探水線和警界線，編制詳細(xì)的探放水設(shè)計(jì)，制定安全措施。發(fā)現(xiàn)斷層、裂隙和陷落柱充水構(gòu)造的，應(yīng)對采取注漿加固或者留設(shè)煤柱等安全措施。防隔水煤(巖)柱的尺寸應(yīng)當(dāng)請有資質(zhì)的單位進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

礦井應(yīng)以“以排為主、堵水輔”，保證排水溝的暢通及水倉的有效容量;在富水區(qū)附近作業(yè)，應(yīng)按規(guī)定留設(shè)防隔水煤柱;采用物探手段確定地下水富集區(qū)，對廢棄礦、廢棄老窯井口進(jìn)行封堵防止地表水體的涌入。礦井生產(chǎn)活動(dòng)盡量遠(yuǎn)離積水區(qū)，禁止在積水區(qū)附近進(jìn)行爆破活動(dòng);嚴(yán)禁越層、越界開采，在防治水工作方面形成聯(lián)防，避免水患事故的發(fā)生。

［1］劉峰.煤礦防治水綜合技術(shù)手冊［M］. 北京:煤礦科技出版社，2008.

［2］四川省安監(jiān)局.四川省煤礦防治水細(xì)則［S］.［2010］157 號.

［3］武強(qiáng).煤礦防治水規(guī)定釋義［M］. 徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.