姜士鵬

(山西大同煤礦集團馬道頭煤業(yè)有限責任公司)

隨著我國煤炭地下開采深度不斷增加，礦井安全開采受到突水災害的威脅日趨嚴重。為確保礦井安全生產(chǎn)，有必要按照井田內水文地質查明程度及防治措施實施情況，將井田分為可采區(qū)(水文地質條件清楚、水害防治措施實施效果較好)、緩采區(qū)(存在老空積水、承壓水等隱患的煤礦，因經(jīng)費、技術等因素的制約，水文地質條件不清楚且水患治理效果欠佳)[1-2]，針對各類區(qū)域特殊情況采取不同的水文地質災害防治措施，勢必能夠取得理想效果。本研究以山西馬道頭煤礦5#煤層為例，進行防治水分區(qū)研究，將區(qū)內劃分為可采區(qū)和緩采區(qū)，并針對各區(qū)的水害類型，對相應的治水措施進行闡述。

1 礦井開采條件

馬道頭煤礦5#煤層底板標高為760～1 230 m。采用斜、立井混合開拓，一個水平開采，布置有主斜井、副斜井、進風立井、回風立井4個井筒，主、副井采用斜井開拓，回風井采用立井開拓[3]。采煤工作面采用單一走向長壁綜合機械化低位放頂煤開采工藝，后退式開采方式。掘進巷道支護方式為錨桿(索)金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。

井田內鉆孔揭露的地層由老至新有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系以及第四系[4]。地層走向大致為EW向，傾向N，為一南高北低的單斜構造，地層傾角一般為2°～3°。含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，共含煤18層。井田東北部雖然賦存侏羅系大同組地層，但僅賦存其底部地層，一般不含煤。其中，5#煤層位于太原組中部，距山西組底界K3砂巖一般約20 m。該煤層總厚0.34～26.24 m，平均厚11.85 m，煤層層位穩(wěn)定，厚度大，井田內皆賦存且可采，煤層賦存范圍內厚度變化較大，結構復雜，有0～15層夾矸，一般為3～7層。井田內煤層具有西部厚(3#、5#煤層合并)、東部薄的特征[5]。

井田內斷層較發(fā)育，三維地震勘探及補充勘探解譯出落差大于10 m的斷層有182條，二維地震勘探解譯出落差大于15 m的斷層有41條，其中落差大于或等于20 m的可靠及較可靠斷層有20條；井田內已確定了13個褶皺構造，其中7個背斜，6個向斜；井田內地表地球物理勘探解譯出19個陷落柱，另勘探鉆孔揭露的陷落柱編號分別為ZTXLZ1、TXL1、TXL2，針對二、三維地震解譯出的斷裂構造、陷落柱、異常體，布設了機動孔進行驗證，發(fā)現(xiàn)煤層底板與相鄰鉆孔底板高差不明顯，說明陷落柱陷落煤層較小；井田巖漿巖沿斷裂構造上升侵入煤層，井田西部715、711、713鉆孔內的5#煤層有煌斑巖侵入，對太原組上段的5#煤層有破壞作用，但影響范圍較小[6-8]?？傮w上，井田地質構造復雜程度中等。

2 礦井水患類型

現(xiàn)階段，馬道頭煤礦水患類型主要有地表水及大氣降水、采空區(qū)積水、地下水，導水通道主要有斷層、陷落柱、導水裂縫帶和封閉不良鉆孔。

2.1 大氣降水及地表水

井田內5#煤層開采形成的導水裂縫帶高度平均為193.48 m，最大導水裂縫帶高度為374.68 m，大部分地區(qū)能夠溝通地表，使得大氣降水及其形成的溝谷洪水對礦井充水有一定的影響。井田及周邊分布有較大的河流，由北至南、由西至東分別為十里河、元子河、大峪河、小峪河，多為季節(jié)性河流，即大氣降水及地表水對礦井采掘有一定的影響。

2.2 采空區(qū)積水

2.2.1 井田內采空區(qū)積水情況

馬道頭礦已回采了4個工作面，其中1個工作面為下山回采，工作面采空區(qū)積水沿工作面排水系統(tǒng)已排凈，其余3個工作面總體為上山回采，該類工作面南部由于受到褶皺影響，存在一定量的采空區(qū)積水(表1)。

