資源整合煤礦老空區(qū)積水治理與分析

劉 曌

（山西蘭花沁裕煤礦有限公司，山西晉城 048212）

近十年內，山西省對大量資源較差、產能落后的礦井進行了資源整合工作。但兼并重組后的礦井由于存在大量采空區(qū)積水問題，對周邊地質環(huán)境會產生一定影響，并對礦井的安全生產構成威脅[1]。例如2010 年3 月[2]，山西王家?guī)X煤礦發(fā)生1 起特別重大透水事故，事故共造成153人被困，在全力搶救后，共計115人獲救，但仍有38人遇難。經(jīng)調查分析，引起該事故的主要原因即為采空區(qū)積水造成。由此看出，如果無法對老空區(qū)積水制定合理的防治措施，很有可能發(fā)展成為影響煤礦安全生產的重大災害[2]。

截止目前，我國專家學者對采空區(qū)積水的防治已經(jīng)進行了廣泛而深入的研究，并取得諸多成就。崔洪慶[3]等以美國某煤田為例，提出以GPS和GIS為輔助定位技術對廢棄井田內水位地質圖進行完善補充的方法，并設立水位觀測點進行長期觀測；張壯路[4]通過對廢棄礦井的水文條件和地下水動力模式的分析，進行了水位回彈過程和動態(tài)平衡狀態(tài)的計算；周建軍等[5]利用FELOW 數(shù)值模擬軟件，對廢棄礦井的水流模型進行了模擬計算，得到了不同介質下水位回彈的特性。

筆者根據(jù)對采空區(qū)積水防治相關資料的查閱和對前人經(jīng)驗的總結，以沁裕煤礦水文地質資料為理論依據(jù)進行了大量實地工作，在對礦井采空區(qū)積水的影響進行了全面性的分析后，提出并實施了合理的治理方案，為確保沁裕煤礦的安全生產具有一定指導意義。

1 礦區(qū)采空積水情況

沁裕煤礦為兼并重組的礦井，位于山西晉城，是由附近三個產能較小的礦井及部分空白資源整合而成，生產能力為90×104t/a。原先礦井先后關閉，而閉坑后的采空區(qū)積水水位持續(xù)升高，對沁裕煤礦的安全生產構成了直接的水患威脅。

經(jīng)過對沁裕煤礦2號煤層采空積水的勘查，共發(fā)現(xiàn)10 處積水區(qū)，其中8 處為2017 年8 月經(jīng)過物探推斷發(fā)現(xiàn)，均為沁裕煤礦正常開采所形成，編號為J1-J8；另外2處為原某一整合礦井開采所形成，根據(jù)“隱蔽致災地質因素普查報告”的勘查資料發(fā)現(xiàn)，編號為J9和J10。探查統(tǒng)計顯示，2 號煤層采空區(qū)總積水面積達14.3×104m2，總積水量達11.5×104m3。

針對J1-J10積水區(qū)需設置安全線，根據(jù)井下探放老空水技術要求，筆者確定由J1-J10積水區(qū)向外推60m作為探水線，并根據(jù)警戒線確定的相關規(guī)定，確定由J1-J10積水區(qū)探水線向外推50m作為警戒線。

2 煤層頂板采動導水裂隙帶對采空區(qū)充水影響

在沁裕煤礦投入生產后，煤層頂板的巖性組合、開采厚度和采煤方法都將對上覆巖層產生一定的破壞。2號煤層和15號煤層分別采用綜采一次采全高采煤工藝和長壁采煤法，采動同樣會對煤層產生影響，從而影響采空積水區(qū)的防治。

根據(jù)沁裕煤礦地質資料，需要對2 號和15 號煤層開采后所產生的導水裂縫帶高度進行計算。2 號煤層中硬巖導水裂隙帶計算根據(jù)公式（1）：

式中：HIi——導水裂隙帶高度，m；

∑M——煤層累計采厚，m。

經(jīng)計算，本井田2號煤層開采后導水裂隙帶最大高度為40.98m。

15號煤層頂板巖性為石灰?guī)r，屬堅硬巖石，導水裂隙帶高度計算參見公式（2）：

式中：Hli——導水裂隙帶高度，m；

∑M——煤層累計采厚，m。

取煤層最大厚度值，15 號煤層最大厚度5.8m。經(jīng)計算，本井田15 號煤層開采后裂隙導水帶高度為82.25m。

根據(jù)勘查資料顯示，2號煤層導水裂隙帶高度可至煤層上部的幾層砂巖，最高可達下石盒子組底部K8砂巖層。據(jù)勘察資料分析，煤層埋藏較淺，溝谷中多有煤層露頭，2 號煤開采過后，頂板冒落產生的導水裂隙帶將直接溝通煤層頂板各含水層之間的水力聯(lián)系，并使含水層之間的泥巖隔水層遭到破壞，無法起到很好的隔水作用。

防治方案：因此在煤層開采的過程中應采取相應的措施，預防導水裂隙帶溝通上覆巖體含水層地下水和附近的采空區(qū)積水，防止雨后洪水沿裂隙灌入礦井，造成突水事故。

3 斷裂構造對采空區(qū)積水的影響

沁裕煤礦煤礦所處構造主要是在單斜基礎上局部發(fā)育寬緩褶曲，主要見于井田中部發(fā)育NE向背斜和向斜；其向斜軸部較低，采空區(qū)容易積水。當巷道進入向斜軸部地段時，礦井涌水量會增大，因此對礦井的開采有一定的影響。

