韓家洼煤礦煤層防治水評價與措施研究

房小夏

（山煤集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司，山西 太原 030006）

0 引 言

我國煤炭資源賦存豐富，且賦存形式多樣，不同地區(qū)礦井的水文地質(zhì)類型千差萬別[1]。在水文地質(zhì)條件簡單的區(qū)域，煤礦在設(shè)計開拓、準(zhǔn)備以及回采系統(tǒng)布置時比較簡單，不需要著重考慮礦井防治水工作[2]。然而當(dāng)?shù)V井水文地質(zhì)條件復(fù)雜時，在煤礦初步設(shè)計時，必須考慮礦井水災(zāi)的影響，在布置采掘系統(tǒng)以及工作面回采時，必須做好相關(guān)礦井防治水工作，以避免礦井水災(zāi)的發(fā)生，造成煤炭生產(chǎn)企業(yè)的重大財產(chǎn)損失與人員傷亡[3]。所以，合理、科學(xué)的礦井水文地質(zhì)類型劃分與詳實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡V井防治水作業(yè)，是保障煤炭生產(chǎn)企業(yè)安全、高效回采的重要基礎(chǔ)[4]。

本文嚴(yán)格遵照《煤礦防治水規(guī)定》[5]中相關(guān)要求，以韓家洼煤礦22#、25#近距離煤層開采時的水文地質(zhì)類型劃分與防治水措施為實(shí)際工程背景，利用現(xiàn)場調(diào)研的方法對韓家洼煤礦含水層、隔水層以及礦井充水因素進(jìn)行了分析，利用現(xiàn)場實(shí)測與工程類比的方法對礦井涌水量進(jìn)行了計算，從多個角度出發(fā)，判定了韓家洼煤礦22#、25#煤層的礦井水文地質(zhì)類型，并針對韓家洼煤礦的生產(chǎn)實(shí)際提出了行之有效的防治水措施，以期能夠有效避免工作面回采以及巷道掘進(jìn)時發(fā)生突水事故。同時，也為韓家洼后續(xù)煤層開采設(shè)計的礦井水文地質(zhì)類型劃分與防治水作業(yè)提供了理論與實(shí)踐基礎(chǔ)，也為該地區(qū)條件相似的礦井提供了借鑒。

1 礦井概況

表1 22#、25#煤層特征一覽表

韓家洼煤礦位于大同市左云縣。井田面積4.5056km2，生產(chǎn)規(guī)模為90萬t/a。交通運(yùn)輸條件十分方便。井田范圍內(nèi)屬黃土高原平緩丘陵區(qū)，地勢較為平坦，黃土沖溝發(fā)育。區(qū)內(nèi)地形總體上東南高西北低，地貌形態(tài)類型屬低中山區(qū)。本井田內(nèi)22#、25#煤層總體形態(tài)為單斜構(gòu)造。全井田未揭露較大斷層，現(xiàn)主要對近距離22#、25#煤層進(jìn)行回采，22#、25#煤層特征見表1。

2 礦井水文地質(zhì)條件

2.1 地表水體

韓家洼煤礦井田范圍內(nèi)，不存在地表水體，大氣降水均沿著地表溝壑流出，雨季在溝壑中產(chǎn)生洪流，但由于洪流湍急，流速較快難以對地下水進(jìn)行有效補(bǔ)給，井田屬于神頭泉域補(bǔ)給徑流區(qū)。

2.2 主要含水層

1）奧陶系灰?guī)r含水層。根據(jù)巖性劃分下馬家溝組和下統(tǒng)亮甲山組。下馬家溝組灰?guī)r厚度22～60m，巖性為厚層狀灰色石灰?guī)r。亮甲山組灰?guī)r厚度100～128m，巖性主要為灰色厚層狀石灰?guī)r。奧灰水位標(biāo)高在1165～1172.5m之間。

2）太原組含水層。系砂巖裂隙承壓含水層。巖石裂隙不發(fā)育，埋藏深，補(bǔ)給條件差，富水性弱。

3）山西組砂巖含水層。裂隙不發(fā)育，埋藏深，補(bǔ)給條件差，富水性弱，系砂巖裂隙承壓水。

4）下石盒子組砂巖含水層。系砂巖裂隙承壓水，裂隙不發(fā)育，埋藏較深，補(bǔ)給條件差。

5）風(fēng)化殼。不分地層時代。但與地形、巖性有關(guān)，在河谷低洼處埋藏淺，一般40～50m處，與地表水、沖積潛水有水力聯(lián)系，水量較大。

6）第四系沖積層。分布于喬魚河河床，巖性為礫石混砂，含水層厚2.5m，靜止水位標(biāo)高1444m，最大出水量604.8m3/d。

2.3 主要隔水層

1）本溪組主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖和鋁土泥巖組成，厚度平均35m左右，巖性細(xì)膩致密，具有良好的隔水作用，為井田主要隔水層。

