鹤壁矿区奥灰水水害分析和防治对策

王进尚，胡耀青，韩德虎，邵继喜，姚 锐

（太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原 030024）

鹤壁矿区奥灰水水害分析和防治对策

王进尚，胡耀青，韩德虎，邵继喜，姚 锐

（太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原 030024）

奥灰水水害是矿井建设与生产中的自然水害之一。如果防治不到位而发生突水事故，不仅会影响正常生产，还会造成财产损失和人员伤亡，危害十分严重。本文分析了鹤壁矿区奥灰水水害原因，总结了其治理水害的主要经验，并提出了针对性的防治措施。

鹤壁矿区；奥灰水；防治水害

鹤壁矿区位于太行山东麓、新化夏系太行隆行起带之南端，西依太行山区，东为华北沉降带，北邻峰峰矿区，南邻焦作矿区。煤田近南北向展布，含煤地层为石岩系。地层走向大致近南北，向东倾斜，宏观为一单斜构造。煤层倾角一般为20°，局部可达50°。矿区沟岭纵横，易受大气降水入渗补给，形成丰富的岩溶地下水。矿区水文地质单元边界北到漳河与峰峰矿区南单元相接，南到淇河，西起林州市林滤山一线，东至煤系地层。单元总面积为2125 km2，其中，寒陶系地层出露面积为1223 km2。寒武奥陶系主要以碳酸盐岩组成，厚度近千米。寒武奥陶系石灰岩大面积广泛出露，有利于大气降水补给，灰岩岩溶裂隙发育，地下水动、静储量丰富。矿区地质构造复杂，断层裂隙发育，喜山期构造运动强烈，造成奥灰地下水循环深度大、岩溶裂隙发育度大。断裂带常常是奥灰水的富水带和径流带，当开采遇到落差大的断层或导水陷落柱时，奥灰水就有可能进入矿井，造成淹井事故，历史上鹤壁矿区曾经发生过7次奥灰水事故，带来巨大的损失。

1 奥灰水水害的原因分析

煤层底板突水是复杂地质及采动影响产生的现象，是煤层下伏承压水冲破底板隔水层的阻隔，以缓发、突发、滞发的形式进入工作面，造成淹井自然灾害或矿井涌水量增大。奥陶纪灰岩含水层突水主要是在煤层采动过程中，影响到底板中的含水层，从而引发的水灾害。影响煤层底板奥灰水水害的因素是多方面的：

1）从煤的成因分析。煤层一般是在陆地和海洋的交汇处，在一定的环境影响下形成的。煤层形成的这种特点是严重受到海水落潮和涨潮的影响，煤层会直接覆盖到灰岩上面，且煤层厚度较小，水就很容易进入孔隙或裂隙中，进而形成较大的含水层。如果含水层形成后，由于地质变动和沉积的作用，它会受到上覆岩层的挤压，导致水层下面孔隙和裂隙被压实而闭合，在长时间内会处于平衡状态。这种平衡受到开拓、掘进、回采等采动影响，会使含水层上下原有的孔隙或裂隙张开增大，甚至形成新的孔隙或裂隙通道，从而导致煤层和含水层之间形成漏水通道，发生透水事故。

2）从地质构造分析。当煤层下伏含水层中水的压力大和水位标高超过煤层底板标高时，该煤层在开采过程为带压开采煤层；如果水压过大，超过了底板隔水层的极限或有其它诱发导水因素时，开采中就很容易发生突水。地质构造，尤其是断层，是造成煤层底板奥灰水突水的主要原因之一。鹤壁矿区的断层绝大部分为压扭性正断层，走向为北东或北东西，较具规模的断层有 F308、F40、F3、F100、F153、F159等，每次突水都与断层有关。断层提供了底板奥灰水突水的通道，并且破坏了底板岩层的完整性，降低了岩体的强度。如果断层破碎带或断层影响带为充水或导水构造，减少了隔水层的有效厚度，当工作面揭露到断层时即会发生突水。

3）从含水层的富水性分析。岩溶含水层的富水条件是底板突水的基本因素。奥陶系石灰岩为含水丰富的高压含水层，其富水性决定底板突水的水量大小和突水点是否能持久涌水的基本条件。一般来说，可溶性岩层富水性较其他岩好，在断裂附近的补给区岩溶地层的含水性好。由于各含水层的岩溶发育的不均匀性及同一含水层的不同地带的岩溶发育程度不同，造成突水灾害的差异也会较大。水源是突水的前提条件，水量是突水的物质基础；水量越丰富，突水量越大，危害性也大。鹤壁矿区奥灰含水层，富水性较强，对各矿均有一定的威胁，一旦发生突水将会产生灾难性后果。