目前根據(jù)勘探資料顯示，礦井內共發(fā)現(xiàn)有4條斷層發(fā)育，均為正斷層。其中，F(xiàn)1斷層斷距相對較大，達到30～70m；F2斷距僅為2～4m；F3和F4的斷距分別為15m和20m。4條斷層破碎帶均與河流相交，河谷內的地表水、河谷松散含水層都存在通過斷層對礦井充水可能。特別是井田西部的F1斷層，穿越整個井田全境，不光與溝谷相交，該河谷上游段更有泉水持續(xù)補給，雨季來臨后溝谷地表水可能會通過斷層的破碎帶對礦井充水。

防治方案：可以看出，地質構造特別是斷層對井田水害防治有一定影響，重點主要是向斜構造的聚水作用和個別斷層的導水作用。隨著采掘范圍和深度的加大，加之采動影響，不能排除斷層及隱伏斷層、陷落柱導水的可能性，一旦導通，則對礦井開采影響較大，所以對斷層、陷落柱的導水性和富水性絕不可低估，在礦井開采過程中應密切關注這些構造的富水情況，重視對隱伏斷裂及其它構造形跡的探查和研究，防治斷裂及破碎帶突水造成的水害。當采掘接近斷層、陷落柱時，必須加強探放水工作，及時排查隱伏斷層、陷落柱構造，制定必要的防范措施，確保煤礦安全生產。

4 奧灰水帶壓開采影響分析

沁裕煤礦煤礦井田內奧灰水巖溶水位標高704.0～710.0m，位于東北邊界，當對15號開采時，由于煤層埋深大、層位低，最低底板標高僅為690m，部分采區(qū)存在奧灰水帶壓開采的可能。

根據(jù)帶壓區(qū)內的ZK7-1 勘探孔資料，該孔奧灰水水位標高702.1m，奧灰?guī)r層頂面標高為700.9m，計算水頭壓力P值為0.012MPa，15號煤層底板下隔水層厚度為2.08m，用公式（3）計算該區(qū)15號煤層底板的突水系數(shù)。

式中：T——突水系數(shù)，MPa/m；

P——底板隔水層承受的壓力，MPa；

M——底板隔水層厚度，m。

計算突水系數(shù)為0.006MPa/m，小于構造塊段的0.06MPa/m的臨界值，該區(qū)未發(fā)現(xiàn)斷層，其帶壓區(qū)內奧灰地下水對15號煤層底板不具有突水威脅，15號煤層開采是安全的。

5 礦井未來五年建設生產受采空積水影響分析

根據(jù)沁裕煤礦中短期的采掘銜接計劃來看，將會計劃完成2號煤層膠帶大巷、軌道大巷以及201采區(qū)各條大巷的掘進工作，并進行計劃完成201采區(qū)各工作面的掘進及回采工作；同時完成15號煤層井底車場、膠帶大巷、回風大巷等巷道的掘進工作。

在2號煤層的采掘過程中，共圈定了5處采空積水區(qū)，編號分別為J1、J2、J3、J7、J8；在15 號煤層的采掘過程中，共圈定了2 處采空積水區(qū)，編號分別為J2和J3。采空積水區(qū)。積水量與積水面積見表1。

表1 礦井未來五年各采掘工作面受采空積水影響情況統(tǒng)計表

防治方案：由于15 號煤層的導水裂隙帶會直接溝通2號煤層下方，因此，在工作面采掘之前，需采用鉆探技術提前對2號煤層采空區(qū)積水進行探放、疏排，若出現(xiàn)涌水量較大的異常鉆孔，需在其附近進行加密補探，直到涌水量趨于穩(wěn)定并符合標準后才可繼續(xù)工作。

6 結束語

根據(jù)沁裕煤礦的水文地質資料，采用物探勘察、井下鉆孔等勘查手段進行了多次現(xiàn)場普查工作，結果發(fā)現(xiàn)2 號煤層采空積水區(qū)10 處，總積水面積14.3×104m2，總積水量11.5×104m3，并編號為J1-J10。最后結合礦井未來五年采掘規(guī)劃情況，對沁裕煤礦采空區(qū)積水進行了有針對性的調查摸底，取得并提出以下防治措施：

（1）根據(jù)井下探放老空水的相關技術要求，確定本次由J1-J10積水區(qū)向外推60m 作為探水線，確定由J1-J10積水區(qū)探水線向外推50m作為警戒線。

（2）在未來的五年采掘中，2 號煤層的采掘主要受同層J1、J2、J3、J7和J8采空積水區(qū)的影響；15號煤層的采掘主要受J2和J3采空積水區(qū)的影響。在采掘前需采用鉆探技術提前對所采煤層的采空區(qū)積水進行探放、疏排，并注意涌水量較大的異常鉆孔。

（3）在礦井開采過程中應注意斷層、構造帶的影響，必須加強探放水工作，重視對隱伏斷裂及其它構造形跡的探查和研究。