淺談新陽(yáng)煤業(yè)防治水工作

劉赴前

(汾西礦業(yè)集團(tuán)新陽(yáng)煤業(yè)公司，山西孝義032300)

0 引言

煤礦防治水工作是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要建立高素質(zhì)的防治水隊(duì)伍，多方面綜合治理，需要多部門(mén)相互配合，不斷總結(jié)研究防治水經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，建立健全規(guī)章制度，構(gòu)建煤礦防治水長(zhǎng)效機(jī)制，更需要因地制宜，針對(duì)本礦實(shí)際礦井水文地質(zhì)條件、突水水源、突水通道、突水危險(xiǎn)性大小，制定防治水規(guī)劃，編制針對(duì)性的防治水工程設(shè)計(jì)并嚴(yán)格實(shí)施。新陽(yáng)煤業(yè)目前開(kāi)采9 －10 －11#煤，主要充水水源為頂板太原組灰?guī)r巖溶裂隙地下水，底板奧陶系峰峰組巖溶裂隙地下水，上組煤采空積水及井田內(nèi)和周邊老窯、小窯積水，主要涌突水通道為斷層、陷落柱、采動(dòng)導(dǎo)水裂隙、封閉不良的鉆孔以及老窯、小煤窯越界巷道和不清楚的采空區(qū)。據(jù)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告及多年來(lái)實(shí)際生產(chǎn)資料，9 －10 －11#煤頂板充水水源太灰水一般富水性弱，僅局部斷裂帶及其附近富水性較強(qiáng)，總體突水危險(xiǎn)性小，防治水工作的重點(diǎn)是斷裂構(gòu)造涌突水;9 －10 －11#煤底板突水水源奧陶系峰峰組巖溶裂隙水在中西部斷裂構(gòu)造破碎帶及東南部向斜核部斷層交匯部位水位高，富水性較強(qiáng)，煤層底板承受的水壓大(＞1.0 MPa，最大可達(dá)2.19 MPa)，突水危險(xiǎn)性大，其他區(qū)段突水危險(xiǎn)性小，防治水工作的重點(diǎn)是中西部奧陶系峰峰組巖溶裂隙水高水位區(qū)和東南部向斜核部斷層交匯部位;此外，新陽(yáng)煤礦歷史上井田內(nèi)及周邊老窯、小窯眾多，目前單純靠地面工作難以查清越界或不清楚的采空積水區(qū)，也是防治水工作的重點(diǎn);此外，由于9 －10 －11#煤采后大，采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶可溝通上組煤采空區(qū)，應(yīng)做好采空積水疏排水工作。

1 新陽(yáng)煤業(yè)防治水工作現(xiàn)狀及應(yīng)采取的對(duì)策

1)由于歷史原因新陽(yáng)煤業(yè)水文地質(zhì)專業(yè)技術(shù)力量薄弱，需要培養(yǎng)專業(yè)水平較高、防治水經(jīng)驗(yàn)較豐富專業(yè)技術(shù)人才，加強(qiáng)防治水技術(shù)力量。

2)新陽(yáng)煤業(yè)存在河流滲漏情況，雖進(jìn)行了河流防滲處理，但仍要定期進(jìn)行河流上下游流量巡查、觀測(cè)，雨季加密觀測(cè)，特別雨季要加強(qiáng)巡查排除工作，河流滲漏點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)裂隙、裂縫和塌陷坑，要及時(shí)回填封堵，防止大氣降水、河水滲入井下。

3)井田內(nèi)及周邊老窯、小窯和相鄰礦井開(kāi)采時(shí)間久遠(yuǎn)，存在大量采空區(qū)及采空積水區(qū)，由于小煤窯亂采亂挖，開(kāi)采范圍小，采空積水隨補(bǔ)給的動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，很難全部查清并掌握積水范圍、積水量。一是要加強(qiáng)老窯、小窯采空積水地面探查及本礦關(guān)閉采區(qū)的可能積水區(qū)研究;二是留設(shè)足夠的防隔水煤巖柱;三是在規(guī)定正常的超前探基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)可能的老窯、小窯積水區(qū)進(jìn)行井下物探、鉆探探查，以及本礦上部煤層采空區(qū)可能的采空積水區(qū)探查;四是發(fā)現(xiàn)積水區(qū)提前進(jìn)行疏排或采取其他安全可靠防治措施。

