冶坪煤礦礦井水害類型及防治措施

郭中平

(陜西美鑫礦業(yè)有限公司，陜西 銅川 727102)

0 引言

焦坪礦區(qū)位于黃隴侏羅紀(jì)煤田東北部，大地構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地南緣，總體為傾向北西的單斜構(gòu)造，地層傾向在單斜的基礎(chǔ)上又發(fā)育了一系列走向東北的寬緩褶皺。其中，王家溝背斜、三官?gòu)R背斜、七木橋背斜把全礦區(qū)分隔成新村—建莊、山神梁、杏樹(shù)坪—玉華川、陳家山—上石節(jié)4個(gè)分區(qū)。本井田位于杏樹(shù)坪—玉華川分區(qū)。礦區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的斷層及巖漿巖，構(gòu)造屬簡(jiǎn)單類型。焦坪礦區(qū)冶坪煤礦在開(kāi)采設(shè)計(jì)時(shí)，為進(jìn)行資源整合，需明確水害類型及危害程度[1-3]，并制定有針對(duì)性的防治措施，進(jìn)而確保礦井的安全生產(chǎn)。

1 工程背景

井田主要開(kāi)采3號(hào)煤層，未來(lái)礦井煤層直接充水含水層為侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖含水層與侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖含水層。侏羅系中統(tǒng)直羅組下段砂巖裂隙含水層巖性由紫灰色、紫紅色、灰綠色泥巖、粉砂巖、中粗粒砂巖組成，粒度向下部逐漸變粗，富水性弱。該層全井田分布，厚度23.67～107.70 m，平均厚度69.21 m。侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖裂隙含水層為井田含煤地層，厚度14.63～96.63 m，平均厚度48.16 m。巖性由深灰色、灰黑色砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層組成。根據(jù)YK3-7號(hào)鉆孔對(duì)J2z+ J2y地層進(jìn)行的混合抽水試驗(yàn)，得出鉆孔涌水量0.014 L/s，單位涌水量0.000 12 L/(s·m)，水位埋深190.12 m，滲透系數(shù)為0.000 066 m/d，礦化度0.645 g/L，水質(zhì)為SO4·HCO3-Na型水，且富水性弱。

2 水害類型及威脅程度

2.1 充水水源

第四系潛水由于未被導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通，故其為礦井充水的補(bǔ)給水源[4-5]。洛河組含水層地下水由于富水性中等，且部分被導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通而成為未來(lái)礦井的主要和間接充水水源，對(duì)煤層開(kāi)采會(huì)造成直接的威脅。煤層頂板延安組和直羅組均為承壓水，其富水性弱，易于疏干，為未來(lái)礦井的次要和直接的充水水源，對(duì)煤層開(kāi)采不會(huì)造成大的威脅。3號(hào)煤層直接充水含水層為直羅組和延安組砂巖裂隙含水層，因此，冒落、導(dǎo)水裂縫為未來(lái)礦井的主要充水通道。礦井4-2號(hào)煤層直接充水含水層為直羅組和延安組砂巖裂隙含水層，部分地段洛河組砂巖裂隙水(富水性中等)通過(guò)導(dǎo)水裂縫帶也可能直接進(jìn)入礦井，成為煤層的間接充水含水層。煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)洛河組富水性強(qiáng)、延安組和直羅組富水性弱，使洛河組成為未來(lái)礦井主要的充水水源，對(duì)未來(lái)礦井的生產(chǎn)會(huì)造成大的影響，故未來(lái)礦井應(yīng)做好洛河組含水層的防水工作[6-7]。而延安組和直羅組、地表水、大氣降水對(duì)礦井生產(chǎn)影響不大，做好預(yù)防人為因素導(dǎo)致的地表水或第四系潛水進(jìn)入礦井。

