煤礦井下疏水保水開采技術應用

亢 波

（1.中國礦業大學，江蘇 徐州 221008；2.山西焦煤西山煤電西曲礦，山西 太原 030002）

煤礦井下疏水保水開采技術應用

亢 波1，2

（1.中國礦業大學，江蘇 徐州 221008；2.山西焦煤西山煤電西曲礦，山西 太原 030002）

山西新潮煤礦巖溶地下水豐富，大量涌水，給礦井施工和開采造成很大困難。為確保煤礦正常生產，經過對礦井巖溶水系統水文地質條件的分析研究，采用打疏水鉆孔的疏水技術，將礦井太原組灰巖含水層的涌水疏排到下部奧陶系灰巖含水層中，疏干太原組灰巖含水層中的水，并將水儲藏于奧陶系水層中，收到了預期效果，實現了綠色保水開采的目的。

礦井涌水；疏水技術；鉆孔；綠色保水開采

1 礦井情況

新潮煤礦位于沁水煤田南部，井田面積6.1506 km2。井田內主要可采煤層有1號、2號、3號、6號、7下號、9+10號、10下號、11號共8層。生產規模為900kt/a，為基建礦井。

山西組平均厚度58.05 m，含煤2層～8層，含煤總厚度為1.21 m～4.43 m，平均2.23 m，其中1號煤層為局部可采的不穩定煤層，2、3號煤層為不可采的不穩定煤層。

太原組平均厚度125.82 m，含煤5層～7層，總厚度為4.44 m～10.90 m，平均7.39 m，其中7下號、9+10及11號煤為本區穩定的可采煤層，10下號煤層為較穩定的大部分可采煤層，其余煤層為不可采煤層。

2 水文地質

2.1 區域水文地質

本區屬于霍山巖溶水系統，構成獨立的水文地質單元，顯現典型的奧陶系構造巖溶水的運動特征。霍山背斜以南北走向聳立于礦區西側，背斜軸部出露地層為元古界及下古生界地層，兩翼出露大面積碳酸鹽巖地層，出露面積約1420km2，背斜西翼受霍山大斷裂和太谷大斷裂的切割。構成南北兩個水文地質單元。北單元為介休洪山泉域，泉水從第四系砂礫石中溢出，本區屬于洪山泉域，并靠近與廣勝寺泉域的分水嶺地帶,位于泉域中南部徑流地帶。

2.2 礦井水文地質條件

1）井田地表河流。井田地表河流主要為王陶河，常年有水，雨季流量增大，屬黃河水系。由于地質構造為單斜,且在局部地段王陶河谷及潛水將補給含水層，因此，將對礦井開采產生影響。

2）井田內含水層。礦區含水層自上而下有：第四系砂礫層孔隙潛水含水層、上石盒子組底部（K10砂巖）裂隙含水層、下石盒子組（K9、K8）砂巖裂隙含水層、太原石灰巖（K4、K3、K2）巖溶裂隙含水層、中奧陶統石灰巖巖溶裂隙含水層。

3）隔水層。11號煤至O2含水層之間隔水層，厚度42.73m；峰峰組下段泥灰巖石膏層隔水層，厚度78.86 m；2號煤至K4石灰巖之間隔水層，厚度76.40m。

4）地質構造與地下水的關系。礦區總體構造為軸向北偏西的背斜構造，受大氣降水及地表水滲漏補給自然環境較好。特別是二疊系上、下石盒子組地層，在礦區大面積出露，接受大氣降水和地表水補給，集聚形成地下水。

5）礦井水文地質條件類型。K8砂巖含水層是開采上組煤層的直接充水含水層，通過開采塌陷裂隙與上覆砂巖體發生水力聯系，并波及南側的王風河潛水發生聯系，為礦井主要充水因素。

K2石灰巖含水層是開采下組煤層的直接充水含水層，弱富水性，但局部地段可能通過開采產生的塌陷裂隙帶接受上部砂巖的充水補給，使含水性增強，下伏奧灰巖溶地下水位標高（推斷1100 m），11號煤層（最低標高880 m）東北部存在帶壓開采，因此，礦井水文地質條件為中等類型。

2.3 礦井充水因素分析

1）地表水對礦井充水影響。井田內煤層埋藏較深，且煤系地層間又有泥巖、粉砂巖等隔水層存在，井田南鄰的王風河，為季節性河流，在井田南部由于煤層埋藏較淺，風化裂發育，王風河床潛水可以通過砂巖含水層進入礦井，有一定的充水影響。

2）含水層對礦井的充水影響。K8砂巖含水層，包括3號煤層頂板以上砂巖含水層，一般為弱富水性，但在南部埋藏淺的地帶，通過風化裂隙與王風河潛水發生水力聯系，對礦井開采產生充水影響。K2石灰巖含水層，為9+10號煤層的直接充水含水層，一般厚8.00 m左右，9+10號煤層上距2號煤層底板約87 m左右，下距O2含水層約63 m，開采9+10號煤層的冒落帶可達10 m～12 m，其導水裂隙帶可達45m左右，南部的淺部地帶可使風化帶裂隙水進入礦井，對礦井開采產生充水影響。

在區內東南部煤層標高在1100 m以下存在帶壓開采，根據GB12719-91突水系數計算公式Ts=P/（m-cp），最大突水系數為0.058 MPa/m，接近構造破壞塊段突水系數0.06MPa/m，因此，正常塊段一般不會對煤層開采產生威脅，但950m標高以下突水系數接近0.06 MPa/m,要防止構造破壞地段發生突水事故。

