煤矿充水条件分析及防治水措施建议

郭恩珍

煤矿充水条件分析及防治水措施建议

郭恩珍

(山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局，山西 太原 030045)

本文以申南凹煤矿为例，通过对煤矿矿区地质及水文地质条件综合研究，主要从充水水源、充水通道和充水强度3个方面对矿井现采煤层的充水条件进行分析，确定目前影响煤矿安全生产的主要水害情况，并对煤矿今后防治水工作提出建议，以期对矿井的安全生产提供参考。

充水条件;矿井突水;防治水建议

1 矿井概况

申南凹煤矿位于山西省乡宁县城东北约15 km，乡宁县管头镇宋家沟村东北一带。井田面积8.120 3 km2。井田内主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。其中，太原组含可采煤层10号煤层，山西组含可采煤层1、2、3号煤层。井田构造复杂程度属简单类型，总体构造形态为一走向北东，倾向北西的单斜构造，在此基础上发育小型的背向斜构造;在井田西南部发现一条正断层，落差为5 m。

矿井现采井田内2号煤层。二叠系下统山西组及K8砂岩裂隙含水层组为2号煤层的直接充水含水层，据该矿井下采煤资料，一般裂隙不发育，仅局部构造条件有利地段富水性较好。

2 矿井充水条件分析

2.1 充水水源

2.1.1 地表水体、大气降水对矿井开采的影响

井田内无常年性地表水体，只有雨季时地表沟谷内有短时降水，且排泄迅速。主、副斜井、工业广场所在的沟谷出露地层为下石盒子组上段地层，2号煤层导水裂隙带范围不会到达地表，雨季地表洪水对矿井开采无影响。

2.1.2 构造对矿井充水作用和影响

井田总体为一向北西倾斜的单斜构造，中西部有一组规模不大的背、向斜，西南部有一小断层。在井下开采过程发现有2条小断层和1个沿北东走向的急倾斜带，宽度约400 m，该急倾斜带可能为枣园挠褶带在北部的延伸。井下小断层基本无水，急倾斜带附近掘进过程中K8砂岩出水，急倾斜带及其附近井下涌水量可能会增大。

2.1.3 含水层对煤层开采的影响

2号煤层主要充水含水层为其顶板以上冒落、裂隙带砂岩裂隙含水层，即2号煤层以上山西组和下石盒子组下段砂岩裂隙水，其次在煤层浅埋区也可能受风化裂隙水的影响。

2.1.4 奥灰水对煤层开采的影响

本井田内推测奥灰地下水位标高657～666 m，2号煤赋存标高560～1 220 m，井田西北角2号煤赋存标高低于奥灰水位，属带压开采，突水系数根据GB12719－91突水系数计算公式计算可得。

突水系数计算公式：Ts=P/M

式中：

Ts—突水系数，MPa/m;

P—隔水层底板所能承受的最大静水压力，MPa;

M—底板隔水层厚度，m;

H1—煤层底板最低标高，m;

H0—奥灰岩溶水水位标高，m;

奥灰岩溶水水位最高标高(H0)666 m。

井田内2号煤层底板最低处位于西北角边界，赋存标高560 m，距奥陶系灰岩顶面约96 m，奥灰水位标高666 m，经计算2号煤层的突水系数为0～0.021 MPa/m，小于底板正常块段突水系数临界经验值0.1 MPa/m，也小于受构造破坏地段突水系数临界经验值0.06 MPa/m，一般不会发生突水，但在隔水层变薄的部位也应引起重视。

2.1.5 采(古)空区积水对矿井开采的影响

本井田开采2号煤层，经过多年开采，2号煤层已大面积采空，在采(古)空区低洼处均有积水，这些积水在煤层顶板岩层冒落导水裂隙带或地质构造等通道的作用下，会对煤层井巷产生充水影响。其推测积水量见表1。

表1 本井田采(古)空区积水量估算表

根据上述估算结果，井田内2号煤层积水量约22.59万m3，且随着开采程度的加深，各煤层积水范围和积水量必将随着增大，这些采空区积水对今后的安全生产具有一定的影响，甚至造成水患。因此，在今后开采过程中应引起足够重视，始终坚持“预测预报，有掘必探，先探后掘，先治后采”的原则。

据调查相邻煤矿采(古)空区均有积水，相邻煤矿采(古)空区积水量见表2。

表2 相邻煤矿采、古空区积水量估算表

根据上述估算结果，周边矿井采空区积水量较大，这些采空区积水对今后的安全生产具有一定的影响，甚至造成水患。因此，开采相邻矿井采空区附近煤层时，应留设煤柱，并严格坚持“预测预报，有掘必探，先探后掘，先治后采”的方针。