4)針對(duì)9 －10 －11#煤頂板突水水源。據(jù)開(kāi)采厚煤層導(dǎo)水裂隙帶高度是煤層厚度20 倍的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)(現(xiàn)開(kāi)采厚煤層導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算一般都采用此計(jì)算方法)，開(kāi)采9 －10 －11#煤層導(dǎo)水裂隙帶高度可達(dá)180 m 左右，因此開(kāi)采層包括石炭、二疊系砂巖裂隙含水層和石炭系太灰含水層。據(jù)本次勘探及以往水文地質(zhì)資料，礦井實(shí)際生產(chǎn)情況，石炭二疊系砂巖裂隙含水層除個(gè)別較大的斷裂帶富水性較強(qiáng)，一般富水性微弱;太灰含水層巖溶裂隙發(fā)育程度及其富水性具有明顯的不均一性，井田內(nèi)大部分區(qū)段富水性一般弱，在埋藏較淺部位或斷層帶附近裂隙溶洞發(fā)育，富水性中等—強(qiáng)，巷道揭露或遇導(dǎo)水通道溝通時(shí)，其涌突水具有突發(fā)性，初始水量較大，但時(shí)間較短的特點(diǎn)，對(duì)生產(chǎn)有一定的影響。

2 9 －10 －11#煤層開(kāi)采過(guò)程中的防治水措施

2.1 開(kāi)采9 －10 －11#煤層時(shí)采取的防治水措施

1)由于上組煤已基本開(kāi)采完，井田內(nèi)斷裂構(gòu)造、陷落柱等已基本清楚，鑒于此，在上組煤未開(kāi)采區(qū)段進(jìn)行地面物探初步查明斷裂斷裂構(gòu)造、陷落柱的分布位置、規(guī)模產(chǎn)狀等。開(kāi)采9 －10 －11#煤層經(jīng)過(guò)已知或可能的斷裂構(gòu)造、陷落柱等時(shí)，首先應(yīng)用物探探查相對(duì)富水性，然后鉆探驗(yàn)證查明斷裂構(gòu)造、陷落柱的含導(dǎo)水性。

2)在上述工作基礎(chǔ)上根據(jù)礦井實(shí)際生產(chǎn)情況、開(kāi)采條件、斷裂帶陷落柱等的規(guī)模、富水性強(qiáng)弱，采取針對(duì)性的防治水措施。

(1)對(duì)斷裂帶、陷落柱規(guī)模小，富水性相對(duì)弱的，采取超前探放水措施。

(2)對(duì)斷裂帶、陷落柱規(guī)模較大，富水性強(qiáng)，要留設(shè)足夠的隔水煤巖柱，嚴(yán)重的進(jìn)行注漿封堵，并酌情設(shè)立防水閘門(mén)實(shí)現(xiàn)分區(qū)隔離開(kāi)采。

3)對(duì)于那些生產(chǎn)中已揭露并未突水的斷層，要加強(qiáng)觀測(cè)，嚴(yán)防滯后突水的發(fā)生。

2.2 開(kāi)采 9 －10 －11#煤層底板水防治措施

本井田開(kāi)采9 －10 －11#煤層底板充水含水層主要為奧陶系峰峰組巖溶裂隙水。據(jù)以往鉆孔揭露和本次勘探研究，9 －10 －11#煤層底板隔水層包括9 －10 －11#煤層底板至奧灰頂界面和奧陶系峰峰組頂部隔水層，隔水層較厚而穩(wěn)定，底板承受的水壓中西部較大，其他地段承受的水壓小或無(wú)壓，奧陶系峰峰組巖溶裂隙水中西部補(bǔ)給條件相對(duì)較好，富水性中等，其他區(qū)段補(bǔ)給弱，徑流條件差，富水性弱，突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，中西部斷裂構(gòu)造帶及其附近有突水危險(xiǎn)，其他區(qū)段除導(dǎo)水?dāng)嗔鸦驅(qū)萋渲?，奧陶系峰峰組巖溶裂隙水富水性弱，水壓小或無(wú)壓，可安全開(kāi)采。此外在南部向斜核部的斷裂帶，為奧陶系馬家溝組巖溶裂隙水帶壓區(qū)，雖然壓力不大，但奧陶系馬家溝組巖溶裂隙水富水性強(qiáng)，如果在開(kāi)采9 －10 －11#煤層時(shí)揭露導(dǎo)水?dāng)嗔褞Щ驅(qū)萋渲?，有突水危險(xiǎn)。為此，建議采取如下防治水措施。

