王慧明, 王 一

(陽泉煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司,山西 陽泉 045000)

陽泉礦區(qū)礦井防治水技術(shù)保障體系淺析

王慧明, 王 一

(陽泉煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司,山西 陽泉 045000)

根據(jù)目前國內(nèi)水害凸顯的現(xiàn)狀及防治水技術(shù)手段,對陽泉礦區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、充水水源、導(dǎo)水通道及水量分析研究,總結(jié)陽泉礦區(qū)的主要水害類型,并在此基礎(chǔ)上提出了陽泉礦區(qū)礦井防治水技術(shù)保障體系,為陽泉礦區(qū)防治水工作的進一步加強提供保障。

陽泉礦區(qū);礦井防治水;技術(shù)保障體系

礦井水害是煤礦安全生產(chǎn)的重大隱患之一。隨著近年來煤礦開采的進一步深入和煤礦兼并重組的逐步完成,礦井水害事故成為繼瓦斯事故之后最為主要的一種災(zāi)害。陽泉礦區(qū)開采華北石炭二疊系煤系地層,是全國最大的無煙煤產(chǎn)地。陽煤集團作為礦區(qū)最主要的煤炭企業(yè)隨著開采水平向深部和西部延伸,主采的15#煤層多位于含水豐富的奧灰含水層或太原組灰?guī)r含水層之上,在采掘活動區(qū)域易受承壓水威脅。為了確保礦井安全高效開采,防治水害事故發(fā)生,所以,通過系統(tǒng)總結(jié)分析,尋求安全開采技術(shù)保障體系具有重要的現(xiàn)實必要性[1]。

1 陽泉礦區(qū)概況

陽泉礦區(qū)走向長156 km,傾向?qū)?6 km,面積約2 525 km2。礦區(qū)地質(zhì)儲量約217億t,是我國最大的無煙煤生產(chǎn)基地。

1.1開采煤層

陽泉礦區(qū)主要的含煤地層為太原組和山西組,含煤地層總厚為176 m,含煤17層。其中可采煤層有山西組的3#、6#煤層,太原組的8#、9#、12#、13#和15#煤層,而主要可采煤層為3#、12#和15#煤層,3#煤層局部有沖涮現(xiàn)象,造成煤層變薄或缺失,15#煤層是礦區(qū)埋藏最深,厚度最大全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。經(jīng)過多年開采,陽泉礦區(qū)東部埋藏淺區(qū)的煤炭資源已逐漸枯竭,現(xiàn)在開采已逐步向西部埋藏深的區(qū)域延伸。

1.2陽泉礦區(qū)構(gòu)造體系特征及地質(zhì)現(xiàn)象

陽泉礦區(qū)位于新華夏體系沁水凹陷的東北邊緣,其東部是新華夏太行山隆起帶,西部及西北部是新華夏系多字型構(gòu)造,北部是38度東西向構(gòu)造亞帶[2-3]。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造見圖1。

圖1 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Geological structure in mining area

1)褶曲。礦區(qū)內(nèi)煤層波狀起伏,褶曲較多,走向大多為NE向,軸部呈舒緩波狀延伸,褶曲幅度一般為30 m～40 m,最大可達140 m。褶曲軸間距一般為1 000 m左右,褶曲延伸長度最大達5 000 m。

2)斷層。總體上陽泉礦區(qū)大型斷層較少,中小型斷層較多。由于受新華夏系構(gòu)造運動的影響,礦區(qū)11 km左右發(fā)育一條走向NE向的斷層撓曲帶,平面上呈“S”型左列,并且這些斷層撓曲帶從東往西,斷層撓曲帶的幅度越來越小。

3)陷落柱。陽泉礦區(qū)巖溶陷落柱總體上呈帶出現(xiàn),帶里呈群分布,群里個體之間具有方向性,等距性特征。剖面上,通天陷落柱較少,但長軸較大;隱伏陷落柱較多,長軸相對較小。陷落柱陷落角大多為82°～84°左右,陷落柱頂部多為60°～70°之間。從礦區(qū)陷落柱統(tǒng)計資料看,大多是不含水或少水的,但是區(qū)域內(nèi)新構(gòu)造運動強烈,有可能發(fā)育較近時代塌陷的陷落柱,從而使得柱體內(nèi)巖塊沒有膠結(jié)或膠結(jié)性較差,甚至存在大量的空隙或空洞,極易富水并發(fā)育成為導(dǎo)水陷落柱,對煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

