溝底煤礦充水條件分析及防治水對策

趙方亮

（山西高平源野煤業有限公司 山西晉城048000）

1 引言

沁水煤田溝底煤礦為晉城礦區規劃新建礦井之一，礦井建設規模為5.0 Mt/a，井田面積71.07 km2，批準開采3號煤層。針對3號煤層受頂板多層砂巖裂隙水、底板灰巖巖溶裂隙承壓水威脅的實際情況，在分析水文地質條件的基礎上,運用地理學、水文地質學理論和定性、定量相結合的方法，對礦井充水條件進行系統分析，對礦井涌水量進行了估算。同時，針對主要水害因素，提出了相應的安全技術措施。

2 井田地質及水文地質概況

溝底煤礦井田位于沁水煤田南部晉城礦區東北部，所在區域地層自下而上為：古生界（奧陶系、石炭系、二疊系）、中生界（三疊系）、新生界（第四系）。巖溶水文地質單元屬高平－晉城盆地三姑泉域水文地質單元。首采盤區3 km2三維地震勘探解釋斷層14條，陷落柱23個。

圖1 井田構造綱要圖

3 3號煤層充水條件分析

3.1 充水水源

3.1.1 大氣降水及地表水

經調查區域井田年均降水量為458.33 mm，雨量集中于5～9月份。一般大氣降水不會直接造成礦井災難性水害。溝底煤礦3號煤層埋深在300 m以上，開采形成的最大導水裂隙帶高度為83.49 m，小于煤層埋深。井田內無大的地表水體，溝谷中均存在季節性河流。一般情況地表水對3號煤層不存在充水威脅。

3.1.2 3號煤層頂板充水水源

開采3號煤層形成的導水裂隙可延伸到上石盒子組K9砂巖裂隙含水層、二疊系下統下石盒子組、山西組砂巖裂隙承壓水含水層。K9砂巖平均厚度5.39 m，屬弱富水性－中等富水性含水層。K8砂巖平均厚度5.55 m，屬弱富水性含水層。井田內3號煤層大部分頂板含水層富水性弱，補給主要靠上部風化帶和松散層補給，補給條件一般。

3.1.3 上石炭統太原組巖溶裂隙含水層

該含水層由K2、K3、K4、K5、K6五層石灰巖組成，全井田發育。其中K6石灰巖平均厚度0.30 m，。K5石灰巖平均厚度2.62 m，K4石灰巖平均厚度0.56 m，K3石灰巖平均厚度3.13 m，K2石灰巖平均厚度10.60 m，局部發育巖溶裂隙。該含水層屬富水性弱的巖溶裂隙含水層。

3.1.4 奧灰水

帶壓開采是指在經濟技術允許的情況下，充分利用3號煤層底板至奧陶系峰峰組頂面之間隔水層的抗（阻）水性能，在帶壓開采范圍采取某些技術措施之后，能夠安全、順利的進行煤層采掘過程。井田內奧灰水水位標高625 m～607 m，3號煤層底板標高280 m～680 m，3號煤層大部塊段處于奧灰水水位之下存在帶壓開采。對底板的穩定性分析評價采用完整隔水層突水系數法。

（1）底板突水系數計算公式選取：本次突水系數采用《煤礦防治水規定》中突水系數計算公式（1）計算：

式中：T－突水系數，MPa/m；

P－3號煤層底板至奧灰頂之間隔水層所承受的水頭壓力，MPa；

M－3號煤層底板至奧灰頂之間隔水層厚度,m。

（2）計算突水系數相關參數的選取

底板隔水層厚度（M）：本次底板隔水層厚度是指3號煤層底板至奧陶系頂面之間的隔水巖層總厚度，即：

式中：H煤－3號煤層底板賦存標高，m；

h－奧陶系頂面標高，m。

底板隔水層承受的水頭壓力（P）：溝底煤礦3號煤層底板所承受的承壓水主要為奧陶系巖溶含水層水。因此，在確定水頭壓力時，采用奧灰水的水位標高減去相應的奧陶系頂面標高值，作為3號煤層底板所承受的水壓力。

式中：H－奧灰水水位標高值，m；h－奧灰頂面標高值，m。

（3）突水系數的計算

根據礦井水文地質鉆孔資料，確定各鉆孔隔水層的厚度與底板隔水層承受的水頭壓力，并代入突水系數計算公式中計算突水系數，計算結果詳見表1。

由表1可知，井田內3號煤層最大突水系數為0.042 MPa/m，小于底板受構造破壞塊段臨界突水系數0.06 MPa/m，井田大部屬于帶壓開采安全區（見圖2）。雖然井田可以進行帶壓開采，但在隱伏斷裂構造附近有發生突水可能。

表1 3號煤層突水系數計算成果表

圖2 3號煤層帶壓分區圖

3.2 礦井充水通道

可能成為充水通道包括斷層、陷落柱、封閉不良的鉆孔及瓦斯抽采井、導水裂隙帶、采空塌陷等。

3.2.1 斷層

經首采區三維地震勘探，發育14條斷層，其中落差大于等于5 m的斷層7條，落差大于3 m的斷層7條。除DF1為逆斷層，其余均為正斷層。首采區內絕大多數斷層均為張性正斷層，其中較大斷層具有一定破碎帶，存在一定導水性，開采臨近這些斷層時加強其導水性探測和防范。

