顧橋煤礦礦井水危害及防治

王高輝

（安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南232001）

顧橋煤礦位于安徽省淮南市鳳臺(tái)縣境內(nèi)，淮南煤田潘謝礦區(qū)中西部，2003年10月開工建設(shè)，2007年4月28日正式投產(chǎn)，生產(chǎn)能力9.0Mt/a，礦井累計(jì)資源儲(chǔ)量18.2億噸，可采儲(chǔ)量近10億噸，服務(wù)年限76年。

井田所在的地區(qū)屬暖溫帶和亞熱帶過渡氣候帶、半濕潤氣候區(qū)，季節(jié)性明顯，冬冷夏熱，雨量適中，梅雨顯著。該地區(qū)年均氣溫15.1℃，兩級(jí)氣溫分別是41.2℃和-22.8℃；一般春、夏季多東南及東風(fēng)，秋季多東南及東北風(fēng)，冬季多東北及西北風(fēng)，平均風(fēng)速3.18m/s，最大風(fēng)速20m/s；年均降雨926.33mm，最大達(dá)1723.5mm；雪期一般在每年11月上旬至次年3月中旬，最大降雪厚度16cm；土壤的最大凍結(jié)深度為30cm。

1 礦井水文地質(zhì)概況

1.1 礦區(qū)地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造

1.1.1 礦區(qū)地層巖性

淮南煤礦位居廣闊的平原之中，全部被第四系覆蓋，煤田主要含煤地層為石炭二疊紀(jì)含煤煤系，煤系基底為古生代海相沉積的巖系和元古界地層。顧橋井田屬全隱蔽含煤區(qū),鉆探所及地層由下而上依次有下古生界奧陶系（O）、上古生界石炭系（C）和二疊系（P）、中生界三疊系（T1）、新生界第三系（E、N）以及第四系（Q）。

1.1.2 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

本井田位于淮南復(fù)向斜的中部，屬陳橋背斜的東翼與潘集背斜的西部之銜接帶。煤系地層總體構(gòu)造形態(tài)為一走向近南北、傾向東、傾角多為5°～15°的反“S”型單斜，并發(fā)育一系列寬緩褶曲和斷層。根據(jù)褶曲和斷層的發(fā)育特點(diǎn)，可將本井田分為北部寬緩褶曲擠壓區(qū)、中部簡單單斜區(qū)、中南部“X”型共軛剪切區(qū)和南部單斜構(gòu)造區(qū)四部分。

經(jīng)綜合精查地質(zhì)勘探和高分辨率數(shù)字地震補(bǔ)充勘探，全井田共查出小陳莊背斜、胡橋子向斜、后老莊背斜和桂集向斜等次一級(jí)褶曲4個(gè)。共有斷層200條，其中正斷層174條，逆斷層26條，大致可分為近東西向、北西向和北東向3個(gè)斷層組。若按落差大小劃分，分別有大于等于100m的12條，小于100m而大于等于50m的9條，小于50m而大于等于20m的29條，小于20m的150條。

1.2 礦井水文地質(zhì)條件

1.2.1 地下水類型與含水巖（層）組的劃分

根據(jù)地下水賦存條件和含水介質(zhì)特征，礦區(qū)主要有：松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水等3種地下水類型（詳見下表1）。

表1 礦區(qū)地下水類型一覽表

礦區(qū)含水巖（層）組可劃分為：松散巖類孔隙含水層組、碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組和碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組。

本井田松散層厚度224.10～576.00m，按埋藏深度，松散巖類孔隙含水巖組可分為淺層含水層組、中深層含水層組、深層含水層組。

1）淺層含水層組

淺層含水層組，古河道發(fā)育地段，含水砂層顆粒較粗，以細(xì)砂、中細(xì)砂為主，分選性較好，厚度一般大于10m，富水性較好，單井涌水量一般為1000～3000m3/d；古河間地段，含水砂層顆粒較細(xì)，以粉砂為主，厚度一般小于10m，富水性稍差，單井涌水量一般為500～1000m3/d。地下水一般具無壓～半承壓性質(zhì)，水位埋深一般1.5～3m，年變化幅度一般2～3m，水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Na型，溶解性總固體一般小于0.5g/l。

