元氏煤矿下组煤开采的可行性及防治水措施的探讨

郭英杰， 齐广新

(井陉矿务局元氏矿，河北井陉051134)

元氏煤矿为太行山东麓平原隐伏型石碳－二叠系煤系，矿井主要可采煤层为2#、9#煤等五层，按矿井初设先期开采矿井南翼院家村区2#煤，2010年后按顺序开采下组8#、9#煤.据目前开采现状，矿井地质条件复杂，2#原煤灰份高，经济效益差.下组煤煤层厚、煤质好，但影响其开采的主要问题是矿井地质条件复杂，煤层受奥灰水威胁、水压高，可能因此而引发突水，造成淹井.为此，在整理现有勘探资料基础上，就下组煤开采可行性及其安全开采防治水措施进行初步讨论.

1 区域及井田水文地质概况

元氏水文地质属邯邢水文地质北单元的临城单元之元北亚区.元北亚区基本上是一个边界清楚、四周封闭，宏观上西部补给、向东泾流，经东部边界断层由奥灰顶托补给第三系灰质砾岩，并经其流出区外，而地表无自然排泄点的承压水自流域.单元南北长27 km，东西均宽7.88 km，面积196.7 km2.其中出露在西部的寒武系鲕状灰岩零星露头面积0.31 km2，直接覆盖于新生界之下寒武－奥陶系灰岩地层潜露头面积1.41 km2，其灰岩裸露总面积1.72 km2，天然补给量0.001 53～0.017 m3/s，地下水在西及西南部接受补给后由西向东和由南向北缓慢经流，水力梯度东西为0.003 4，南北为0.000 59.单元内奥灰顶埋深:西部200 m，东部达1 000 m以上.

区内主要含水层为寒武－中奥陶灰岩岩溶含水层和第三系灰质砾岩含水层.其中奥陶系含水层为矿井主要充水岩层.据钻孔揭露，其内岩溶发育不均一、富水性差异大，单位涌水量 0.001 L/s.m、1.809 L/s.m，净水位标高 +54 ～ +62，水力坡度7～8‰，水质井田外围HCO3－Ca型，井田内为HCO3－K·Na型.

此外，精查报告中述及大青、中青、伏青、煤层顶板砂岩裂隙水、第四系丁砾、中砂、底粘土等七个含水层均水量甚微或远离煤层，对矿井影响很小，至于本溪组“厚灰”，由于本身薄(5.5 m)，正常情况下含水量不大，属含水性弱的承压裂隙含水层，但由于断层切错，其往往与奥灰水发生水力联系，共同威胁矿井开采.

2 岩溶水发育规律

据钻孔统计及区域水文地质调查，元氏煤田岩溶发育与奥灰埋深关系密切，平面分布差异性大，其发育规律是:

1)岩溶发育常分布在井田外围灰岩埋藏较浅处，其特点是:(1)奥灰埋深－100以上，漏水孔少，裂隙率小.;(2)－100～－350为岩溶发育峰值区间，漏水孔多、裂隙率大、单位涌水量大;(3)－350以深，漏水孔少、溶孔多被泥质充填，裂隙率小，单位涌水量小.

2)灰岩直接为第三系、第四系覆盖区岩溶发育.

3)井田内外水文地质条件差异性明显.平面上，井田外围富水性强，断裂导水，水文地质类型为三类三型，岩溶多在井田南部边缘及西部边界断层附近集中发育，且多发生在－350以浅，但对个别较大边界断层，由于断层带宽且裂隙发育，岩溶发育局部深度较大，如院家村南二采区边缘水6孔，在深达708 m(－642.61 m)处仍发生漏水，因其位于F23断层带所致.井田内奥灰埋深大，水压高，但含水性弱，揭露奥灰孔多不漏水，如离水6孔290 m远的15号孔揭露奥灰50 m(－623 m)，离水6孔800 m远的水9揭露奥灰101.6 m均未发生漏水，断层导水性差，其水文类型为三类二型.

3 下组煤带压开采的可行性

3.1 开采水压分析

元北亚区天然补给量0.017 m3/s，而井陉水文单元天然补给量10.91 m3/s，临城1.016 m3/s，下组煤9#煤元北井田承压16－75.5 kg/cm2，井陉9#煤(5层煤)承压8－50 kg/cm2，临城9#煤承压12.3－30 kg/cm2，因而元北井田与临城、井陉相比，虽然水压较高，但奥灰含水层富水程度弱，补给条件差，是井田开采下组煤的有利条件.

