山西三元煤業(yè)充水因素與防治水對策研究

李朋

（山西三元煤業(yè)股份有限公司，山西 長治 046011）

1 概況

礦井在生產(chǎn)過程中經(jīng)常會有一定的涌水，涌水量較大時，不僅會惡化采掘工作面的作業(yè)環(huán)境，嚴(yán)重時甚至?xí)斐裳途兔娴氖鹿剩o礦井的安全生產(chǎn)帶來較大的危害。為了有效防治礦井涌水，減少其對采掘工作面的影響以及對施工人員的威脅，國內(nèi)外眾多專家和學(xué)者從不同的角度出發(fā)，提出了眾多的礦井水防治方案，指導(dǎo)了國內(nèi)外眾多礦井的安全生產(chǎn)，但其研究成果主要都是建立在對某一種水害的防治上，對礦井充水影響因素的分析不夠深入。本文以三元煤業(yè)3 號煤層開采時的地質(zhì)條件為背景，綜合分析了礦井涌水量與各充水因素之間的關(guān)系，得出采空區(qū)積水為影響礦井涌水量的主要因素，在此基礎(chǔ)上提出了加強(qiáng)基礎(chǔ)地質(zhì)資料收集、采用物探和鉆探技術(shù)手段加強(qiáng)對采空區(qū)積水探測等防治水對策，保障煤炭開采的安全。

2 礦井情況

山西三元煤業(yè)股份有限公司位于山西省長治市西郊堠北莊鎮(zhèn)，東緊臨長治市區(qū)，行政區(qū)劃屬長治市潞州區(qū)堠北莊鎮(zhèn)管轄，礦井生產(chǎn)規(guī)模220 萬t/a，主要開采山西組的3 號煤層和太原組的9 號、14號和15-3 號煤層，其中3 號煤層位于山西組的下部，厚度為6.36～8.40 m，平均為7.02 m，普遍含0～2 層炭質(zhì)泥巖夾矸，結(jié)構(gòu)簡單，厚度大，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，該煤層為現(xiàn)階段主采煤層，西部的一采區(qū)1301～1312 工作面均已采空，東部的二采區(qū)2301、2303、2305 工作面已采空，目前正回采四采區(qū)工作面；9 號煤層位于太原組中部，上距3 號煤層56.75～71.33 m，平均68.12 m，煤層厚度為0.96～1.87 m，平均為1.39 m，結(jié)構(gòu)簡單，無夾矸，全區(qū)可采穩(wěn)定煤層，目前尚未開采；14 號煤層位于太原組下部，上距9 號煤層29.02～47.47 m，平均37.68 m，煤層厚度為0.50～1.05 m，平均為0.79 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，無夾矸，屬于不穩(wěn)定煤層，局部可采，可采范圍位于井田中部，目前尚未開采；15-3 號煤層位于太原組下部，上距14 號煤層3.59～19.29 m，平均11.34 m，厚度為0～6.25 m，平均為2.78 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸0～4 層，除井田內(nèi)補(bǔ)108 鉆孔外，其他鉆孔均可采，屬大部可采的穩(wěn)定煤層，目前尚未開采。各煤層主要特征見表1。

表1 可采煤層特征Table 1 Feature table of minable coal seam

根據(jù)山西三元煤業(yè)礦井生產(chǎn)過程中涌水量記錄，目前礦井正常涌水量為77.30 m3/h，最大涌水量為102 m3/h，為保證礦井安全生產(chǎn)，合理布置排水系統(tǒng)，需要對礦井的充水因素進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的防治水對策。

3 充水因素分析

大氣降水是地下水的補(bǔ)給來源，在一定程度上能夠影響礦井的涌水量；同時，通常情況下，隨著礦井的生產(chǎn)，采空區(qū)面積逐漸增加，開拓巷道長度逐漸增加，礦井涌水量也會有一定程度的變化。為分析三元煤業(yè)的涌水量影響因素，統(tǒng)計(jì)了該礦2019 年1 月～2022 年5 月的相關(guān)數(shù)據(jù)，見表2，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，繪制礦井涌水量與各相關(guān)因素動態(tài)曲線，如圖1 所示。

圖1 涌水量與各相關(guān)因素動態(tài)曲線Fig.1 Dynamic curve of water inflowand each related factors

表2 礦井涌水量與降雨量、產(chǎn)量等相關(guān)因素數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Data statistics of mine water inflow,rainfall,production and other related factors

從表2 和圖1 中可以看出，礦井的涌水量保持50～100 m3/h，變化不大，并且礦井涌水量與大氣降水量關(guān)系不密切，降水量對礦井涌水量較小，如2021 年強(qiáng)降雨與礦井涌水量關(guān)系不大，分析其主要原因?yàn)樯轿魅簶I(yè)主要開采的3 號煤層埋藏較深，達(dá)到450 m 以上，并且煤層上部黃土層厚度大，隔水性能強(qiáng)，能夠有效阻止地表大氣降水下滲；礦井涌水量與產(chǎn)量、回采面積有一定的相關(guān)性，主要表現(xiàn)為隨著礦井產(chǎn)量和回采面積的增加，礦井涌水量出現(xiàn)一定量的增大趨勢，但增加幅度較小，主要原因?yàn)槊簩禹數(shù)装逯饕渌畬痈凰跃^弱造成的；礦井涌水量主要受采空區(qū)積水影響。

