上部煤層采空區積水對下組煤層開采的影響

劉德旺

(山西焦煤集團公司，山西 太原 030024)

1 防治水工作概況

1.1 目的與意義

古窯、老窯的積水、礦井回采后采空區的積水(特別是頂板裂隙發育，充水較好的礦井)采空區下山巷道封閉積水(遇構造或坡度增大停掘退出回采)，通常這些積水為靜儲量積水，但其潰入瞬間水量較大，極易造成惡性人身傷害事故或透水停產事故。為了加強礦井防治水工作，防止和減少水害事故的發生，特別是上部煤層采空積水在沒有查清情況下盲目開采下組煤層，使上部采空積水潰入井下造成突發性水害。所以，上部采空積水是今后下組煤開采主要研究的對象。只有加強預測預報、實現有效防范，全面落實山西焦煤集團公司“有掘必探、有疑必鉆”的規定，從整體上提高集團公司防治水工作的專業技術水平和基礎工作水平，是做好礦井防治水工作的重要保證。

1.2 國內外現狀

水害是煤礦五大災害之一，我國煤田水文地質條件非常復雜，因煤礦水害造成的經濟損失和人員傷害均居世界之首。據不完全統計，1996年—2010年6月末，有300多個礦井被水淹沒，死亡人數2 300多人，造成巨大的經濟損失。特別是近年來，由于煤礦生產的擴大和開采深度的加大，煤礦各種水害事故呈反彈和上升趨勢。

1.3 研究的內容

主要研究清交煤田(中興)礦井構造水、裂隙帶水、地表裂縫水、生產用水在采空區低洼地段積聚，如何進行鉆探、疏干。

2 礦區的基本概況與水文地質條件

2.1 礦區的基本概況

中興煤礦是山西焦煤集團公司汾西礦業下屬主要生產礦井之一，為地方小型煤礦(聚鑫煤礦)改擴建的礦井，原設計生產能力為30萬t/年，通過多次技術改造，產能不斷增加，目前，礦井生產能力基本達到300萬t/年。

2.1.1 礦井位置、范圍、交通

中興煤礦位于山西省交城縣境內，行政區劃隸屬交城縣嶺底鄉管轄，距交城縣約10 km。礦區屬西山煤田清交礦區清徐詳查區的一部分。

2.1.2 礦區地形、地貌

中興煤礦位于西山煤田東南部，地處呂梁山脈東側，地貌區劃屬呂梁山南段侵蝕、構造中山區。地勢總體西北高、東南低，向太原盆地傾斜。

2.2 礦區的水文地質條件

井田內河流屬黃河流域汾河水系。磁窯河為礦區較大的季節性河流，在井田中部流過，磁窯河地處汾河中游的西部，屬汾河一級支流，它發源于狐偃山東南側解板溝、塔棱一帶，流向東南，于交城縣城北部轉成南北向匯入白石南河，然后流入汾河。礦區內的含水巖組可分為奧陶系石灰巖、太原組石灰巖、二疊系碎屑巖及第四系砂礫石層。其中奧陶系石灰巖為主要含水巖組，其富水性強，是構成西山煤田東側蘭村泉、晉祠泉的含水層。奧灰巖溶水在西山煤田外圍西、北部裸露接受大氣降水補給，由西、北向東、南徑流，于蘭村泉、晉祠泉排泄。

根據煤炭科學研究院總院西安研究院，礦井防治水安全技術“會診”報告，本礦井充水的含水層富水性弱，礦區大部分地區水文地質條件簡單。

根據近幾年井下采掘過程中礦井涌水量較小為353～630 m3/d(2005年1月—2010年8月)，工作面頂板無涌水現象或者水量極小，說明現開采標高開采2#煤層，對頂板上覆砂巖裂隙含水層擾動破壞較小。

3 礦區主要水源

3.1 礦區主要地表水的滲入

井田處于煤層深埋區，地表出露基巖自東向西為上石盒子組，石千峰組及劉家溝組地層。根據目前開采現狀，采空區上部地表出現不同程度的裂縫(馬莊村東南地表裂縫見圖1)，增加了第四系地表水的補給，在不同程度上使井下裂隙帶涌水和采空積水有所增加。

圖1 塌陷裂縫示意圖

對于上述情況，對井田采空區上部地表裂縫進行了排查，針對地表裂縫所涉及的范圍進行了充填。

3.2 礦井的充水水源

3.2.1 頂板充水水源

中興煤礦的頂板含水層，作為充水水源的直接式和間接式類型都存在。2#煤層頂板以泥巖為主，頂板含水層包括山西組和上、下石盒子組等碎屑巖類裂隙含水層。受補給條件及徑流通道不暢限制，其充水的強度較弱。當在淺部開采2#煤層時，其頂板水一般補給途徑短、循環淺，與淺層地下水發生聯系，因此，水量季節性變化較明顯。特別是地表裂縫水的滲入。