2.2 采空區(qū)及地下水

2.2.1 采空區(qū)積水

經(jīng)調(diào)查井田內(nèi)無(wú)生產(chǎn)礦井及小窯。井田東部相鄰崔家溝煤礦，南部為下石節(jié)煤礦。相鄰這兩座煤礦已生產(chǎn)多年，礦井生產(chǎn)中必須嚴(yán)格執(zhí)行《煤礦防治水規(guī)定》，加強(qiáng)工作面探放水，嚴(yán)防相鄰礦井越界回采形成的采空區(qū)積水、積氣造成安全事故。先前地質(zhì)報(bào)告未收集到相鄰礦井采空區(qū)位置、范圍、積水、積氣情況，下一步應(yīng)繼續(xù)收集這方面資料，為礦井的安全生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。該礦井共開(kāi)采3號(hào)、4-2號(hào)煤層，存在資源壓覆，先開(kāi)采上覆3號(hào)煤，開(kāi)采下覆4-2號(hào)煤層時(shí)，會(huì)存在3號(hào)煤層采空區(qū)積水問(wèn)題，影響4-2號(hào)煤層的開(kāi)采，造成礦井突水的可能。

2.2.2 地下水補(bǔ)給

該區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，溝谷坡降比大，利于大氣降水的排泄，地下水補(bǔ)給條件較差。據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)資料顯示，單位涌水量為0.000 12 L/(s·m)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.10 L/(s·m)，故未來(lái)礦井水文地質(zhì)勘探類型確定為以裂隙充水為主的簡(jiǎn)單型，即Ⅱ類Ⅰ型。

3 礦井水害防治措施

3.1 開(kāi)拓開(kāi)采所采取的安全保證措施

3.1.1 開(kāi)拓工程位置及層位選擇

礦井采用斜井開(kāi)拓方式，工業(yè)場(chǎng)地選址于本井田的中南部，位于陳家臺(tái)溝下游的安子溝外，此處自然地形復(fù)雜，溝道狹窄、溝道最寬處為100 m左右，場(chǎng)地自然標(biāo)高+1 317～+1 365 m。冶坪工業(yè)場(chǎng)地位于一狹長(zhǎng)的南北向溝谷內(nèi)，工業(yè)場(chǎng)地南北向延展較長(zhǎng)，北部工業(yè)場(chǎng)地防洪高程不低于+1 365.5 m，場(chǎng)地實(shí)際平均標(biāo)高為+1 366.0 m，南部工業(yè)場(chǎng)地防洪高程不低于+1 323.66 m，場(chǎng)地實(shí)際平場(chǎng)標(biāo)高為+1 331.3 m，工業(yè)場(chǎng)地高程高于校核洪水位。礦井開(kāi)拓大巷沿3號(hào)煤層頂板布置，大巷東西向貫穿井田中部，大巷東高西低，為了大巷涌水能夠順利排出，需在大巷東部設(shè)置一采區(qū)水倉(cāng)及排水泵房。

3.1.2 采掘工程所采取的防治水措施

在實(shí)際采掘工作中必須執(zhí)行“有疑必探、先探后掘”的探水原則[8-9]；在靠近井田東部邊界及對(duì)下伏煤層4-2號(hào)煤層進(jìn)行采掘時(shí)，必須先進(jìn)行探水，再進(jìn)行回采或掘進(jìn)，保證回采安全。生產(chǎn)過(guò)程中，若遇到富含水層或涌水水源，采取防、堵、截、疏、排等綜合防治措施，嚴(yán)防礦井開(kāi)采過(guò)程中潰水，保證礦井安全生產(chǎn)。在回采下伏煤層時(shí)，應(yīng)先對(duì)上覆采空區(qū)進(jìn)行探、排、疏水，并做好相應(yīng)的防治措施。主水泵房的管子道高出泵房地坪7 m以上，并留有足夠空間，便于下放搶險(xiǎn)設(shè)備和撤退人員。在主排水泵房通道內(nèi)設(shè)置密閉門，確保發(fā)生水災(zāi)時(shí)，水泵仍能正常工作。井下沿煤層布置的巷道，受煤層起伏影響，巷道中會(huì)出現(xiàn)積水現(xiàn)象，在礦井生產(chǎn)期間應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，在巷道適當(dāng)位置設(shè)置水窩，由小水泵將水窩水排至巷道水溝流入井底水倉(cāng)，保證井下巷道運(yùn)輸暢通。

