煤矿井下疏水保水开采技术应用

亢 波

（1.中国矿业大学，江苏 徐州 221008；2.山西焦煤西山煤电西曲矿，山西 太原 030002）

煤矿井下疏水保水开采技术应用

亢 波1，2

（1.中国矿业大学，江苏 徐州 221008；2.山西焦煤西山煤电西曲矿，山西 太原 030002）

山西新潮煤矿岩溶地下水丰富，大量涌水，给矿井施工和开采造成很大困难。为确保煤矿正常生产，经过对矿井岩溶水系统水文地质条件的分析研究，采用打疏水钻孔的疏水技术，将矿井太原组灰岩含水层的涌水疏排到下部奥陶系灰岩含水层中，疏干太原组灰岩含水层中的水，并将水储藏于奥陶系水层中，收到了预期效果，实现了绿色保水开采的目的。

矿井涌水；疏水技术；钻孔；绿色保水开采

1 矿井情况

新潮煤矿位于沁水煤田南部，井田面积6.1506 km2。井田内主要可采煤层有1号、2号、3号、6号、7下号、9+10号、10下号、11号共8层。生产规模为900kt/a，为基建矿井。

山西组平均厚度58.05 m，含煤2层～8层，含煤总厚度为1.21 m～4.43 m，平均2.23 m，其中1号煤层为局部可采的不稳定煤层，2、3号煤层为不可采的不稳定煤层。

太原组平均厚度125.82 m，含煤5层～7层，总厚度为4.44 m～10.90 m，平均7.39 m，其中7下号、9+10及11号煤为本区稳定的可采煤层，10下号煤层为较稳定的大部分可采煤层，其余煤层为不可采煤层。

2 水文地质

2.1 区域水文地质

本区属于霍山岩溶水系统，构成独立的水文地质单元，显现典型的奥陶系构造岩溶水的运动特征。霍山背斜以南北走向耸立于矿区西侧，背斜轴部出露地层为元古界及下古生界地层，两翼出露大面积碳酸盐岩地层，出露面积约1420km2，背斜西翼受霍山大断裂和太谷大断裂的切割。构成南北两个水文地质单元。北单元为介休洪山泉域，泉水从第四系砂砾石中溢出，本区属于洪山泉域，并靠近与广胜寺泉域的分水岭地带,位于泉域中南部径流地带。

2.2 矿井水文地质条件

1）井田地表河流。井田地表河流主要为王陶河，常年有水，雨季流量增大，属黄河水系。由于地质构造为单斜,且在局部地段王陶河谷及潜水将补给含水层，因此，将对矿井开采产生影响。

2）井田内含水层。矿区含水层自上而下有：第四系砂砾层孔隙潜水含水层、上石盒子组底部（K10砂岩）裂隙含水层、下石盒子组（K9、K8）砂岩裂隙含水层、太原石灰岩（K4、K3、K2）岩溶裂隙含水层、中奥陶统石灰岩岩溶裂隙含水层。

3）隔水层。11号煤至O2含水层之间隔水层，厚度42.73m；峰峰组下段泥灰岩石膏层隔水层，厚度78.86 m；2号煤至K4石灰岩之间隔水层，厚度76.40m。

4）地质构造与地下水的关系。矿区总体构造为轴向北偏西的背斜构造，受大气降水及地表水渗漏补给自然环境较好。特别是二叠系上、下石盒子组地层，在矿区大面积出露，接受大气降水和地表水补给，集聚形成地下水。

5）矿井水文地质条件类型。K8砂岩含水层是开采上组煤层的直接充水含水层，通过开采塌陷裂隙与上覆砂岩体发生水力联系，并波及南侧的王风河潜水发生联系，为矿井主要充水因素。

K2石灰岩含水层是开采下组煤层的直接充水含水层，弱富水性，但局部地段可能通过开采产生的塌陷裂隙带接受上部砂岩的充水补给，使含水性增强，下伏奥灰岩溶地下水位标高（推断1100 m），11号煤层（最低标高880 m）东北部存在带压开采，因此，矿井水文地质条件为中等类型。

2.3 矿井充水因素分析

1）地表水对矿井充水影响。井田内煤层埋藏较深，且煤系地层间又有泥岩、粉砂岩等隔水层存在，井田南邻的王风河，为季节性河流，在井田南部由于煤层埋藏较浅，风化裂发育，王风河床潜水可以通过砂岩含水层进入矿井，有一定的充水影响。

2）含水层对矿井的充水影响。K8砂岩含水层，包括3号煤层顶板以上砂岩含水层，一般为弱富水性，但在南部埋藏浅的地带，通过风化裂隙与王风河潜水发生水力联系，对矿井开采产生充水影响。K2石灰岩含水层，为9+10号煤层的直接充水含水层，一般厚8.00 m左右，9+10号煤层上距2号煤层底板约87 m左右，下距O2含水层约63 m，开采9+10号煤层的冒落带可达10 m～12 m，其导水裂隙带可达45m左右，南部的浅部地带可使风化带裂隙水进入矿井，对矿井开采产生充水影响。

在区内东南部煤层标高在1100 m以下存在带压开采，根据GB12719-91突水系数计算公式Ts=P/（m-cp），最大突水系数为0.058 MPa/m，接近构造破坏块段突水系数0.06MPa/m，因此，正常块段一般不会对煤层开采产生威胁，但950m标高以下突水系数接近0.06 MPa/m,要防止构造破坏地段发生突水事故。