3 疏水方案的提出和選擇

在建井過程中，礦井的主、副斜井在穿透K4、K3和K2石灰巖含水層時，均發生井筒涌水量突然增大現象，最大日出水量近5000 m3，被迫停產，安裝水泵抽水，但經過近一年工作，沒有明顯效果，致使礦井建設工程無法進行。

通過礦井地質及水文資料分析論證，提出可行的疏水方案有兩個，方案Ⅰ是注漿堵水過含水層；方案Ⅱ是采用打疏水鉆孔疏水技術，將太原組灰巖含水層中的水從疏水孔放入奧陶系灰巖含水層中，保證礦井正常建設施工，即疏干太原組灰巖含水層中的水并將水儲藏于奧陶系水層中，達到疏水、保水、安全開采。

經方案比較：考慮到注漿堵水工程量大，投資多，施工操作困難，安全可靠性差；而采用打疏水鉆孔疏水方案工程量較小，投資較少，施工相對簡單，最終確定選擇案Ⅱ，即采用打疏水鉆孔疏水技術。

3.1 技術資料

井田奧陶系水位標高1100m左右，最下部11號煤層底板標高在900 mm～1310 m之間，首采區11號煤層地板標高在1200m以上，尤其是馬家溝組灰巖含水層厚度大，介質巖性滲透系數高，透水能力強，有適合于人工補給的明顯特征。因此確定采用打疏水鉆孔技術，將煤礦涌水疏排到下面含水層中，即將太原組灰巖含水層中的水通過鉆孔自動流入，回補給奧陶系灰巖含水層中，可達到疏干太原組灰巖含水層中的涌水和保水的目的。

3.2 鉆孔布置的依據

井田東部與南部有王陶河流過，東部由于煤層埋藏較深，河流對地下水補給較弱；而井田南部二疊系山西組與石炭系太原組在河流附近均有出露，由于河流常年有水，形成了定水頭補給太原組灰巖含水層，導致開采太原組煤層時礦井涌水量較大，影響生產的正常進行。

考慮礦井水的補給方向、地形地貌、施工難度和目前礦井急需解決的地段。在井田南部的北西向溝中布置鉆孔3個，自北向南分別為1號、2號、3號；在井底車場附近兩井筒中間的煤柱上布置鉆孔1個，為4號孔。

3.3 鉆孔結構設計

為了加大漏水強度，奧陶系含水層鉆孔直徑選擇273 mm；煤系地層（奧陶系界面以上）選擇346 mm鉆進，下置325 mm套管及濾管；開孔為了保護井口，開孔選擇377 mm，并下置377 mm套管5 m。見鉆孔設計示意圖1。

3.4 鉆孔布置及施工工藝設計

根據地形地質圖、11號煤層底板等高線圖、綜合柱狀圖、井田開拓圖等，按每個設計鉆孔部位的地面標高、11號煤層底板標高、11號煤層到奧陶系頂界面間的距離（根據綜合柱狀圖選擇60 m）及預計奧陶系含水層部位（最深奧陶系界面以下200 m），設計各疏水鉆孔深度如表1。

為了對各鉆孔的水位進行預測，根據鉆孔部位的地面標高及井田內奧陶系水位標高，各孔水位埋深及水位上距11號煤層的距離預測，見表2。

表1 設計疏水鉆孔深度表 /m

表2 各孔水位埋深及與11號煤層的距離預測表 /m

為了保證鉆孔在漏水過程中不造成坍塌和在煤礦開采后期對鉆孔進行有效的封閉，需對煤系以上地層下置套濾管，見表3。

表3 各孔下置套（濾）管深度表

由上表可知，4個疏水鉆孔共需377 mm套管20m；325mm套管550m；325mm濾管300m。總重81679kg（82t）。

圖1 鉆孔設計示意圖

4 疏水孔放水效果評價

通過兩個月的實施，完成了四個鉆孔打眼，平均每孔疏水2000m3/d，徹底解決了礦井涌水。礦井疏水孔放水技術的實踐成功，即采用打疏水鉆孔，將煤礦涌水“漏”到下面含水層。為解決礦井透水事故應急救援，獲取了寶貴的技術資料和經驗。將涌水疏入奧陶系，水得到儲藏，維護了礦區水系；在需要時，既可抽出使用，起到了綠色保水開采的作用。經濟效益，大大減少了抽水設施、設備，電力和人力等方面的成本。

5 結論

疏水孔放水技術的運用，在開采地下資源的同時，保證了礦井安全生產，又回補了區域地下水源，從而實現了真正意義上的礦井水“零排放”、礦井水資源的保護，達到了煤礦綠色保水開采目的。馬家溝組灰巖含水層厚度大，介質巖性滲透系數高，透水能力強，適合于人工補給，在實踐中可優先使用。但由于各礦井地質條件異樣，在礦井承壓大和有構造導水威脅時，要經充分論證后有科學的理論依據，可采用鉆孔疏排水技術。

Application of Hydrophobic and Water-Preserved Mining Technology

Kang Bo1，2
（1.China University of Mining and Technology,Xuzhou Jiangsu221008;2.Xiqu Mine,Xishan Coal-Electricity Group,Shanxi Coking Coal Group,Taiyuan Shanxi030002）

Excessive Karst groundwater and its discharge cause great trouble for construction and mining in Xinchao Mine.To insure the normal production,the hydrogeological condition of karst water system was analyzed,hydrophobic holes were drilled,and then gushing water was channeled and drained from Taiyuan limestone aquifer to Ordovician limestone aquifer.The technology achieved the desired effect and realized green water-preserved mining.

mine water inrush;hydrophobic technology;drilling;green water-preserved mining

TD743

A

1672-5050（2011）03-0031-03

2010-10-13

亢 波（1965—），男，山西襄汾人，在讀工程碩士，工程師，從事采礦工程研究。

徐樹文