4）从含水层的水头压力分析。如果只有水源，而水压很小，在有一定厚度隔水层的条件下，一般不会发生底板突水事故，即使有少量涌水，也不会造成底板突水灾害。鹤壁矿区的水压较高，水压是引发该矿区突水的主要作用力之一，它的大小决定着底板是否发生突水。一般水压高，突水几率就高。煤层底板承压含水层的水压越高，越容易克服上覆隔水层内部的结构面(裂隙、断裂等)阻力和面上的摩擦力，使承压水的位能变为动能，加速承压水渗流场的运动，并沿着薄弱结构面上升，成为底板突水的动力源之一。

5）从隔水层的厚度分析。隔水岩层厚度、岩性及其组合对底板突水起着重要的作用。隔水层厚度越大，抵抗水压、矿压破坏的能力越强，隔水层的阻水能力就越好。在隔水层厚度相同的情况下，不同岩性组合的抵抗水压能力是不同的。坚硬性脆的岩层，在矿山压力的作用下虽易产生裂隙，但不容易被水冲刷扩大。软岩层，受力后易发生塑性变形，不易形成裂隙；即使形成裂隙，因破裂结构面碎屑物较多，裂隙的透水性也较差，但裂隙易被高压水流冲刷扩大。因此，在正常地质条件下，底板隔水层厚度越大的地段，突水的可能性越小；反之，厚度越小，突水几率越大。

6）从矿山压力作用分析。矿压对煤层底板突水起着诱导和触发作用，尤其煤层底板存在断裂构造时，这种作用更加明显。采掘之前，煤层及岩体处于自然平衡状态。当工作面从切眼开始回采之后，采面围岩体的应力将发生变化。随着工作面的推进，煤层底板前方处于支撑压力作用下而受到压缩。工作面过后，应力释放，底板处于膨胀状态。随着顶板的冒落，采空区冒落矸石的压实，工作面后方一定距离的底板又恢复到一种岩应力状态。在此反复周期性运动条件下，裂隙会逐渐发育，裂隙将会削弱底板的隔水性能，只要与奥灰承压水相沟通，奥灰承压水就会对裂隙起到冲刷扩径作用，形成强渗通道。由于在天然条件下水压的作用与经过原生构造破坏后的隔水层的阻水能力已大体上处于相对平衡状态，一旦加上矿压的破坏作用，相对平衡状态遭到破坏，会使底板突水、随之发生奥灰水沿着通道进入矿井，造成底板突水事故。

7）从地应力作用分析。地应力是底板突水的附加力源。这里所指的地应力主要是区域性的三维应力。导致突水的附加力源，侧重于构造应力。构造应力是地壳中岩层发生断裂和褶皱作用的主要驱动力。古构造应力场及其更迭形成了各煤田的基本构造格局，新构造应力场迭加其上，对其进行改造并形成新的构造。在应力集中区，地应力加剧了煤层底板的变形和破坏，成为导致煤层底板突水的附加力源。

8）小煤矿乱采滥挖引发突水。鹤壁矿区曾发生7次奥灰突水中，有6次为煤矿乱采滥挖引发奥灰突水。由于小煤矿在该矿区井田内或相邻，小煤矿越界开采与大煤矿沟通，小矿发生突水祸及大矿，造成灾害扩大。

以上几个方面是影响底板突水的主要因素，这些因素并不一定同时作用于每一个突水点，更不可能起同等重要的作用。煤层底板下的承压含水层的存在是突水的物质基础，水压与矿压是底板突水力源，地应力是底板突水的附加力源。隔水层则是底板突水的抑制条件，其抑制能力取决于隔水层强度、厚度及组合关系。

2 奥灰水水害的防治对策

防治水害工作是煤矿生产管理中的一项十分重要的工作。针对存在水患矿井，必须坚持“预测预报、疑必探、先探后掘、先治后采”的原则进行探水；如果治理不到位而发生突水事故，轻者淹井停产，重者矿毁人亡。因此，必须加强煤矿防治水害工作，采取有效措施。鹤壁矿区根据影响底板突水的主要因素，有的放矢地采取相应防治措施，以防堵相结合做到防患于未然。

2.1 综合探查，查清水文地质条件

1）探索矿区主要含水层地下的水质、水化学特征及同位素，建立各含水层水质判别模型。当矿井发生出水时，能迅速判明水源。

2）在矿井地面采用三维地震勘探、超前钻探、水文地质试验分析等技术手段，遵循物探为先导，钻探来验证，化探作补充。对断层、异常构造带、工作面底板富水区有一个全局的把握，弄清楚各矿井水文地质条件，查明落差大于20m的断层位置、导水性和产状，了解奥灰到开采煤层的间距和变化，弄清楚奥灰与含水层的水力联系。