3.2 断层导水性

据开采资料，断裂构造是诱发矿井突水的主要因素，元氏煤矿断裂构造发育，给矿井防治水工作带来了一定难度，但井田内奥灰埋深多在－500以深，井田内揭露O2孔多不漏水，岩溶发育程度差，断层导水性弱，如水4孔F25(落差100 m)断层带抽水，断层带厚19.08 m，S=59.73 m，q=0.002 14 L/s·m，含水微弱，但是随着煤层开采，井田内这种平衡格局将被打破，原来不导水断层亦可能导水，因此矿井开采中，在防治奥灰底板突水的同时，要把断层作为防治水重点，只要采取一定的措施，防治断层突水是可能的.

3.3 大青灰岩突水程度差

元氏矿大青灰岩(8号煤顶板)灰岩厚3.4～4.5 m，并夹2～3层薄层泥岩，勘探中未发现漏水孔，其单位漏水量q=0.007 14 L/s·m－0.004 29 L/s·m，突水性极弱，不存在疏干大青灰岩水问题.

3.4 隔水层厚度及岩性组合

据钻孔统计资料，9#煤层至奥灰隔水层底板厚度院家村区平均48.18 m，马村区49.72 m，全井田平均48.95 m，比井陉薄1.55 m(50.5 m)，比临城厚15.45 m(33.5 m)，从厚薄上看有南薄北厚之规律，其岩溶性组合，9#煤至奥灰间砂岩0－3层，均厚6.59 m，占有3.48%，且砂岩集中在煤层底板附近;粘土岩均厚35.5 m，占71.93%，“厚灰”均厚4.98 m，上距9#煤36.38 m，下距奥灰7.23 m，其岩溶性组合，元氏、井陉、临城三个井田基本相同.

3.5 隔水层阻隔水水能力

对底板隔水层阻水能力，水文地质规程以P/m值来衡量，其物理意义代表着底板岩层单位厚度的抗水压能力，即突水系数临界值，据庞阴恒师傅对井陉矿区统计资料，该值随开采深度增加而明显加大，埋深200 m时为0.1 kg/cm2·m，350 m时为0.5 kg/cm2·m，以下为 0.8 kg/cm2·m，500 m左右上升到1.5 kg/cm2·m，元氏煤矿底板隔水层厚度48.95 m，－500水平9#煤承压15～55 kg/cm2，其中P/m值为0.31～1.12，依据井陉500 m埋深为1.5 m衡量，带压开采是可行的.

此外，据勘查资料，9#煤底板铝土质粉砂岩抗压强度525 kg/cm2，抗拉强度56.5 kg/cm2，其下细砂岩抗压强度692 kg/cm2，抗拉强度15.1 kg/cm2，粉砂岩抗压强度179 kg/cm2，铝土岩抗压强度306 kg/cm2，抗拉强度12.3 kg/cm2，正常情况下奥灰水不会通过煤层底板直接进入矿井.

3.6 矿井排水能力已经形成

据冀煤地测字(1995)10号文批准，元北井田－500水平矿井正常涌水量按10 m3/min进行设计.目前，矿井排水系统已经形成，共设计东西两个水仓，水仓容量分别为2 460 m3和3 245 m3，中央水泵房配备D450－60×10排水泵6台，其中2台工作，三台备用，一台检修，排水管路两趟，一条工作，一条备用.矿井开拓系统在初步设计中采用－500水平主、付石门大巷延伸至8#、9#煤层，初期试采工作面位于－500水平以上，形成上山采，即使矿井发生突水，其涌水量由采区通过－500水平大巷水沟直接疏放至矿井水仓.

综前所述，元北井田水文地质条件复杂程度、奥灰富水性、天然补给量、灰岩水经流与排泄均次于井陉.而本区内岩溶发育规律、大青富水性、隔水层厚度及岩性组合、煤田构造条件均类同于井陉，因此，下组煤试采过程中只要采取一套有效的防治水措施，安全带压开采下组煤具有一定的可行性.

4 下组煤试采中防治水措施

据井陉及临城矿区防治水经验，结合元氏矿井地质及水文地质特点，为了确保安全试采下组煤，建议在今后开采中采用下述防水措施.

4.1 建立有力的防治水领导班子

建立以矿井第一把手领导、专业人员参加有权威性的防治水机构，统一领导、统一指挥，配备2－3名专职水文地质人员或成立水文地质组，加强水文地质观测、资料收集、分析与整理，及时进行水文预测、预报，总结水文地质规律，以指导矿井生产.

