巖溶充水煤礦床帶水壓開采優勢分析

卿國屏，何紅生，唐憶晨，張江柳

(1.湖南省煤炭地質勘查院，湖南 長沙410014；2.湖南煤業集團辰溪礦業有限公司，湖南 辰溪419500)

湖南、貴州、廣西等地廣泛分布巖溶充水煤礦床。眾所周知，巖溶充水煤礦床一般采取強排疏干開采，往往引發嚴重的環境地質問題，如巖溶地面塌陷、地下水資源枯竭等，造成農田損毀、建構筑物破壞、地表水倒灌、井泉干枯等。嚴重地破壞了地質環境，造成了巨大的經濟損失及惡劣的社會影響，且礦井涌水量大，排水成本極高。例如湖南煤炭壩煤礦開采造成地下水降落漏斗影響范圍在300km2以上，引發了大范圍的巖溶地面塌陷，對環境造成極大的破壞，排水量達13000m3/h，2012年的排水費達2.4億元。

大坪煤礦為巖溶充水煤礦床。前期采用強排疏干采煤，也引發了類似的環境問題；后期采取建水閘墻堵水的措施，采用帶水壓開采方式開采，取得了良好的效果，符合資源節約型、環境友好型礦山建設要求。下面以湖南煤業集團辰溪礦業有限公司大坪煤礦巖溶充水礦床帶水壓開采為例，在實地廣泛調查、收集了大量技術資料的基礎上綜合分析帶水壓開采的優勢。

1 大坪煤礦概況

1.1 開采概況

大坪煤礦始建于1968年1月，1971年12月投產，為地下開采；設計生產能力10萬t/a，2007年核定生產規模6萬t/a，礦區面積6.3539km2，準采下限為-400m。礦山開采二疊系吳家坪組8煤層，煤層厚0～2.50m，平均厚0.82m。該礦屬頂、底板巖溶充水礦井。礦井劃分五個水平開拓，依次為±0m、 -75m、 -150m、-280m、-400m水平。目前最低開拓到-400m水平。主要巷道均布置在茅口組灰巖中。采用短壁式開采方式及全部陷落法管理頂板。

1.2 礦區水文地質概況

1.2.1 直接充水含水層特征

大坪煤礦位于大坪井田內，水文地質單元為傾向北西的單斜蓄水構造。區內地表水主要有雙溪河及大坪溪。吳家坪組與茅口組灰巖巖溶含水層分別為開采煤層頂、底板直接充水含水層。

吳家坪組巖性為厚層狀灰巖，一般厚83m，為8煤層直接頂板。地表巖溶發育，多形成巖溶漏斗、洼地等；出露的泉流量0.10～54.10 L/s。本礦區24個鉆孔揭露了吳家坪組灰巖，有3個鉆孔遇見溶洞3個，鉆孔溶洞能見率12.5%，溶洞總高為15.8m，溶洞發育標高+161.22～+173.46m。1個鉆孔遇裂隙，最低發育標高+96.37m。地下水位標高為+175.0～+195.50m；經鉆孔抽水試驗，單位涌水量為0.158L/s· m。該含水層為富水性強的承壓含水層。

茅口組巖性為厚層狀石灰巖夾白云質灰巖，位于煤系地層下部。地表出露的泉流量0.30～100 L/s。全區24個鉆孔揭露了茅口組灰巖，有5個鉆孔遇見溶洞11個，鉆孔溶洞能見率20.8%，溶洞總高14.92m，溶洞發育標高+6.84～+175.85m。1個鉆孔遇裂隙，最低發育標高+96.37m。8煤層與茅口灰巖中間雖隔有0～2.77m厚的鋁土巖，但一般不具普遍隔水作用。地下水位標高為+176.65～+197.59m；經6-3孔放水試驗，單位涌水量為0.252L/s·m，滲透系數為0.209m/d。該含水層為富水性強的巖溶裂隙承壓含水層。