1)詳細(xì)分析研究上組煤開(kāi)采時(shí)揭露的斷層帶、陷落柱的充填物及其膠結(jié)情況，將其標(biāo)注在9 －10 －11#煤采掘平面圖上，在9 －10 －11#煤開(kāi)采前，應(yīng)用物探、鉆探進(jìn)行超前探，查明斷裂斷裂構(gòu)造、陷落柱的富導(dǎo)水性。

2)對(duì)中西部奧陶系峰峰組巖溶裂隙水富水性中等、奧灰水壓較大的斷裂帶或陷落柱，在酌情設(shè)立防水閘門(mén)實(shí)現(xiàn)分區(qū)隔離開(kāi)采的基礎(chǔ)上，可采取如下防治水措施:

(1)在地面施工疏排水鉆孔進(jìn)行疏排降壓，將奧陶系峰峰組巖溶裂隙水水壓降至隔煤層底板以下，保障煤礦安全生產(chǎn)。此方法，初期投人相對(duì)較小，簡(jiǎn)單易行，但疏排水時(shí)間貫穿中西部采區(qū)開(kāi)采全過(guò)程，運(yùn)行成本高，且?jiàn)W陶系峰峰組巖溶裂隙水礦化度高，特別是SO2離子含量高，需要處理才能安全排放或綜合利用。

(2)掘進(jìn)巷道過(guò)斷裂帶或陷落柱時(shí)注漿封堵。采掘工作面在斷層、陷落柱的破壞附近裂隙發(fā)育，導(dǎo)致煤層松軟或發(fā)育導(dǎo)水裂隙，需在探放水的基礎(chǔ)上，留設(shè)足夠的防隔水煤巖柱。此方法，投入小，但浪費(fèi)煤炭資源，且不能完全消除安全隱患。

(3)在井田西部應(yīng)用地面物探查明西部來(lái)水通道，并在邊界斷層裂隙發(fā)育帶進(jìn)行地面打孔注漿，封堵補(bǔ)給通道，采前進(jìn)行超前探放水。由于其補(bǔ)給通道主要為東西向發(fā)育的斷層裂隙帶，封堵補(bǔ)給通道，可將大部分補(bǔ)給隔絕，井下探放水可很快疏排至開(kāi)采安全水壓，且初期放水量大，往后很快減小。此方法雖然一次投入較大，但運(yùn)行成本低，可消除安全開(kāi)采隱患。

3)對(duì)其他奧陶系峰峰組巖溶裂隙水富水性弱、奧灰水壓較小的斷裂帶或陷落柱，采前進(jìn)行超前探放水，按規(guī)程規(guī)范留設(shè)防隔水煤巖柱。

4)對(duì)于那些生產(chǎn)中已揭露并未突水的斷層，要加強(qiáng)觀測(cè)，嚴(yán)防滯后突水的發(fā)生。

5)在生產(chǎn)中時(shí)刻關(guān)注回采工作面情況、涌水量變化和奧灰水位變化，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)上報(bào)。

6)按照規(guī)定留設(shè)防隔水煤柱后，采掘工作面接近斷層煤柱前，要復(fù)查煤柱的可靠性。

7)開(kāi)采掘進(jìn)中揭露出水點(diǎn)，要采集水樣進(jìn)行測(cè)試化驗(yàn)，查明充水水源，排除隱患后方可繼續(xù)開(kāi)采掘進(jìn)。

8)加強(qiáng)地下水的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在底板含水層中布置一定密度的動(dòng)態(tài)觀測(cè)點(diǎn)，系統(tǒng)觀測(cè)地下水水位、水溫的動(dòng)態(tài)變化。

9)由于奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育具有不均一的特點(diǎn)，開(kāi)采9 －10 －11#煤時(shí)巷道掘進(jìn)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行“有疑必探，先探后掘，先治后采”的原則，利用物探、鉆探等綜合手段查明前方巖層及底板灰?guī)r的富水性特征，確保安全后方可施工。同時(shí)應(yīng)遵循先治后采的原則，確保無(wú)水害威脅后再進(jìn)行回采。