開采引起的頂板出水點的裂隙張開性好，無泥質充填，一般通過放頂后形成的裂隙帶向采面充水，在大面積開采的條件下，頂板水多呈滴水、淋水狀態。由于回采對頂板砂巖含水層疏放強度較大，且補給不足，淺部頂板含水層處于疏干狀態，其頂板已基本無水。

3.2.2 底板間接充水水源

山西組2#煤層煤層底板為泥巖、細粒砂巖，局部為粉砂巖。而2#煤層下3 m左右的4#煤層，該煤層同屬山西組并位于其下部，煤厚1.09～5.39 m，平均2.98 m。屬中厚～厚煤層，中西部與5#煤合并，合并區煤厚1.65 ～5.39 m，平均 3.54 m，東薄西厚，規律明顯。不含或含1～2層夾石，結構簡單－中等。頂板巖性為炭質泥巖，底板巖性為砂質泥巖。由于2#煤層和4#(4+5)煤層相距較近，4#(4+5)煤層為穩定可采煤層，具有隔水層作用，其直接底板為山西組底部的K3砂巖，富水性較弱。

2#煤層底板間接充水水源除山西組底部的K3砂巖(水位標高 +800 m)外，還有太原統(水位標高+789.4 m)薄層L5～L1灰巖和K2灰巖含水層以及本溪組隔水地層之下的巨厚奧灰含水層(水位標高+787.2 m)，由于太灰和奧灰含水層水壓均高于開采高程，2#煤層底板承受奧灰含水層水壓0～2.6 MPa，屬帶壓開采，開采中遇到大的斷裂構造和導水陷落柱時，將導致底板下奧灰含水層地下水向上導通發生工作面突水，一旦灰巖巖溶水進入工作面，由于出水量大并且穩定，不易疏干，會給礦井帶來巨大災害。在正常地層情況下，不會發生對開采造成威脅的突水。

目前，礦井已揭露斷層42條，陷落柱31個，在二采區皮帶巷掘進中發現有陷落柱充填差涌水現象。

實例1:2011年，在二采區皮帶巷揭露的兩個陷落柱中，其中一個陷落柱在測點P36前13.5 m打鉆出水，出水量達到10 m3/h，后4 h出水量逐漸減弱。巷道掘進為下山－6°坡，出水淹沒巷道長達20 m，最深地段達1.5 m，排水后，向頂底板布置3個孔鉆探50 m均無水，鉆探示意圖見圖2。通過向前掘進，揭露長軸約15 m，短軸12 m陷落柱，且局部充填較差，有空洞現象，以上原因是掘進正前出水的主要原因。在后來揭露的陷落柱均無水，且充填較好。

圖2 實例1鉆探示意圖

3.3 采空積水

采空積水一般為封存的“死水”，屬靜貯量，但具有一定的靜水壓力，所以，其充水特點為突發性強，瞬時水量大，持續時間短，破壞性強，有害氣體含量高，對人身和設備的傷害較大。

采空積水由于形成時間較長，積存的水量較大，水源的補給層位復雜，多為混合補給(構造水、裂隙帶水、地表裂縫水、生產用水)，突水時不易控制，是生產礦井的一大隱患。

4 礦井水害隱患威脅程度評價

根據煤炭科學研究院總院西安研究院，礦井防治水安全技術“會診”報告，結合多年來對中興煤礦可能形成的水害隱患分析如下:

4.1 采空區積水

中興煤礦2#煤采空區主要為一采區、二采區，位于西雷莊背斜和東雷莊向斜構造中，隨采空區面積逐步擴大，特別是在開采2#煤之下的煤層時，采空區積水將嚴重威脅礦井的安全生產。在同層開采時注意留設隔離煤柱，而在開采2#煤之下的煤層時，采空區積水將嚴重威脅礦井的安全，必須采取提前疏放措施確保安全。

4.2 導水構造及導水陷落柱

礦井現開采上組煤2#煤層，煤層底板標高為+520～760 m，由于礦區太原統薄層灰巖(+792.22 m)和奧陶系厚層灰巖(+787.21 m)水位標高均高于開采高程，屬帶壓開采，但由于太灰和奧灰與2#煤層之間有穩定隔水層，能起到一定的隔水作用，在正常地層層序不會發生該含水層水直接涌入2#煤開采工作面，開采中遇到大的斷裂構造和導水陷落柱時，將導致底板下奧灰含水層地下水向上導通發生工作面突水。中興煤礦截至目前井下共揭露陷落柱31個，從礦井揭露的陷落柱情況看，多數陷落柱都不導水，個別陷落柱滲水、淋水。因此，工作面導水構造探查尤為重要，在礦區補充勘探中開展構造探查，在掘進巷道、工作面實施水文地質條件精細探查，采用物探方法重點探查導水構造。

4.3 礦井范圍內封閉不良鉆孔

由于封閉不良鉆孔在垂向上串通了多個含水層，所以一旦發生該類導水通道的突水事故，不僅突水初期水量大，而且還會有比較穩定的補給量。所以在設計和生產時，必須查清井巷揭露區或其附近地區各種鉆孔的技術參數及其封孔技術資料，以確保不會因封孔不良而引起突水事故。

