煤礦井下滲漏水原因及防治措施研究

翟補拴

（山西焦煤西山煤電官地礦， 山西 太原 030022）

引言

煤礦的滲漏水是威脅采煤作業安全的重大問題之一，不當的防排水設計和治理措施往往會產生嚴重的安全隱患[1]，因此對煤礦的防排水方案設計必須引起足夠重視。諸多學者對我國一些大型煤礦的防水措施進行了深入研究和探討，取得了較好的效果[2-4]。官地煤礦坐落于山西省太原市，自20 世紀60 年代投入使用以來經過多次改造和擴建，目前井田面積達到78 km2，屬于大型國有煤礦。為了保證礦區的安全作業和正常生產，對官地煤礦的防排水方案和防治措施進行深入研究，此研究結果可以為其他類似工程提供借鑒。

1 礦區地質概述

1.1 礦山簡介

官地煤礦位于太原市西南17.5 km 處，地處黃土高原，地形地貌復雜，氣候干燥、水源匱乏，于20世紀60 年代建成并投入使用，至今已連續生產了近60 年，礦井主要可采煤層包括2 號、3 號、6 號、8 號、9 號煤，目前每年產煤量約為390×104t。官地煤礦為地下開采，自上而下，由近至遠，主要采用的采煤方式是走向長壁式，頂板采用全部垮落法進行管理，煤礦整體機械化開采程度高，產煤質量好。

1.2 礦區水文地質條件

從地質勘查報告可知，礦區的含水層有三層，具體為：第一含水層，主要由二疊系砂巖含水層組成，其間有泥巖、砂質泥巖隔水層，構成了多層裂隙承壓水，主要位于2 號煤層工作面頂板以上，含水層主要為K5等砂巖，富水性弱；第二含水層，主要由石炭系上統太原組各層石灰巖（L1、K3、L4、L5）等主要含水層構成，其中K3厚度較大，溶蝕裂隙較發育，富水性相對較強，其他含水層富水性弱，主要位于6 號煤層工作面頂板以上；第三含水層，煤系基底的奧陶中統石灰巖巖溶含水層組是主要含水巖組，由兩層含水層組成，為上馬家溝組和峰峰組石灰巖含水層，位于9 號煤層底板以下約50 m，富水性強。

2 官地煤礦滲漏水狀況分析

2.1 工作面滲漏水現狀

根據現場采煤工作面的調查，工作面9 號煤上覆灰巖為含水層，屬碎屑巖類裂隙含水層組，富水性較弱。

工作面8 號煤層北東側30 m 為瓦斯治理巷，北東側60 m 為28407 工作面采空區，采空積水已排放約353760 m3，目前積水仍在排放，積水面位置已超過29409 工作面切眼，積水對工作面回采無影響；上部23413、23415 采空區積水在26411 工作面采掘期間已疏放，33419 工作面采空區積水于29409 副巷疏放，共計施工鉆孔2 個，進尺152m，疏放水量10400m3；在副巷7 號點附近對33419 采空區局部低洼點進行鉆探驗證，施工鉆孔2 個，均見空無水；其上部26411工作面采空區積水在29409 正巷疏放，共計施工鉆孔10 個，進尺706 m，疏放水量4996 m3。上部及相鄰采空區積水已全部排除。

2 號煤層底部與8 號煤層相距75 m 左右，主要由泥巖、砂巖、煤層和4 層灰巖（L5、L4、K3、L1）組成。由于自然狀態下的泥巖和砂巖組成的隔水層具有較好的隔水性能，可以減弱上部含水層與太原組石灰巖之間的水力聯系，整體未出現大量滲漏水現象。根據現場工作面實測，預計正常涌水量為3.0 m3/h，最大涌水量為10.0 m3/h。

2.2 滲漏水原因分析

2.2.1 地表水

礦區東部的煤層埋深較淺，并且在南華溝、偏橋溝、風峪溝溝谷一帶分布有大量采空區和小窯水，地表的塌陷導致大氣降水和地表徑流可以直接進入礦區，極易在強降雨后造成巷道的涌水。

根據井下實際情況，南、北兩巷道在強降雨后會出現涌水、淋水等現象，并且涌水面積大，涌水量達到3～5 m2/h。

2.2.2 含水層

官地礦區滲漏水主要原因是煤礦開采破壞了含水層，含水層自身結構被破壞，從而產生滲漏水。

最上層2 號煤層的開采，破壞了上覆的K6砂巖裂隙含水層的結構；2 號煤層和3 號煤層間距平均在8 m 左右，3 號煤層的開采直接貫穿2 號煤層而破壞了K6砂巖裂隙含水層的結構；6 號煤層的開采破壞了其上覆的L5灰巖含水層和K5砂巖含水層的結構；8 號煤層和9 號煤層現狀條件下開采較少，9 號煤層開采形成的導水裂隙延伸至8 號煤采空區，現階段8 號煤層開采產生的導水裂隙沒有延伸到6 號煤層，8 號、9 號煤層的開采破壞了太原組L1、K3、L4含水層的結構。綜上，開采活動破壞了二疊系太原組、山西組各含水層的結構，對含水層結構的影響嚴重。