3 開(kāi)采工作面寬度及防隔水煤柱留設(shè)

3.1 九采區(qū)煤巖柱的留設(shè)

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中第二斷層防水煤柱留設(shè)的計(jì)算方法，敘述如下:

L—煤柱留設(shè)的寬度，m;

K—安全系數(shù)，一般取2 ～5，取5;

M—煤層厚度或采高，取1.81 m;

p—水頭壓力，Mpa;

Kp—煤的抗拉強(qiáng)度，取 1.0 Mpa。

計(jì)算結(jié)果為L(zhǎng)=8.44 m，所以L 取20 m。

3.2 下組煤帶壓開(kāi)采工作面寬度及防隔水煤柱留設(shè)

3.2.1 下組煤帶壓開(kāi)采工作面寬度

煤礦在開(kāi)采過(guò)程中，由于受采動(dòng)影響，從工作面煤壁到采空區(qū)一定距離和一定深度范圍內(nèi)的底板中出現(xiàn)水平拉應(yīng)力;在壓縮區(qū)和膨脹區(qū)分界處的底板中出現(xiàn)剪應(yīng)力。拉應(yīng)力和剪應(yīng)力使底板形成底板破壞帶。在采空區(qū)下方的膨脹區(qū)內(nèi)，斷裂呈松弛或張開(kāi)狀態(tài)，成為底板突水的誘發(fā)因素。在開(kāi)采過(guò)程中利用底板的阻水能力，阻止底板突水。根據(jù)“下三帶”理論底板隔水層厚度h 大于破壞帶h1、阻水帶h2、地下水導(dǎo)升帶h3之和即可安全開(kāi)采。

根據(jù)本次勘探，新陽(yáng)井田9 －10 －11#煤底板隔水層厚度h最薄為XS2 號(hào)孔的46.52 m(斷裂破碎帶除外)。地下水導(dǎo)升帶h3因奧灰頂板存在充填帶隔水層，隔水層厚度統(tǒng)計(jì)時(shí)已將導(dǎo)升帶排除在外。破壞帶h1、阻水帶h2計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下:

式中:H—開(kāi)采深度500 m，α—煤層傾角5°，L—工作面斜長(zhǎng)(工作面寬度)。

式中:p 為作用在底板上的水壓力，z 為阻水系數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)值取0.4 MPa/m。

據(jù)本次勘探新陽(yáng)井田中西部奧灰峰峰組地下水位高區(qū)，作用在 9 －10 －11#煤隔水底板上的水壓最大為 2.19 MPa(FS4 號(hào)孔)，計(jì)算阻水帶厚度為5.5m;其他區(qū)段9 －10 －11#煤隔水底板上的水壓小于1.0 MPa，計(jì)算阻水帶厚度為2.5 m。按“下三帶”理論中西部奧灰峰峰組地下水位高區(qū)底板破壞帶深度在小于41.02 m，其他區(qū)段底板破壞帶深度在小于44.02 m 的情況下可安全開(kāi)采。據(jù)公式①計(jì)算，新陽(yáng)井田中西部奧灰峰峰組地下水位高區(qū)9 －10 －11#煤帶壓開(kāi)采工作面最大寬度為373 m，其他區(qū)段工作面最大寬度為401 m。

以上計(jì)算的工作面寬度僅考慮了底板水問(wèn)題，實(shí)際開(kāi)采時(shí)應(yīng)綜合考慮設(shè)備、支護(hù)等因素確定工作面最大寬度，但中西部奧灰峰峰組地下水位高區(qū)工作面最大寬度不應(yīng)超過(guò)373 m，其他區(qū)段工作面最大寬度不應(yīng)超過(guò)401 m，特別斷層、裂隙發(fā)育帶應(yīng)采取針對(duì)性的防治水措施。

3.2.2 防隔水煤(巖)柱的留設(shè)

新陽(yáng)井田下組煤的防隔水煤柱依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》留設(shè)。根據(jù)突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果，主要考慮因素為:斷層落差、斷層傾角、破碎帶力學(xué)強(qiáng)度、水壓、含水性、上下盤(pán)開(kāi)采點(diǎn)距斷層面距離。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中第二、四類斷層防水煤柱留設(shè)的計(jì)算方法，敘述如下:

在煤層位于含水層上方且斷層導(dǎo)水的情況下，防隔水煤(巖)柱的留設(shè)應(yīng)當(dāng)考慮2 個(gè)方向上的壓力:一是煤層底部隔水層能否承受下部含水層水的壓力;二是斷層水在順煤層方向上的壓力。

當(dāng)考慮底部壓力時(shí)，應(yīng)當(dāng)使煤層底板到斷層面之間的最小距離(垂距)，大于安全煤柱的高度(Ha)。

p—防隔水煤(巖)柱所承受的靜水壓力，Mpa;

Ts—臨界突水系數(shù)，Mpa/m;取 0.06 Mpa/m;

10—保護(hù)帶厚度，一般取10 m。

式中:α—斷層傾角(°);

L—煤柱留設(shè)寬度。

考慮斷層水在順煤層方向上的壓力時(shí)，含水或?qū)當(dāng)鄬用?巖)柱的留設(shè)可參照下列經(jīng)驗(yàn)公式:

L—煤柱留設(shè)的寬度;

K—安全系數(shù)，一般取2 ～5，取5;

M—煤層厚度或采高，取7.92 m;

p—水頭壓力，Mpa;

Kp—煤的抗拉強(qiáng)度，取 1.0 Mpa。

根據(jù)以上兩種方法計(jì)算的結(jié)果，取用較大的數(shù)字，但不得＜20 m。

如果斷層不導(dǎo)水，防隔水煤(巖)柱的留設(shè)尺寸，應(yīng)當(dāng)保證含水層頂面與斷面交點(diǎn)至煤層底板間的最小距離，在垂直于斷層走向的剖面上 ＞安全煤柱的高度(Ha)時(shí)即可，但不得＜20 m。

符合上述情況的斷層有 F17、F19、F21、F24、F25、F26、F27、F28、F49，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，無(wú)標(biāo)注斷層傾角的按平均值55°計(jì)算。

表1 煤(巖)柱留設(shè)計(jì)算匯總表

4 其他防治水措施

4.1 礦井防治水機(jī)構(gòu)的建立和完善

建立完善的礦井防治水機(jī)構(gòu)是確保礦井安全生產(chǎn)的基本保障。據(jù)礦井實(shí)際情況，建立分管領(lǐng)導(dǎo)一手抓，各個(gè)部門(mén)參與的切實(shí)可行的防治水機(jī)構(gòu);建立周密的管理制度，責(zé)任到人，措施到位，實(shí)施有監(jiān)管，事后有總結(jié)，確保礦井防治水工作有效、有序、順利進(jìn)行。

4.2 礦井防治水制度及措施的建立和完善

建立切實(shí)有效的防治水制度是確保礦井防治水工作順利開(kāi)展的依據(jù)。根據(jù)礦井實(shí)際情況，分門(mén)別類地制定出切實(shí)可行、有針對(duì)性的防治水制度及技術(shù)措施，建立強(qiáng)有力的排水系統(tǒng)，從地面到井下，從巷道掘進(jìn)到工作面回采，從預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)到日常探放等，工作程序化、措施標(biāo)準(zhǔn)化、管理制度化，為做好礦井防治水工作提供有力保障。

4.3 水害應(yīng)急預(yù)案的制定

水害應(yīng)急預(yù)案是提高礦井水害事故應(yīng)急能力、降低礦井水害事故財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡的重要保障。應(yīng)根據(jù)礦井實(shí)際制定出一套行之有效的水害應(yīng)急預(yù)案，及時(shí)、有效地控制和處理煤礦水害事故。

4.4 礦井水文地質(zhì)保障系統(tǒng)的建立和完善

煤礦防治水是一項(xiàng)經(jīng)常性、綜合性的系統(tǒng)工程，需要對(duì)多種信息進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的分析、計(jì)算，繪制所需圖、表，僅靠人力通過(guò)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方法，不能滿足礦井防治水快速、及時(shí)、準(zhǔn)確的要求。建立和完善礦井防突水信息保障系統(tǒng)，包括煤礦突水預(yù)警系統(tǒng)、地測(cè)信息系統(tǒng)、水化學(xué)快速判別系統(tǒng)等，為確保礦井安全生產(chǎn)提供有力保障。

［1］王玉芳. 淺談如何做好煤礦防治水工作［J］. 中州煤炭，2007(6).

［2］劉光濤.淺議如何做好煤礦防治水工作［J］.中國(guó)科技博覽，2013(21).