顾桥煤矿矿井水危害及防治

王高辉

（安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南232001）

顾桥煤矿位于安徽省淮南市凤台县境内，淮南煤田潘谢矿区中西部，2003年10月开工建设，2007年4月28日正式投产，生产能力9.0Mt/a，矿井累计资源储量18.2亿吨，可采储量近10亿吨，服务年限76年。

井田所在的地区属暖温带和亚热带过渡气候带、半湿润气候区，季节性明显，冬冷夏热，雨量适中，梅雨显著。该地区年均气温15.1℃，两级气温分别是41.2℃和-22.8℃；一般春、夏季多东南及东风，秋季多东南及东北风，冬季多东北及西北风，平均风速3.18m/s，最大风速20m/s；年均降雨926.33mm，最大达1723.5mm；雪期一般在每年11月上旬至次年3月中旬，最大降雪厚度16cm；土壤的最大冻结深度为30cm。

1 矿井水文地质概况

1.1 矿区地层岩性与地质构造

1.1.1 矿区地层岩性

淮南煤矿位居广阔的平原之中，全部被第四系覆盖，煤田主要含煤地层为石炭二叠纪含煤煤系，煤系基底为古生代海相沉积的岩系和元古界地层。顾桥井田属全隐蔽含煤区,钻探所及地层由下而上依次有下古生界奥陶系（O）、上古生界石炭系（C）和二叠系（P）、中生界三叠系（T1）、新生界第三系（E、N）以及第四系（Q）。

1.1.2 矿区地质构造

本井田位于淮南复向斜的中部，属陈桥背斜的东翼与潘集背斜的西部之衔接带。煤系地层总体构造形态为一走向近南北、倾向东、倾角多为5°～15°的反“S”型单斜，并发育一系列宽缓褶曲和断层。根据褶曲和断层的发育特点，可将本井田分为北部宽缓褶曲挤压区、中部简单单斜区、中南部“X”型共轭剪切区和南部单斜构造区四部分。

经综合精查地质勘探和高分辨率数字地震补充勘探，全井田共查出小陈庄背斜、胡桥子向斜、后老庄背斜和桂集向斜等次一级褶曲4个。共有断层200条，其中正断层174条，逆断层26条，大致可分为近东西向、北西向和北东向3个断层组。若按落差大小划分，分别有大于等于100m的12条，小于100m而大于等于50m的9条，小于50m而大于等于20m的29条，小于20m的150条。

1.2 矿井水文地质条件

1.2.1 地下水类型与含水岩（层）组的划分

根据地下水赋存条件和含水介质特征，矿区主要有：松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水等3种地下水类型（详见下表1）。

表1 矿区地下水类型一览表

矿区含水岩（层）组可划分为：松散岩类孔隙含水层组、碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组和碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组。

本井田松散层厚度224.10～576.00m，按埋藏深度，松散岩类孔隙含水岩组可分为浅层含水层组、中深层含水层组、深层含水层组。

1）浅层含水层组

浅层含水层组，古河道发育地段，含水砂层颗粒较粗，以细砂、中细砂为主，分选性较好，厚度一般大于10m，富水性较好，单井涌水量一般为1000～3000m3/d；古河间地段，含水砂层颗粒较细，以粉砂为主，厚度一般小于10m，富水性稍差，单井涌水量一般为500～1000m3/d。地下水一般具无压～半承压性质，水位埋深一般1.5～3m，年变化幅度一般2～3m，水质类型为HCO3-Ca·Na型，溶解性总固体一般小于0.5g/l。

地下水以接受大气降水与地表水补给为主，其次为农业灌溉入渗和侧向迳流补给。地下水垂直交替强烈，迳流条件较好，地下水自北西流向东南，水力坡度在1/8000～1/10000，动态变化具明显的季节性，属典型的降水入渗～蒸发型动态类型。以蒸发排泄为主，其次为人工开采、侧向迳流和越流排泄。

2）中层含水层组

中层含水层组，该含水层组富水性好，单井涌水量1000～3000m3/d；地下水具承压性质，水位埋深一般1.0～2.0m，年变化幅度一般1.5m左右，局部受开采影响，水位变化幅度较大。水质类型为HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Na型。溶解性总固体一般小于0.5g/l。为矿山生活供水的开采层位。