地下水以接受大氣降水與地表水補(bǔ)給為主，其次為農(nóng)業(yè)灌溉入滲和側(cè)向逕流補(bǔ)給。地下水垂直交替強(qiáng)烈，逕流條件較好，地下水自北西流向東南，水力坡度在1/8000～1/10000，動(dòng)態(tài)變化具明顯的季節(jié)性，屬典型的降水入滲～蒸發(fā)型動(dòng)態(tài)類型。以蒸發(fā)排泄為主，其次為人工開采、側(cè)向逕流和越流排泄。

2）中層含水層組

中層含水層組，該含水層組富水性好，單井涌水量1000～3000m3/d；地下水具承壓性質(zhì)，水位埋深一般1.0～2.0m，年變化幅度一般1.5m左右，局部受開采影響，水位變化幅度較大。水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Na型。溶解性總固體一般小于0.5g/l。為礦山生活供水的開采層位。

地下水以接受淺層水的越流補(bǔ)給為主，其次側(cè)向逕流補(bǔ)給。地下水循環(huán)交替條件較差，逕流條件較差，地下水流向總體上與淺層水基本一致，水力坡度在1/10000左右，在地下水開采區(qū)，其流場發(fā)生變化，地下水自四周流向開采井，動(dòng)態(tài)變化季節(jié)性不具明顯。以人工開采、側(cè)向逕流和越流排泄為主要排泄方式。

3）深層含水層組

深層含水層組，巖性以半膠結(jié)的灰綠色、棕黃色細(xì)砂、中細(xì)砂、中粗砂和泥質(zhì)砂礫層為主，富水性好，單井涌水量1000～3000m3/d。地下水具承壓性質(zhì)，水位標(biāo)高為+24.0m左右，高出地面約1.0～5.0m，年變化幅度一般小于1.0m，水質(zhì)類型為Cl-Na型。溶解性總固體一般2.396～2.69g/l。

地下水以接受側(cè)向逕流補(bǔ)給為主，其次為上、下含水層的越流補(bǔ)給。地下水循環(huán)交替條件差，逕流條件差，地下水流向總體上與淺層水基本一致，水力坡度在1/10000左右，在礦區(qū)其流場發(fā)生變化，地下水自四周流向開采巷道，動(dòng)態(tài)變化季節(jié)性不具明顯。以礦坑排水、側(cè)向逕流為主要排泄方式。

1.2.2 各含水層之間水力聯(lián)系

1）淺層孔隙含水層組與中深層含水層組之間，一般有10～20m厚的粘土類隔水層間隔，二者之間除局部地段存在越流補(bǔ)給因素外，一般無直接水力聯(lián)系。

2）中深層含水層組與深層含水層組之間，一般有大于20～30m厚的粘性土隔水層間隔，水力聯(lián)系甚微。下部含水組，儲(chǔ)存量豐富，是礦坑充水主要補(bǔ)給來源，但范圍很小，補(bǔ)給量受基巖滲透性控制，又因其遠(yuǎn)離可采煤層，故對(duì)礦坑充水無直接影響。

碎屑巖類孔隙水主要賦存于砂巖孔隙裂隙之中，因各層砂巖之間有泥質(zhì)巖類隔水層間隔，相互之間在正常情況下，無水力聯(lián)系。但在斷層切割處層間水力均衡又遭破壞時(shí)，有一定的水力聯(lián)系，有可能導(dǎo)致礦坑突水危險(xiǎn)。

由于松散巖類孔隙含水層組的分布與厚度受古地形控制。一般與碎屑巖類孔隙含水巖組水力聯(lián)系甚微；但是局部含水層直接覆蓋于煤系之上的地段，通過煤系地層中的砂巖裂隙發(fā)生直接的水力聯(lián)系。

碳酸鹽巖含水巖組主要由太原組灰?guī)r組成，含水層距1煤底板平均間距16m～20m，正常狀態(tài)下無水力聯(lián)系，第一水平（-600m）的灰?guī)r水頭壓力約6.1MPa，超過1煤底板巖層的抗壓強(qiáng)度時(shí)，會(huì)造成底板斷裂，發(fā)生水力聯(lián)系。因此，當(dāng)開采1煤層時(shí)太原組灰?guī)r巖溶裂隙水，是1煤底板直接充水含水層，尤其是煤層與灰?guī)r“對(duì)口”的斷層破碎帶，就成為灰?guī)r水進(jìn)入礦井的直接通道。