3）进行区域水文地质调查，划分水文单元，以认识矿区地下水补给径流和排泄规律。

2.2 井下防水煤柱留设

在含水层、承压含水层上或导水断层附近采掘时，为防止地表水或地下水进入工作地点，需要留出一定宽度或高度的煤层不采动。这部分煤层称为隔水煤柱或防水煤柱。在水体下采煤时，开采上界防水煤柱尺寸一般由导水裂隙带最大垂高与保护层厚度两部分组成。因而，确定合理的导水裂隙带高度和保护层厚度是关键所在。防水煤柱一般不能再利用，因此要在安全可靠的基础上把煤柱的宽度或高度降低到最低限度，以提高资源利用率。鹤壁矿区在查明断层的基础上，对矿区较大规模的断层（落差大于100 m），规定防水煤柱界线，在防水煤柱内不准进行任何采掘活动；对中等规模的断层（落差为30 m～100 m），防水煤柱在水平开拓设计中要明确规定；对落差小于30 m的断层是否留设防水煤柱在采区设计中要明确。井下防水煤柱留设是十分必要的；若不留设煤柱，矿压可能引发底板奥灰突水。

2.3 注浆封堵技术

注浆堵水是将堵水材料制成的浆液压入岩层预定地点，并使浆液扩散、凝固，从而达到堵塞空隙、隔绝水源，增大岩层整体强度的目的。它是矿井水害防治的有效方法之一，具有减小矿井排水负担、节约排水用电、降低吨煤成本、提高质量和工效、加固井巷薄弱地段、减少突水机率、延长矿井服务年限等明显优点。鹤壁矿区奥灰水量大、水压高、来源充沛、不易疏干，一旦发生突水，必须进行封堵。采用地面打钻注浆切断突水水源、封堵突水点是很有效的方法。鹤壁矿区7次突水都采用注浆封堵技术，都取得了良好的效果。

2.4 加强小煤矿的管理

对小煤窑的审批、开采进行严格管理，完善开采资料，最大限度地限制超层越界开采，加大监管、处罚、关闭力度，建立提供实际开采图纸制度，并落实到位。这也是重要的一项措施。

3 结束语

鹤壁矿区勘探、开采的历史经验教训证明，奥灰水含水量大，补给充沛，一旦发生突水灾害，后果十分严重；奥灰岩溶裂隙发育，地下水循环深度大，随着开采深度的加大，水压升高，防治难度更大；地质构造复杂，断层发育，是引发奥灰水的主要因素。因此，奥灰水过去和未来都是开采煤炭的巨大威胁，我们要坚持“有疑必探、先探后掘”的探放水原则，采取“查清条件，预防为主，防堵结合”的防治水措施，加大防治水工程投入，煤矿水害是可以避免的，水害损失也是可以减小的。

[1] 赵铁锤.全国煤矿典型水害案例与防治技术［M］.中国矿业大学生出版社，2007.

[2] 卫修君，邓寅生，郑断东，黄国军.煤矿水的灾害防治与资源化［M］.北京：煤炭工业出版社，2007.

[3] 赵阳升，胡耀青.承压水上采煤理论与技术［M］.北京：煤炭工业出版社，2004.

[4] 宋东日，谭湘龙等.煤矿水害的综合防治技［J］.企业技术开发，2009，（2）:33-34.

[5] 王鑫，刘宁宁，刘 浩.浅析煤矿水害预防与治理［J］.山东煤炭科技，2009，（6）:152-153.

[6] 张艳红，孙晓光.煤层底板突水预测及防治［J］.陕西煤炭，2008，（6）：73-74.

[7] 于喜东.地质构造与煤层底板突水［J］.煤炭工程，2004，（12）:34-35.

Analysis and Treatment of Ordovician Period Limestone Water Disaster in Hebi Mine

WANG Jin-shang,HU Yao-qing;HAN De-hu,SHAO Ji-xi,YAO Rui
(Mining Technology Institute,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024，China)

Ordovician Period limestone water is one of natural disasters existing in the construction and production of mines.If the disaster happens due to lack of treatment,it not only affects normal production,but also results in property losses and serious casualties.The paper studies the reasons of Ordovician Period limestone water,summarizes the experiences in the treatment,and advances some corresponding precautionary measures.

Hebi Mine;Ordovician Period limestone water;water disaster treatment

P641.4+3

A

1672-5050（2011）03-0024-04

2010-10-13

王进尚（1979—），男，河南滑县人，在读硕士研究生，主要从事煤矿防治水及特殊条件下开采方法研究。

徐树文