陽泉礦區礦井防治水技術保障體系淺析

王慧明, 王 一

(陽泉煤業(集團)有限責任公司,山西 陽泉 045000)

陽泉礦區礦井防治水技術保障體系淺析

王慧明, 王 一

(陽泉煤業(集團)有限責任公司,山西 陽泉 045000)

根據目前國內水害凸顯的現狀及防治水技術手段,對陽泉礦區地質及水文地質條件、充水水源、導水通道及水量分析研究,總結陽泉礦區的主要水害類型,并在此基礎上提出了陽泉礦區礦井防治水技術保障體系,為陽泉礦區防治水工作的進一步加強提供保障。

陽泉礦區;礦井防治水;技術保障體系

礦井水害是煤礦安全生產的重大隱患之一。隨著近年來煤礦開采的進一步深入和煤礦兼并重組的逐步完成,礦井水害事故成為繼瓦斯事故之后最為主要的一種災害。陽泉礦區開采華北石炭二疊系煤系地層,是全國最大的無煙煤產地。陽煤集團作為礦區最主要的煤炭企業隨著開采水平向深部和西部延伸,主采的15#煤層多位于含水豐富的奧灰含水層或太原組灰巖含水層之上,在采掘活動區域易受承壓水威脅。為了確保礦井安全高效開采,防治水害事故發生,所以,通過系統總結分析,尋求安全開采技術保障體系具有重要的現實必要性[1]。

1 陽泉礦區概況

陽泉礦區走向長156 km,傾向寬16 km,面積約2 525 km2。礦區地質儲量約217億t,是我國最大的無煙煤生產基地。

1.1開采煤層

陽泉礦區主要的含煤地層為太原組和山西組,含煤地層總厚為176 m,含煤17層。其中可采煤層有山西組的3#、6#煤層,太原組的8#、9#、12#、13#和15#煤層,而主要可采煤層為3#、12#和15#煤層,3#煤層局部有沖涮現象,造成煤層變薄或缺失,15#煤層是礦區埋藏最深,厚度最大全區穩定可采煤層。經過多年開采,陽泉礦區東部埋藏淺區的煤炭資源已逐漸枯竭,現在開采已逐步向西部埋藏深的區域延伸。

1.2陽泉礦區構造體系特征及地質現象

陽泉礦區位于新華夏體系沁水凹陷的東北邊緣,其東部是新華夏太行山隆起帶,西部及西北部是新華夏系多字型構造,北部是38度東西向構造亞帶[2-3]。礦區地質構造見圖1。

圖1 礦區地質構造Fig.1 Geological structure in mining area

1)褶曲。礦區內煤層波狀起伏,褶曲較多,走向大多為NE向,軸部呈舒緩波狀延伸,褶曲幅度一般為30 m～40 m,最大可達140 m。褶曲軸間距一般為1 000 m左右,褶曲延伸長度最大達5 000 m。

2)斷層。總體上陽泉礦區大型斷層較少,中小型斷層較多。由于受新華夏系構造運動的影響,礦區11 km左右發育一條走向NE向的斷層撓曲帶,平面上呈“S”型左列,并且這些斷層撓曲帶從東往西,斷層撓曲帶的幅度越來越小。

3)陷落柱。陽泉礦區巖溶陷落柱總體上呈帶出現,帶里呈群分布,群里個體之間具有方向性,等距性特征。剖面上,通天陷落柱較少,但長軸較大;隱伏陷落柱較多,長軸相對較小。陷落柱陷落角大多為82°～84°左右,陷落柱頂部多為60°～70°之間。從礦區陷落柱統計資料看,大多是不含水或少水的,但是區域內新構造運動強烈,有可能發育較近時代塌陷的陷落柱,從而使得柱體內巖塊沒有膠結或膠結性較差,甚至存在大量的空隙或空洞,極易富水并發育成為導水陷落柱,對煤礦安全生產構成了嚴重威脅。

