慈林山煤礦涌水問題防治探討

郭軍峰

（山西潞安集團慈林山煤業有限公司，山西長治 046605）

煤礦水害是與礦井瓦斯、火災等并列的礦山建設與生產過程中最常見的主要威脅礦井安全生產的災害之一[1]。在煤礦建設和生產過程中，由于礦井水文地質條件的復雜性和人們對礦井充水要素認知的局限性，常常會因為礦井水害防治措施的不到位或其他超越人們認識能力的隱蔽型水害條件的存在，造成多種類型的礦井水害[2]。

多年來大量的礦井水害事故顯示，發生礦井水害的主要充水水源有老空水、地表水、孔隙水、裂隙水、巖溶水等，造成礦井水害的主要導水通道有斷層、陷落柱、采動裂隙和封閉不良鉆孔等[3]。近年來，晉陜蒙地區大量的煤礦在生產過程中遇到了頂板潰水潰沙導致的礦井水害事故，直接威脅礦井安全生產和人民的生命財產安全，造成嚴重的人員傷亡和經濟損失[4]。

在慈林山煤礦范圍內，奧灰承壓水位低于15號煤層底面約100m，據此分析奧灰水不會影響下組煤開采。但是由于9號煤層距3號煤層采空區平均45m，因此9號煤開采首先面臨的是3號煤老空積水的嚴重威脅。由于老采空區水害具有突發性強、水量大、來勢猛、破壞性大且有腐蝕性等特點，對礦井采掘工作面人員及安全生產構成極大威脅，輕則使工作面、采區停產，重則可能導致開采水平甚至全礦井被淹。因此，探究慈林山煤礦涌水問題及水害防治有著尤為重要的現實意義。

1 礦井概況

慈林山煤礦位于長治市長子縣慈林鎮莊頭村北。該礦始建于1953年，井田范圍內含可采煤層3層，自上而下煤層編號分別為3、9、15號煤層。全礦井共布置2個回采工作面，4個掘進工作面。礦井采用斜井、立井聯合開拓方式，現設有主斜井、副立井、進風斜井和回風斜井，其中主斜井傾角18°。2010年7月，3號煤層工作面全部結束開采，礦井現正在回采9、15號煤層。

3號煤開采時正常涌水量為80m3/h，最大涌水量為180m3/h。目前采空區涌水量基本穩定在120m3/h，采空區的補給水源為第四系松散層潛水及正常基巖裂隙水，3號煤埋深較淺，大氣降水入滲補給松散層潛水，并以接力下滲的方式最終進入到3號煤采空區。鑒于3號煤現已采完，為保證礦井可持續發展，對9、15號煤層的延深做了大量工作。

新開鑿主斜井到15號煤，安裝帶寬1200mm帶式輸送機和索道架空人車，擔負全礦井煤炭運輸任務和上下人員任務并兼做進風井和安全出口。原有主斜井直接延深到15號煤作為副斜井，擔負礦井輔助提升任務并兼做進風井和安全出口。回風斜井延深至9號煤，15號煤采用集中回風斜巷延深，擔負全礦井的回風任務，并兼作安全出口。

本區屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明。本區最高溫度36℃，最低溫度-29℃，年平均氣溫7.5℃～12℃。一月份氣溫最低，平均-4.8℃，七月份氣溫最高，平均23.3℃；年平均降水量500～650mm，多集中在夏秋兩季。蒸發量1400mm，大于降水量。風向多為正南及南西向，最大風速為20m/s，無霜期150～200d，冰凍期在十月下旬至來年四月中旬，最大凍深度55mm。

根據地質測量及鉆探資料，區內發育地層包括奧陶系中統峰峰組（O2f）、石炭系中統本溪組（C2b）、上統太原組（C3t），二疊系下統山西組（P1s）、下石盒子組（P1x），上統上石盒子組（P2s）及第四系中、上更新統（Q2+3）。井田內煤層主要分布在二疊系下統山西組和石炭系上統太原組，具體見表1。