3.2.2 陷落柱

三維地震勘探在首采區內共解釋陷落柱23個，眾多的陷落柱在首采區內形成大量無煤柱，并對陷落柱邊緣煤層也造成一定程度的破壞。在這些陷落柱附近開采時，必須留設保安煤柱并加強加防范，及時了解陷落柱的導水集水情況，確保安全生產。

3.2.3 封閉不良的鉆孔及瓦斯抽采井

根據勘探資料，井田內施工的鉆孔均按設計要求進行了封孔，雖然鉆孔均已密閉，達到封孔要求，但是在采礦活動接近或者揭露鉆孔時，仍應加強探測。

煤層氣公司施工的瓦斯抽放井，均不封孔。因此以后在采掘過程中需提前與煤層氣公司溝通協調，提前處置鉆孔，采取相應的措施，以防作為導水通道，形成水害。

3.2.4 導水裂隙帶

3號煤層厚度為4.35 m～7.45 m，平均5.88 m，頂板為泥巖、粉砂質泥巖，局部為中粒、細粒砂巖，底板為泥巖、粉砂質泥巖，局部為炭質泥巖、泥質粉砂巖或泥質細砂巖。由表2可知，3號煤層頂板巖石強度屬于軟弱－堅硬。根據設計，井田內3煤層采用大采高綜采一次采全高采煤法開采，平均采高高度6.0 m。

表2 3號煤層頂板力學測試結果表

依據《三下采煤規程》3號煤層垮落帶、導水裂隙帶高度：

垮落帶高度計算公式（堅硬）為：

式中：Hm－垮落帶高度；

∑M－累計采厚。

導水裂隙帶高度計算公式（堅硬）為：

式中：Hli－導水裂隙帶高度；

∑M－累計采厚。

3號煤層采高為6.0 m，經公式計算3號煤層垮落帶高度為18.48 m～23.48 m，導水裂隙帶高度為56.32 m～83.49 m。開采3號煤層形成的最大導水裂隙帶高度為83.49 m，小于煤層埋深，不會延伸到地表，可溝通下K9砂巖裂隙含水層、二疊系下統下石盒子組、山西組砂巖裂隙承壓水含水層。

3.2.5 采空塌陷

溝底煤礦井田內煤層未進行開采，地表不存在塌陷，但隨著井田內3號煤層大面積開采后，塌陷裂隙帶與地表基巖分化裂隙帶溝通，導通采掘工作面與地表，這些裂隙將成為大氣降水及地表水與礦坑之間的導水帶。

3.3 充水強度

溝底煤礦處于基建階段，井下礦井涌水量每天約10 m3。

4 涌水量估算

礦坑系統涌水量采用水文地質比擬法與解析法進行計算對比。

表3 3號煤礦坑涌水量預算結果表

據井田水文地質條件分析，采用富水系數比擬法預算的結果在偏大，采用單位涌水量比擬法的預算結果偏小，采用解析法的預算結果相對較為適合本井田的水文地質情況。解析法所得礦坑涌水量的平均值Q=5 597 m3/d（233 m3/h)作為首采區礦坑系統的正常涌水量。礦山生產初期的礦坑涌水量一般達不到正常涌水量，隨著開采時間的延長，巷道采空區范圍的逐步擴大及礦坑頂板冒落導水裂隙帶的形成與發展，礦坑涌水量會相應不斷增大。

5 礦井主要水害分析

（1）煤層上覆上石盒子組K9砂巖裂隙含水層、二疊系下統下石盒子組、山西組砂巖裂隙承壓水含水層局部富集區，通過構造裂隙和頂板采動裂隙滲入采區巷道導致局部地段礦井涌水量增大，存在發生水害的可能。

（2）上石炭統太原組巖溶裂隙含水層水對3號煤底板一般都具有承壓性。該含水層以弱富為主，但由于局部存在富水區，在高水壓的影響下，瞬時水量會較大，對礦井安全生產有一定的威脅。

（3）在奧灰帶壓區開采時，存在深部奧灰水沿導水構造突入巷道的可能。

（4）隨著時間的推移，鄰礦開采范圍不斷擴大，當在本井田邊界鄰近形成采空區和廢棄巷道后，其積水將對本礦開采生產造成充水威脅。

（5）溝底井田斷層及陷落柱較發育，部分構造存在一定的導水性，尤其是陷落柱如具有導水性可直接溝通奧灰水與生產掘進工作面，易形成特大的水害事故。

6 防治水技術措施

（1）需采取合理布置巷道、疏水降壓、利用先掘巷道和工作面提前疏放水、加強井下排水能力，完善排水系統等措施。

（2）通過專門的工程和技術措施在人工受控的條件下進行超前預疏水，根據礦井的水文地質情況，可以采用突水點、疏水鉆孔疏水等。將水壓降至底板隔水層阻水所能承受的范圍。

（3）對采區內的隱伏斷層及陷落柱提前進行鉆探和物探勘查；對灰巖水合理受控疏水，對奧灰水采取疏水降壓與堵水加固相結合；加強地質與水文地質補充性勘查；建立完善的水害監測系統；提高排水能力；治水工程要按照疏放和堵水相結合的原則；采取“防、堵、疏、排、截”綜合治理措施。

（4）及時收集掌握相鄰礦井采掘情況，并標示在充水性圖上。

（5）對已查明的斷層及陷落柱進行導水可行性評價，對于隱伏斷層及陷落柱提前進行井上下物探勘查和鉆探驗證；對有可能溝通強含水層的斷層及陷落柱留設防水煤柱進行保護。