4.2 坚持防、探、固、堵、隔、研的防治水方针

4.2.1 防 即建立足够的防排水系统和对已知断层留设足够防水煤柱.－500水平以上试采面，采区出水后，水量可自行通过排水系统流至中央水泵房，当试采－500水平以下时，要建立专门排水系统，以防不测.对F23、F25、F40、F38 等大于15～20 m以上的断层按防治水规程，留设足够的防水煤柱.

4.2.2 探 采用井下物探与钻探相结合，以确保掘进与回采安全.

巷道掘进与回采前，必须执行“三必探”制度，即(1)凡受奥灰威胁的煤层必须在掘进前进行超前探查，探水最小垂深应保证保证20 m以上;(2)凡断层必探，凡大于15－20 m以上的断层，必须查清断层含导水性;(3)有疑必探，即使在掘进前进行了探查，但当掘进试采后出现淋水、溃水现象时，必须采用物探或钻探查清工作区内含导水性，确保无危险后方可掘进或回采.工作面掘进后，要采用物探手段查清工作面内含导水性，以便对富水区采用必要预防措施.

4.2.3 固 即对通过钻探或物探查出的富水区采用工作面预注浆加固煤层底板，在煤层底板破坏带之下建立一个保护层带，以防止采中突水.

4.2.4 堵 即逢突必堵.对井下突水点，采用井下或井上联合注浆堵水手段，封堵与加固突水点，以提高矿井抗灾变能力.

4.2.5 隔 即实行大区隔离.目前，已在井底车场南翼主、付石门建立两座防水闸门，保证了矿井发生灾变时可以实行大区隔离.同时，为了在试采区发生突水时不致造成矿井停产，应在主、付石门大巷六横贯之前5#－7#煤之间建立两座防水闸门，以便保证分煤组和采区隔离，一旦发生意外大突水，可以立即将采区进行关闭.

4.2.6 研 即与大专院校或科研部门合作，进行带压开采防治水研究，在下组煤开采中，建议进行下述研究，以便总结经验，指导矿井下组煤开采.

①采动矿压底板破坏深度及底板突水机理研究.②井下物探与钻探相结合探查断层突水性的研究.③井下物探与钻探相结合探查工作面突水机理及岩石阻水能力的研究.

5 几点建议

由于元氏矿井奥灰岩溶水富水情况不均，井田内外差异性明显，井田边缘和外围－350米以上岩溶发育，F23等边界断层部位水量大，q＞1 L/S·m，井田内水量小，q＜0.5 L/S·m(最大0.283 L/S·m)因此，对于导水的F23等边界断层，由于经精查及二维和三维物探，其断层位置、落差及含导水性已经查明.在今后矿井开采中，除预留足够的防水煤柱外，在井下防探水中，防探水钻孔尽量不触及奥灰含水断层，在平、剖面上，防探水超前距进入保安煤柱25－30 m，达到安全开采条件即可，以防止不必要的奥灰突水.

(2)下组煤的开采受到奥灰突水威胁，但其能否开采，关系到元氏矿井的发展与生存.因此，下组煤开采，建议局、矿与有权威性的科研机构和设计部门对元北煤田区域及井田资料进一步详细分析、探讨，对元氏矿井下组煤开采进行科学论证，并在此基础上提出切实可行的设计方案，以减少投资的盲目性，保证元氏矿井健康顺利发展.

(3)对于导水的边界及井田内的大断层，开采上组煤同样受到奥灰水威胁，但在局编制的《矿井地质规程实施细则》对元氏矿井防治水工作还是空白，因而建议对细则尽快进行修订，以便基层技术人员工作中有据可依，保证矿井安全生产.

［1］河北煤炭田第二地质队.元北井田精查地质报告［R］.1988.

［2］齐广新.贾庄井田奥灰岩溶水的综合治理［J］.煤炭科学技术，1994，(8):37 －39.

［3］鲍良军.显德汪矿1195工作面奥灰水防治的研究与实践［J］.河北煤炭，2010，(4):16 －17.

［4］程 鹏，韩余成.井下承压水防治措施的探讨［J］.能源技术与管理，2009，(6):59 －60，89.

［5］吴树德.邯邢煤铁矿区岩溶水的治理问题［J］.河北煤炭，1982，(3):36 －40.