燕子山礦三大水害類型及其防治措施

董 娟

（山西大同大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，山西大同 037003）

燕子山礦隸屬于大同煤礦集團(tuán)有限公司，位于大同煤田西北邊緣，十里河中游南岸，馬脊梁溝和七磨河之間，地跨大同礦區(qū)、左云兩區(qū)縣。東距大同市區(qū)27 km，西距左云縣城15 km，于1988年12月份正式投產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)能力400萬t/a，至今開采已達(dá)31年。該井田賦存2個煤系，經(jīng)過近31年的開采、集團(tuán)公司資源整合及多座小窯的破壞，侏羅系煤層已枯竭。目前本礦已完成了從開采侏羅系到石炭-二疊系的延伸過渡階段，隨著采深不斷加大，井田的水文地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，不僅面臨地表水、老空區(qū)積水的威脅，而且遭受底板突水的侵害，致使防治水工作更加復(fù)雜化。

1 概述

本區(qū)總體呈低山丘陵之貌、南高北低之勢、北面以十里河為界，最高點賈家溝標(biāo)高1 481.87 m、最低點十里河床標(biāo)高1 197.5 m。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育4條南北向較大溝谷，由東向西為馬脊梁溝、燕子山溝、苦水灣溝、七磨河，均源南而北匯入十里河。區(qū)內(nèi)年均降水量為433.6 mm，主要集中于7、8、9三個月。

礦區(qū)位于大同向斜西翼，總體呈走向NE、傾向SE的單斜構(gòu)造，侏羅系2#、4#、7#、8#、11#局部可采煤層大部分被小窯破壞，12#、14-2#及14-3#層大部分由燕子山礦開采、小部分被小窯破壞，當(dāng)前采掘作業(yè)主戰(zhàn)場位于石炭二疊系。礦井石炭二疊紀(jì)煤系地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，可采煤層有山西組4#層（山4#層）以及太原組3#、5#、8#層（C3、C5、C8）；其中山4#層、C3為局部可采煤層，C5、C8為全區(qū)可采煤層。

斷層主要發(fā)育于井田西北部，絕大多數(shù)為正斷層，只有一條逆斷層，基本分為兩組，一組呈北東向，另一組呈北西向，共揭露大于10 m的斷層22條。全區(qū)共有12個陷落柱，主要分布于井田的北中部，是巖溶水進(jìn)入煤系地層的重要通道，尤其注意其與太原組煤系地層的水力聯(lián)系。井田東、西、北局部范圍內(nèi)出露巖漿巖侵入體，呈零散狀分布。綜上所述，本井田構(gòu)造類型較為復(fù)雜，見圖1。

圖1 燕子山礦構(gòu)造綱要圖

目前我國煤礦占主導(dǎo)地位的水害類型主要有4種：地表水倒灌充水水害、老空區(qū)潰水水害、主采煤層頂板砂巖孔隙水透水水害及底板巖溶水突水水害。主采煤層頂板砂巖孔隙水是燕子山礦直接充水含水層，據(jù)抽水試驗表明其富水性弱，且由于石炭-二疊紀(jì)煤系地層埋深大、受補給差，對礦井充水不會有太大的威脅[1-5]。針對燕子山礦而言主導(dǎo)的水害類型分3類：地表水倒灌充水水害、老空區(qū)潰水水害和底板巖溶水突水水害。水害作為煤礦五大災(zāi)害中的一類，嚴(yán)重威脅著煤礦安全生產(chǎn)，對其綜合防治措施的研究具有重大意義。