2 礦井水害分析

2.1 礦井涌水因素分析

根據(jù)礦井開采資料分析，主要充水因素有6個(gè)：

（1）松散巖類孔隙水直接充水

新生界松散層孔隙含水層的下段或底部與基巖含水層接觸而產(chǎn)生水力聯(lián)系，為避免采動(dòng)后導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入松散含水層，因此，必須留設(shè)60～80m的防水煤柱，防止松散層水潰入礦井。

（2）碎屑巖類裂隙水直接充水

煤系砂巖裂隙含水層之間一般均有多層較厚的隔水層存在，在正常情況下沒有水力聯(lián)系，但若被斷層切割時(shí)有可能出現(xiàn)突水或涌水，由于煤系砂巖含水層富水性弱，補(bǔ)給源有限為儲(chǔ)存消耗型特征，水量下降快直至疏干，雖然是礦井直接充水水源，但對(duì)煤層開采威脅并不嚴(yán)重。

（3）碳酸鹽巖裂隙巖溶水直接充水

太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層，距1煤層間距16～20m，第一水平-600m的灰?guī)r水水頭壓力約6.1MPa，在失去水力均衡作用條件下，可以通過斷層裂隙帶轉(zhuǎn)化為直接充水含水層，太原組灰?guī)r巖溶含水層雖然是間接充水含水層，但由于它的富水性強(qiáng)、補(bǔ)給豐富，成為礦井水害最大的隱患。

（4）斷層及破碎帶導(dǎo)水

本井田斷層破碎帶多為泥巖和粉、細(xì)砂巖碎塊充填，并呈膠結(jié)狀，正常情況下有相對(duì)隔水作用。但是，若不同層位的含水層受斷層切割而對(duì)口，且斷層帶又未被泥質(zhì)物和巖屑所充填，或受采動(dòng)影響而致斷層活化，破壞了地下水的水力均衡，斷層帶很可能成為地下水突潰的主要途徑。

（5）井下采掘煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程工藝用水

礦井采煤、掘進(jìn)工藝中，為了達(dá)到降塵目的，采煤和掘進(jìn)機(jī)械中裝設(shè)了噴霧或?yàn)⑺祲m環(huán)節(jié)，產(chǎn)生的工藝廢水進(jìn)入礦井水抽排系統(tǒng)，和礦井地質(zhì)涌水是礦井水的主要組成部分。

（6）大氣降水通過地表水系補(bǔ)充地下水

大氣降水進(jìn)入地表水系后，由地表斷層或裂隙，滲透進(jìn)入地下水，采煤過程不同程度破壞了原地質(zhì)巖層結(jié)構(gòu)，使地下水經(jīng)過破壞的地層進(jìn)入采煤工作面或掘進(jìn)巷道，匯入礦井地質(zhì)涌水系統(tǒng)，該部分水也成為礦井水的重要來源之一。

2.2 礦井涌水量、排水水質(zhì)情況分析

礦于2007年正式投產(chǎn)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，礦井歷年排水量呈逐年上升趨勢，并于2009年、2012年達(dá)到143.3萬m3、154.143m3峰值，之后總體排水量趨于下降趨勢，生產(chǎn)年份年均涌水量120～130萬m3（礦坑涌水量統(tǒng)計(jì)見表2）。

表2 顧橋礦年度礦坑涌水量表（萬m3）

由于煤礦井下作業(yè)環(huán)境的特殊性，在巖煤巷掘進(jìn)，綜采面開采過程中，產(chǎn)生的大量粉塵和煤塵，這些粉煤塵隨著噴霧灑水降塵系統(tǒng)進(jìn)入礦井巷道排水系統(tǒng)，進(jìn)而混合進(jìn)入礦井地質(zhì)涌水，使礦井水遭到不同程度污染，礦井水懸浮物及濁度變大，酸堿性也發(fā)生了改變。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該礦礦井水懸浮物高，水質(zhì)pH值呈弱堿性（詳見礦井水水質(zhì)情況統(tǒng)計(jì)表3）。