2.2.3 采空區積水

由于同時開采多個距離較近的煤層，在開采過程中極易導通上層煤采空區的積水。現場測量結果顯示，3 號、6 號、8 號、9 號煤層導水裂縫帶最大高度分別為79.43 m、47.47 m、84.28 m、111.25 m，均大于各煤層間距，可溝通上覆煤層采空區積水。

2.2.4 小窯水

礦區范圍內有許多已經關閉的小煤窯，其中許多小煤窯私自越界、亂挖，與大礦有多處聯通，在雨季時常常會成為滲水的通道，產生灌井的危害，對大礦造成了嚴重的安全隱患。

3 官地礦區排水措施

3.1 地表水防治措施

對于地表水，重點在于疏浚與封堵。官地煤礦的技術人員認真制訂方案，將附近的地表裂隙回填，將塌陷的河床、河溝進行重新修整鋪設，并定期對河床進行巡檢，發現裂隙立即進行填堵。經過治理，地表水滲流明顯減弱，起到了較好的效果。

3.2 工作面排水系統

3.2.1 基本情況

正、副巷各鋪設一趟4 寸（13.3 cm）排水管路，污水經中四采區軌道巷排水管路排至中四采區集中水倉，由水倉排入正前大巷，通過大巷自流排出。

3.2.2 排水管的選型

根據式（1）確定排水管的管徑dP：式中：QB為最大涌水量，以最大涌水量的2 倍計算，取20 m3/h；VP為經濟流速，一般取1.5～2.2 m/s。

將相關數據代入式（1）得：dP=56.68 mm。

3.2.3 水泵的選型

水泵的有效功率N 計算公式如下：

式中：γ 為水的密度，kg/m3；Q 為水泵的流量，m3/s；H為水泵的總揚程，m；η 為水泵的效率。

水泵的總揚程H 用式（3）計算如下：

式中：Ha為實際揚程，指吸水水面到排水管出口中心的垂直距離，取53 m；λ 為摩擦阻力系數，取0.0249；ξ 為局部阻力系數，接頭取0.5，每6 m 一個接頭，彎頭取2；L 為直管長度，取1564 m；D 為管路內徑，取0.1 m；Q 為水泵的流量，取6 m3/h。

排水管長1000 m，將相關數據代入式（2）（3）得：H=53 m，N=1.15 kW。

綜上，水倉處應配備兩臺不小于1.15 kW 的水泵（工作泵和備用泵），結合礦水泵型號，選擇5.5 kW水泵，巷道鋪設一趟4 寸排水管，以達到排水能力不小于最大涌水量的2 倍。

3.2.4 排水方式

工作面涌水自流至順槽低洼處的集水池，通過水泵將水排至中四采區集中水倉。

3.2.5 排水管路管徑及布置方式

排水管采用4 寸膠管。吊掛必須平直，無起伏，最下面的一根水管距底板不低于1.2 m。當不能保證1.2 m 時，必須保證不影響行人和運輸，安全距離不小于0.5 m，高度不得低于0.8 m（與瓦斯管路同側吊掛時）。橫貫巷道時，走上方設計拱形，走下方要挖地溝。每隔4 m 必須用Φ9.3 mm 鋼絲繩和“抱箍”吊掛在頂板專用起吊錨桿上。

3.3 小窯水防治措施

為解決小窯水的問題，官地煤礦采取井下防水密閉的方案。統計表明，井下共建有防水密閉總計128 道，并且將小窯礦的井口全部封閉，以杜絕灌井的安全隱患。但由于小窯數量多、情況復雜，簡單的封閉難以達到預期的效果，地表水仍會沿裂隙不斷滲入小窯，掘進過程中仍可能發生突涌水的現象。因此，在煤層開采時一定要沿古空區或采空區留足防隔水煤柱，穿越古空區或采空區時一定要先做探放水工作，尤其在汛期嚴防各類事故的發生。

3.4 采空區積水防治措施

堅持“預測預報，有掘必探，有采必探，先探后掘，先治后采”的防治原則，在開采掘進過程中嚴格遵守相關的防治水規定，實施“一探二放三開采”的方案，探測到同層或上層采空區有積水的情況下，利用鉆孔先將積水排出，之后再進行開采作業。

4 結語

1）滲漏水是影響煤礦安全生產運營的重要危害之一，不當的防水措施會導致嚴重的水災害。

2）官地煤礦的滲漏水原因主要包括地表水滲流、含水層破壞、采空區積水、小窯水等。

3）根據官地煤礦的實際情況，制定了一套完整的防排水措施，保證了煤礦開采工作的安全。