2 地表水防治

燕子山礦目前已有井口8個，其中主、副斜井、立井位于十里河南岸黃土梁上，井口標(biāo)高分別為1 233.01 m、1 228.68 m、1 228 m；回風(fēng)井位于苦水灣與燕子山溝兩條溝谷之間的黃土梁上，四周有小的沖溝，但其在沖溝源頭以上，井口標(biāo)高1 327 m；苦水灣進(jìn)、回風(fēng)井位于山梁分水嶺地段，井口標(biāo)高分別為1 290 m、1 293 m；紙坊頭進(jìn)、回風(fēng)井位于七磨河西側(cè)黃土梁上，井口標(biāo)高分別1 283.98 m、1 285.98 m，而七磨河河床標(biāo)高1270 m，而燕子山礦近幾年來洪水最高水位1218m。綜上所述，燕子山礦8個井口發(fā)生洪水倒灌災(zāi)害的可能性極小。

井田內(nèi)地表河流均為季節(jié)性河流，干枯無水狀態(tài)居多，只有在汛期暴雨時會有水流匯集。由于過去井田周邊多座小煤窯對露頭保護(hù)煤柱的開采、不進(jìn)行論證分析私自提高開采上限以及現(xiàn)在機(jī)械化程度提高采用的后退式單一長臂走向放頂煤法，導(dǎo)致燕子山礦井田范圍內(nèi)采空區(qū)域地面裂縫和塌陷坑相對較為嚴(yán)重，這些裂縫和塌陷坑是大氣降水及地表洪水進(jìn)入礦井的良好通道。因此，本區(qū)地表水的防治重點在于地面裂縫、塌陷區(qū)、小窯井口封堵情況以及鉆孔封堵情況的排查、治理以及河道疏通。為此，可采取如下治理措施：

（1）每年汛期來臨之前應(yīng)對全井田及周邊的地表裂縫、塌陷區(qū)進(jìn)行專項排查和治理，避免地表水及大氣降水倒灌井下。

（2）由于井田內(nèi)小窯井口眾多，且井口時常有被水沖開的現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)詳細(xì)逐個進(jìn)行現(xiàn)場核實井口位置、井筒方位、封堵情況等，逐個建檔記錄、照相取證，力爭掌握各個井口的動態(tài)變化，對存在隱患的小窯井口提出合理的封堵方案并加以治理。例如：本礦在2013年由于降水導(dǎo)致洪水灌入廢棄小窯，并通過導(dǎo)水裂隙進(jìn)入礦井8311工作面采空區(qū)，導(dǎo)致2311密閉墻垮塌。

（3）汛期防水，建立災(zāi)害性天氣預(yù)警和預(yù)防機(jī)制，及時掌握可能危害煤礦安全的暴雨、洪水災(zāi)害信息，接到暴雨預(yù)警后，應(yīng)不間斷對井田內(nèi)的地面塌陷、裂縫以及廢棄老窯井口等影響礦井安全的因素進(jìn)行巡查，發(fā)現(xiàn)問題立即處理。

（4）對河道進(jìn)行隱患排查，針對河道阻塞、不暢地段及時疏通，必要時構(gòu)筑引水防滲工程。

各層次之間通過統(tǒng)一的接口進(jìn)行通信，確保各層次間的獨立性，從而實現(xiàn)低耦合高類聚，確保系統(tǒng)具有更好的獨立性、穩(wěn)定性和高擴(kuò)展性。

（5）汛期前后進(jìn)行井下密閉巡查，并對常涌水點進(jìn)行監(jiān)控，隨時掌握密閉是否有滲水現(xiàn)象及涌水變化情況。

3 采空區(qū)積水防治

本井田賦存兩個煤系，目前侏羅系煤層已基本開采完畢，存在大量的侏羅系煤層采空區(qū)，有本礦采空區(qū)、小窯采空區(qū)以及古采空區(qū)，這些采空區(qū)的低洼處往往匯集了大量的積水，一旦在采掘過程中導(dǎo)通采空區(qū)積水，將會給煤礦帶來難以估計的后果。因此，對老空區(qū)積水的防治工作是本礦防治水工作的重中之重。

