淺埋近距離煤層水文地質及防水措施研究

金　鑫

(中國煤炭科工集團重慶設計研究院有限公司，　重慶　400016)

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淺埋近距離煤層水文地質及防水措施研究

金鑫

(中國煤炭科工集團重慶設計研究院有限公司，重慶400016)

某礦井區內地下水賦水情況復雜，涌水量及水壓均較大，為了保證礦井安全生產，需查明該礦井的水文地質條件并制定行之有效的防冶水措施。主要研究了首采工作面煤層采動前、后含水層變化規律及導水裂隙帶發育規律，以超前探水、疏水降壓、合理留設防水煤巖柱等防治水措施來指導企業進行水害安全防治，通過多種防治水措施的綜合運用，杜絕了礦井重大水害事故，為礦井帶來了較大的經濟和社會效益。

含水層；充水因素；導水裂隙帶;防水措施

0　引　言

礦井透水事故在礦井水災中發生最多，后果最為嚴重，其是在采掘工作面與地表水或地下水相溝通時突然發生大量涌水，造成淹井事故。隨著煤田開采向地層深處不斷延伸，井筒深度不斷增加，地層情況越加復雜，開鑿條件越加惡劣，突水淹井事故呈現出上升的趨勢，嚴重影響和威脅礦井安全生產。

我國礦井水文地質條件極為復雜，無論是受水威脅的面積、類型，還是水害威脅的嚴重程度，都是世界罕見的。2002～2012年全國煤礦共發生水災事故816起、死亡3805人，分別占死亡事故總起數和死亡總人數的3.0%和8.2%，平均每起事故死亡4.66人。同時，礦井災害事故對煤礦正常生產，特別是對高產高效現代化礦井影響極大，一旦發生水災，停產就會造成巨大的經濟損失。有效遏制礦井水災事故的發生，已成為保障礦井安全生產十分迫切的需要。

某礦井井田南北長約5.643 km，東西寬約3.807 km，面積為10.4804 km2。井田內沖溝發育，平時干涸無水，雨季為排泄通道，井田北東部有較大的溝谷，為井田內地表水的排泄通道，往東流入井田外的常年性水流西河。區內地下水賦水情況較為復雜，涌水量及水壓均較大。因此，查明該區的水文地質條件并制定行之有效的防治水措施，對礦井安全生產具有十分重要的意義，同時也可為保水采煤的協調統一， 建設綠色礦井提供地質依據和安全保障。

1　礦井水文地質條件及充水因素分析

1.1礦井水文地質類型

14，15號煤層為井田內主要可采煤層，也是本井田批準開采煤層。其直接充水含水層為太原組K2～K4石灰巖裂隙巖溶含水層和頂板砂巖裂隙含水層，據石港井田精查地質報告，太原組含水層的含水性較弱。井田內煤層直接或間接充水含水層組涌水量均小于0.1 L/s·m，屬于頂板進水為主、水文地質條件簡單的巖溶充水礦床。井田東部，由于構造簡單，雖發現破壞15號煤層的11個陷落柱，但其導水性很差，且15號煤層距奧灰頂界有厚約27.0 m的隔水層。在井田西部礦界小部分，由于下伏中奧陶統巖溶裂隙含水層的含水性較強，水頭較高，15號煤層最低底板標高為+800 m，西部最低煤層低于奧灰水位(+810 m)10 m，構成了15號煤層開采時涌水的不利因素，在陷落柱及構造薄弱地帶有可能突水，可轉化為以底板進水為主的礦井水文地質類型中等的巖溶充水礦床。

1.2礦井涌水量

《地質報告》提供結果：經預算，本礦井生產能力達到300萬t/a，其礦井正常涌水量為1200 m3/d，最大涌水量2100 m3/d。

本礦井工作面采取灌漿防滅火措施，通過計算，每日灌漿用水量824 m3/d，考慮灌漿時間不均衡性，每日灌漿時間為6～18 h，故灌漿用水為井下貢獻水量45～135 m3/h，另加上煤層注水量(最大15 m3/h)、井下消防曬水、采掘設備用水等，本礦井按正常涌水量200 m3/h，最大涌水量400 m3/h進行設計。

1.3大氣降水及頂板和井筒滲水

大氣降水沿基巖裂隙入滲，或沿采空冒落帶、導水裂隙帶入滲，為本井田充水來源之一。

井田內現有煤礦開采15號煤層，礦坑充水主要來源是各煤層頂底板裂隙及井筒裂隙滲水所致。涌水量受產量、采空區擴大等因素影響不大，主要受降水量的影響。

1.4冒落帶和導水裂隙帶高度計算

14，15號煤層開采所產生的冒落帶、導水裂隙帶高度按式(1)和式(2)進行計算：

(1)

(2)

式中：H冒——煤層采空最大冒落帶高度，m；

M——煤層厚度，m；

H導——煤層采空最大導水裂隙帶高度，m；

n——煤層分層開采次數；

K——冒落巖石碎脹系數，取1.3。

14號煤層厚度0.85～1.3 m，平均1.07 m，一次采全高，計算得冒落帶高度3.0～4.3 m，導水裂隙帶高度為41.5 m。14號和15號煤層間距7 m左右，距離很小，15號煤層開采時完全進入14號層范圍內，則綜合開采累計厚度M12=M1+M2，兩層煤厚7.27 m。一次采全高，計算得冒落帶高度24.5 m，導水裂隙帶高度為77.0 m。通過計算可知，14，15號煤層聯合開采時，可影響14號煤層頂板以上約100 m的層位。