3.2 防隔水煤(巖)柱留設(shè)

井田主要溝流為陳家臺(tái)溝及大西溝溝流，均屬長(zhǎng)年性流水，流量隨季節(jié)性變化，流量較小，經(jīng)計(jì)算煤層開(kāi)采后采空區(qū)導(dǎo)水裂縫帶不會(huì)導(dǎo)通地表水，因此不需要留設(shè)地表水體防水煤柱[10]。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中相鄰礦(井)人為邊界防隔水煤柱留設(shè)的規(guī)定，水文地質(zhì)簡(jiǎn)單型到中等型的礦井，可采用垂直法留設(shè)井田邊界防水煤(巖)柱，但總寬度不得小于40 m。通過(guò)計(jì)算，開(kāi)采3號(hào)煤層時(shí)，設(shè)計(jì)在本井田邊界一側(cè)留設(shè)寬度為20 m井田境界煤柱。開(kāi)采4-2號(hào)煤層時(shí)，設(shè)計(jì)在本井田邊界一側(cè)留設(shè)寬度為35 m井田境界煤柱。設(shè)計(jì)相鄰采區(qū)之間留設(shè)20 m寬的采區(qū)邊界防水煤柱，每側(cè)10 m。該礦井為新建礦井，井田內(nèi)無(wú)采空區(qū)及小煤礦老空區(qū)，因此，不需要留設(shè)采空區(qū)防水煤柱。

3.3 探放水措施

3.3.1 方法及設(shè)備選擇依據(jù)

由于井田無(wú)帶壓開(kāi)采區(qū)，因此無(wú)需采取疏水降壓措施。嚴(yán)格堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”的16字方針和“物探先行、化探跟進(jìn)、鉆探驗(yàn)證”的綜合探測(cè)手段的規(guī)定[11]。在需要探放水前，必須編制探放水設(shè)計(jì)，并采取安全措施。探放水方法應(yīng)以鉆探為主，物探、化探為輔。探放水設(shè)備選擇必須能用于井下探水、放水、煤層注水、斷層及巷道底板注漿、滅火等鉆孔及勘探地質(zhì)構(gòu)造孔的施工，必須防爆及獲得煤安標(biāo)志。

3.3.2 探放水設(shè)備型號(hào)及數(shù)量

確定積水范圍后，探水線應(yīng)沿積水線外推60～150 m，因此確定探水鉆機(jī)的鉆進(jìn)深度應(yīng)達(dá)到150 m。采煤工作面各配備2臺(tái)MAZ200型探水鉆機(jī)，1用1備；每個(gè)綜掘工作面各配備1臺(tái)TXU-150型探水鉆機(jī)，另外備用了1臺(tái)。全礦井共配備5臺(tái)探水鉆孔具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 TXU-150型鉆機(jī)參數(shù)

3.3.3 探放水時(shí)的安全措施

探放水前必須編制專項(xiàng)作業(yè)規(guī)程，并經(jīng)會(huì)審批準(zhǔn)后方可實(shí)施。組織技術(shù)人員、施工人員作業(yè)流程，鉆孔的位置、方向、角度必須由測(cè)量人員和負(fù)責(zé)探放水的技術(shù)人員親臨現(xiàn)場(chǎng)共同標(biāo)定。編制水害緊急處理預(yù)案，并向井上下作業(yè)人員進(jìn)行詳細(xì)的培訓(xùn)傳達(dá)，熟悉水災(zāi)避災(zāi)路線，在水害發(fā)生時(shí)有組織的采取相應(yīng)的處理措施。探放水的巷道內(nèi)，若存在低洼易積水段，必須配備和放水量相匹配的排水設(shè)備。