2）太原組及山西組中相間于各砂巖含水層之間的泥巖，砂質(zhì)泥巖厚度平均26m左右，一般為相對隔水層，可起到良好的層間相對隔水作用。但近地表處，因風(fēng)化作用影響，裂隙發(fā)育，其隔水性能較差。

3 礦井充水條件分析

3.1 大氣降水

大氣降水通過不同成因的基巖裂隙及松散堆積物孔隙在裂隙溝通的情況下進(jìn)入礦井，成為礦井充水的間接但重要的補(bǔ)充來源。

3.2 地表水的滲入

該礦屬低山丘陵區(qū)，大部分地區(qū)為黃土覆蓋，無地表水體。地表經(jīng)流主要來原于時間短暫的雨季山洪暴發(fā)，雨后排泄很快，入滲量小。洪峰流量380m3/s，對礦井影響小。

3.3 地下水

1）第四系松散巖類孔隙潛水。礦區(qū)內(nèi)第四系松散巖類孔隙潛水含水層總體埋藏較淺，主要由砂質(zhì)粘土、砂土、粉砂組成，其富水性取決于砂礫大小及厚度，富水程度差異較大，涌水量的大小受大氣降水的補(bǔ)給明顯，屬中等-弱含水層。

2）二疊系砂巖含水層組。裂隙不發(fā)育，埋藏深，補(bǔ)給條件差，富水性弱，系砂巖裂隙承壓水。

3）石炭系太原組。主要為砂巖、灰?guī)r層間裂隙、巖溶裂隙含水層系砂巖裂隙承壓含水層。巖石膠結(jié)致密，裂隙不發(fā)育，埋藏深，補(bǔ)給條件差，富水性弱，為開采煤層直接充水含水層，對煤礦開采造成一定影響。

4 礦井涌水量變化規(guī)律

4.1 礦井涌水量變化工程類比

韓家洼煤礦位于我國的較為干旱的區(qū)域，年降雨量較少，加之韓家洼煤礦屬于整合礦井，在原有小礦以及小煤窯多年開采后，已經(jīng)將地下水排出，故可以認(rèn)為礦井井下涌水量在不斷減少，這就說明在該區(qū)域內(nèi)礦井涌水量的大小與降雨量是明顯呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系的。據(jù)原韓家洼煤礦2008年統(tǒng)計可知，在大氣降水較少的時期，礦井涌水量為400m3/d，在大氣降水較多的時期，礦井涌水量為600m3/d，則可知，在平水期期間，礦井涌水量為500m3/d。整合前原韓家洼煤礦，30萬噸/年，礦井的正常涌水量為500m3/d，最大涌水量為600m3/d。

頂板淋水是原韓家洼煤礦的主要涌水方式，經(jīng)測驗(yàn)，淋出水為停滯型水。

4.2 礦井涌水量預(yù)算

礦井涌水量的預(yù)算應(yīng)當(dāng)成分利用工程類比法，即含水系數(shù)法，見式（1）。

式中：Q為預(yù)計礦井涌水量（m3/d）；Q為區(qū)域含水系數(shù)（m3/d·t）；F 為礦井日產(chǎn)量（t）。

通過原韓家洼煤礦2008年井下涌水量，確定該礦井含水系數(shù)：

2008年10月30萬 t/a，相應(yīng)的礦井涌水量Q1=500m3/d，則涌含水系數(shù)為q1=500/30=16.66m（3a/萬 t·d）。

重組后，礦井生產(chǎn)能力提高到90萬t/a，

則可預(yù)計正常涌水量為1500m3/d，最大涌水量為豐水期期間，達(dá)到了1800m3/d。

但從近幾年的采掘情況分析看，礦井采掘期間的總涌水量在17～19m3/h之間，基本不影響正常的掘進(jìn)和回采。

5 礦井充水條件分析

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中的礦井水文地質(zhì)類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合韓家洼煤礦22#、25#煤層的具體地質(zhì)條件與生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行評價，礦井水文地質(zhì)類型劃分采用就高不就低的原則，將22#、25#煤層的礦井水文地質(zhì)類型為中等類型，見表2。

表2 22#、25#煤層水文地質(zhì)類型劃分表

6 防治水工作建議

1）加大雨季及后期防排水工作。井田大面積出露二疊系上、下石盒子組地層，接受大氣降水和地表水補(bǔ)給，地下水易于集聚。因此，在雨季之前要對全礦井的防排水設(shè)施進(jìn)行嚴(yán)密的排查，對隱患處及時進(jìn)行處理，保障礦井排水系統(tǒng)的通暢，確保排水系統(tǒng)能夠滿足礦井生產(chǎn)需求。在雨季及后續(xù)的幾個月是礦井防治水的重要時期，特別要注意井田內(nèi)河流的防洪。