表1 井田內5#煤層采空積水情況

2.2.2 周邊礦井采空區(qū)積水情況

馬道頭井田周邊礦井煤層特征參數(shù)及采空區(qū)積水情況見表2。

2.3 地下水

井田內第四系松散層厚度小，含水層富水性差，分布區(qū)域有限，由砂礫石層、粉土組成。地下水主要接受大氣降水補給，隨地形由高至低運移，同時向下伏基巖滲漏，主要排泄方式為人工開采，礦井涌水量可能增大。石炭—二疊系含水層為煤層開采的直接充水含水層，井田內5#煤層開采時，砂巖裂隙水易進入礦井，故砂巖裂隙水為該煤層的主要直接充水因素。該地段含水層富水性中等—弱，充水量有限，一般情況下不影響礦井生產(chǎn)，但由于其富水性具有不均一性，不排除局部地段富水性增強，故對5#煤層開采將構成一定威脅。

賦存于巖溶裂隙中的承壓含水層為太原組5#煤層底板突水的間接性充水含水層，井田內開采煤層屬于帶壓開采煤層。依據(jù)井田內揭露的寒武—奧陶系灰?guī)r鉆孔數(shù)據(jù)，灰?guī)r含水層巖溶裂隙發(fā)育極不均一，涌水量為0.0915～0.1317L/(s·m)，為富水性中等—強含水層，尤其在構造破碎帶或封閉不良的鉆孔地帶，灰?guī)r水很可能沿導水裂隙帶間接成為5#煤層的礦井充水水源，對煤層開采構成威脅。

表2 馬道頭礦井周邊礦井煤層參數(shù)及采空積水情況

通過綜合考慮煤層突水系數(shù)、充水含水層富水性、底板隔水層和有效隔水層、地質構造等因素，本研究采用多因素疊加法對5#煤層底板突水危險性進行了評價[9-10]，結果如表3、圖1所示。

由表3知：5#煤層底板的突水系數(shù)均小于0.06 MPa/m，屬于底板突水安全區(qū)[11]，總體上看，F(xiàn)98、F99斷層構成的地塹區(qū)域的太原組地層可能導通奧陶系灰?guī)r地層，兩者在部分塊段會產(chǎn)生水力聯(lián)系，因此在F98、F99斷層影響區(qū)域內的5#煤層區(qū)屬于底板突水危險區(qū)。

表3 5#煤層突水系數(shù)

3 煤礦防治水分區(qū)劃分及治水措施

3.1 防治水分區(qū)劃分

防治水分區(qū)劃分的原則為：①井田內5#煤層為帶壓開采，經(jīng)計算，屬于帶壓開采安全區(qū)，根據(jù)以往地質、水文地質勘探成果以及物探、鉆探資料，可將井田內地質構造情況及水文地質條件明確的區(qū)域劃為可采區(qū)，將井田內水文地質條件暫不清晰的區(qū)域劃為緩采區(qū)；②將大巷及已掘巷道劃為可采區(qū)；③井田邊界保安煤柱范圍及采空區(qū)不參與劃分。根據(jù)上述原則，井田內5#煤層防治水分區(qū)劃分結果見表4及圖2。

表4 5#煤層防治水分區(qū)劃分結果

3.2 分區(qū)防治水措施

3.2.1 可采區(qū)

圖1 5#煤層底板突水系數(shù)分區(qū)

圖2 5#煤層分區(qū)劃分示意

(1)采空區(qū)積水。①生產(chǎn)過程中須嚴格執(zhí)行老空積水的“三線”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，并結合礦井實際情況，最終確定的探水線為積水線外推40 m，警戒線為探水線外推50 m；②采掘工作面進行探水前，應預先編制專項的探放水方案，確定允許掘進的距離和超前距離，并制定有害氣體安全防范措施；③按照相關規(guī)定對采空區(qū)及廢巷進行密閉，留設導水孔，加強觀測，及時將采空區(qū)積水排出，同時留設觀察孔，觀測采空區(qū)內的溫度和有害氣體分布情況；④須定期收集、調查和核對相鄰煤礦和廢棄老窯積水情況，并在井上下對照圖件上標出相關井田位置、開采范圍、開采年限及積水情況，在采掘工程平面圖及充水性圖件上標繪出積水井巷及采空區(qū)積水范圍、底板標高和積水量等信息，此外，還應建立井田及相鄰礦井采空區(qū)動態(tài)管理機制，以有效掌握采空區(qū)范圍、涌(積)水情況等信息。