2.2 充水通道

煤层及其附近虽有水体存在，但只有通过某种通道，才能进入采煤巷道形成矿井涌水，充水通道可以根据形成因素分为自然通道及人工通道。岩层裂隙及空隙带、岩溶陷落柱、断层等属于自然通道;煤层采后顶板冒裂带、底板破裂及封闭不良钻孔等属于人工通道。

2.2.1 断层的导水性

本井田西南部发育1条断层，有少量渗、涌水现象，说明断层破碎带富集一定的水量。当井巷开拓至断层破碎带时，矿井涌水将明显增加。井下小断层基本无水。

2.2.2 封闭不良的钻孔

不良钻孔是典型的人类活动留下的点状垂向导水通道，该类导水通道的隐蔽性强，垂向导水畅通，不仅使垂向上不同层位的含水层之间发生水力联系，而且当井下采矿活动揭露或接近钻孔时，产生突发性突水事故。由于不良钻孔在垂向上串通了多个含水层，所以一旦发生该类导水通道的突水事故，不仅突水初期水量大，而且有比较稳定的补给量。本井田在煤田勘探过程施工了一些钻孔，在施工后钻孔得到了封闭，但部分钻孔由于技术设备、材料质量、施工条件、技术和生产需求及历史背景等原因，未封孔或封孔质量较差。

2.2.3 采动裂隙带

井田2号煤层开采后地表河流水是否向矿井充水，可根据三下采煤规程水体下缓倾斜煤层开采时垮落带、导水裂隙带高度计算公式，覆岩岩性为中硬，选用以下公式进行计算：

垮落带高度(HC)计算公式：

2 号煤层采用：HC=100M/(4.7M+19)+2.2

导水裂隙带高度(HLI)计算公式：

2 号煤层采用：HLI=100M/(1.6M+3.6)+5.6或HLI=20×M1/2+10

式中：

M—累计开采厚度，m。

2号煤层最大厚度为4.59 m。经计算，2号开采后垮落带高度为9.11～13.51 m，导水裂隙带高度为HLI=36.34～47.54 m，或 HLI=52.85 m。2 号煤层开采导水裂隙带可达到下石盒子组下段K8砂岩裂隙含水层。

2.2.4 矿压破坏带

煤层底板采动破坏导水带是指因采动失去阻水能力的那部分岩体，它不仅包括岩层新产生的断裂破坏部分，而且包括弹性变形的裂隙扩大部分。这种破坏削弱了岩层的阻水能力，很容易使小的断层发展成大的断裂带，使原本阻水的构造成为导水通道，而造成突水事故。

矿压破坏带与煤层底板岩性、构造发育程度及开采方式、煤层厚度等因素有关。一般为16 m，在该范围内隔水层将失去阻水抗压能力。

2.3 充水强度

矿井充水强度是指各类地表、地下水涌入矿井内水量的多少，生产矿井常用含水系数或矿井涌水量两个指标来表示矿井充水强度。

2.3.1 含水系数

含水系数又称富水系数，它是指生产矿井在某时期排水量Q(m3)与同一时期内煤炭产量P(t)的比值，即矿井每采1 t煤的同时，需从矿井内排出的水量。含水系数用KB表示，即KB=Q/P。

根据含水系数的大小，将矿井充水强度划分为4个等级：

1)充水性弱的矿井：KB＜2 m3/t。

2)充水性中等的矿井：KB=2～5 m3/t。

3)充水性强的矿井：KB=5～10 m3/t。

4)充水性极强的矿井：KB＞10 m3/t。

对照矿井含水系数将充水强度划分的4个等级，本井田充水强度为充水性弱的矿井。

2.3.2 矿井涌水量

矿井涌水量是指单位时间流入矿井的水量，用符号Q表示，单位为m3/d、m3/h或m3/min。根据涌水量大小可分为4个等级：

1)涌水量小的矿井：Q＜2 m3/min。

2)涌水量中等的矿井：Q=2～5 m3/min。

3)涌水量大的矿井：Q=5～15 m3/min。

4)涌水量极大的矿井：Q＞15 m3/min。

当矿井生产能力达到120万t/a时，预计矿井开采2号煤层时的正常涌水量为960 m3/d，即40 m3/h或0.7 m3/min，最大涌水量为1 560 m3/d，即65 m3/h或 1.1 m3/min。