1.3陽泉礦區(qū)主要含水層及隔水層情況

1)含水層。礦區(qū)含水層主要為三種類型:a.孔隙水含水層,主要分布于桃河及其支流的河床以及其它低洼河谷中的沖積、洪積及坡積層中,厚度10 m～20 m左右,由砂、礫石、卵石、滾石等組成；b.基巖裂隙含水層,分布于二疊系山西組、石盒子組地層中,含水層巖性主要由砂巖組成,為砂巖裂隙水；c.巖溶裂隙含水層,中奧陶統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r為本區(qū)主要強含水層之一,大面積出露于陽泉礦區(qū)東北部外圍,為煤系地層基底。石炭系太原組石灰?guī)r主要有K2、K3、K4三層石灰?guī)r,總厚度15.95 m。其中以15#煤層頂板四節(jié)石(K2灰?guī)r)厚度較大,為5 m～12 m左右,在淺部地區(qū)巖溶裂隙較為發(fā)育,含水較豐富。

2)隔水層。新生界底部的粘土層組是良好的隔水層組。石盒子組K8砂巖以上各含水層之間,均有沉積穩(wěn)定的泥巖、砂質(zhì)泥巖、并夾有粒度不同的各類砂巖,其巖層呈互層結(jié)構(gòu),除礦區(qū)東北部的局部地段因剝蝕缺失外,一般地方沉積穩(wěn)定。15#煤層至奧灰間隔水層,在礦區(qū)內(nèi)的正常間距為 40 m～60 m,平均厚度55 m,巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖與粘土泥巖,夾1-2層薄層灰?guī)r,底部有一層鋁土質(zhì)泥巖沉積穩(wěn)定。

含水層和隔水層關(guān)系示意圖，見圖2。

圖2 含水層和隔水層關(guān)系示意圖Fig.2 Relationship between aquifer and aquiclude

2 防治水工作現(xiàn)狀

目前陽煤集團下轄在產(chǎn)的22座煤礦中有4座礦井水文類型為復(fù)雜型，陽泉地方煤礦在產(chǎn)或在建的21座礦井中有1座礦井水文類型為復(fù)雜型。陽泉礦區(qū)各主要礦井主采3#、6#、8#、9#和15#煤層,其中15#煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層；3#煤層主要防止頂板砂巖和二疊系砂巖含水層水,以疏放為主;6#煤層主要是一探放上部采空積水和同層采空積水為主;8#、9#煤層要通過對采高、導(dǎo)水裂隙帶高度和隔水層厚度等因素確定上部采空區(qū)積水的處理;15#煤層西部區(qū)域存在帶壓開采,是防治水工作的重點和難點。目前礦井運用2種物探勘察加鉆探確定其采掘區(qū)域的安全性,并通過安全評價后才進行采掘,對上部和同層采空積水以及小煤窯古空水在采掘期間也會加以疏放。

3 面臨的主要問題

礦區(qū)內(nèi)很多礦井的奧陶系灰?guī)r含水層的富水性、水位等資料參照井田周邊水井資料,井田內(nèi)沒有揭露奧灰含水層專門水文孔,劃分帶壓開采區(qū)精度不夠;井田陷落柱極發(fā)育,而三維地震工作尚未全井田開展。一些老礦井由于開采年限的增長和開采范圍的不斷擴大,采動裂隙越來越多,在雨季的降水量增大時,煤層上覆的第四系含水層和地表水體可能成為充水水源,通過導(dǎo)水通道進入礦井,從而對礦井生產(chǎn)造成影響。井田及周邊四鄰煤礦存在采空區(qū)積水,雖然開展了積氣、積水的調(diào)查和訪問工作,但工作手段精度不夠,導(dǎo)致井田周邊礦井廢棄巷道和采空區(qū)分布不易查明。小煤礦關(guān)閉后,井下不排水,其采空和巷道積水通過連通巷道涌入生產(chǎn)礦井,造成礦井涌水量增加,給礦井防排水工作帶來困難。個別小窯的歷史悠久,缺乏相應(yīng)的開采資料和圖紙,導(dǎo)致與其礦界相鄰區(qū)域的防治水工作開展的難度大大增加,無法科學(xué)合理的去判斷其地質(zhì)水文情況。礦區(qū)西部的15#煤層底板含水層主要為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層,部分處在帶壓開采區(qū)內(nèi),需開展奧灰水動態(tài)監(jiān)測,加強對陷落柱、斷層等構(gòu)造的探測力度,加強對其導(dǎo)水性、富水性的研究。