地下水以接受浅层水的越流补给为主，其次侧向迳流补给。地下水循环交替条件较差，迳流条件较差，地下水流向总体上与浅层水基本一致，水力坡度在1/10000左右，在地下水开采区，其流场发生变化，地下水自四周流向开采井，动态变化季节性不具明显。以人工开采、侧向迳流和越流排泄为主要排泄方式。

3）深层含水层组

深层含水层组，岩性以半胶结的灰绿色、棕黄色细砂、中细砂、中粗砂和泥质砂砾层为主，富水性好，单井涌水量1000～3000m3/d。地下水具承压性质，水位标高为+24.0m左右，高出地面约1.0～5.0m，年变化幅度一般小于1.0m，水质类型为Cl-Na型。溶解性总固体一般2.396～2.69g/l。

地下水以接受侧向迳流补给为主，其次为上、下含水层的越流补给。地下水循环交替条件差，迳流条件差，地下水流向总体上与浅层水基本一致，水力坡度在1/10000左右，在矿区其流场发生变化，地下水自四周流向开采巷道，动态变化季节性不具明显。以矿坑排水、侧向迳流为主要排泄方式。

1.2.2 各含水层之间水力联系

1）浅层孔隙含水层组与中深层含水层组之间，一般有10～20m厚的粘土类隔水层间隔，二者之间除局部地段存在越流补给因素外，一般无直接水力联系。

2）中深层含水层组与深层含水层组之间，一般有大于20～30m厚的粘性土隔水层间隔，水力联系甚微。下部含水组，储存量丰富，是矿坑充水主要补给来源，但范围很小，补给量受基岩渗透性控制，又因其远离可采煤层，故对矿坑充水无直接影响。

碎屑岩类孔隙水主要赋存于砂岩孔隙裂隙之中，因各层砂岩之间有泥质岩类隔水层间隔，相互之间在正常情况下，无水力联系。但在断层切割处层间水力均衡又遭破坏时，有一定的水力联系，有可能导致矿坑突水危险。

由于松散岩类孔隙含水层组的分布与厚度受古地形控制。一般与碎屑岩类孔隙含水岩组水力联系甚微；但是局部含水层直接覆盖于煤系之上的地段，通过煤系地层中的砂岩裂隙发生直接的水力联系。

碳酸盐岩含水岩组主要由太原组灰岩组成，含水层距1煤底板平均间距16m～20m，正常状态下无水力联系，第一水平（-600m）的灰岩水头压力约6.1MPa，超过1煤底板岩层的抗压强度时，会造成底板断裂，发生水力联系。因此，当开采1煤层时太原组灰岩岩溶裂隙水，是1煤底板直接充水含水层，尤其是煤层与灰岩“对口”的断层破碎带，就成为灰岩水进入矿井的直接通道。

2 矿井水害分析

2.1 矿井涌水因素分析

根据矿井开采资料分析，主要充水因素有6个：

（1）松散岩类孔隙水直接充水

新生界松散层孔隙含水层的下段或底部与基岩含水层接触而产生水力联系，为避免采动后导水裂隙带进入松散含水层，因此，必须留设60～80m的防水煤柱，防止松散层水溃入矿井。

（2）碎屑岩类裂隙水直接充水

煤系砂岩裂隙含水层之间一般均有多层较厚的隔水层存在，在正常情况下没有水力联系，但若被断层切割时有可能出现突水或涌水，由于煤系砂岩含水层富水性弱，补给源有限为储存消耗型特征，水量下降快直至疏干，虽然是矿井直接充水水源，但对煤层开采威胁并不严重。

（3）碳酸盐岩裂隙岩溶水直接充水

太原组灰岩岩溶裂隙含水层，距1煤层间距16～20m，第一水平-600m的灰岩水水头压力约6.1MPa，在失去水力均衡作用条件下，可以通过断层裂隙带转化为直接充水含水层，太原组灰岩岩溶含水层虽然是间接充水含水层，但由于它的富水性强、补给丰富，成为矿井水害最大的隐患。

（4）断层及破碎带导水

本井田断层破碎带多为泥岩和粉、细砂岩碎块充填，并呈胶结状，正常情况下有相对隔水作用。但是，若不同层位的含水层受断层切割而对口，且断层带又未被泥质物和岩屑所充填，或受采动影响而致断层活化，破坏了地下水的水力均衡，断层带很可能成为地下水突溃的主要途径。

