淺談新陽煤業防治水工作

劉赴前

(汾西礦業集團新陽煤業公司，山西孝義032300)

0 引言

煤礦防治水工作是一項系統工程，需要建立高素質的防治水隊伍，多方面綜合治理，需要多部門相互配合，不斷總結研究防治水經驗教訓，建立健全規章制度，構建煤礦防治水長效機制，更需要因地制宜，針對本礦實際礦井水文地質條件、突水水源、突水通道、突水危險性大小，制定防治水規劃，編制針對性的防治水工程設計并嚴格實施。新陽煤業目前開采9 －10 －11#煤，主要充水水源為頂板太原組灰巖巖溶裂隙地下水，底板奧陶系峰峰組巖溶裂隙地下水，上組煤采空積水及井田內和周邊老窯、小窯積水，主要涌突水通道為斷層、陷落柱、采動導水裂隙、封閉不良的鉆孔以及老窯、小煤窯越界巷道和不清楚的采空區。據水文地質補充勘探報告及多年來實際生產資料，9 －10 －11#煤頂板充水水源太灰水一般富水性弱，僅局部斷裂帶及其附近富水性較強，總體突水危險性小，防治水工作的重點是斷裂構造涌突水;9 －10 －11#煤底板突水水源奧陶系峰峰組巖溶裂隙水在中西部斷裂構造破碎帶及東南部向斜核部斷層交匯部位水位高，富水性較強，煤層底板承受的水壓大(＞1.0 MPa，最大可達2.19 MPa)，突水危險性大，其他區段突水危險性小，防治水工作的重點是中西部奧陶系峰峰組巖溶裂隙水高水位區和東南部向斜核部斷層交匯部位;此外，新陽煤礦歷史上井田內及周邊老窯、小窯眾多，目前單純靠地面工作難以查清越界或不清楚的采空積水區，也是防治水工作的重點;此外，由于9 －10 －11#煤采后大，采動導水裂隙帶可溝通上組煤采空區，應做好采空積水疏排水工作。

1 新陽煤業防治水工作現狀及應采取的對策

1)由于歷史原因新陽煤業水文地質專業技術力量薄弱，需要培養專業水平較高、防治水經驗較豐富專業技術人才，加強防治水技術力量。

2)新陽煤業存在河流滲漏情況，雖進行了河流防滲處理，但仍要定期進行河流上下游流量巡查、觀測，雨季加密觀測，特別雨季要加強巡查排除工作，河流滲漏點，發現裂隙、裂縫和塌陷坑，要及時回填封堵，防止大氣降水、河水滲入井下。

3)井田內及周邊老窯、小窯和相鄰礦井開采時間久遠，存在大量采空區及采空積水區，由于小煤窯亂采亂挖，開采范圍小，采空積水隨補給的動態變化特點，很難全部查清并掌握積水范圍、積水量。一是要加強老窯、小窯采空積水地面探查及本礦關閉采區的可能積水區研究;二是留設足夠的防隔水煤巖柱;三是在規定正常的超前探基礎上，加強對可能的老窯、小窯積水區進行井下物探、鉆探探查，以及本礦上部煤層采空區可能的采空積水區探查;四是發現積水區提前進行疏排或采取其他安全可靠防治措施。

4)針對9 －10 －11#煤頂板突水水源。據開采厚煤層導水裂隙帶高度是煤層厚度20 倍的統計經驗(現開采厚煤層導水裂隙帶高度計算一般都采用此計算方法)，開采9 －10 －11#煤層導水裂隙帶高度可達180 m 左右，因此開采層包括石炭、二疊系砂巖裂隙含水層和石炭系太灰含水層。據本次勘探及以往水文地質資料，礦井實際生產情況，石炭二疊系砂巖裂隙含水層除個別較大的斷裂帶富水性較強，一般富水性微弱;太灰含水層巖溶裂隙發育程度及其富水性具有明顯的不均一性，井田內大部分區段富水性一般弱，在埋藏較淺部位或斷層帶附近裂隙溶洞發育，富水性中等—強，巷道揭露或遇導水通道溝通時，其涌突水具有突發性，初始水量較大，但時間較短的特點，對生產有一定的影響。

