冶坪煤礦礦井水害類型及防治措施

郭中平

(陜西美鑫礦業有限公司，陜西 銅川 727102)

0 引言

焦坪礦區位于黃隴侏羅紀煤田東北部，大地構造位置處于鄂爾多斯盆地南緣，總體為傾向北西的單斜構造，地層傾向在單斜的基礎上又發育了一系列走向東北的寬緩褶皺。其中，王家溝背斜、三官廟背斜、七木橋背斜把全礦區分隔成新村—建莊、山神梁、杏樹坪—玉華川、陳家山—上石節4個分區。本井田位于杏樹坪—玉華川分區。礦區內未發現大的斷層及巖漿巖，構造屬簡單類型。焦坪礦區冶坪煤礦在開采設計時，為進行資源整合，需明確水害類型及危害程度[1-3]，并制定有針對性的防治措施，進而確保礦井的安全生產。

1 工程背景

井田主要開采3號煤層，未來礦井煤層直接充水含水層為侏羅系中統直羅組砂巖含水層與侏羅系中統延安組砂巖含水層。侏羅系中統直羅組下段砂巖裂隙含水層巖性由紫灰色、紫紅色、灰綠色泥巖、粉砂巖、中粗粒砂巖組成，粒度向下部逐漸變粗，富水性弱。該層全井田分布，厚度23.67～107.70 m，平均厚度69.21 m。侏羅系中統延安組砂巖裂隙含水層為井田含煤地層，厚度14.63～96.63 m，平均厚度48.16 m。巖性由深灰色、灰黑色砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層組成。根據YK3-7號鉆孔對J2z+ J2y地層進行的混合抽水試驗，得出鉆孔涌水量0.014 L/s，單位涌水量0.000 12 L/(s·m)，水位埋深190.12 m，滲透系數為0.000 066 m/d，礦化度0.645 g/L，水質為SO4·HCO3-Na型水，且富水性弱。

2 水害類型及威脅程度

2.1 充水水源

第四系潛水由于未被導水裂縫帶導通，故其為礦井充水的補給水源[4-5]。洛河組含水層地下水由于富水性中等，且部分被導水裂縫帶導通而成為未來礦井的主要和間接充水水源，對煤層開采會造成直接的威脅。煤層頂板延安組和直羅組均為承壓水，其富水性弱，易于疏干，為未來礦井的次要和直接的充水水源，對煤層開采不會造成大的威脅。3號煤層直接充水含水層為直羅組和延安組砂巖裂隙含水層，因此，冒落、導水裂縫為未來礦井的主要充水通道。礦井4-2號煤層直接充水含水層為直羅組和延安組砂巖裂隙含水層，部分地段洛河組砂巖裂隙水(富水性中等)通過導水裂縫帶也可能直接進入礦井，成為煤層的間接充水含水層。煤層頂板導水裂縫帶內洛河組富水性強、延安組和直羅組富水性弱，使洛河組成為未來礦井主要的充水水源，對未來礦井的生產會造成大的影響，故未來礦井應做好洛河組含水層的防水工作[6-7]。而延安組和直羅組、地表水、大氣降水對礦井生產影響不大，做好預防人為因素導致的地表水或第四系潛水進入礦井。

2.2 采空區及地下水

2.2.1 采空區積水

經調查井田內無生產礦井及小窯。井田東部相鄰崔家溝煤礦，南部為下石節煤礦。相鄰這兩座煤礦已生產多年，礦井生產中必須嚴格執行《煤礦防治水規定》，加強工作面探放水，嚴防相鄰礦井越界回采形成的采空區積水、積氣造成安全事故。先前地質報告未收集到相鄰礦井采空區位置、范圍、積水、積氣情況，下一步應繼續收集這方面資料，為礦井的安全生產提供可靠依據。該礦井共開采3號、4-2號煤層，存在資源壓覆，先開采上覆3號煤，開采下覆4-2號煤層時，會存在3號煤層采空區積水問題，影響4-2號煤層的開采，造成礦井突水的可能。

2.2.2 地下水補給

該區構造簡單，溝谷坡降比大，利于大氣降水的排泄，地下水補給條件較差。據鉆孔抽水試驗資料顯示，單位涌水量為0.000 12 L/(s·m)，遠遠小于0.10 L/(s·m)，故未來礦井水文地質勘探類型確定為以裂隙充水為主的簡單型，即Ⅱ類Ⅰ型。

