顧橋煤礦礦井水危害及防治

王高輝

（安徽理工大學能源與安全學院，安徽 淮南232001）

顧橋煤礦位于安徽省淮南市鳳臺縣境內，淮南煤田潘謝礦區中西部，2003年10月開工建設，2007年4月28日正式投產，生產能力9.0Mt/a，礦井累計資源儲量18.2億噸，可采儲量近10億噸，服務年限76年。

井田所在的地區屬暖溫帶和亞熱帶過渡氣候帶、半濕潤氣候區，季節性明顯，冬冷夏熱，雨量適中，梅雨顯著。該地區年均氣溫15.1℃，兩級氣溫分別是41.2℃和-22.8℃；一般春、夏季多東南及東風，秋季多東南及東北風，冬季多東北及西北風，平均風速3.18m/s，最大風速20m/s；年均降雨926.33mm，最大達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；土壤的最大凍結深度為30cm。

1 礦井水文地質概況

1.1 礦區地層巖性與地質構造

1.1.1 礦區地層巖性

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,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 礦區地質構造

本井田位于淮南復向斜的中部，屬陳橋背斜的東翼與潘集背斜的西部之銜接帶。煤系地層總體構造形態為一走向近南北、傾向東、傾角多為5°～15°的反“S”型單斜，并發育一系列寬緩褶曲和斷層。根據褶曲和斷層的發育特點，可將本井田分為北部寬緩褶曲擠壓區、中部簡單單斜區、中南部“X”型共軛剪切區和南部單斜構造區四部分。

經綜合精查地質勘探和高分辨率數字地震補充勘探，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褶曲4個。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 礦井水文地質條件

1.2.1 地下水類型與含水巖（層）組的劃分

根據地下水賦存條件和含水介質特征，礦區主要有：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 礦區地下水類型一覽表

礦區含水巖（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，古河道發育地段，含水砂層顆粒較粗，以細砂、中細砂為主，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，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，水位埋深一般1.5～3m，年變化幅度一般2～3m，水質類型為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給為主，其次為農業灌溉入滲和側向逕流補給。地下水垂直交替強烈，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，動態變化具明顯的季節性，屬典型的降水入滲～蒸發型動態類型。以蒸發排泄為主，其次為人工開采、側向逕流和越流排泄。

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，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給為主，其次側向逕流補給。地下水循環交替條件較差，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，其流場發生變化，地下水自四周流向開采井，動態變化季節性不具明顯。以人工開采、側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，巖性以半膠結的灰綠色、棕黃色細砂、中細砂、中粗砂和泥質砂礫層為主，富水性好，單井涌水量1000～3000m3/d。地下水具承壓性質，水位標高為+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。

地下水以接受側向逕流補給為主，其次為上、下含水層的越流補給。地下水循環交替條件差，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，在礦區其流場發生變化，地下水自四周流向開采巷道，動態變化季節性不具明顯。以礦坑排水、側向逕流為主要排泄方式。

1.2.2 各含水層之間水力聯系

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給因素外，一般無直接水力聯系。

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，水力聯系甚微。下部含水組，儲存量豐富，是礦坑充水主要補給來源，但范圍很小，補給量受基巖滲透性控制，又因其遠離可采煤層，故對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巖類隔水層間隔，相互之間在正常情況下，無水力聯系。但在斷層切割處層間水力均衡又遭破壞時，有一定的水力聯系，有可能導致礦坑突水危險。

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生直接的水力聯系。

碳酸鹽巖含水巖組主要由太原組灰巖組成，含水層距1煤底板平均間距16m～20m，正常狀態下無水力聯系，第一水平（-600m）的灰巖水頭壓力約6.1MPa，超過1煤底板巖層的抗壓強度時，會造成底板斷裂，發生水力聯系。因此，當開采1煤層時太原組灰巖巖溶裂隙水，是1煤底板直接充水含水層，尤其是煤層與灰巖“對口”的斷層破碎帶，就成為灰巖水進入礦井的直接通道。

2 礦井水害分析

2.1 礦井涌水因素分析

根據礦井開采資料分析，主要充水因素有6個：

（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生水力聯系，為避免采動后導水裂隙帶進入松散含水層，因此，必須留設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系，但若被斷層切割時有可能出現突水或涌水，由于煤系砂巖含水層富水性弱，補給源有限為儲存消耗型特征，水量下降快直至疏干，雖然是礦井直接充水水源，但對煤層開采威脅并不嚴重。

