礦井老空區(qū)和奧灰突水的安全評價及防治措施

文/王曉飛 王佳佳

山西汾西瑞泰井礦正行煤業(yè)有限公司礦井整合前由于小窯開采破壞嚴(yán)重，造成大面積老空積水，在一盤區(qū)已形成三個大面積采空區(qū)，估算積水近40萬m3。井田內(nèi)奧灰水水位標(biāo)高為797～825m，15號煤層底板標(biāo)高約為770～1260m，15號煤層在井田西北部局部為奧灰水帶壓開采。為確保安全開采，從主要礦井充水、隔水層阻水性能和突水通道3個方面對井田的水文地質(zhì)情況進(jìn)行分析，采用突水系數(shù)法對底板的來水危險進(jìn)行安全評價，提出了受老空積水和底板帶壓突水的安全開采防治措施，為礦井安全開采提供了保障。

一、井田水文地質(zhì)及充水因素分析

1.井田水文地質(zhì)情況

正行煤業(yè)井田處于娘子關(guān)泉域巖溶系統(tǒng)的南部徑流區(qū)，井田內(nèi)含（隔）水巖層向井田外自然延展，無明顯水力邊界。較大的溝谷為井田北東部的水橫溝，為井田內(nèi)地表水的排泄通道。井田整體呈一單斜構(gòu)造，地層總體上走向北東，傾向北西，受構(gòu)造影響，井田內(nèi)地下水流向總體上呈自東南向西北徑流。

2.礦井主要充水情況

礦井充水水源主要有四種形式：大氣降水、地表水體、煤系地層頂板含水層水、奧陶系灰?guī)r充水含水層。

（1）礦井在采掘中未發(fā)生明顯的突水，表現(xiàn)為短期的滲水和井筒淋水，礦井涌水主要是老空區(qū)通過頂板垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的滯后出水。

（2）充水含水層是頂板灰?guī)r及砂巖，主要是14號煤的直接頂板，平均厚為7.02m的K2灰?guī)r。

（3）礦井涌水量小，包括水文地質(zhì)條件基本相同的南、北鄰礦。原清河店聯(lián)營煤礦實際生產(chǎn)能力為9萬t/a，礦井涌水量為50m3/d（2.1m3/h）。原上其至煤礦實際生產(chǎn)能力為12萬t/a，礦井涌水量為125m3/d（5.2m3/h）。原下其至煤業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)能力為9萬t/a，礦井正常涌水量為40m3/d（1.7m3/h），最大涌水量為60m3/d（2.5m3/h）。

（4）礦井涌水量受大氣降水影響比較明顯，雨季涌水量較平常期明顯增多。

3.底板充水含水層

煤系下部的奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層為各煤層的間接充水含水層，此含水層富水性極強(qiáng)，井田推測奧灰水位標(biāo)高在797～825m，地下水徑流方向由南向北徑流。15號煤層底板標(biāo)高在770～1260m之間，15號煤層在井田西北部，局部為奧灰水帶壓開采。

4.隔水層

（1）石炭系中統(tǒng)本溪組厚約為19.47～20.00m，平均

19.74m。主要由灰色砂質(zhì)泥巖、泥巖及鋁土泥巖組成。結(jié)構(gòu)致密，層理完整，為良好的隔水層組。

（2）石炭二疊系之泥質(zhì)巖類，厚度大，層位穩(wěn)定，一般均不透水，常將其互層的砂巖含水層隔離為層間承壓裂隙水，上、下無水力聯(lián)系，故這些泥質(zhì)巖類為隔水層組。

（3）新近系上新統(tǒng)之紅色粘土及第四系中更新統(tǒng)紅色土，均有良好的隔水性，山頂、山坡常見紅土之上有小泉分布，即說明其隔水性能良好。

5.礦井涌水量預(yù)算

用富水系數(shù)比擬法預(yù)算礦井涌水量。

礦井涌水量預(yù)算公式：

式中：Q－礦井預(yù)算涌水量，m3/d；

Kp－富（含）水系數(shù)，m3/t·d；

P－礦井設(shè)計生產(chǎn)能力，t/d；

Q1－生產(chǎn)礦井涌水量，m3/d；

P1－生產(chǎn)礦井產(chǎn)煤量，t/d。

根據(jù)歷年采掘技術(shù)資料分析，井田內(nèi)15號煤層生產(chǎn)期間實測礦井正常涌水量為37.30m3/h，最大涌水量為55.95m3/h。采用富水系數(shù)比擬法計算正行煤業(yè)達(dá)產(chǎn)之后的礦井涌水量。比擬公式計算如下：

Q正常=37.3/105.2×150=53.18（m3/h）；

Q最大=55.95/105.2×150=79.78（m3/h）。

當(dāng)正行煤業(yè)開采15號煤層，礦井生產(chǎn)能力達(dá)到150萬t/a時，礦井正常涌水量為1276.32m3/d（53.18m3/h），礦井最大涌水量為1914.64m3/d（79.78m3/h）。

