礦井巖溶水突水因素分析及防治措施研究

曹少飛

（山西晉煤集團(tuán)晉圣坡底煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

我國灰?guī)r巖溶分布很廣，面積大約為2×106km2，約占國土面積的1/5，這些地區(qū)往往是重要的煤產(chǎn)地，有60%的煤礦不同程度地受到底板巖溶承壓水的威脅，受水害的面積和嚴(yán)重程度均居世界各主要采煤國的首位。在過去的50年當(dāng)中，我國煤礦突水頻率增長了2.57倍，一次突水量由5～20m3/min增至50～240 m3/min，甚至有的高達(dá)2053m3/min，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)30億元。根據(jù)我國煤礦歷年底板突水統(tǒng)計(jì)，煤層底板突水是煤礦安全生產(chǎn)中急待解決的實(shí)際問題，煤層底板突水事故的發(fā)生，不僅嚴(yán)重制約著我國煤炭資源的開采，而且也制約著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，對煤層頂?shù)装逋凰@一問題進(jìn)行深入研究是十分必要的。本文以屯蘭礦為例，分析奧陶系上馬家溝組含水層突水因素，并提出了相應(yīng)的防治措施，為煤礦安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 突水機(jī)理分析

采掘擾動之前，各巖層均處于平衡狀態(tài)，煤層與相鄰含水巖體中的地下水受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌及溶蝕條件的控制，呈自然流動的均衡狀態(tài)。采掘后，巖體原有的應(yīng)力平衡將被打破，在新的平衡建立之前，煤層頂?shù)装逯袑l(fā)生一系列的工程地質(zhì)現(xiàn)象，如頂板冒落、底鼓和煤幫塌落等。頂板冒落和底鼓使含水層天然流場發(fā)生改變，在水量充足或倒水通道聯(lián)通的情況下，地下水可沿導(dǎo)水裂隙涌入礦坑，從而形成突水事故。

1）頂板破壞及涌水。當(dāng)前條件下，大多數(shù)煤礦通常采用全部垮落法，形成了大面積的采空區(qū)，采空區(qū)上方可形成冒落帶(Ⅰ)、裂隙帶(Ⅱ)和整體移動帶(Ⅲ)。冒落帶和裂隙帶使連續(xù)分布的含水層受到破壞，出現(xiàn)大量泄水通道，使得上覆含水層中的地下水在重力的作用下，沿著這些泄水通道進(jìn)入礦井。如若裂隙帶到達(dá)地表，則極有可能貫通地表水，造成大量水體涌入礦坑而出現(xiàn)淹井事故。

2）底板破壞及涌水。底板涌水的原因是含水層水壓、采動礦壓、隔水層厚度及導(dǎo)水裂隙等因素共同作用的結(jié)果。按采場底板變形和破壞程度不同，可將煤層底板以下至含水層部位分成直接底板采動裂隙帶、中間彈塑性變形帶、底板采動地下水導(dǎo)升裂隙帶。

當(dāng)煤層頂?shù)装鍘r層有效隔水層厚度達(dá)不到安全厚度或物理力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)不到安全值的時(shí)候，地下水（尤其是奧陶系巖溶水）極有可能在礦壓、水壓的聯(lián)合作用下沿巖層溶蝕地帶（如斷層破碎帶、裂隙發(fā)育帶）涌入礦井，造成水害事故。

2 實(shí)例分析

屯蘭礦地處西山煤田古交礦區(qū)西部，由于該煤田處于晉祠泉域巖溶水系統(tǒng)內(nèi)，致使其腹地的鎮(zhèn)城底、馬蘭、屯蘭礦形成巖溶水帶壓開采，特別是屯蘭井田處于“煤盆”，大部處于奧灰?guī)r溶水壓之下，其承受的最大水壓力為4.54MPa。由于大面積帶壓開采區(qū)的存在，導(dǎo)致煤礦正常生產(chǎn)受到極大的威脅，且“奧灰水”給采礦帶來的安全隱患將隨著生產(chǎn)進(jìn)程的不斷深入而逐漸增多。

根據(jù)已完成的勘探資料及礦井生產(chǎn)地質(zhì)資料，分析研究屯蘭礦礦井水文地質(zhì)條件，分析礦床充水因素，將研究區(qū)天然涌水量分為五個(gè)區(qū)段，如圖1所示。