（3）碳酸鹽巖裂隙巖溶水直接充水

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

（4）斷層及破碎帶導水

本井田斷層破碎帶多為泥巖和粉、細砂巖碎塊充填，并呈膠結狀，正常情況下有相對隔水作用。但是，若不同層位的含水層受斷層切割而對口，且斷層帶又未被泥質物和巖屑所充填，或受采動影響而致斷層活化，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）井下采掘煤機運轉過程工藝用水

礦井采煤、掘進工藝中，為了達到降塵目的，采煤和掘進機械中裝設了噴霧或灑水降塵環節，產生的工藝廢水進入礦井水抽排系統，和礦井地質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充地下水

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

2.2 礦井涌水量、排水水質情況分析

礦于2007年正式投產，統計數據表明，礦井歷年排水量呈逐年上升趨勢，并于2009年、2012年達到143.3萬m3、154.143m3峰值，之后總體排水量趨于下降趨勢，生產年份年均涌水量120～130萬m3（礦坑涌水量統計見表2）。

表2 顧橋礦年度礦坑涌水量表（萬m3）

由于煤礦井下作業環境的特殊性，在巖煤巷掘進，綜采面開采過程中，產生的大量粉塵和煤塵，這些粉煤塵隨著噴霧灑水降塵系統進入礦井巷道排水系統，進而混合進入礦井地質涌水，使礦井水遭到不同程度污染，礦井水懸浮物及濁度變大，酸堿性也發生了改變。監測數據表明，該礦礦井水懸浮物高，水質pH值呈弱堿性（詳見礦井水水質情況統計表3）。

表3 顧橋礦年度礦井涌水水質情況統計表（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 對安全生產的影響

煤層開采活動可能會導致斷層活化形成導水通道而溝通松散層含水層與煤系含水層的水力聯系，煤層開采中如揭露斷層將會造成井下突水，對礦井安全生產形成巨大的威脅。突水不僅僅會破壞井下巷道，礦井水的侵蝕，也會使作業面發生形變，導致巷道煤壁塌落，劇烈的突水事故，會給嚴重破壞井下生產秩序，甚至造成傷亡事故。

2.3.2 對職工健康的影響

礦井水由于受到污染，pH值呈弱堿性，具有輕微的腐蝕性，工人長時間浸泡其中，將會對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容易滋生微生物、病原細菌等，這些對于作業環境中的人體也會造成不同程度的傷害，嚴重影響職工健康。

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，是顧橋礦安全生產工作的重要組成部分。顧橋井田內的較大斷層已基本查明，設計中對已探明的各斷層均設計了保護煤柱，顧橋礦生產中，礦嚴格按照《煤礦安全規程》中有關防治水的規定，嚴禁開采設計留設的斷層保護煤柱，對井田內可能還存在的未探明斷層、陷落柱等構造應予以充分重視，加強生產過程中的地質勘探，嚴格執行“有疑必探、先探后掘”的原則，預防井下突水。

對井下作業面及巷道中的礦井水，目前主要以抽排為主，礦井水在統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

隨著國家資源環境形勢的嚴峻發展，目前對礦井水的防治不僅僅是停留在危害防治層面，實施對礦井水的再利用，變害為利，變廢為寶已成為礦井水害治理的新的政策導向和發展趨勢。

礦目前部分生產用水利用凈化處理后的礦井水，礦井日常生產過程中，除生活用水和其他用水水質有特殊要求的由水源井供給外，其他生產用水、綠化用水等均利用凈化后的礦井水，實現了水資源合理利用、節約利用和有效保護，變害為利，不僅有效治理了水害，節約了資源，保護了生態環境，產生了良好的經濟效益。

4 結論

（1）顧橋煤礦所在的淮南潘謝礦區，氣候條件特殊，地質水文狀況復雜，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的重要因素之一。

（2）礦井對水害的防治，主要在技術上，設計預留斷層保護煤柱，利用抽排工段，及時收集抽排礦井地質涌水；在管理上，強化地測防治水監督監測，防止突水事故發生。

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