5 礦井防治水

5.1 礦井防治水工作

1)中興煤礦水文地質補充勘探基本完成，井上下水動態觀測系統正在試驗中，對威脅礦井安全生產的充水含水層進行動態監測，根據ZX3孔水位觀測，測定某區域奧灰水的最大壓力為0.75 MPa，并制定有針對性的防治水措施。

2)根據礦井開采接續情況，對將開采區段進行地面三維地震勘探，查明構造規模與分布。在井下對地面物探探測出的構造異常地段進行井下物探和鉆探驗證，采用直流電法超前探測構造異常部位的富水性，對有含水異常的部位按照探放水規程規范進行探放水。

3)開展井下物探工作，對掘進巷道、工作面實施水文地質條件精細探查。采用物探(瑞利波、坑透儀)與鉆探相結合的方法，即“物探先行，鉆探驗證”，對掘進巷道、工作面前方構造進行超前探測，對物探探測有疑部位進行鉆探驗證。放水鉆孔必須設置孔口安全裝置。

4)配備專業的探放水隊伍和設備。完成新排水系統建設，使礦井擁有一定的抗災能力。

5.2 探放水

中興煤礦多年來根據《煤礦防治水規定》和《煤礦安全規程》在防治水方面堅持“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則，在井下各采掘工作面編制各種預防水情、水害措施，并對有疑地方進行探放水。

5.2.1 同一煤層采空區、巷道的鉆探

實例2:一采區1208工作面切眼與1206尾巷貫通剩30 m處，下發停掘通知單。根據一采區1206工作面處在西雷莊背斜構造一翼，有裂隙水和回采中生產用水順背斜流入采空區低洼地段，且探放水設計措施預測有7 000 m3水存在(根據原1206工作面回采期間涌水量、生產用水估算)。在2008年9月19日4點班根據措施進行探放水，鉆探31 m與1206尾巷鉆通，積水順預埋管流出，后啟動型號為IS80－50－320Z，流量為50 m3/h的離心泵排水，截止2008年10月11日，累計22天，排水238 h，共排水約9 330 m3。后經打鉆核實無水后，下發允許掘進通知單，向前掘進與1206尾巷順利貫通。貫通后發現1206尾巷190 m巷道及4個橫貫有被采空積水所淹的痕跡，確認采空積水90%為原生產用水，見圖3。

圖3 實例2積水示意圖

5.2.2 上組煤層采空區、巷道的鉆探

實例3:一采區1202下工作面材、尾巷布置在已回采的1202、1204工作面下3 m的2#下煤層中。在2009年9月10日，1202下材巷開鉆場對1204中部構造地段(h=5 m的逆斷層)局部低洼地段進行鉆探，放水量為130 m3，出水有異味，判斷為巷道積水，見圖4。

圖4 實例3鉆探示意圖

實例4:一采區1202下工作面切眼附近在2010年8月16日、17日、18日對已采的1202、1204工作面巷道低洼地段根據措施進行鉆探，打鉆7個孔，共計580 m。共計放水440 m3，出水有異味，判斷為巷道積水。確認積水基本放盡后，下放允許掘進通知單，向前掘進，見圖5。

圖5 實例4鉆探示意圖

以上4個案例充分說明了井下構造導水、采空區、上部采空區、舊巷低洼地段積水還是存在的。如何更準確的掌握構造導水和礦井采空積水是目前和今后研究的課題。地測防治水工作要從基礎抓起，頂板裂隙含水層在礦井生產期間淋水大小的記錄，低洼處巷道采空區積水的預計，生產期間生產用水流入采空區的統計等，更能有效地為下組煤層開采和探放水工作提供準確的數據，從而為安全生產提供保障。

6 結論

根據《煤礦防治水規定》和以上探放水實踐，對今后開采下組煤層上部煤層采空區積水情況做到以下幾點:

1)夯實防治水工作基礎，完善水害防治工作機制，從機構人員的設置，崗位責任制的制定落實，基礎資料、圖紙、臺賬的建立，排水系統的建立與完善，應急救援預案的編制演練等方面著手，嚴格落實有關措施，配齊機構和人員，建立健全各級水害防治技術管理責任、部門業務保安、措施審批、隱患排查治理、安全設施管理和探放水等制度。

2)開展對礦井范圍內老窯、采空區、含水層和地表裂縫調查等普查工作，通過收集資料、現場調查，落實防治水安全的技術措施、管理措施、探放水措施，提高礦井防范重特大水害的綜合能力。

3)成立專業探放水隊伍，嚴格執行“有掘必探、有疑必鉆”規定，堅持“物探先行，鉆探驗證”，對掘進巷道、工作面前方構造進行超前探測，對物探探測有疑部位進行鉆探驗證。

4)根據實際情況，建立健全水害事故應急救援預案，做到機構、人員、設備、設施、資金“五到位”。

5)加強科技攻關，提高水害防治技術水平，不斷加大防治水科技投入，按照標準提取安全生產費用，保證煤礦水害防治的必要投入。