圖1 O2 s含水層天然涌水量分區(qū)圖

1）富水性極強(qiáng)區(qū)(Ⅰ)：主要分布于井田中部的梁莊及北部的屯村、風(fēng)坪嶺、東灘上村及和尚峁附近，呈“點(diǎn)”狀，Q≥2000m3/d。

2）富水性強(qiáng)區(qū)(Ⅱ)：本區(qū) 2000＞Q≥500m3/d。大面積分布于井田北及中部，其中零散分布有富水性極強(qiáng)區(qū)（Ⅰ）和富水性強(qiáng)區(qū)（Ⅱ）。

3）富水性中等區(qū)(Ⅲ)：主要展布于古交市、土地溝、姬家莊一線，井田北部呈條帶狀，其中西曲礦界內(nèi)面積稍大。本區(qū)500＞Q≥100m3/d。

4）富水性弱區(qū)(Ⅳ)：該區(qū) 100＞Q≥20m3/d。沿 F21斷層西南端、土地溝南呈一近東西向的條帶；古交市南至李家社東南北向分布。此外在井田最南部和西曲礦有小面積出現(xiàn)。

5）富水性極弱區(qū)（Ⅴ）：分布于井田南部，沿王芝茂斷層（F17）以北展布；大川河?xùn)|岸東曲礦內(nèi)小面積發(fā)育。本區(qū)Q＜20m3/d。

2.1 供水水源

井田內(nèi)汾河、屯蘭河谷松散沖積層，賦存豐富的潛水，水質(zhì)良好，易于開采，可做為供水水源，經(jīng)山西148隊(duì)1966～1967年對汾河、屯蘭河河谷沖積層進(jìn)行的水源勘探，獲得地下水開采儲量1.16萬m3/d；砂巖裂隙水可作為補(bǔ)充水源；區(qū)內(nèi)奧陶系巖溶水水質(zhì)較差，可作為部分工業(yè)用水，古交及其以東奧灰?guī)r溶水水量充沛，水質(zhì)較好，可作為后備水源。

2.2 突水因素分析

1）根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔抽水資料，分析各含水層富水性等指標(biāo)，判定其對頂?shù)装宓挠绊懀ㄒ姳?）。

表1 屯蘭礦主要含水層特性表

2）采空區(qū)積水：根據(jù)掌握的資料，屯蘭礦2號煤采空區(qū)存在著積水面積約5.8×105m2，積水量1.3×106m3的積水，對下組煤的開采將構(gòu)成一定的威脅。井田內(nèi)小煤礦采空區(qū)的范圍有限，且留有防水煤柱，不會對礦井造成影響。

3）斷層、陷落柱：井田內(nèi)斷層、陷落柱導(dǎo)水性較差，但隨著采深的不斷增加，開采煤層與奧陶系含水層的距離將越來越近短，必將導(dǎo)致地下水沿?cái)鄬印⑾萋渲仙斐赏凰膸茁试黾印?/p>

2.3 突水系數(shù)的計(jì)算

采用《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（GB12719-91）國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的理論公式：

式中：Ts為突水系數(shù) (MPa/m)；P為隔水層承受的水壓力(MPa)；M為底板隔水層的厚度(m)；Cp為采礦對底板隔水層的擾動破壞厚度(m)。

圖2 2號煤層突水系數(shù)等值線圖

圖3 4號煤層突水系數(shù)等值線圖

圖4 8號煤層突水系數(shù)等值線圖

圖5 9號煤層突水系數(shù)等值線圖

通常，正常塊段的突水系數(shù)值不超過0.15MPa/m，底板受構(gòu)造破壞塊段的突水系數(shù)不超過0.06MPa/m即可視為安全區(qū)。屯蘭礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造切割強(qiáng)烈，因此選用0.06MPa/m標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)研究區(qū)鉆孔資料確定2、4、8、9號煤層各參數(shù)值。奧灰水壓標(biāo)高與奧灰頂面標(biāo)高之差即為各煤層底板水壓力值，煤底板深度與奧灰頂面深度值之差為各鉆孔隔水巖柱的厚度；代入式(1)計(jì)算突水系數(shù)。根據(jù)計(jì)算值繪制的各煤層突水系數(shù)，其分布情況見圖2～圖5。

