礦井巖溶水突水因素分析及防治措施研究

曹少飛

（山西晉煤集團晉圣坡底煤業有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

我國灰巖巖溶分布很廣，面積大約為2×106km2，約占國土面積的1/5，這些地區往往是重要的煤產地，有60%的煤礦不同程度地受到底板巖溶承壓水的威脅，受水害的面積和嚴重程度均居世界各主要采煤國的首位。在過去的50年當中，我國煤礦突水頻率增長了2.57倍，一次突水量由5～20m3/min增至50～240 m3/min，甚至有的高達2053m3/min，直接經濟損失高達30億元。根據我國煤礦歷年底板突水統計，煤層底板突水是煤礦安全生產中急待解決的實際問題，煤層底板突水事故的發生，不僅嚴重制約著我國煤炭資源的開采，而且也制約著我國國民經濟的發展。因此，對煤層頂底板突水這一問題進行深入研究是十分必要的。本文以屯蘭礦為例，分析奧陶系上馬家溝組含水層突水因素，并提出了相應的防治措施，為煤礦安全生產提供科學依據。

1 突水機理分析

采掘擾動之前，各巖層均處于平衡狀態，煤層與相鄰含水巖體中的地下水受地層巖性、地質構造、地形地貌及溶蝕條件的控制，呈自然流動的均衡狀態。采掘后，巖體原有的應力平衡將被打破，在新的平衡建立之前，煤層頂底板中將發生一系列的工程地質現象，如頂板冒落、底鼓和煤幫塌落等。頂板冒落和底鼓使含水層天然流場發生改變，在水量充足或倒水通道聯通的情況下，地下水可沿導水裂隙涌入礦坑，從而形成突水事故。

1）頂板破壞及涌水。當前條件下，大多數煤礦通常采用全部垮落法，形成了大面積的采空區，采空區上方可形成冒落帶(Ⅰ)、裂隙帶(Ⅱ)和整體移動帶(Ⅲ)。冒落帶和裂隙帶使連續分布的含水層受到破壞，出現大量泄水通道，使得上覆含水層中的地下水在重力的作用下，沿著這些泄水通道進入礦井。如若裂隙帶到達地表，則極有可能貫通地表水，造成大量水體涌入礦坑而出現淹井事故。

2）底板破壞及涌水。底板涌水的原因是含水層水壓、采動礦壓、隔水層厚度及導水裂隙等因素共同作用的結果。按采場底板變形和破壞程度不同，可將煤層底板以下至含水層部位分成直接底板采動裂隙帶、中間彈塑性變形帶、底板采動地下水導升裂隙帶。

當煤層頂底板巖層有效隔水層厚度達不到安全厚度或物理力學強度指標達不到安全值的時候，地下水（尤其是奧陶系巖溶水）極有可能在礦壓、水壓的聯合作用下沿巖層溶蝕地帶（如斷層破碎帶、裂隙發育帶）涌入礦井，造成水害事故。

2 實例分析

屯蘭礦地處西山煤田古交礦區西部，由于該煤田處于晉祠泉域巖溶水系統內，致使其腹地的鎮城底、馬蘭、屯蘭礦形成巖溶水帶壓開采，特別是屯蘭井田處于“煤盆”，大部處于奧灰巖溶水壓之下，其承受的最大水壓力為4.54MPa。由于大面積帶壓開采區的存在，導致煤礦正常生產受到極大的威脅，且“奧灰水”給采礦帶來的安全隱患將隨著生產進程的不斷深入而逐漸增多。

根據已完成的勘探資料及礦井生產地質資料，分析研究屯蘭礦礦井水文地質條件，分析礦床充水因素，將研究區天然涌水量分為五個區段，如圖1所示。

圖1 O2 s含水層天然涌水量分區圖

1）富水性極強區(Ⅰ)：主要分布于井田中部的梁莊及北部的屯村、風坪嶺、東灘上村及和尚峁附近，呈“點”狀，Q≥2000m3/d。

2）富水性強區(Ⅱ)：本區 2000＞Q≥500m3/d。大面積分布于井田北及中部，其中零散分布有富水性極強區（Ⅰ）和富水性強區（Ⅱ）。

3）富水性中等區(Ⅲ)：主要展布于古交市、土地溝、姬家莊一線，井田北部呈條帶狀，其中西曲礦界內面積稍大。本區500＞Q≥100m3/d。

4）富水性弱區(Ⅳ)：該區 100＞Q≥20m3/d。沿 F21斷層西南端、土地溝南呈一近東西向的條帶；古交市南至李家社東南北向分布。此外在井田最南部和西曲礦有小面積出現。

5）富水性極弱區（Ⅴ）：分布于井田南部，沿王芝茂斷層（F17）以北展布；大川河東岸東曲礦內小面積發育。本區Q＜20m3/d。

2.1 供水水源

井田內汾河、屯蘭河谷松散沖積層，賦存豐富的潛水，水質良好，易于開采，可做為供水水源，經山西148隊1966～1967年對汾河、屯蘭河河谷沖積層進行的水源勘探，獲得地下水開采儲量1.16萬m3/d；砂巖裂隙水可作為補充水源；區內奧陶系巖溶水水質較差，可作為部分工業用水，古交及其以東奧灰巖溶水水量充沛，水質較好，可作為后備水源。