2）加強(qiáng)對老窯采空區(qū)積水的探放工作。煤礦及周邊礦井采（古）空區(qū)面積較大。今后應(yīng)及時收集相鄰礦井采掘資料及老窯采空區(qū)積水資料，積極開展22#煤層采空積水區(qū)的鉆探驗(yàn)證工作，進(jìn)一步圈定積水范圍，核實(shí)積水量；嚴(yán)格封堵（填）廢棄井巷；對探明的采空區(qū)積水，在井田巷道掘進(jìn)或工作面回采時應(yīng)引起高度注意，加強(qiáng)水情觀測工作。根據(jù)查明的實(shí)際情況采用探放水或留設(shè)保護(hù)煤（巖）柱等具體防治水措施。

3）做好下組煤層頂板的輸放水工作。太原組K2砂巖是22#、25#煤層的直接充水含水層，由于補(bǔ)給條件較差的原因富水性弱，太原組含水層和上組煤層采空區(qū)積水極易通過垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶等通道滲入下組煤層回采工作面，對下組煤的開采構(gòu)成一定的威脅。因此，必須做好22#、25#煤層頂板的放水工作。同時對22#、25#煤層時應(yīng)采用合理的開采方法，按有關(guān)規(guī)定控制煤層的開采高度，加強(qiáng)煤層頂板的支護(hù)管理。

4）完善井下排水系統(tǒng)。礦井下布設(shè)有較完善的排水系統(tǒng)，主要巷道或工作面淋水由區(qū)域排水管道、水倉、水泵集中于中央水倉，然后由中央水倉水泵至副斜井排水管路排出井外。同時，應(yīng)當(dāng)對礦井排水系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)常性的維護(hù)，保障礦井排水系統(tǒng)的高效、可靠運(yùn)行，并保證一定的富裕量，防止突發(fā)事件的發(fā)生。

5）制定礦井防治水預(yù)案。為有效預(yù)防礦井發(fā)生突水事故，必須制定一些行之有效的防治水預(yù)案，以降低礦井突水事故所帶來的財產(chǎn)損失與人員傷亡。防治水預(yù)案必須包括：水情預(yù)探測組織與管理、礦井涌水量與排水系統(tǒng)的管理與監(jiān)測以及發(fā)生突水事故后的緊急避災(zāi)路線與處置措施，對礦井防治水工作應(yīng)做到事前有預(yù)報、事中有方法，事后有措施。派遣專業(yè)人員規(guī)范工人操作避免悲劇發(fā)生。

6）對構(gòu)造進(jìn)行超前探測。從井下工作面的采掘情況看，井田內(nèi)斷層比較發(fā)育，所以，在今后的采掘過程中，要在地面和井下對斷層及其它構(gòu)造進(jìn)行超前探測，一方面通過對構(gòu)造的準(zhǔn)確預(yù)報和判定，可以進(jìn)行采掘工作面的優(yōu)化和安全技術(shù)措施的制定，保證采掘工作面能夠安全、順利施工，另一方面可以預(yù)測斷層的含水、導(dǎo)水性，并且盡可能提高煤炭資源的回收利用率。

通過以上構(gòu)造探測和防治水措施制定，可有效化解災(zāi)害性透水事故的發(fā)生。但要真正搞好防治水工作，必須從思想上重視、制度上完善，真正認(rèn)識到水害的危險性，組建強(qiáng)有力的防治水隊伍，加大防治水費(fèi)用的投入，堅持“預(yù)測預(yù)報，有掘必探，先探后掘，先治后采”防治水原則，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，完善防治水措施，以達(dá)到安全生產(chǎn)之目的。

7 結(jié)論

本文結(jié)合《煤礦防治水規(guī)定》中相關(guān)要求，在對韓家洼煤礦22#、25#近距離煤層的水文地質(zhì)烈性劃分與防治水措施進(jìn)行了研究，利用現(xiàn)場調(diào)研的方法，對韓家洼煤礦的含水層、隔水層與充水條件進(jìn)行里面理論分析，利用工程類比的方法對礦井涌水量進(jìn)行了預(yù)測，并結(jié)合礦井生產(chǎn)實(shí)際過程中的涌水量觀測，確定韓家洼煤礦礦22#、25#的水文地質(zhì)條件為中等。同時，針對該礦的具體情況，制定了相應(yīng)的防治水對策，有效避免了礦井突發(fā)水災(zāi)的可能性。同時，也為韓家洼后續(xù)煤層開采設(shè)計的礦井水文地質(zhì)類型劃分與防治水作業(yè)提供了理論與實(shí)踐基礎(chǔ)，也為該地區(qū)條件相似的礦井提供了借鑒。