对照矿井涌水量充水强度划分的4个等级将本井田2号煤层充水强度划分为充水性弱的矿井。

3 主要的水害情况

1)上覆砂岩裂隙含水层组及基岩风化带裂隙水。

2)本井田采(古)空区积水及相邻井田采(古)空区积水。

3)急倾斜带附近、地形低凹的沟谷地段的构造水。

4 防治水工作建议

4.1 技术措施

4.1.1 地面防水

1)每年雨季前应及时编制雨季“三防”计划，并实施。

2)对井田范围内的塌陷裂隙全面排查，遇到裂隙及时用碎石黏土充填，充填时高度必须高于附近地形;遇到低洼地带有积水，且不能采用挖沟导流时，必须使用水泵将水排走，防止地表水渗入矿井内。

3)制定防汛工作实施方案，备足抢险物资，做到防患于未然。

4.1.2 井下防治水措施

1)严格按照《煤矿安全规程》、《煤矿防治水规定》及相关文件要求，做好采掘工作面探放水设计，并保证实施。

2)根据《煤矿防治水规定》二十九条，煤矿企业应及时配备防治水专业技术人员，配齐专用探放水设备，进一步探测本井田及相邻井田采空区及古空区位置及范围，进行水文地质补充勘探工作，以确保安全生产。

3)完善涌水量基础台账，严格排查井下各涌水量的变化情况，查明原因，并准确上图。

4)详细检查井下各密闭是否存在漏风、漏水现象，是否有瓦斯积聚的现象。今后生产过程中应加强瓦斯监测监控和矿井通风管理，以防瓦斯积聚，发生事故。

5)井下巷道设置明显路标和避灾路线，编制水灾预防预案议案，并贯彻到各采掘连队，各采掘连队必须熟悉避灾路线，一旦遇到灾情及时汇报和及时撤人。

6)坚持“预测预报，有掘必探，先探后掘，先治后采”的方针，对可疑地段进行探放水。井田西北部2号煤层位于奥灰水位之下，存在带压开采，应加强导水构造的探测工作，防止造成水害。

4.1.3 防治老窑积水、地表水体

1)收集、调查、核对相邻煤矿开采范围、开采年限、积水等情况，并将其标志在采掘工程平面图上。

2)对临近老窑和地表水体，为防止开采过程中发生水害，按照设计要求留设足够防水煤柱。

4.1.4 完善矿井排水系统，增强矿井抗灾能力

加强排水与供电系统管理维护，保障井下总泵房排水能力，建立完善排水系统，排水系统不完善的工作面不得生产，待完善排水系统后，再恢复生产。

4.2 管理措施

加强防汛工作宣传，建立探放水管理制度;做好防水计划;成立“雨季”三防指挥部，组织雨季前“三防”大检查;加强职工的培训，保证安全生产。

4.3 物质措施

拨出专项资金，专款专用，保证防治水物资供应。

5 结论

根据对井田充水条件的分析，确定本井田受地下水、采(古)空区积水、地质构造水的充水因素影响，采掘工作虽受水害的影响，但不威胁矿井安全，防治水难易程度属简单类型，但不容忽视。井上应建立完善的防水、排水系统，对井田范围内的塌陷裂隙及时充填;井下要根据探放水原则，坚持“预测预报、有掘必探、先探后掘，先治后采”的方针，加强矿井地质及水文地质工作，以确保安全生产。

［1］ 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定［M］.北京：煤炭工业出版社，2009：22，109.

［2］ 中国煤炭工业劳动保护科学技术学会.矿井水害防治技术［M］.北京：煤炭工业出版社，2007：43－120.

［3］ 吴玉华，张文泉，赵开全.矿井水害综合防治技术研究［M］.北京：中国矿业大学出版社，2009：3－29.

［4］ 沈照理.水文地质学［M］.北京：科学出版社，1985：70－71.

［5］ 王秀兰.矿山水文地质［M］.北京：煤炭工业出版社，2007：16－23.

Analysis on Conditions for Filling Water and Proposals of Preventing and Controlling Water Measures in the Coal Mine

Guo En－zhen

This paper comprehensively studied the geological and hydrogeological conditions of Shennanwa coal mine，based on the analysis of three factors of water－filled resources，channel and intensity of the mining coal seam in the mine，determined the main water damage which threat to safety production of the coal mine，and puts forward proposals of preventing and controlling wate in futurer，in order to provide a reference for the safety production in the coal mine.

Conditions for filling water;Water bursting in mine;Prevention and control water proposal

TD745+.2

A

1672－0652(2012)07－0020－04

2012－06－06

郭恩珍(1983—)，女，山西孝义人，2010年毕业于中国石油大学(北京)，硕士研究生，助理工程师，主要从事煤炭基础地质研究工作(E －mail)youyou8306@qq.com