表3 顧橋礦年度礦井涌水水質(zhì)情況統(tǒng)計(jì)表（處理前濃度單位：mg/L，pH無量綱）

2.3 礦井水的危害分析

2.3.1 對(duì)安全生產(chǎn)的影響

煤層開采活動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致斷層活化形成導(dǎo)水通道而溝通松散層含水層與煤系含水層的水力聯(lián)系，煤層開采中如揭露斷層將會(huì)造成井下突水，對(duì)礦井安全生產(chǎn)形成巨大的威脅。突水不僅僅會(huì)破壞井下巷道，礦井水的侵蝕，也會(huì)使作業(yè)面發(fā)生形變，導(dǎo)致巷道煤壁塌落，劇烈的突水事故，會(huì)給嚴(yán)重破壞井下生產(chǎn)秩序，甚至造成傷亡事故。

2.3.2 對(duì)職工健康的影響

礦井水由于受到污染，pH值呈弱堿性，具有輕微的腐蝕性，工人長時(shí)間浸泡其中，將會(huì)對(duì)皮膚造成腐蝕性傷害；礦井水中含有的大量鹽分及懸浮物質(zhì)容易滋生微生物、病原細(xì)菌等，這些對(duì)于作業(yè)環(huán)境中的人體也會(huì)造成不同程度的傷害，嚴(yán)重影響職工健康。

3 礦井水防治措施

礦井水害防治歷作為礦井一通三防三防之一，是顧橋礦安全生產(chǎn)工作的重要組成部分。顧橋井田內(nèi)的較大斷層已基本查明，設(shè)計(jì)中對(duì)已探明的各斷層均設(shè)計(jì)了保護(hù)煤柱，顧橋礦生產(chǎn)中，礦嚴(yán)格按照《煤礦安全規(guī)程》中有關(guān)防治水的規(guī)定，嚴(yán)禁開采設(shè)計(jì)留設(shè)的斷層保護(hù)煤柱，對(duì)井田內(nèi)可能還存在的未探明斷層、陷落柱等構(gòu)造應(yīng)予以充分重視，加強(qiáng)生產(chǎn)過程中的地質(zhì)勘探，嚴(yán)格執(zhí)行“有疑必探、先探后掘”的原則，預(yù)防井下突水。

對(duì)井下作業(yè)面及巷道中的礦井水，目前主要以抽排為主，礦井水在統(tǒng)一排放至井下積水倉之后，通過井下水泵房抽排至地面礦井水處理站，進(jìn)行凈化處理（見圖1）。

圖1 礦井水抽排工段流程

隨著國家資源環(huán)境形勢的嚴(yán)峻發(fā)展，目前對(duì)礦井水的防治不僅僅是停留在危害防治層面，實(shí)施對(duì)礦井水的再利用，變害為利，變廢為寶已成為礦井水害治理的新的政策導(dǎo)向和發(fā)展趨勢。

礦目前部分生產(chǎn)用水利用凈化處理后的礦井水，礦井日常生產(chǎn)過程中，除生活用水和其他用水水質(zhì)有特殊要求的由水源井供給外，其他生產(chǎn)用水、綠化用水等均利用凈化后的礦井水，實(shí)現(xiàn)了水資源合理利用、節(jié)約利用和有效保護(hù)，變害為利，不僅有效治理了水害，節(jié)約了資源，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

（1）顧橋煤礦所在的淮南潘謝礦區(qū)，氣候條件特殊，地質(zhì)水文狀況復(fù)雜，造成礦井水量較大，水害問題比較突出，是威脅礦井安全生產(chǎn)的重要因素之一。

（2）礦井對(duì)水害的防治，主要在技術(shù)上，設(shè)計(jì)預(yù)留斷層保護(hù)煤柱，利用抽排工段，及時(shí)收集抽排礦井地質(zhì)涌水；在管理上，強(qiáng)化地測防治水監(jiān)督監(jiān)測，防止突水事故發(fā)生。

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