2 礦井涌水量預測

表1 可采煤層一覽表

礦井的涌水量構成包括井筒殘留水量，巷道涌水量、工作面涌水量和老空區來水量等。3號煤由于埋藏淺，在開采過程中導水裂縫帶的發育最高可直接導通地表，因此涌水一部分是直接由地表進入礦井的。同時3號煤頂板為板砂巖裂隙含水層，構成3號煤層的充水水源。9號、15號煤開采時礦井內涌水除一部分直接來自于導水裂縫帶，另一部分將來自井田內的老空區。慈林山煤礦4-4線工程地質剖面見圖1。

2.1 9號煤層

對9號煤層開采地段進行涌水量預算。計算面積為6.4640×106m2。采用大井法，選用承壓轉無壓完整井涌水量公式進行計算。

式中：k——滲透系數，m/d，取0.0227m/d；

h——計算范圍內9號煤層底板至K4底板間距的平均值，取4.41m；

H——水柱高度，m，為E1孔抽水時恢復水位標高（932.78m），至計算范圍內9號煤層最低標高（816.30m）的間距與h之和，取120.89m；

M——含水層厚度，m，取E1孔的資料25.09m；

s——水位降深，m，為E1孔恢復水位標高至計算范圍內9號煤層最底標高的距離，取116.48m；

r0——視計算范圍為不規則形狀，

經計算，該含水層涌水量為3346.33m3/d。井田周圍沒有開采9號煤層的礦井。依據經驗，礦井正常涌水量取1500m3/d，即62.5m3/h。最大涌水量取3300m3/d，即137.5m3/h。

2.2 15號煤層

本次對15號煤層開采地段進行涌水量預算。計算面積為6.4640×106m2。采用大井法和水文地質比擬法進行計算。

（1）采用大井法，選用承壓轉無壓完整井涌水量公式進行計算。

式中：k——滲透系數，m/d，取0.0511m/d；

h——為計算范圍內15號煤層底板至K2底板間距的平均值，取6.67m；

H——水柱高度，m，為E1孔抽水時恢復水位標高（894.87m），至計算范圍內15號煤層最低標高（771.23m）的間距與h之和，取130.31m；

M——含水層厚度，m，取E1孔的資料10.50m；

s——水位降深，m，為E1孔恢復水位標高至計算范圍內15號煤層最底標高的距離，取123.64m；

r0——視計算范圍為不規則形狀，r0=

經計算，該含水層正常涌水量為2327.59m3/d，即97.0m3/h，最大涌水量取142.5m3/h。

（2）水文地質比擬法。根據本井田相鄰的反坡煤礦資料顯示，該礦井年產量為30×104t，涌水量為10m3/h，用含水系數法進行計算，計算公式為：

式中：Q——生產礦井涌水量，m3/d；

Kp——含水系數，m3/t；

P——礦井設計產量為60×104t，每年按300d計算，取2000t/d。

經計算預計礦井涌水量為480m3/d。

2.3 計算結果確定

經計算9號煤開采時正常涌水量為62.5m3/h，最大涌水量為137.5m3/h；15號煤開采時正常涌水量為97.0m3/h，最大涌水量為142.5m3/h，9號、15號煤正式投產后全井田正常涌水量為159.4m3/h，最大涌水量為280.0m3/h。

3 礦井水害防治技術及措施

3.1 開采9號煤綜合水害防治技術

根據已施工的井下探放水鉆孔表明，慈林山煤礦9號煤至3號煤之間砂巖含水層富水性較弱，鉆孔在穿越該段基巖時，鉆孔基本不出水，只有部分鉆孔在穿透基巖進入到3號煤采空區時，有采空區積水流出。因此9號煤開采時，基巖內的水不會對工作面產生災難性威脅，但是3號煤采空區積水將會對工作面產生災難性威脅，開采時應加強采空區積水的疏放工作。此外，為了防治同層煤相鄰采空區積水對開采工作面的威脅，應加強相鄰工作面之間的煤柱合理寬度留設工作，并對防水墻進行科學設計與施工[5]。9號煤水害防治具體有以下措施：