2.4 突水系數(shù)的計(jì)算

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，計(jì)算2、4、8、9號煤層頂板冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶如表2。從表中可看出8號煤冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶最大，分別為47.62±2.5m和97m；2、4號煤相近，其中4號煤導(dǎo)水裂隙帶最小，為12.7m。

從以上計(jì)算可以看出，煤層開采后形成的導(dǎo)水裂隙2、4號煤為33.30m和12.70m，上組煤2、4號煤充水水源主要來自山西組和下石盒子組砂巖裂隙水，因其富水性差，不會對開采形成威脅。下組煤8、9號煤回采后，導(dǎo)水裂隙會將本組及其以上含水層導(dǎo)通，礦坑涌水量將增大，同時(shí)上組煤采空區(qū)積水也會對下組煤開采形成威脅。但由于本區(qū)煤系地層富水性弱，故只要做好井下排水工作，正常情況下不會對礦井造成大的危害。此外，雖然據(jù)現(xiàn)有資料分析，區(qū)內(nèi)斷層不導(dǎo)水或基本不導(dǎo)水，但是在開采狀態(tài)下隨著巖移變形，斷層的導(dǎo)水性可能會有所改善，使得煤系上覆含水層與井下導(dǎo)通。

表2 各煤層冒落帶導(dǎo)水裂隙帶最大高度計(jì)算表

3 預(yù)防措施

為預(yù)防采掘過程中突然涌水而造成波及全礦的淹井事故，確保煤礦生產(chǎn)安全，通常可采取以下措施：

3.1 防水閘門

該閘門一般由混凝土墻垛、門框和能開閉的門板組成。無論平面形或球面形的門扇，水閘門門體的強(qiáng)度必須保證在承受水壓時(shí)不撓曲，使門扇和門框緊密吻合。墻的四周要楔入巖石，使它不致漏水并能承受較大的水壓。

防水閘門應(yīng)當(dāng)砌筑在通往水害威脅地區(qū)巷道的總匯合處，井底車場和井下泵房，以及變電站也應(yīng)設(shè)置防水閘門。水閘門平時(shí)開啟，在需要運(yùn)輸?shù)南锏纼?nèi)，閘門所在位置應(yīng)裝設(shè)短的活動鐵軌，當(dāng)發(fā)生透水時(shí)，可迅速將活動鐵軌拆除，關(guān)閉閘門。

3.2 防水墻

防水墻是用不透水材料構(gòu)筑的封閉擋水設(shè)施，是一種永久性的構(gòu)筑物，主要用于隔絕積水的老空或有透水危險(xiǎn)的區(qū)域。防水墻應(yīng)滿足以下條件：①筑墻處的巖石應(yīng)堅(jiān)固和沒有裂縫；②不透水，不變形，不位移；③具有足夠的強(qiáng)度，能承受涌水的壓力；④應(yīng)裝有測量水壓的水管和放水管，放水管用以防水墻在未干凝固前承受過大的水壓。

3.3 注漿堵水

根據(jù)不同的水文地質(zhì)條件、不同的出水水源、不同的出水通道制定相應(yīng)的堵水方案。準(zhǔn)確施工地面或井下注漿鉆孔，采用科學(xué)合理的注漿工藝和方法，是達(dá)到快速治理水患的關(guān)鍵所在。

4 結(jié) 論

本文以屯蘭礦為例，分析奧陶系上馬家溝組含水層突水因素，得出以下結(jié)論：

1）井田2、4號煤除非帶壓區(qū)外其余為安全區(qū)，2號煤突水系數(shù)0.005～0.031MPa/m，4號煤突水系數(shù)0.005～0.033MPa/m；8、9號煤存在著安全區(qū)、臨界區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)，8號煤突水系數(shù)0.0113～0.0843MPa/m，9號煤突水系數(shù)0.0132～0.01187MPa/m。

2）隨著煤層埋藏深度的增加，突水系數(shù)亦增大，在主要斷裂帶附近突水系數(shù)也超過了0.06MPa/m限值。

3）在巷道穿過有足夠強(qiáng)度隔水層的適當(dāng)?shù)囟卧O(shè)置防水閘門和防水墻，以防止采掘過程中因貫通老空水等水體，導(dǎo)致突然涌水而造成淹井事故。