6.礦井突水通道

通常引起礦井突水的通道主要有三種形式：斷裂及破碎帶、煤層采動形成的垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶。煤層采空后頂板產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙帶，將溝通上覆砂巖裂隙含水層，主要表現(xiàn)為頂板的滲水或淋水，易被疏干，容易控制，對煤礦的開采影響不大。若導(dǎo)水裂隙帶貫穿上覆煤層采空區(qū)，將直接導(dǎo)致采空區(qū)積水導(dǎo)入開采煤層，威脅煤層的安全開采。若煤層導(dǎo)水裂隙帶延伸至地表，將成為地表水源進(jìn)入礦井的主要通道。因此，在開采過程中，隱伏導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造是形成底板突水的主要通道。

二、底板突水的安全性評價

綜上所述，根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，突水系數(shù)采用下式計算，并且規(guī)定：底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06MPa/m，隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞的地段不得大于0.10MPa/m。

式中：T－突水系數(shù)，MPa/m；

P－底板隔水層承受的水頭壓力，MPa；

M－底板隔水層厚度，m。

15號煤層最低處底板隔水層承受的水壓為0.086MPa；據(jù)統(tǒng)計，15號煤層底板隔水層厚度為18.27～45.48m，平均33.92m。

經(jīng)計算，15號煤層最大突水系數(shù)為0.0054MPa/m，突水系數(shù)均小于底板受構(gòu)造破壞塊段臨界突水系數(shù)0.06MPa/m，正常情況下在15號煤層帶壓區(qū)開采時，發(fā)生突水的可能性小。但井田內(nèi)陷落柱較為發(fā)育，奧灰水極易通過陷落柱導(dǎo)升至15號煤層中，發(fā)生突水的危險性進(jìn)一步增加。

三、帶壓開采區(qū)防治水措施

通過對井田水文地質(zhì)及充水因素分析，基于突水系數(shù)的底板突水危險性評價，正常情況下在15號煤層帶壓區(qū)開采時，隱伏地質(zhì)構(gòu)造極易發(fā)生突水事故，施工中應(yīng)注意對隱伏導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造的探查，以免導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造溝通引發(fā)奧灰突水。因此，應(yīng)針對這一情況制定相應(yīng)的突水防治措施。

1.建立采區(qū)防水閘門

在采區(qū)準(zhǔn)備巷道施工前，按照《煤礦防治水規(guī)定》，應(yīng)當(dāng)在采區(qū)巷道掘進(jìn)來水一側(cè)15～25m處，加設(shè)一道擋物篦子門。防水閘門與篦子門之間，不得停放車輛或堆放雜物。來水時，先關(guān)篦子門，后關(guān)防水門，起到分區(qū)隔離作用，既能防治奧灰水，又避免了老空突水威脅，保障了人員安全，避免了淹井事故的發(fā)生。

2.做好掘進(jìn)工作面富水性探查

由于礦井主要受空區(qū)水和奧灰水威脅，在奧灰?guī)簠^(qū)須進(jìn)行構(gòu)造的超前探測。將鉆探與井下物探相結(jié)合，按照“有掘必探，先探后掘”的防治水原則，即采用“物探先行，鉆探驗證、化探跟進(jìn)”方法，首先用瞬變電磁儀查明含水異常區(qū)域，再通過鉆探驗證查明構(gòu)造的導(dǎo)水性及富水性，采用化探跟進(jìn)分析得出導(dǎo)水水源，根據(jù)水源確定合理的防治方法。

所探測到的水源為老空水，因此按照《煤礦防治水規(guī)定》中老空水防治原則進(jìn)行疏放。水源為奧灰水導(dǎo)水構(gòu)造或具突水危險構(gòu)造，按照《煤礦防治水規(guī)定》要求留設(shè)防隔水煤柱或注漿封堵加固，注漿封堵加固后，須采用物探與鉆探等方法對注漿改造效果進(jìn)行驗證、檢查和評價。

3.工作面形成系統(tǒng)后進(jìn)行富水性探查

工作面形成系統(tǒng)后，采用瞬變電磁和音頻電透視對工作面進(jìn)行聯(lián)合探查，確定工作面的富水特征。重點(diǎn)對異常區(qū)域進(jìn)行鉆探驗證，物探鉆探相互驗證無危險后，做出工作面水情水害分析安全性評價，方可進(jìn)行工作面回采。

4.做好地下水動態(tài)長期觀測

在礦井開采至帶壓區(qū)域，需對采掘巷道的水文地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)記錄，重點(diǎn)對揭露構(gòu)造帶進(jìn)行觀測，每周對礦井各個出水點(diǎn)變化情況進(jìn)行觀測，并對礦井涌水量變化進(jìn)行分析，確保能夠掌握礦井構(gòu)造帶的涌水量變化規(guī)律，并詳細(xì)、真實記錄第一手資料、裝訂成冊，為做好礦井帶壓開采區(qū)水文地質(zhì)預(yù)報積累資料。