3.4 地表水害防治措施

3.4.1 地表防治水設(shè)計(jì)依據(jù)

氣象條件：本區(qū)屬大陸性半干旱氣候，年降雨量491.9～892.6 mm，平均為650 mm，降水集中在6～9月份。年平均蒸發(fā)量為1 183～1 346 mm，年平均氣溫為9 ℃，最高37.1 ℃，最低-28 ℃，霜凍期為當(dāng)年11月下旬至來(lái)年3月。

地形及水系概況：礦井位于陜北黃土高原之南部，屬中-低山森林區(qū)，區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，山巒起伏、陡峭，地勢(shì)東西高，中南部低，最高點(diǎn)位于東北部邊緣一帶，標(biāo)高+1 705.9 m，最低點(diǎn)位于西南部的東溝溝谷，標(biāo)高+1 230.9 m，相對(duì)高差475 m，一般為200～250 m左右。本區(qū)以鳳凰山至長(zhǎng)蛇嶺為分水嶺，以北為洛河水系，以南為渭河水系，為中低山侵蝕型山岳地貌。礦井工業(yè)場(chǎng)地范圍內(nèi)地表水系為東溝，東溝屬洛河水系，向南經(jīng)杏樹(shù)坪、瑤曲鎮(zhèn)于柳林鎮(zhèn)匯入沮河，安子溝和大西溝分別為東溝上游的2個(gè)支溝，在粉院匯合后稱為東溝。

防洪標(biāo)準(zhǔn)：冶坪煤礦為大型礦井，礦井工業(yè)場(chǎng)地的防洪標(biāo)準(zhǔn)按重現(xiàn)期百年一遇的洪水設(shè)計(jì),此外，尚需按重現(xiàn)期三百年一遇洪水進(jìn)行校核。設(shè)計(jì)防洪水位為計(jì)算水位加安全高度確定，該礦井位于山區(qū)，規(guī)范規(guī)定安全高度為1.0 m。

3.4.2 工業(yè)場(chǎng)地地表水防治措施

流量計(jì)算：工業(yè)場(chǎng)地以上安子溝匯水面積為5.12 km2，流域長(zhǎng)度3.9 km，依據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合當(dāng)?shù)亓饔蛱卣?，?jīng)計(jì)算得：百年一遇洪峰流量為59.5 m3/s，三百年一遇洪峰流量為80.7 m3/s。場(chǎng)前區(qū)位于大西溝溝口與東溝匯合處，大西溝匯水面積為6.85 km2，流域長(zhǎng)度4.1 km。依據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合當(dāng)?shù)亓饔蛱卣?，?jīng)計(jì)算得，百年一遇洪峰流量為73.2 m3/s，三百年一遇洪峰流量為98.8 m3/s。此外，安子溝與大西溝匯合后的百年一遇流量為110.74 m3/s，三百年一遇洪峰流量為125.69 m3/s。回風(fēng)斜井井口處百年一遇防洪標(biāo)高為+1 360.00 m，三百年校核標(biāo)高為+1 360.20 m，井口平場(chǎng)標(biāo)高為+1 364.00 m；副斜井井口處百年一遇防洪標(biāo)高為1 353.20 m，三百年校核標(biāo)高為+1 353.40 m，井口平場(chǎng)標(biāo)高為+1 355.70 m；主斜井井口處百年一遇防洪標(biāo)高為+1 352.60 m，三百年校核標(biāo)高為+1 352.80 m，井口平場(chǎng)標(biāo)高為+1 355.45 m。