3 礦井水害防治措施

3.1 開拓開采所采取的安全保證措施

3.1.1 開拓工程位置及層位選擇

礦井采用斜井開拓方式，工業場地選址于本井田的中南部，位于陳家臺溝下游的安子溝外，此處自然地形復雜，溝道狹窄、溝道最寬處為100 m左右，場地自然標高+1 317～+1 365 m。冶坪工業場地位于一狹長的南北向溝谷內，工業場地南北向延展較長，北部工業場地防洪高程不低于+1 365.5 m，場地實際平均標高為+1 366.0 m，南部工業場地防洪高程不低于+1 323.66 m，場地實際平場標高為+1 331.3 m，工業場地高程高于校核洪水位。礦井開拓大巷沿3號煤層頂板布置，大巷東西向貫穿井田中部，大巷東高西低，為了大巷涌水能夠順利排出，需在大巷東部設置一采區水倉及排水泵房。

3.1.2 采掘工程所采取的防治水措施

在實際采掘工作中必須執行“有疑必探、先探后掘”的探水原則[8-9]；在靠近井田東部邊界及對下伏煤層4-2號煤層進行采掘時，必須先進行探水，再進行回采或掘進，保證回采安全。生產過程中，若遇到富含水層或涌水水源，采取防、堵、截、疏、排等綜合防治措施，嚴防礦井開采過程中潰水，保證礦井安全生產。在回采下伏煤層時，應先對上覆采空區進行探、排、疏水，并做好相應的防治措施。主水泵房的管子道高出泵房地坪7 m以上，并留有足夠空間，便于下放搶險設備和撤退人員。在主排水泵房通道內設置密閉門，確保發生水災時，水泵仍能正常工作。井下沿煤層布置的巷道，受煤層起伏影響，巷道中會出現積水現象，在礦井生產期間應根據實際情況，在巷道適當位置設置水窩，由小水泵將水窩水排至巷道水溝流入井底水倉，保證井下巷道運輸暢通。

3.2 防隔水煤(巖)柱留設

井田主要溝流為陳家臺溝及大西溝溝流，均屬長年性流水，流量隨季節性變化，流量較小，經計算煤層開采后采空區導水裂縫帶不會導通地表水，因此不需要留設地表水體防水煤柱[10]。根據《煤礦防治水規定》中相鄰礦(井)人為邊界防隔水煤柱留設的規定，水文地質簡單型到中等型的礦井，可采用垂直法留設井田邊界防水煤(巖)柱，但總寬度不得小于40 m。通過計算，開采3號煤層時，設計在本井田邊界一側留設寬度為20 m井田境界煤柱。開采4-2號煤層時，設計在本井田邊界一側留設寬度為35 m井田境界煤柱。設計相鄰采區之間留設20 m寬的采區邊界防水煤柱，每側10 m。該礦井為新建礦井，井田內無采空區及小煤礦老空區，因此，不需要留設采空區防水煤柱。

3.3 探放水措施

3.3.1 方法及設備選擇依據

由于井田無帶壓開采區，因此無需采取疏水降壓措施。嚴格堅持“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的16字方針和“物探先行、化探跟進、鉆探驗證”的綜合探測手段的規定[11]。在需要探放水前，必須編制探放水設計，并采取安全措施。探放水方法應以鉆探為主，物探、化探為輔。探放水設備選擇必須能用于井下探水、放水、煤層注水、斷層及巷道底板注漿、滅火等鉆孔及勘探地質構造孔的施工，必須防爆及獲得煤安標志。

3.3.2 探放水設備型號及數量

確定積水范圍后，探水線應沿積水線外推60～150 m，因此確定探水鉆機的鉆進深度應達到150 m。采煤工作面各配備2臺MAZ200型探水鉆機，1用1備；每個綜掘工作面各配備1臺TXU-150型探水鉆機，另外備用了1臺。全礦井共配備5臺探水鉆孔具體參數見表1。

表1 TXU-150型鉆機參數

3.3.3 探放水時的安全措施

探放水前必須編制專項作業規程，并經會審批準后方可實施。組織技術人員、施工人員作業流程，鉆孔的位置、方向、角度必須由測量人員和負責探放水的技術人員親臨現場共同標定。編制水害緊急處理預案，并向井上下作業人員進行詳細的培訓傳達，熟悉水災避災路線，在水害發生時有組織的采取相應的處理措施。探放水的巷道內，若存在低洼易積水段，必須配備和放水量相匹配的排水設備。

3.4 地表水害防治措施

3.4.1 地表防治水設計依據

氣象條件：本區屬大陸性半干旱氣候，年降雨量491.9～892.6 mm，平均為650 mm，降水集中在6～9月份。年平均蒸發量為1 183～1 346 mm，年平均氣溫為9 ℃，最高37.1 ℃，最低-28 ℃，霜凍期為當年11月下旬至來年3月。