2 9 －10 －11#煤層開采過程中的防治水措施

2.1 開采9 －10 －11#煤層時采取的防治水措施

1)由于上組煤已基本開采完，井田內斷裂構造、陷落柱等已基本清楚，鑒于此，在上組煤未開采區段進行地面物探初步查明斷裂斷裂構造、陷落柱的分布位置、規模產狀等。開采9 －10 －11#煤層經過已知或可能的斷裂構造、陷落柱等時，首先應用物探探查相對富水性，然后鉆探驗證查明斷裂構造、陷落柱的含導水性。

2)在上述工作基礎上根據礦井實際生產情況、開采條件、斷裂帶陷落柱等的規模、富水性強弱，采取針對性的防治水措施。

(1)對斷裂帶、陷落柱規模小，富水性相對弱的，采取超前探放水措施。

(2)對斷裂帶、陷落柱規模較大，富水性強，要留設足夠的隔水煤巖柱，嚴重的進行注漿封堵，并酌情設立防水閘門實現分區隔離開采。

3)對于那些生產中已揭露并未突水的斷層，要加強觀測，嚴防滯后突水的發生。

2.2 開采 9 －10 －11#煤層底板水防治措施

本井田開采9 －10 －11#煤層底板充水含水層主要為奧陶系峰峰組巖溶裂隙水。據以往鉆孔揭露和本次勘探研究，9 －10 －11#煤層底板隔水層包括9 －10 －11#煤層底板至奧灰頂界面和奧陶系峰峰組頂部隔水層，隔水層較厚而穩定，底板承受的水壓中西部較大，其他地段承受的水壓小或無壓，奧陶系峰峰組巖溶裂隙水中西部補給條件相對較好，富水性中等，其他區段補給弱，徑流條件差，富水性弱，突水危險性評價，中西部斷裂構造帶及其附近有突水危險，其他區段除導水斷裂或導水陷落柱外，奧陶系峰峰組巖溶裂隙水富水性弱，水壓小或無壓，可安全開采。此外在南部向斜核部的斷裂帶，為奧陶系馬家溝組巖溶裂隙水帶壓區，雖然壓力不大，但奧陶系馬家溝組巖溶裂隙水富水性強，如果在開采9 －10 －11#煤層時揭露導水斷裂帶或導水陷落柱，有突水危險。為此，建議采取如下防治水措施。

1)詳細分析研究上組煤開采時揭露的斷層帶、陷落柱的充填物及其膠結情況，將其標注在9 －10 －11#煤采掘平面圖上，在9 －10 －11#煤開采前，應用物探、鉆探進行超前探，查明斷裂斷裂構造、陷落柱的富導水性。

2)對中西部奧陶系峰峰組巖溶裂隙水富水性中等、奧灰水壓較大的斷裂帶或陷落柱，在酌情設立防水閘門實現分區隔離開采的基礎上，可采取如下防治水措施:

(1)在地面施工疏排水鉆孔進行疏排降壓，將奧陶系峰峰組巖溶裂隙水水壓降至隔煤層底板以下，保障煤礦安全生產。此方法，初期投人相對較小，簡單易行，但疏排水時間貫穿中西部采區開采全過程，運行成本高，且奧陶系峰峰組巖溶裂隙水礦化度高，特別是SO2離子含量高，需要處理才能安全排放或綜合利用。

(2)掘進巷道過斷裂帶或陷落柱時注漿封堵。采掘工作面在斷層、陷落柱的破壞附近裂隙發育，導致煤層松軟或發育導水裂隙，需在探放水的基礎上，留設足夠的防隔水煤巖柱。此方法，投入小，但浪費煤炭資源，且不能完全消除安全隱患。

(3)在井田西部應用地面物探查明西部來水通道，并在邊界斷層裂隙發育帶進行地面打孔注漿，封堵補給通道，采前進行超前探放水。由于其補給通道主要為東西向發育的斷層裂隙帶，封堵補給通道，可將大部分補給隔絕，井下探放水可很快疏排至開采安全水壓，且初期放水量大，往后很快減小。此方法雖然一次投入較大，但運行成本低，可消除安全開采隱患。