1.2.2 斷層的富水性、導水性

區內斷層較發育，其中富水性、導水性強的斷層有F3、F4、F5、F8，簡述如下文所示。

F3斷層：據該斷層附近的7-4孔放水試驗結果，單位涌水量為0.158l/s·m，滲透系數0.108m/d。1972年8月26日，大坪煤礦開采+107m中段時發生礦井突水，8小時后地面井水干枯；突水64小時后，地面產生塌陷8處，影響范圍1km2。F3斷層位于突井下水點與地面干枯井、塌陷區之間，說明F3斷層的富水性、導水性強。

F4斷層：據該斷層附近的6-3孔放水試驗，單位涌水量為0.25l/s·m，滲透系數0.209m/d。表明該斷層的富水性、導水性強。

F5斷層：1988年8月21日，大坪煤礦南翼+100m平巷發生突水，瞬時突水量5150m3/h，淹沒了礦井，造成大坪溪溪水下灌而斷流，地面形成18個塌陷群，最大的塌陷群位于F5斷層附近，面積9000m2，表明斷層含、導水性強。

F8斷層：1988年8月21日，大坪煤礦于南翼+100m平巷突水，造成F8斷層兩盤地面發生大面積塌陷。說明F8斷層含、導水性強。

綜上所述，大坪煤礦可采煤層頂、底板直接充水含水層分別為吳家坪組、茅口組強巖溶裂隙含水層，礦區內斷層的富水性、導水性強，對礦井充水影響大，本礦水文地質條件為復雜類型。

1.3 煤層頂、底板工程地質特征

1)煤層頂板：8煤層偽頂為碳質泥巖，厚0～0.20m，回采時和煤一起脫落，不用專門放頂。直接頂為吳家坪組灰巖，抗壓性能強，層面平整，起伏不大，巖層穩定，生產中大部分可不用支護。屬Ⅱ～Ⅲ級頂板。

2)煤層底板：8煤層直接底板為一層灰～灰綠色鋁土巖或鋁土質泥巖，硬度小，略具可塑性，厚0～2.77m，一般為1.50m。間接底板為茅口組灰巖，屬堅硬巖層。

2 大坪煤礦帶水壓開采方式

2.1 礦井突水概況

據統計，大坪煤礦自建礦40多年以來，井下開拓區共遇見56個突水點與淋水點，其中突水點29個，淋水點27個。涌水量大于100m3/h的突水點主要分布在±0m標高以上，個別在±0m ～-150m標高之間，-150m標高以下突水點涌水量在2～60m3/h范圍內，涌水量較小。突水量最大的一次發生在1988年8月21日+100m平巷突水，突水流量5150m3/h，淹沒了礦井，死亡2人；造成大坪溪溪水下灌而斷流，地面形成18個塌陷群，最大的塌陷群面積9000m2。井下淋水點主要分布在-300m標高以下(詳見圖1)。

圖1 大坪煤礦井下突水點及水閘墻分布示意圖

2.2 帶水壓開采方式

大坪煤礦40多年的開采歷史，也是礦山企業不斷同礦井水害作斗爭的歷史。針對礦井突水問題，礦山采取了砌筑水閘墻、注漿堵水措施實施井下堵水防治工程，創造了巨大的經濟效益，杜絕了礦井透水的安全事故。

礦山在井下修建水閘墻，在水閘墻出水管安裝了水壓表，定期對水壓進行監測，控制礦井的排水量。1985年11月首座水閘墻在該礦井問世，至今已建成42座(詳見圖1)。按分布標高統計，±0m以上18座，±0～-150m段12座，-150～-300m段9座，-300m以下3座。由此可見，水閘墻主要分布在-150m水平以上。按建設時間統計，1985～2002年底共建設了16座，2003年年內建設了15座，2003～2013年建設了11座，2003年為全面集中治水年。通過水閘墻防治水工程的建設，礦井涌水量明顯減少，礦井年平均涌水量由2002年的1413m3/h減少至2004年的407m3/h(詳見表1)。地下水位得以全面恢復，如F3斷層下盤北翼2003年6月封堵后，地下水位恢復到+160m標高，局部呈現地下水補給地表水的狀態。