3.1 采空區(qū)積水特點

（1）采空區(qū)充水水源的多樣性。采空區(qū)形成以后，補給水源會通過地面裂縫、地面塌陷坑、導(dǎo)水裂隙帶以及構(gòu)造等多種通道進(jìn)入采空區(qū)，最終積聚了大量積水形成采空區(qū)積水。本礦補給水源較為豐富，主要來自大氣降水、地表水、含水層裂隙水等。

（2）采空區(qū)情況的復(fù)雜性。主要表現(xiàn)為井田范圍內(nèi)存在較多的小窯采空區(qū)，由于小煤窯均為個體開辦，亂挖濫采現(xiàn)象十分嚴(yán)重，開采過程中留下極少資料甚至沒有任何資料，這些無法掌握的大面積的破壞區(qū)將成為積水、有害氣體的貯存區(qū)。因此，小窯采空區(qū)積水不僅給采空區(qū)防治水工作帶來諸多不便，同時也是采空區(qū)防治水的重點與難點。

3.2 采空區(qū)積水防治措施

3.2.1 掘進(jìn)工作面防水

燕子山礦石炭-二疊系同層無小窯破壞，礦井掘進(jìn)工作面主要分布于山4#層，其與侏羅系下組煤14-3#層間距約為160 m，在自然情況下是不會受到老空積水的影響，但要注意過巷的地質(zhì)鉆孔并提前制定安全措施，嚴(yán)防封閉不良的鉆孔成為采空區(qū)積水進(jìn)入礦井的充水通道。

（1）綜采工作面由于放頂煤原因?qū)е聦?dǎo)水裂隙帶高度大于石炭-二疊系山4#層與侏羅系14-3#層間距，所以老空積水對綜采工作面影響十分大。針對綜采工作面而言，一方面對山4#層上覆侏羅系采空資料搜集、分析，結(jié)合礦井充水性圖、采掘工程平面圖等，大致了解大礦采空區(qū)最低處、積水分布范圍以及積水量；另一方面結(jié)合已掌握的小窯采掘資料對工作面上覆各可采煤層逐層進(jìn)行破壞性分析，分析積水的可能性。

（2）運用地面物探技術(shù)進(jìn)一步探測采空區(qū)積水的分布范圍、空間位置，且結(jié)合采掘資料對物探異常進(jìn)一步分析其異常原因。目前的形勢來看，在煤礦水害預(yù)測預(yù)報中，運用最廣泛、使用性最強的物探手段當(dāng)屬電法勘探，燕子山礦采用瞬變電磁法，此法主要特點在于對低電性地質(zhì)異常體識別能力特別強，主要用來解決老空區(qū)積水特征[6]。

（3）運用地面鉆探、井下鉆探技術(shù)對物探異常區(qū)、本礦采空區(qū)低洼處以及對回采有影響的鄰礦采空區(qū)低洼處進(jìn)行逐一的排查驗證，從而達(dá)到排除水患的目的。針對嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)，積水情況較為明確，積水較為集中的小窯、古窯采空區(qū)要充分利用地面探放水孔逐層驗證。

（4）注重培訓(xùn)員工的水患常識，提高員工對水患的認(rèn)知以及安全生產(chǎn)意識，加大監(jiān)督力度促使防治水工作的有效落實。

4 承壓水防治

巖溶承壓水突水災(zāi)害是華北型煤田典型的水害類型[7]。由于礦井當(dāng)前作業(yè)于石炭-二疊系的上組煤，隔水層厚度大，所以受承壓水影響相對較小。隨著礦井采深的不斷加大，底板突水事故發(fā)生的可能性也在增大，尤其是太原組底部煤層（C8#）將面臨更大的威脅。底板突水嚴(yán)重威脅著煤礦安全生產(chǎn)，如果下組煤底板突水災(zāi)害如得不到妥善處理，將嚴(yán)重制約著下組煤的開發(fā)利用。為此，針對巖溶承壓水突水災(zāi)害，制定切實可行的防治措施。