1.3陽泉礦區主要含水層及隔水層情況

1)含水層。礦區含水層主要為三種類型:a.孔隙水含水層,主要分布于桃河及其支流的河床以及其它低洼河谷中的沖積、洪積及坡積層中,厚度10 m～20 m左右,由砂、礫石、卵石、滾石等組成；b.基巖裂隙含水層,分布于二疊系山西組、石盒子組地層中,含水層巖性主要由砂巖組成,為砂巖裂隙水；c.巖溶裂隙含水層,中奧陶統馬家溝組灰巖為本區主要強含水層之一,大面積出露于陽泉礦區東北部外圍,為煤系地層基底。石炭系太原組石灰巖主要有K2、K3、K4三層石灰巖,總厚度15.95 m。其中以15#煤層頂板四節石(K2灰巖)厚度較大,為5 m～12 m左右,在淺部地區巖溶裂隙較為發育,含水較豐富。

2)隔水層。新生界底部的粘土層組是良好的隔水層組。石盒子組K8砂巖以上各含水層之間,均有沉積穩定的泥巖、砂質泥巖、并夾有粒度不同的各類砂巖,其巖層呈互層結構,除礦區東北部的局部地段因剝蝕缺失外,一般地方沉積穩定。15#煤層至奧灰間隔水層,在礦區內的正常間距為 40 m～60 m,平均厚度55 m,巖性主要為泥巖、砂質泥巖與粘土泥巖,夾1-2層薄層灰巖,底部有一層鋁土質泥巖沉積穩定。

含水層和隔水層關系示意圖，見圖2。

圖2 含水層和隔水層關系示意圖Fig.2 Relationship between aquifer and aquiclude

2 防治水工作現狀

目前陽煤集團下轄在產的22座煤礦中有4座礦井水文類型為復雜型，陽泉地方煤礦在產或在建的21座礦井中有1座礦井水文類型為復雜型。陽泉礦區各主要礦井主采3#、6#、8#、9#和15#煤層,其中15#煤層為全區穩定可采煤層；3#煤層主要防止頂板砂巖和二疊系砂巖含水層水,以疏放為主;6#煤層主要是一探放上部采空積水和同層采空積水為主;8#、9#煤層要通過對采高、導水裂隙帶高度和隔水層厚度等因素確定上部采空區積水的處理;15#煤層西部區域存在帶壓開采,是防治水工作的重點和難點。目前礦井運用2種物探勘察加鉆探確定其采掘區域的安全性,并通過安全評價后才進行采掘,對上部和同層采空積水以及小煤窯古空水在采掘期間也會加以疏放。

3 面臨的主要問題

礦區內很多礦井的奧陶系灰巖含水層的富水性、水位等資料參照井田周邊水井資料,井田內沒有揭露奧灰含水層專門水文孔,劃分帶壓開采區精度不夠;井田陷落柱極發育,而三維地震工作尚未全井田開展。一些老礦井由于開采年限的增長和開采范圍的不斷擴大,采動裂隙越來越多,在雨季的降水量增大時,煤層上覆的第四系含水層和地表水體可能成為充水水源,通過導水通道進入礦井,從而對礦井生產造成影響。井田及周邊四鄰煤礦存在采空區積水,雖然開展了積氣、積水的調查和訪問工作,但工作手段精度不夠,導致井田周邊礦井廢棄巷道和采空區分布不易查明。小煤礦關閉后,井下不排水,其采空和巷道積水通過連通巷道涌入生產礦井,造成礦井涌水量增加,給礦井防排水工作帶來困難。個別小窯的歷史悠久,缺乏相應的開采資料和圖紙,導致與其礦界相鄰區域的防治水工作開展的難度大大增加,無法科學合理的去判斷其地質水文情況。礦區西部的15#煤層底板含水層主要為奧陶系中統灰巖巖溶裂隙含水層,部分處在帶壓開采區內,需開展奧灰水動態監測,加強對陷落柱、斷層等構造的探測力度,加強對其導水性、富水性的研究。

4 陽泉礦區礦井防治水技術保障體系分析

4.1物探技術保障

礦井物探工作需要在地面和井下逐步開展,常用的物探方法有直流電法、高密度電法、瞬變電磁法、音頻電透視、坑透等多種物探技術手段,但每種方法均有其局限性和不足。目前采用的最多的是直流電法和瞬變電磁法探測,但直流電法的全球體探測致使周邊的異常的解釋也通常反映在前方,瞬變電磁法存在一定的盲區,并對距離的控制性較差。有鑒于此,礦井在開展物探勘查時,應采用多種物探手段對異常區進行探測,以相互佐證各自的物探成果,進一步提高物探的準確率[4-5]。