地形及水系概況：礦井位于陜北黃土高原之南部，屬中-低山森林區，區內地形復雜，山巒起伏、陡峭，地勢東西高，中南部低，最高點位于東北部邊緣一帶，標高+1 705.9 m，最低點位于西南部的東溝溝谷，標高+1 230.9 m，相對高差475 m，一般為200～250 m左右。本區以鳳凰山至長蛇嶺為分水嶺，以北為洛河水系，以南為渭河水系，為中低山侵蝕型山岳地貌。礦井工業場地范圍內地表水系為東溝，東溝屬洛河水系，向南經杏樹坪、瑤曲鎮于柳林鎮匯入沮河，安子溝和大西溝分別為東溝上游的2個支溝，在粉院匯合后稱為東溝。

防洪標準：冶坪煤礦為大型礦井，礦井工業場地的防洪標準按重現期百年一遇的洪水設計,此外，尚需按重現期三百年一遇洪水進行校核。設計防洪水位為計算水位加安全高度確定，該礦井位于山區，規范規定安全高度為1.0 m。

3.4.2 工業場地地表水防治措施

流量計算：工業場地以上安子溝匯水面積為5.12 km2，流域長度3.9 km，依據當地經驗公式，結合當地流域特征，經計算得：百年一遇洪峰流量為59.5 m3/s，三百年一遇洪峰流量為80.7 m3/s。場前區位于大西溝溝口與東溝匯合處，大西溝匯水面積為6.85 km2，流域長度4.1 km。依據當地經驗公式，結合當地流域特征，經計算得，百年一遇洪峰流量為73.2 m3/s，三百年一遇洪峰流量為98.8 m3/s。此外，安子溝與大西溝匯合后的百年一遇流量為110.74 m3/s，三百年一遇洪峰流量為125.69 m3/s。回風斜井井口處百年一遇防洪標高為+1 360.00 m，三百年校核標高為+1 360.20 m，井口平場標高為+1 364.00 m；副斜井井口處百年一遇防洪標高為1 353.20 m，三百年校核標高為+1 353.40 m，井口平場標高為+1 355.70 m；主斜井井口處百年一遇防洪標高為+1 352.60 m，三百年校核標高為+1 352.80 m，井口平場標高為+1 355.45 m。

溝道改移：安子溝自北向南方從工業場地流過，為保障順利泄洪，避免洪水對場地的威脅，同時便于場地的布置，經方案比較需對安子溝進行改移。結合主副井工業場地布置，安子溝改移至場地西側，采用明渠及涵洞相結合的方式將洪水排至東溝內。場地最北側至35 kV變電所采用底寬4 m，高4.5 m的矩形斷面，曲線處半徑不小于35 m，長度為350 m。據此計算，初步確定預留瓦斯抽采站處防洪高程要不低于+1 365.5 m。工業場地北側標高滿足規范所規定的防洪要求，故場地不受安子溝洪水威脅。35 kV變電所至主副井工業場地最東側采用1～4 m拱涵，曲線處半徑不小于70 m，涵長800 m，在安子溝與大西溝交匯處匯入東溝溝內。據此計算，初步確定主副井工業場地最南側的防洪高程不低于+1 323.66 m，場地實際平場標高為+1 331.3 m。工業場地南側標高滿足規范所規定的防洪要求，故場地不受安子溝與大西溝洪水威脅。

排水溝修筑：主副井工業場地東側有道較大沖溝，支溝的匯水面積為1.6 km2，經水文計算，百年一遇洪峰流量為25.7 m3/s，結合場地布置，為避免沖溝洪水進入場地，需沿場地東側修筑矩形排水溝匯入東溝，底寬及高度均不小于2.5 m。場前區位于東溝西側，場地的布置占用了東溝右側的灘地，為確保場地不受洪水威脅，經計算北側斷面處防洪高程為+1 322.44 m。南側斷面防洪高程為+1 311.72 m。場地自北向南的平場高程為+1 333.00 m和+1 326.21 m。場地西側位于山體挖方段，為防止坡面雨水對場地產生威脅，確保場地安全，經水文計算，結合場地布置需沿場地西側修筑矩形排水溝匯入東溝，底寬1.5 m，高度1.8 m。

平場方式：為確保場地安全，在挖方地段坡頂設置截水溝，攔截上游地表徑流，引至原溝道。結合場地布置，為了滿足生產、運輸、安全及排澇需要，采用連續式平場方式，坡度不小于0.5%，使場內雨水自然排出，最終匯入自然溝槽，保障場地不受內澇威脅。

4 結語

洛河組會成為礦井主要的充水水源，對未來礦井的生產會造成大的影響。相比之下，延安組和直羅組、地表水、大氣降水對礦井的生產影響較小。因此，除了預防人為因素導致地表水或第四系潛水進入礦井外，應重點做好洛河組含水層的防水工作。在礦井水害防治措施方面，開拓工程位置及層位選擇時，應考慮采區水倉及排水泵房的布置。探放水方法應以鉆探為主，并嚴格按照所制定獲批的作業規程操作，而地表水防治時應以工業場地溝道改移和排水溝修筑為主。