2.2 突水因素分析

1）根據區內鉆孔抽水資料，分析各含水層富水性等指標，判定其對頂底板的影響（見表1）。

表1 屯蘭礦主要含水層特性表

2）采空區積水：根據掌握的資料，屯蘭礦2號煤采空區存在著積水面積約5.8×105m2，積水量1.3×106m3的積水，對下組煤的開采將構成一定的威脅。井田內小煤礦采空區的范圍有限，且留有防水煤柱，不會對礦井造成影響。

3）斷層、陷落柱：井田內斷層、陷落柱導水性較差，但隨著采深的不斷增加，開采煤層與奧陶系含水層的距離將越來越近短，必將導致地下水沿斷層、陷落柱上升造成突水的幾率增加。

2.3 突水系數的計算

采用《礦區水文地質工程地質勘探規范》（GB12719-91）國家標準推薦的理論公式：

式中：Ts為突水系數 (MPa/m)；P為隔水層承受的水壓力(MPa)；M為底板隔水層的厚度(m)；Cp為采礦對底板隔水層的擾動破壞厚度(m)。

圖2 2號煤層突水系數等值線圖

圖3 4號煤層突水系數等值線圖

圖4 8號煤層突水系數等值線圖

圖5 9號煤層突水系數等值線圖

通常，正常塊段的突水系數值不超過0.15MPa/m，底板受構造破壞塊段的突水系數不超過0.06MPa/m即可視為安全區。屯蘭礦水文地質條件復雜，構造切割強烈，因此選用0.06MPa/m標準進行評價。根據研究區鉆孔資料確定2、4、8、9號煤層各參數值。奧灰水壓標高與奧灰頂面標高之差即為各煤層底板水壓力值，煤底板深度與奧灰頂面深度值之差為各鉆孔隔水巖柱的厚度；代入式(1)計算突水系數。根據計算值繪制的各煤層突水系數，其分布情況見圖2～圖5。

2.4 突水系數的計算

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，計算2、4、8、9號煤層頂板冒落帶和導水裂隙帶如表2。從表中可看出8號煤冒落帶和導水裂隙帶最大，分別為47.62±2.5m和97m；2、4號煤相近，其中4號煤導水裂隙帶最小，為12.7m。

從以上計算可以看出，煤層開采后形成的導水裂隙2、4號煤為33.30m和12.70m，上組煤2、4號煤充水水源主要來自山西組和下石盒子組砂巖裂隙水，因其富水性差，不會對開采形成威脅。下組煤8、9號煤回采后，導水裂隙會將本組及其以上含水層導通，礦坑涌水量將增大，同時上組煤采空區積水也會對下組煤開采形成威脅。但由于本區煤系地層富水性弱，故只要做好井下排水工作，正常情況下不會對礦井造成大的危害。此外，雖然據現有資料分析，區內斷層不導水或基本不導水，但是在開采狀態下隨著巖移變形，斷層的導水性可能會有所改善，使得煤系上覆含水層與井下導通。

表2 各煤層冒落帶導水裂隙帶最大高度計算表

3 預防措施

為預防采掘過程中突然涌水而造成波及全礦的淹井事故，確保煤礦生產安全，通常可采取以下措施：

3.1 防水閘門

該閘門一般由混凝土墻垛、門框和能開閉的門板組成。無論平面形或球面形的門扇，水閘門門體的強度必須保證在承受水壓時不撓曲，使門扇和門框緊密吻合。墻的四周要楔入巖石，使它不致漏水并能承受較大的水壓。

防水閘門應當砌筑在通往水害威脅地區巷道的總匯合處，井底車場和井下泵房，以及變電站也應設置防水閘門。水閘門平時開啟，在需要運輸的巷道內，閘門所在位置應裝設短的活動鐵軌，當發生透水時，可迅速將活動鐵軌拆除，關閉閘門。

3.2 防水墻

防水墻是用不透水材料構筑的封閉擋水設施，是一種永久性的構筑物，主要用于隔絕積水的老空或有透水危險的區域。防水墻應滿足以下條件：①筑墻處的巖石應堅固和沒有裂縫；②不透水，不變形，不位移；③具有足夠的強度，能承受涌水的壓力；④應裝有測量水壓的水管和放水管，放水管用以防水墻在未干凝固前承受過大的水壓。

3.3 注漿堵水

根據不同的水文地質條件、不同的出水水源、不同的出水通道制定相應的堵水方案。準確施工地面或井下注漿鉆孔，采用科學合理的注漿工藝和方法，是達到快速治理水患的關鍵所在。

4 結 論

本文以屯蘭礦為例，分析奧陶系上馬家溝組含水層突水因素，得出以下結論：

1）井田2、4號煤除非帶壓區外其余為安全區，2號煤突水系數0.005～0.031MPa/m，4號煤突水系數0.005～0.033MPa/m；8、9號煤存在著安全區、臨界區和危險區，8號煤突水系數0.0113～0.0843MPa/m，9號煤突水系數0.0132～0.01187MPa/m。

2）隨著煤層埋藏深度的增加，突水系數亦增大，在主要斷裂帶附近突水系數也超過了0.06MPa/m限值。

3）在巷道穿過有足夠強度隔水層的適當地段設置防水閘門和防水墻，以防止采掘過程中因貫通老空水等水體，導致突然涌水而造成淹井事故。