（5）井下采掘煤机运转过程工艺用水

矿井采煤、掘进工艺中，为了达到降尘目的，采煤和掘进机械中装设了喷雾或洒水降尘环节，产生的工艺废水进入矿井水抽排系统，和矿井地质涌水是矿井水的主要组成部分。

（6）大气降水通过地表水系补充地下水

大气降水进入地表水系后，由地表断层或裂隙，渗透进入地下水，采煤过程不同程度破坏了原地质岩层结构，使地下水经过破坏的地层进入采煤工作面或掘进巷道，汇入矿井地质涌水系统，该部分水也成为矿井水的重要来源之一。

2.2 矿井涌水量、排水水质情况分析

矿于2007年正式投产，统计数据表明，矿井历年排水量呈逐年上升趋势，并于2009年、2012年达到143.3万m3、154.143m3峰值，之后总体排水量趋于下降趋势，生产年份年均涌水量120～130万m3（矿坑涌水量统计见表2）。

表2 顾桥矿年度矿坑涌水量表（万m3）

由于煤矿井下作业环境的特殊性，在岩煤巷掘进，综采面开采过程中，产生的大量粉尘和煤尘，这些粉煤尘随着喷雾洒水降尘系统进入矿井巷道排水系统，进而混合进入矿井地质涌水，使矿井水遭到不同程度污染，矿井水悬浮物及浊度变大，酸碱性也发生了改变。监测数据表明，该矿矿井水悬浮物高，水质pH值呈弱碱性（详见矿井水水质情况统计表3）。

表3 顾桥矿年度矿井涌水水质情况统计表（处理前浓度单位：mg/L，pH无量纲）

2.3 矿井水的危害分析

2.3.1 对安全生产的影响

煤层开采活动可能会导致断层活化形成导水通道而沟通松散层含水层与煤系含水层的水力联系，煤层开采中如揭露断层将会造成井下突水，对矿井安全生产形成巨大的威胁。突水不仅仅会破坏井下巷道，矿井水的侵蚀，也会使作业面发生形变，导致巷道煤壁塌落，剧烈的突水事故，会给严重破坏井下生产秩序，甚至造成伤亡事故。

2.3.2 对职工健康的影响

矿井水由于受到污染，pH值呈弱碱性，具有轻微的腐蚀性，工人长时间浸泡其中，将会对皮肤造成腐蚀性伤害；矿井水中含有的大量盐分及悬浮物质容易滋生微生物、病原细菌等，这些对于作业环境中的人体也会造成不同程度的伤害，严重影响职工健康。

3 矿井水防治措施

矿井水害防治历作为矿井一通三防三防之一，是顾桥矿安全生产工作的重要组成部分。顾桥井田内的较大断层已基本查明，设计中对已探明的各断层均设计了保护煤柱，顾桥矿生产中，矿严格按照《煤矿安全规程》中有关防治水的规定，严禁开采设计留设的断层保护煤柱，对井田内可能还存在的未探明断层、陷落柱等构造应予以充分重视，加强生产过程中的地质勘探，严格执行“有疑必探、先探后掘”的原则，预防井下突水。

对井下作业面及巷道中的矿井水，目前主要以抽排为主，矿井水在统一排放至井下积水仓之后，通过井下水泵房抽排至地面矿井水处理站，进行净化处理（见图1）。

图1 矿井水抽排工段流程

随着国家资源环境形势的严峻发展，目前对矿井水的防治不仅仅是停留在危害防治层面，实施对矿井水的再利用，变害为利，变废为宝已成为矿井水害治理的新的政策导向和发展趋势。

矿目前部分生产用水利用净化处理后的矿井水，矿井日常生产过程中，除生活用水和其他用水水质有特殊要求的由水源井供给外，其他生产用水、绿化用水等均利用净化后的矿井水，实现了水资源合理利用、节约利用和有效保护，变害为利，不仅有效治理了水害，节约了资源，保护了生态环境，产生了良好的经济效益。

4 结论

（1）顾桥煤矿所在的淮南潘谢矿区，气候条件特殊，地质水文状况复杂，造成矿井水量较大，水害问题比较突出，是威胁矿井安全生产的重要因素之一。

（2）矿井对水害的防治，主要在技术上，设计预留断层保护煤柱，利用抽排工段，及时收集抽排矿井地质涌水；在管理上，强化地测防治水监督监测，防止突水事故发生。

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