4 防治水對策研究

礦井充水因素分析結(jié)果顯示，三元煤業(yè)3 號煤層礦井涌水量主要與采空區(qū)面積及其積水量有關(guān)，因此礦井防治水的重點(diǎn)工作位防治采空區(qū)積水。

由于山西三元煤業(yè)開采時間較長，采空區(qū)數(shù)量較多，并且各個采空區(qū)都不同程度地存在采空區(qū)積水。三元煤業(yè)及周邊相鄰礦井資料齊全，井田范圍內(nèi)3 號煤層采空區(qū)積水的位置、范圍、積水量清楚。因此防治工作主要是在堅(jiān)持"預(yù)測預(yù)報、探掘分離、有掘必探、先探后掘、先治后采"的原則下對其進(jìn)行探放，具體對策如下。

（1） 按照規(guī)定對采空區(qū)及廢巷進(jìn)行密閉，留設(shè)導(dǎo)水孔，加強(qiáng)觀測，及時將采空區(qū)積水排出；同時留設(shè)觀察孔，觀測采空區(qū)內(nèi)的溫度和有害氣體情況。

（2） 生產(chǎn)過程中嚴(yán)格執(zhí)行老空積水的“四線”、“三區(qū)”管理制度，綜合分析采空區(qū)分布范圍，劃出積水線、探水線和警戒線。當(dāng)采掘工作面接近警戒線時，應(yīng)警惕積水威脅，注意采掘工作面水情變化，如發(fā)現(xiàn)有透水征兆要提前探放水，情況危機(jī)時要及時撤離受水害威脅區(qū)域人員。

（3） 未來采掘活動接近采空積水區(qū)時，需進(jìn)行井下物探超前探測工作，并依據(jù)探測結(jié)果進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，對老空水進(jìn)行探查疏放，必要時留設(shè)足夠的安全保護(hù)煤柱。采掘工作面探水前，先編制專項(xiàng)的探放水設(shè)計(jì)，確定允許掘進(jìn)距離和超前距，并采取防止瓦斯和其他有害氣體危害等安全措施。探放水鉆孔的布置和超前距離，應(yīng)當(dāng)根據(jù)水頭高低、煤（巖） 層厚度和硬度等確定。

（4） 定期收集、調(diào)查和核對相鄰煤礦情況，并在井上下對照圖上標(biāo)出其井田位置、開采范圍、開采年限、積水情況。在采掘工程平面圖及充水性圖上必須標(biāo)繪出積水的井巷及采空區(qū)的積水范圍、底板標(biāo)高和積水量等。建立井田及相鄰礦井采空區(qū)動態(tài)管理機(jī)制，掌握其采空范圍、涌（積）水情況等。

（5） 在堅(jiān)持“預(yù)測預(yù)報、探掘分離、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則下對采空區(qū)的積水進(jìn)行探放，必須開展的主要防治水工作為：①對已查明的老空水，要有組織、有規(guī)劃的開展疏放工作，布置足夠的排水設(shè)備，加強(qiáng)水情觀測，做好相應(yīng)的排水記錄；②探放水前應(yīng)編制探放水工程設(shè)計(jì)及施工安全技術(shù)措施；③對原采空區(qū)密閉墻加固。

（6） 采掘過程中嚴(yán)格執(zhí)行2 種井下物探，異常區(qū)編制專項(xiàng)鉆探驗(yàn)證設(shè)計(jì)，超前探測驗(yàn)證異常區(qū)、采空區(qū)積水情況，隱患消除后方可生產(chǎn)。

（7） 三元煤業(yè)3 號煤層采空區(qū)較多，探放水鉆孔設(shè)計(jì)時，采用長短探結(jié)合，成組布設(shè)鉆孔，按照每組不少于3 個鉆孔進(jìn)行布設(shè)，并在巷道前方的水平面和豎直面內(nèi)成扇形，鉆孔的終孔位置滿足水平間距不大于3 m，豎直間距不大于1.5 m，探放水鉆孔施工時，加強(qiáng)探測鉆孔有害氣體的監(jiān)測。

5 結(jié)語

通過對山西三元煤業(yè)3 號煤層開采過程中涌水量與各個充水因素進(jìn)行綜合分析，得出大氣降水對礦井涌水量的影響較小；產(chǎn)量和回采面積對礦井涌水量具有一定的影響，但總體上影響不大；礦井涌水量主要受采空區(qū)積水影響。在此基礎(chǔ)上提出了加強(qiáng)基礎(chǔ)地質(zhì)資料收集、采用物探和鉆探技術(shù)手段加強(qiáng)對對采空區(qū)積水探測等防治水對策，保障了煤礦安全高效開采。