4 陽泉礦區(qū)礦井防治水技術(shù)保障體系分析

4.1物探技術(shù)保障

礦井物探工作需要在地面和井下逐步開展,常用的物探方法有直流電法、高密度電法、瞬變電磁法、音頻電透視、坑透等多種物探技術(shù)手段,但每種方法均有其局限性和不足。目前采用的最多的是直流電法和瞬變電磁法探測,但直流電法的全球體探測致使周邊的異常的解釋也通常反映在前方,瞬變電磁法存在一定的盲區(qū),并對距離的控制性較差。有鑒于此,礦井在開展物探勘查時,應(yīng)采用多種物探手段對異常區(qū)進行探測,以相互佐證各自的物探成果,進一步提高物探的準(zhǔn)確率[4-5]。

4.2鉆探技術(shù)保障

礦井配備專用的探放水鉆機,專用探放水鉆機具有鉆探距離遠(yuǎn),易于固定且有防噴射裝置,但鉆探由于巖層力學(xué)性質(zhì)和重力作用影響,其軌跡不能按照設(shè)計的理想狀態(tài)去鉆進,因此,需要配備相應(yīng)的隨鉆或軌跡測量儀等設(shè)備確定煤層鉆孔在煤巖層中的軌跡。

4.3防治水技術(shù)體系建設(shè)

陽泉礦區(qū)防治水技術(shù)工作,重點在于探查奧灰水富水性、水位、隱伏導(dǎo)水陷落柱,以及小煤礦采空區(qū)積水。但是陷落柱直徑大小僅僅是十幾米或幾十米的孤立的點,很難用鉆探控制。小煤礦的開采多為巷采,采掘活動分散且無規(guī)則。物探方面,雖然能從面上加以尋找,但很難取得直接可靠的效果。因此要在以往經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,根據(jù)礦區(qū)的水文地質(zhì)特征,進行地質(zhì)分析,尋找短板,查明水源,涌水通道和危害類型,結(jié)合井上下資料,利用物、化、鉆探等多種技術(shù)手段和方法,進行綜合探查,對其進行危險性評價和論證后制定針對性的探放水措施,其流程見圖3。

圖3 綜合探查技術(shù)流程圖Fig.3 Flowchart of Comprehensive Survey Technology

5 結(jié)束語

陽泉礦區(qū)經(jīng)過多年開采,其東部煤炭資源已逐漸枯竭,向西部深埋區(qū)延伸勢在必行。礦區(qū)西部的15#煤已經(jīng)處于帶壓區(qū),需逐步完善帶壓開采研究。礦區(qū)內(nèi)陷落柱發(fā)育,新構(gòu)造運動強烈,有可能發(fā)育較近時代塌陷的陷落柱,膠結(jié)性較差,易發(fā)育成為導(dǎo)水陷落柱。另外,突水情況有時是復(fù)雜的,除決定于地質(zhì)條件,還受采掘條件(如工作面尺寸大小、采煤方法、采動對底板的破壞影響,以及礦壓與水壓的不平衡等)的影響,因此礦井在進行突水預(yù)測預(yù)報的同時,還需建立和完善具有一定排水能力的泄水巷和防排水系統(tǒng)以及建立安全出口和避災(zāi)路線。

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TechnicalSupportSystemforWaterControlinYangquanMiningArea

WANGHuiming,WANGYi

(YangquanCoalIndustry(Group)Co.,Ltd.,Yangquan045000,China)

According to water disaster and water control technology,major water disasters were summarized on the analysis of geological and hydraulic geological conditions,water filling sources,water conducting and water quantity.Therefore,the study proposed a technical support system,which could provide further guarantee for the water control in Yangquan mining area.

Yangquan mining area; water control in mines; technical support system

1672-5050(2017)04-0069-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.020

2017-06-16

王慧明(1984-),男,山西盂縣人,碩士研究生,工程師,從事煤田地質(zhì)勘查與礦井防治水研究及管理工作。

TD745

A

(編輯:樊 敏)