4.2鉆探技術保障

礦井配備專用的探放水鉆機,專用探放水鉆機具有鉆探距離遠,易于固定且有防噴射裝置,但鉆探由于巖層力學性質和重力作用影響,其軌跡不能按照設計的理想狀態去鉆進,因此,需要配備相應的隨鉆或軌跡測量儀等設備確定煤層鉆孔在煤巖層中的軌跡。

4.3防治水技術體系建設

陽泉礦區防治水技術工作,重點在于探查奧灰水富水性、水位、隱伏導水陷落柱,以及小煤礦采空區積水。但是陷落柱直徑大小僅僅是十幾米或幾十米的孤立的點,很難用鉆探控制。小煤礦的開采多為巷采,采掘活動分散且無規則。物探方面,雖然能從面上加以尋找,但很難取得直接可靠的效果。因此要在以往經驗的基礎上,根據礦區的水文地質特征,進行地質分析,尋找短板,查明水源,涌水通道和危害類型,結合井上下資料,利用物、化、鉆探等多種技術手段和方法,進行綜合探查,對其進行危險性評價和論證后制定針對性的探放水措施,其流程見圖3。

圖3 綜合探查技術流程圖Fig.3 Flowchart of Comprehensive Survey Technology

5 結束語

陽泉礦區經過多年開采,其東部煤炭資源已逐漸枯竭,向西部深埋區延伸勢在必行。礦區西部的15#煤已經處于帶壓區,需逐步完善帶壓開采研究。礦區內陷落柱發育,新構造運動強烈,有可能發育較近時代塌陷的陷落柱,膠結性較差,易發育成為導水陷落柱。另外,突水情況有時是復雜的,除決定于地質條件,還受采掘條件(如工作面尺寸大小、采煤方法、采動對底板的破壞影響,以及礦壓與水壓的不平衡等)的影響,因此礦井在進行突水預測預報的同時,還需建立和完善具有一定排水能力的泄水巷和防排水系統以及建立安全出口和避災路線。

[1] 彭蘇萍,孟召平.礦井工程地質理論與實踐[M].北京:地質出版社,2002.

[2] 李俊杰,郭英海,車燦輝,等.西山煤田古交礦區陷落柱特征及其導水性分析[J].中國煤炭地質,2010,22(1):40-44.

LI Junjie,GUO Yinghai,CHE Canhui,etal.Subsided Column Features and Water Conductivity Analysis in Gujiao Mine Area,Xishan Coalfield[J].Coal Geology of China,2010,22(1):40-44.

[3] 王一,秦懷珠.陽泉礦區地質構造特征及形成機制淺析[J].山西煤炭,1998，(3):27-30.

WANG Yi,QIN Huaizhu.Characteristics and Formation Mechanism of Geological Structures in Yangquan Mining Area[J].SHANXI Coal,1998,(3):27-30.

[4] 彭蘇萍,王金安.承壓水體上安全采煤[M].北京:煤炭工業出版社,2001.

[5] 鐘亞軍.開灤煤礦防治水綜合技術研究[M].北京:煤炭工業出版社,2001.

TechnicalSupportSystemforWaterControlinYangquanMiningArea

WANGHuiming,WANGYi

(YangquanCoalIndustry(Group)Co.,Ltd.,Yangquan045000,China)

According to water disaster and water control technology,major water disasters were summarized on the analysis of geological and hydraulic geological conditions,water filling sources,water conducting and water quantity.Therefore,the study proposed a technical support system,which could provide further guarantee for the water control in Yangquan mining area.

Yangquan mining area; water control in mines; technical support system

1672-5050(2017)04-0069-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.020

2017-06-16

王慧明(1984-),男,山西盂縣人,碩士研究生,工程師,從事煤田地質勘查與礦井防治水研究及管理工作。

TD745

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(編輯:樊 敏)