（1）為了減輕3煤采空區積水對9煤回采的影響，設計在采空區地表施工抽水孔（井），把采空區水抽到地表然后利用管路排放到污水處理池中，經簡單處理后再回收利用。

（2）利用在9號煤工作面兩側順槽向影響區域內的3號煤采空低洼處施工泄水孔，將老空積水通過鉆孔導入管路或水溝內，然后再排到指定水倉。

（3）對開采工作面相鄰采空區積水的防治主要是留設適當寬度的安全防水煤巖柱，用以抵御采空區內的側向靜水壓力，防止地表水、地下水（松散層孔隙水、含導水斷層、導水陷落柱、含水層）、老窯水潰入巷道或工作面。

3.2 開采15號煤綜合水害防治技術

15號煤開采后，由于上覆基巖不能形成完整結構，導致15號煤導水裂縫帶與9號煤采空區相通，而9號煤又與3號煤采空區相通，因此15號煤開采后，將溝通上覆所有水體。15號煤巷道掘進過程中，在運輸巷和軌道巷各遇到1條逆斷層，均不導水，但不排除尚未揭露的導水斷層；另在巷道掘進過程中，2條巷道都遇到了不導水陷落柱，迫使原設計開切眼后退至950m里程，根據地質雷達探測結果該工作面內尚存在異常區域；此外，通過巷道上方施工的錨桿及錨索揭露的頂板含水層情況分析，在頂板K2灰巖富水性較強，對工作面的安全回采將會造成一定的威脅。

因此，15號煤開采時存在斷層、陷落柱及K2灰巖水的威脅，另還有可能溝通3號煤老空水，在開采15號煤時應加強上述水害的疏放工作。此外，為了防治同層煤相鄰采空區積水對開采工作面的威脅，應加強相鄰工作面之間的煤柱合理寬度留設工作，并對防水墻進行科學設計與施工。15號煤工作面形成后，應根據已經揭露的9號煤底板標高情況，選擇底板標高最低處作為探放水終孔目標之一，對采空區積水進行疏放，此外還必須將鉆孔延伸至3號煤采空區內，將這2個采空區積水同時疏放，確保開采工作面的安全。

3.3 斷層水防治技術措施

據慈林山煤礦地質報告，在礦區內存在：莊頭正斷層、慈林山正斷層、反坡正斷層、F1斷層。對于斷層附近側向突水，一般留有足夠的防水煤柱就可以解決，而對于陷落柱垂向突水防治則難度很大。因為導水陷落柱一般是隱伏的，事先很難發現。但這可通過放水試驗，根據其高水位導常區，再配上物探方法探測其生存構造空間及形態。

考慮到斷層水害對煤礦開采的嚴重威脅，且精查階段地震勘探的精度有限，本規劃建議在首采區補充勘探中列入三維地震物探探查工作，以進一步查明首采區各工作面中斷層的發育情況，為采掘工作安全開展提供保障。采掘工程接近或揭露甚至穿過這些斷層時，可采取不同的預防與處理措施，具體見表2。

4 結論

表2 斷層水突出的防治措施

（1）慈林山煤礦9號煤層開采的主要充水水源是第四系松散層潛水含水層和3號煤采空區積水，導水通道是煤層開采形成的垂向導水裂縫帶；15號煤開采時主要充水水源為K2灰巖水、9號煤采空區積水及3號煤采空區積水，導水通道是煤層開采形成的垂向導水裂縫帶、斷層及陷落柱。

（2）通過大井法和水文地質比擬法預測9號煤開采時正常涌水量為62.5m3/h，最大涌水量為137.5m3/h；15號煤開采時正常涌水量為97.0m3/h，最大涌水量為142.5m3/h，9號、15號煤正式投產后全井田正常涌水量為159.4m3/h，最大涌水量為280.0m3/h。

（3）9號煤開采時主要面臨的是3號煤采空區積水威脅，通過充水系數法初步預測3號煤采空區積水量為39.4×104m3，鑒于采空區積水具有突發性強、水量大、來勢猛、破壞性大且有腐蝕性等特點，采用井下疏放水方案對該采空區積水進行防治；9號煤、3號煤采空區積水對15號煤存在威脅，同樣采用井下疏放水方案對其進行防治。

（4）鑒于慈林山礦區內存在大量斷層，建議巷道掘進過程中進行采前探測工作，對于工作面內的斷層、陷落柱建議采用物探方法探測其空間構造及形態，為采掘工作順利、安全開展提供保障。