3 疏水方案的提出和选择

在建井过程中，矿井的主、副斜井在穿透K4、K3和K2石灰岩含水层时，均发生井筒涌水量突然增大现象，最大日出水量近5000 m3，被迫停产，安装水泵抽水，但经过近一年工作，没有明显效果，致使矿井建设工程无法进行。

通过矿井地质及水文资料分析论证，提出可行的疏水方案有两个，方案Ⅰ是注浆堵水过含水层；方案Ⅱ是采用打疏水钻孔疏水技术，将太原组灰岩含水层中的水从疏水孔放入奥陶系灰岩含水层中，保证矿井正常建设施工，即疏干太原组灰岩含水层中的水并将水储藏于奥陶系水层中，达到疏水、保水、安全开采。

经方案比较：考虑到注浆堵水工程量大，投资多，施工操作困难，安全可靠性差；而采用打疏水钻孔疏水方案工程量较小，投资较少，施工相对简单，最终确定选择案Ⅱ，即采用打疏水钻孔疏水技术。

3.1 技术资料

井田奥陶系水位标高1100m左右，最下部11号煤层底板标高在900 mm～1310 m之间，首采区11号煤层地板标高在1200m以上，尤其是马家沟组灰岩含水层厚度大，介质岩性渗透系数高，透水能力强，有适合于人工补给的明显特征。因此确定采用打疏水钻孔技术，将煤矿涌水疏排到下面含水层中，即将太原组灰岩含水层中的水通过钻孔自动流入，回补给奥陶系灰岩含水层中，可达到疏干太原组灰岩含水层中的涌水和保水的目的。

3.2 钻孔布置的依据

井田东部与南部有王陶河流过，东部由于煤层埋藏较深，河流对地下水补给较弱；而井田南部二叠系山西组与石炭系太原组在河流附近均有出露，由于河流常年有水，形成了定水头补给太原组灰岩含水层，导致开采太原组煤层时矿井涌水量较大，影响生产的正常进行。

考虑矿井水的补给方向、地形地貌、施工难度和目前矿井急需解决的地段。在井田南部的北西向沟中布置钻孔3个，自北向南分别为1号、2号、3号；在井底车场附近两井筒中间的煤柱上布置钻孔1个，为4号孔。

3.3 钻孔结构设计

为了加大漏水强度，奥陶系含水层钻孔直径选择273 mm；煤系地层（奥陶系界面以上）选择346 mm钻进，下置325 mm套管及滤管；开孔为了保护井口，开孔选择377 mm，并下置377 mm套管5 m。见钻孔设计示意图1。

3.4 钻孔布置及施工工艺设计

根据地形地质图、11号煤层底板等高线图、综合柱状图、井田开拓图等，按每个设计钻孔部位的地面标高、11号煤层底板标高、11号煤层到奥陶系顶界面间的距离（根据综合柱状图选择60 m）及预计奥陶系含水层部位（最深奥陶系界面以下200 m），设计各疏水钻孔深度如表1。

为了对各钻孔的水位进行预测，根据钻孔部位的地面标高及井田内奥陶系水位标高，各孔水位埋深及水位上距11号煤层的距离预测，见表2。

表1 设计疏水钻孔深度表 /m

表2 各孔水位埋深及与11号煤层的距离预测表 /m

为了保证钻孔在漏水过程中不造成坍塌和在煤矿开采后期对钻孔进行有效的封闭，需对煤系以上地层下置套滤管，见表3。

表3 各孔下置套（滤）管深度表

由上表可知，4个疏水钻孔共需377 mm套管20m；325mm套管550m；325mm滤管300m。总重81679kg（82t）。

图1 钻孔设计示意图

4 疏水孔放水效果评价

通过两个月的实施，完成了四个钻孔打眼，平均每孔疏水2000m3/d，彻底解决了矿井涌水。矿井疏水孔放水技术的实践成功，即采用打疏水钻孔，将煤矿涌水“漏”到下面含水层。为解决矿井透水事故应急救援，获取了宝贵的技术资料和经验。将涌水疏入奥陶系，水得到储藏，维护了矿区水系；在需要时，既可抽出使用，起到了绿色保水开采的作用。经济效益，大大减少了抽水设施、设备，电力和人力等方面的成本。

5 结论

疏水孔放水技术的运用，在开采地下资源的同时，保证了矿井安全生产，又回补了区域地下水源，从而实现了真正意义上的矿井水“零排放”、矿井水资源的保护，达到了煤矿绿色保水开采目的。马家沟组灰岩含水层厚度大，介质岩性渗透系数高，透水能力强，适合于人工补给，在实践中可优先使用。但由于各矿井地质条件异样，在矿井承压大和有构造导水威胁时，要经充分论证后有科学的理论依据，可采用钻孔疏排水技术。

Application of Hydrophobic and Water-Preserved Mining Technology

Kang Bo1，2
（1.China University of Mining and Technology,Xuzhou Jiangsu221008;2.Xiqu Mine,Xishan Coal-Electricity Group,Shanxi Coking Coal Group,Taiyuan Shanxi030002）

Excessive Karst groundwater and its discharge cause great trouble for construction and mining in Xinchao Mine.To insure the normal production,the hydrogeological condition of karst water system was analyzed,hydrophobic holes were drilled,and then gushing water was channeled and drained from Taiyuan limestone aquifer to Ordovician limestone aquifer.The technology achieved the desired effect and realized green water-preserved mining.

mine water inrush;hydrophobic technology;drilling;green water-preserved mining

TD743

A

1672-5050（2011）03-0031-03

2010-10-13

亢 波（1965—），男，山西襄汾人，在读工程硕士，工程师，从事采矿工程研究。

徐树文