(2)大氣降水及地表水。①地面廣場應定期檢查疏通各排水系統(tǒng)，確保地面無積水，遇有外水時確保不流向井口方向，在礦井井筒附近儲備防洪(雨)水黏土袋，在礦區(qū)內應采取填坑、補凹、整平地表等措施，定期清理礦井工業(yè)廣場以及周邊水溝；②封堵塌陷坑及地裂縫；③加強雨季前防汛工作，嚴格執(zhí)行礦井雨季“三防”管理制度，每年根據(jù)本年度采掘工程布置情況制定詳細的水災應急處理預案。

(3)煤層頂板水。對于物探解譯的煤層頂板含水層的富水異常區(qū)，應采用井下瞬變電磁勘探方式進一步核實，而后對富水異常區(qū)進行井下鉆探驗證，經(jīng)證實本含水層與強含水層或其他水體未發(fā)生水力聯(lián)系，且采區(qū)有足夠排水能力時，可在采區(qū)最底部首先回采，實行采動放水，也可以結合生產(chǎn)開拓需要，直接在含水層內掘進巷道放水。

(4)奧灰水。礦井5#煤層為帶壓開采，需做好奧灰水防治工作，即加強對帶壓區(qū)內斷層和陷落柱富導水性的探測與研究工作，可通過注漿封堵方式切斷其與奧陶系灰?guī)r含水層的水力聯(lián)系，也可通過留設防隔水煤柱進行隔離[12-15]。

(5)斷層水。①在巷道掘進過程中，巷道前方若揭露到斷層，應采用直流電法超前探方式進行探查工作，若探測為導水斷層，應進行鉆探驗證工作，必要時編制探放水方案，由專業(yè)探放水技術人員依據(jù)相關規(guī)范進行探放工作；②采取各種鉆探及物探手段探明隱伏構造，尤其應查明導水構造和隔水層的薄弱帶[16]，對落差大且富水性較強的斷層，按照相關規(guī)范合理留設煤柱。

(6)陷落柱水。巷道掘進前應采用井下物探技術對掘進頭前方陷落柱進行探測，初步確定陷落柱位置，而后采用鉆探方式進行驗證，精確探查陷落柱的發(fā)育形態(tài)、巖性、周邊裂隙發(fā)育程度、導水性等[17]。依據(jù)相關規(guī)程留設合理的防水煤(巖)柱或采用注漿封堵方式進行治理。對于淺部巷道已經(jīng)揭露出的不含水也不導水的陷落柱，按照《煤礦防治水規(guī)定》，在深部掘進時應對其進行探測，對于巷道已經(jīng)揭露的不含(導)水陷落柱，應對巷道底板進行探查，防止出現(xiàn)滯后突水現(xiàn)象。

3.2.2 緩采區(qū)

①在水文地質條件不明確的情況下，切勿在緩采區(qū)內進行任何采掘作業(yè)；②在進入緩采區(qū)內開采前，須進行地面物探及其他技術探查工作，查明以往井田內及周邊老窯破壞情況及老窯積水情況，查清緩采區(qū)內地質構造及水文地質條件，確保礦井生產(chǎn)安全；③在充分開展物探工作，且物探成果經(jīng)過嚴格評審通過后，緩采區(qū)方可轉化為可采區(qū)進行開采。

4 結 語

分析了山西馬道頭煤礦的開采條件，并將該礦5#煤層的防治水分區(qū)劃分為可采區(qū)及緩采區(qū)。針對可采區(qū)及緩采區(qū)的水文地質特征，制定了詳細的水患防治措施，對于確保該煤層安全開采有一定的借鑒價值。

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