（1）建立疏水降壓系統(tǒng)。在石炭系井底（C8#）向寒武-奧陶系灰?guī)r施工三個水源井（見表1），開孔位置下距約50 m為寒武-奧陶系灰?guī)r頂板，終孔深度250 m，每個水井小時涌水量近100 m3，測得水頭高度達(dá)到+950 m。這樣既起到了疏水降壓，保證了安全生產(chǎn)，又能實時監(jiān)測承壓水的水量和水位標(biāo)高，為安全開采提供技術(shù)依據(jù)。

表1 水源井參數(shù)

（2）在巷道掘進(jìn)時一定要加強地質(zhì)構(gòu)造的調(diào)查與分析，謹(jǐn)防大斷層、陷落柱與巖溶承壓水發(fā)生水力聯(lián)系造成透水事故。在掘進(jìn)過程中務(wù)必要做到有掘必探、物探先行、鉆探驗證，目前燕子山礦采用的井下超前探技術(shù)主要有礦井直流電法超前探技術(shù)、瞬變電磁法超前探。

（3）優(yōu)化鉆孔參數(shù)。按照一巷一策原則，從技術(shù)上優(yōu)化鉆孔數(shù)量，減少鉆探工作量，使探巷工作更加合理、可行，保障有掘必探工作的有效落實。

（4）回采前加強地質(zhì)構(gòu)造的調(diào)查與分析。目前燕子山礦采用無線電波法探測回采工作面內(nèi)隱伏的大斷層、陷落柱等構(gòu)造，以防這些構(gòu)造異常體成為巖溶水充水通道，同時結(jié)合鉆探工程加以驗證。

（5）構(gòu)建直排系統(tǒng)。由于承壓水充水強度大，所以須在石炭系井底構(gòu)建直排系統(tǒng)，避免采石最下部C8#層發(fā)生底板突水而淹井。

（6）注漿改造工程。此法可提高隔水層抗壓的能力，變含水層為隔水層以增加底板有效厚度，廣泛應(yīng)用于斷層破碎帶、導(dǎo)（含）水陷落柱、底板隔水層有效厚度薄弱區(qū)以及井巷突水點。適用于注漿改造技術(shù)防治底板突水的水文地質(zhì)條件主要有：一是奧灰水的補給量大且穩(wěn)定，采用疏水降壓難以使水位大幅降低；二是突水位置、過水通道明確；三是實施注漿的構(gòu)造薄弱帶或目標(biāo)含水層有良好的注漿條件。

（7）數(shù)學(xué)建模、分區(qū)評價。查明底板抗壓強度與隔水能力、底板破壞帶與有效隔水層厚度、底板斷層發(fā)育程度、底板下伏巖溶水水壓分布，以及含水層富水性情況等影響巖溶承壓水突水的主要因素，依據(jù)這些影響因素進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，對整個井田進(jìn)行分區(qū)評價。此評價對于本礦防治巖溶承壓水具有指導(dǎo)性意義；在此評價基礎(chǔ)上確定不同區(qū)段、不同層位是否適宜帶壓開采，對于不易帶壓開采的層位與區(qū)段要堅決采取相應(yīng)的安全技術(shù)措施，切不可抱有僥幸心理。

5 結(jié)語

煤礦防治水工作是一項復(fù)雜、長期、重要的系統(tǒng)工程。隨著科技的不斷進(jìn)步，探測手段也發(fā)生了重大變革，各種水害的防治措施基本已經(jīng)趨于成熟。綜合防治水工作中技術(shù)手段固然重要，但是企業(yè)對防治水工作的重視程度、樹立員工安全生產(chǎn)意識、提高員工對水害的認(rèn)知能力、加大對防治水工作落實的監(jiān)管力度、組建專業(yè)的物探隊伍、鉆探隊伍等方面也是防治水工作不可或缺的重要部分，只有將技術(shù)手段“硬實力”與企業(yè)管理“軟實力”雙劍合璧，方能使煤礦防治水工作上升到一個全新的高度。