3)對其他奧陶系峰峰組巖溶裂隙水富水性弱、奧灰水壓較小的斷裂帶或陷落柱，采前進行超前探放水，按規程規范留設防隔水煤巖柱。

4)對于那些生產中已揭露并未突水的斷層，要加強觀測，嚴防滯后突水的發生。

5)在生產中時刻關注回采工作面情況、涌水量變化和奧灰水位變化，發現異常及時上報。

6)按照規定留設防隔水煤柱后，采掘工作面接近斷層煤柱前，要復查煤柱的可靠性。

7)開采掘進中揭露出水點，要采集水樣進行測試化驗，查明充水水源，排除隱患后方可繼續開采掘進。

8)加強地下水的動態監測，在底板含水層中布置一定密度的動態觀測點，系統觀測地下水水位、水溫的動態變化。

9)由于奧陶系灰巖巖溶裂隙發育具有不均一的特點，開采9 －10 －11#煤時巷道掘進應嚴格執行“有疑必探，先探后掘，先治后采”的原則，利用物探、鉆探等綜合手段查明前方巖層及底板灰巖的富水性特征，確保安全后方可施工。同時應遵循先治后采的原則，確保無水害威脅后再進行回采。

3 開采工作面寬度及防隔水煤柱留設

3.1 九采區煤巖柱的留設

根據《煤礦防治水規定》中第二斷層防水煤柱留設的計算方法，敘述如下:

L—煤柱留設的寬度，m;

K—安全系數，一般取2 ～5，取5;

M—煤層厚度或采高，取1.81 m;

p—水頭壓力，Mpa;

Kp—煤的抗拉強度，取 1.0 Mpa。

計算結果為L=8.44 m，所以L 取20 m。

3.2 下組煤帶壓開采工作面寬度及防隔水煤柱留設

3.2.1 下組煤帶壓開采工作面寬度

煤礦在開采過程中，由于受采動影響，從工作面煤壁到采空區一定距離和一定深度范圍內的底板中出現水平拉應力;在壓縮區和膨脹區分界處的底板中出現剪應力。拉應力和剪應力使底板形成底板破壞帶。在采空區下方的膨脹區內，斷裂呈松弛或張開狀態，成為底板突水的誘發因素。在開采過程中利用底板的阻水能力，阻止底板突水。根據“下三帶”理論底板隔水層厚度h 大于破壞帶h1、阻水帶h2、地下水導升帶h3之和即可安全開采。

根據本次勘探，新陽井田9 －10 －11#煤底板隔水層厚度h最薄為XS2 號孔的46.52 m(斷裂破碎帶除外)。地下水導升帶h3因奧灰頂板存在充填帶隔水層，隔水層厚度統計時已將導升帶排除在外。破壞帶h1、阻水帶h2計算經驗公式如下:

式中:H—開采深度500 m，α—煤層傾角5°，L—工作面斜長(工作面寬度)。

式中:p 為作用在底板上的水壓力，z 為阻水系數，按經驗值取0.4 MPa/m。

據本次勘探新陽井田中西部奧灰峰峰組地下水位高區，作用在 9 －10 －11#煤隔水底板上的水壓最大為 2.19 MPa(FS4 號孔)，計算阻水帶厚度為5.5m;其他區段9 －10 －11#煤隔水底板上的水壓小于1.0 MPa，計算阻水帶厚度為2.5 m。按“下三帶”理論中西部奧灰峰峰組地下水位高區底板破壞帶深度在小于41.02 m，其他區段底板破壞帶深度在小于44.02 m 的情況下可安全開采。據公式①計算，新陽井田中西部奧灰峰峰組地下水位高區9 －10 －11#煤帶壓開采工作面最大寬度為373 m，其他區段工作面最大寬度為401 m。