溝道改移：安子溝自北向南方從工業(yè)場(chǎng)地流過(guò)，為保障順利泄洪，避免洪水對(duì)場(chǎng)地的威脅，同時(shí)便于場(chǎng)地的布置，經(jīng)方案比較需對(duì)安子溝進(jìn)行改移。結(jié)合主副井工業(yè)場(chǎng)地布置，安子溝改移至場(chǎng)地西側(cè)，采用明渠及涵洞相結(jié)合的方式將洪水排至東溝內(nèi)。場(chǎng)地最北側(cè)至35 kV變電所采用底寬4 m，高4.5 m的矩形斷面，曲線處半徑不小于35 m，長(zhǎng)度為350 m。據(jù)此計(jì)算，初步確定預(yù)留瓦斯抽采站處防洪高程要不低于+1 365.5 m。工業(yè)場(chǎng)地北側(cè)標(biāo)高滿足規(guī)范所規(guī)定的防洪要求，故場(chǎng)地不受安子溝洪水威脅。35 kV變電所至主副井工業(yè)場(chǎng)地最東側(cè)采用1～4 m拱涵，曲線處半徑不小于70 m，涵長(zhǎng)800 m，在安子溝與大西溝交匯處匯入東溝溝內(nèi)。據(jù)此計(jì)算，初步確定主副井工業(yè)場(chǎng)地最南側(cè)的防洪高程不低于+1 323.66 m，場(chǎng)地實(shí)際平場(chǎng)標(biāo)高為+1 331.3 m。工業(yè)場(chǎng)地南側(cè)標(biāo)高滿足規(guī)范所規(guī)定的防洪要求，故場(chǎng)地不受安子溝與大西溝洪水威脅。

排水溝修筑：主副井工業(yè)場(chǎng)地東側(cè)有道較大沖溝，支溝的匯水面積為1.6 km2，經(jīng)水文計(jì)算，百年一遇洪峰流量為25.7 m3/s，結(jié)合場(chǎng)地布置，為避免沖溝洪水進(jìn)入場(chǎng)地，需沿場(chǎng)地東側(cè)修筑矩形排水溝匯入東溝，底寬及高度均不小于2.5 m。場(chǎng)前區(qū)位于東溝西側(cè)，場(chǎng)地的布置占用了東溝右側(cè)的灘地，為確保場(chǎng)地不受洪水威脅，經(jīng)計(jì)算北側(cè)斷面處防洪高程為+1 322.44 m。南側(cè)斷面防洪高程為+1 311.72 m。場(chǎng)地自北向南的平場(chǎng)高程為+1 333.00 m和+1 326.21 m。場(chǎng)地西側(cè)位于山體挖方段，為防止坡面雨水對(duì)場(chǎng)地產(chǎn)生威脅，確保場(chǎng)地安全，經(jīng)水文計(jì)算，結(jié)合場(chǎng)地布置需沿場(chǎng)地西側(cè)修筑矩形排水溝匯入東溝，底寬1.5 m，高度1.8 m。

平場(chǎng)方式：為確保場(chǎng)地安全，在挖方地段坡頂設(shè)置截水溝，攔截上游地表徑流，引至原溝道。結(jié)合場(chǎng)地布置，為了滿足生產(chǎn)、運(yùn)輸、安全及排澇需要，采用連續(xù)式平場(chǎng)方式，坡度不小于0.5%，使場(chǎng)內(nèi)雨水自然排出，最終匯入自然溝槽，保障場(chǎng)地不受內(nèi)澇威脅。

4 結(jié)語(yǔ)

洛河組會(huì)成為礦井主要的充水水源，對(duì)未來(lái)礦井的生產(chǎn)會(huì)造成大的影響。相比之下，延安組和直羅組、地表水、大氣降水對(duì)礦井的生產(chǎn)影響較小。因此，除了預(yù)防人為因素導(dǎo)致地表水或第四系潛水進(jìn)入礦井外，應(yīng)重點(diǎn)做好洛河組含水層的防水工作。在礦井水害防治措施方面，開(kāi)拓工程位置及層位選擇時(shí)，應(yīng)考慮采區(qū)水倉(cāng)及排水泵房的布置。探放水方法應(yīng)以鉆探為主，并嚴(yán)格按照所制定獲批的作業(yè)規(guī)程操作，而地表水防治時(shí)應(yīng)以工業(yè)場(chǎng)地溝道改移和排水溝修筑為主。