3 大坪煤礦帶水壓開采優勢分析

3.1 經濟效益分析

大坪煤礦2003年為集中治水年，全面實現了帶水壓開采。因此，以2002年作為基準年進行經濟估算分析。據調查，礦山從2003～2013年共建水閘墻26座，每座水閘墻建設費約3萬元，花費資金共78萬元。與2002年比較，2003～2012年底小時排水量減少了701～1178m3，10年間共減少排水量88230720m3，共節約用電量6700萬kWh，按平均0.72元/kWh計算，共節約排水費4824萬元，扣除水閘墻建設費，礦山增效4746萬元。礦山尚存可采資源儲量約70萬t，可開采9年，按此標準計算，可節約排水費4275萬元。2003年后至礦井閉坑可為礦山共計增效9021萬元。因此，帶水壓開采為礦山企業創造了巨大的經濟效益。

表1 大坪煤礦歷年年平均涌水量統計

3.2 環境效益分析

大坪煤礦前期強排疏干開采引發最突出的環境地質問題為巖溶地面塌陷及區域性地下水位下降。據統計，礦山建礦40多年以來，累計發生巖溶塌陷約85個，塌陷分布范圍達1.93km2，共毀壞民房51棟，影響300多人的人生命財產安全，破壞了57畝稻田，并造成了大坪溪斷流。巖溶地面塌陷主要集中發生在1973年、1988年、1993年，塌陷數量分別為9處、18處、9處，共計34處，占總數的40%。前期強排疏干開采引區域性地下水位下降，造成了井泉干枯，導致1700人飲水因難。

2003年全面實行帶水壓開采以來，地下水位得以區域性恢復。至今未引發或加劇過巖溶地面塌陷；井泉水位明顯上升，絕大部分居民飲用井泉水得到保障。因此，帶水壓開采所產生的環境效益十分明顯。

3.3 社會效益分析

大坪煤礦前期強排疏干開采引發的地下水位資源枯竭、巖溶地面塌陷等環境地質問題往往影響礦區居民的生產生活用水，威脅其生命財產安全；造成工農關系矛盾，干群關系緊張，影響社會穩定等一系列的社會問題。而帶水壓開采能控制地下水位降幅，防止井泉干枯與巖溶地面塌陷，能最大限度地保護地質環境，達到資源開發與環境的協調發展；進而確保礦區居民的生命財產安全，使礦區居民安居樂業，保持社會的穩定。因此，帶水壓開采產生的社會效益也是不可低估的。

綜上所述，帶水壓開采給大坪煤礦帶來了巨大的經濟效益及明顯的環境效益與社會效益。

4 結束語

大坪煤礦為頂、底板巖溶充水的水文地質條件復雜礦井，該礦從強排疏干開采到成功實現帶水壓開采，不僅是礦山企業礦區環境保護意識的提高，更是從認識巖溶發育規律到利用巖溶發育規律成功治水的提升。打破了巖溶充水礦床傳統的強排疏干開采的舊思維，開創了帶水壓開采的新局面。

巖溶含水層具有不均一性，只有巖溶發育地段才有含、導水空間；不發育地段，其本身就是一個隔水層(體)。大坪煤礦就是利用巖溶發育的不均一性規律，成功實現了頂底板巖溶充水礦床的帶水壓開采，創造了巨大的的經濟效益及明顯的環境效益與社會效益，其優勢顯而易見。這對巖溶充水煤礦床資源開發與環境保護起到十分重要的示范作用。

湖南湘中、湘西北，廣西桂中、貴州黔西等地廣泛分布巖溶充水煤礦床。就湖南而言，巖溶充水煤礦床主要分布在漣邵煤田、韶山煤田、黔涂煤田及桑石煤田，據統計，截至2009年底，保有資源儲量約3.5億t，約占湖南省保有資源儲量的11%。如何科學、安全、環保地開發這類煤礦資源，可以借鑒大坪煤礦帶水壓開采的成功經驗，將會產生巨大的經濟效益、環境效益與社會效益。

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