以上計算的工作面寬度僅考慮了底板水問題，實際開采時應綜合考慮設備、支護等因素確定工作面最大寬度，但中西部奧灰峰峰組地下水位高區工作面最大寬度不應超過373 m，其他區段工作面最大寬度不應超過401 m，特別斷層、裂隙發育帶應采取針對性的防治水措施。

3.2.2 防隔水煤(巖)柱的留設

新陽井田下組煤的防隔水煤柱依據《煤礦防治水規定》留設。根據突水危險性評價結果，主要考慮因素為:斷層落差、斷層傾角、破碎帶力學強度、水壓、含水性、上下盤開采點距斷層面距離。根據《煤礦防治水規定》中第二、四類斷層防水煤柱留設的計算方法，敘述如下:

在煤層位于含水層上方且斷層導水的情況下，防隔水煤(巖)柱的留設應當考慮2 個方向上的壓力:一是煤層底部隔水層能否承受下部含水層水的壓力;二是斷層水在順煤層方向上的壓力。

當考慮底部壓力時，應當使煤層底板到斷層面之間的最小距離(垂距)，大于安全煤柱的高度(Ha)。

p—防隔水煤(巖)柱所承受的靜水壓力，Mpa;

Ts—臨界突水系數，Mpa/m;取 0.06 Mpa/m;

10—保護帶厚度，一般取10 m。

式中:α—斷層傾角(°);

L—煤柱留設寬度。

考慮斷層水在順煤層方向上的壓力時，含水或導水斷層煤(巖)柱的留設可參照下列經驗公式:

L—煤柱留設的寬度;

K—安全系數，一般取2 ～5，取5;

M—煤層厚度或采高，取7.92 m;

p—水頭壓力，Mpa;

Kp—煤的抗拉強度，取 1.0 Mpa。

根據以上兩種方法計算的結果，取用較大的數字，但不得＜20 m。

如果斷層不導水，防隔水煤(巖)柱的留設尺寸，應當保證含水層頂面與斷面交點至煤層底板間的最小距離，在垂直于斷層走向的剖面上 ＞安全煤柱的高度(Ha)時即可，但不得＜20 m。

符合上述情況的斷層有 F17、F19、F21、F24、F25、F26、F27、F28、F49，計算結果見表1，無標注斷層傾角的按平均值55°計算。

表1 煤(巖)柱留設計算匯總表

4 其他防治水措施

4.1 礦井防治水機構的建立和完善

建立完善的礦井防治水機構是確保礦井安全生產的基本保障。據礦井實際情況，建立分管領導一手抓，各個部門參與的切實可行的防治水機構;建立周密的管理制度，責任到人，措施到位，實施有監管，事后有總結，確保礦井防治水工作有效、有序、順利進行。

4.2 礦井防治水制度及措施的建立和完善

建立切實有效的防治水制度是確保礦井防治水工作順利開展的依據。根據礦井實際情況，分門別類地制定出切實可行、有針對性的防治水制度及技術措施，建立強有力的排水系統，從地面到井下，從巷道掘進到工作面回采，從預測預報到日常探放等，工作程序化、措施標準化、管理制度化，為做好礦井防治水工作提供有力保障。

4.3 水害應急預案的制定

水害應急預案是提高礦井水害事故應急能力、降低礦井水害事故財產損失和人員傷亡的重要保障。應根據礦井實際制定出一套行之有效的水害應急預案，及時、有效地控制和處理煤礦水害事故。

4.4 礦井水文地質保障系統的建立和完善

煤礦防治水是一項經常性、綜合性的系統工程，需要對多種信息進行及時準確的分析、計算，繪制所需圖、表，僅靠人力通過傳統的數據管理方法，不能滿足礦井防治水快速、及時、準確的要求。建立和完善礦井防突水信息保障系統，包括煤礦突水預警系統、地測信息系統、水化學快速判別系統等，為確保礦井安全生產提供有力保障。

［1］王玉芳. 淺談如何做好煤礦防治水工作［J］. 中州煤炭，2007(6).

［2］劉光濤.淺議如何做好煤礦防治水工作［J］.中國科技博覽，2013(21).