從以上計算可知，14號煤層導水裂隙帶高度小于其煤層埋藏深度，因此季節性地表水對井下開采14號煤層無大的影響，14號煤層頂板K2灰巖水可通過導水裂隙帶進入井下，對14號煤層產生一定的影響。15號煤層導水裂隙帶高度大于14號煤層間距(平均7.23 m)，因此若14號煤層采空區內有積水，該積水會通過導水裂隙帶進入15號煤層井下，對15號煤層開采產生一定的影響。總之，未來礦井開采14，15號煤層時應引起足夠的重視。

1.5最大突水系數

據礦井井田范圍內新施工的水源井資料，推測井田內奧陶系石灰巖含水層，水位標高為810 m，而井田內14號煤層底板標高在820～1280 m，15號煤層底板標高在800～1280 m，15號煤承壓水頭高約10 m，15號煤層最大突水系數按式(3)計算。

(3)

式中：T——突水系數，MPa/m；

P——作用于隔水層的水壓，MPa，15號煤層隔水層的水壓分為0.1 MPa；

M——底板隔水層厚度，m，15號煤層底板隔水層厚度27.0 m。

受構造破壞地段的臨界突水系數為0.06 MPa/m，正常地段的臨界突水系數為0.10 MPa/m。經估算，15號煤層最低開采標高時，最大突水系數T為0.004 MPa/m。奧灰承壓水頭下的突水系數小于臨界突水系數。且峰峰組灰巖隔水性能良好，正常情況下，不存在奧灰突水危險性，但也應注意構造裂隙溝通引發奧灰突水的可能性。

2　礦井防治水技術研究

2.1地表水防治技術

(1) 根據本礦的實際情況，井口及工業場地位于地勢較高的平緩地帶，因此地面防治工程相對比較簡單。在選擇井筒時，該礦井已避開可能發生的山洪沖刷、泥石流、滑坡的地段。在井口和工業場地建立必要的疏水、防水和排水系統，防止雨季來臨時，地面流水從井口進入井下坑道。

(2) 西溝自北向南從主場地與行政生活區之間穿流而過。根據《礦井地質報告》提供的資料，西溝在此處的最高洪水位為+1295.00 m。為此，將位于最低臺階的行政生活區場地標高定為+1295.50 m水平，行人斜井的井口標高定為+1299.00 m，不會受到西溝的洪水威脅。主場地的標高在+1316.00 m水平，主斜井、副斜井及回風立井的井口標高分別為+1316.388，+1316.366，+1328.00 m，西溝的洪水更構不成威脅。

(3) 為防止地表水對場區造成危害，特在場區靠山坡一側設置截水溝截走地表水。進入風井場地的道路的邊溝作為主排水溝將地表水引入西溝，主排水溝斷面為0.8 m×0.8 m。

2.2老窯的安全防治水措施

(1) 本礦井已經采取物探(瞬變電磁探測技術)、鉆探等手段完成了投產區的水情探查工作，完成了整合前采空區的水情探查工作，劃定了大于40 m的采空區防水保護煤柱和50 m的采空區水位警戒線。

(2) 接近探水線的掘進工作，編制探放水設計，超前探放水，采煤工作面受老空區積水威脅時，已編

制專門的探放水設計，嚴格按批準的措施執行。

2.3奧灰水防治

(1) 本井田15號煤層底板標高在西北深部礦界，僅小部分范圍內低于奧灰水位(+810 m)，礦井開采區域大部分在奧灰水位標高以上，正常情況下，本礦不存在奧灰突水危險性，但應注意隱伏構造裂隙溝通引發奧灰突水的可能性。本礦井設計有潛水泵強排系統，可一定程度上預防深部可能的奧灰水災害。

(2) 今后礦井開采至西北深部，接近+810 m標高時，考慮到煤層底板可能存在隔水層變薄帶、構造破碎帶、導水裂隙帶，應加強警戒，探明底板富水情況，必須編制探放水設計和安全措施，待查明條件后，再確定是否開采。

3　結　論

通過以上的分析得知，某礦井主采14，15號煤層部分區域由于多年開采存在一定范圍的采空區，并形成了大量積水，為礦井井筒的安全施工和煤層開采帶來了困難。影響礦井安全生產的充水因素主要為大氣降水、煤層開采所產生的導水裂隙帶、采空區積水、奧灰巖溶水，防治的方法就是要詳細查明礦井的水文地質條件，合理確定防水煤巖柱和開采厚度,以超前探水、疏水降壓、合理留設防水煤巖柱等防治水措施來防治。對于淺埋深、近距離煤層采空區積水使用地面鉆孔排放、井口排放、井下探放的排水方法，井下疏導排水法，來指導企業進行水害安全防治，達到既保水又采煤的和諧局面，保持礦井可持續發展。礦井投產實踐證明，通過多種防治水措施的綜合運用，杜絕礦井重大水害和人身傷亡事故，為礦井帶來了較大的經濟和社會效益。

[1]中國煤炭地質總局一一九勘探隊.山西汾西瑞泰井礦正行煤業有限公司兼并重組整合礦井地質報告[R].邯鄲：中國煤炭地質總局一一九勘探隊，2010.

[2]中國煤炭地質總局一一九勘探隊.山西汾西瑞泰井礦正行煤業有限公司采空區積水、積氣及火區調查報告[R].邯鄲：中國煤炭地質總局一一九勘探隊，2010.

[3]國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.煤礦防治水規定[S].

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[6]隋旺華,孫亞軍.礦井水害防治關鍵技術及防治水專業人才培養方案探討[J].中國地質教育，2009(1).

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2016￣04￣26)

金鑫(1983-)，男，吉林四平人，工程師，主要從事礦井設計咨詢工作，Email：43854431@qq.com。