浅埋近距离煤层水文地质及防水措施研究

金　鑫

(中国煤炭科工集团重庆设计研究院有限公司，　重庆　400016)



浅埋近距离煤层水文地质及防水措施研究

金鑫

(中国煤炭科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆400016)

某矿井区内地下水赋水情况复杂，涌水量及水压均较大，为了保证矿井安全生产，需查明该矿井的水文地质条件并制定行之有效的防冶水措施。主要研究了首采工作面煤层采动前、后含水层变化规律及导水裂隙带发育规律，以超前探水、疏水降压、合理留设防水煤岩柱等防治水措施来指导企业进行水害安全防治，通过多种防治水措施的综合运用，杜绝了矿井重大水害事故，为矿井带来了较大的经济和社会效益。

含水层；充水因素；导水裂隙带;防水措施

0　引　言

矿井透水事故在矿井水灾中发生最多，后果最为严重，其是在采掘工作面与地表水或地下水相沟通时突然发生大量涌水，造成淹井事故。随着煤田开采向地层深处不断延伸，井筒深度不断增加，地层情况越加复杂，开凿条件越加恶劣，突水淹井事故呈现出上升的趋势，严重影响和威胁矿井安全生产。

我国矿井水文地质条件极为复杂，无论是受水威胁的面积、类型，还是水害威胁的严重程度，都是世界罕见的。2002～2012年全国煤矿共发生水灾事故816起、死亡3805人，分别占死亡事故总起数和死亡总人数的3.0%和8.2%，平均每起事故死亡4.66人。同时，矿井灾害事故对煤矿正常生产，特别是对高产高效现代化矿井影响极大，一旦发生水灾，停产就会造成巨大的经济损失。有效遏制矿井水灾事故的发生，已成为保障矿井安全生产十分迫切的需要。

某矿井井田南北长约5.643 km，东西宽约3.807 km，面积为10.4804 km2。井田内冲沟发育，平时干涸无水，雨季为排泄通道，井田北东部有较大的沟谷，为井田内地表水的排泄通道，往东流入井田外的常年性水流西河。区内地下水赋水情况较为复杂，涌水量及水压均较大。因此，查明该区的水文地质条件并制定行之有效的防治水措施，对矿井安全生产具有十分重要的意义，同时也可为保水采煤的协调统一， 建设绿色矿井提供地质依据和安全保障。

1　矿井水文地质条件及充水因素分析

1.1矿井水文地质类型

14，15号煤层为井田内主要可采煤层，也是本井田批准开采煤层。其直接充水含水层为太原组K2～K4石灰岩裂隙岩溶含水层和顶板砂岩裂隙含水层，据石港井田精查地质报告，太原组含水层的含水性较弱。井田内煤层直接或间接充水含水层组涌水量均小于0.1 L/s·m，属于顶板进水为主、水文地质条件简单的岩溶充水矿床。井田东部，由于构造简单，虽发现破坏15号煤层的11个陷落柱，但其导水性很差，且15号煤层距奥灰顶界有厚约27.0 m的隔水层。在井田西部矿界小部分，由于下伏中奥陶统岩溶裂隙含水层的含水性较强，水头较高，15号煤层最低底板标高为+800 m，西部最低煤层低于奥灰水位(+810 m)10 m，构成了15号煤层开采时涌水的不利因素，在陷落柱及构造薄弱地带有可能突水，可转化为以底板进水为主的矿井水文地质类型中等的岩溶充水矿床。

1.2矿井涌水量

《地质报告》提供结果：经预算，本矿井生产能力达到300万t/a，其矿井正常涌水量为1200 m3/d，最大涌水量2100 m3/d。

本矿井工作面采取灌浆防灭火措施，通过计算，每日灌浆用水量824 m3/d，考虑灌浆时间不均衡性，每日灌浆时间为6～18 h，故灌浆用水为井下贡献水量45～135 m3/h，另加上煤层注水量(最大15 m3/h)、井下消防晒水、采掘设备用水等，本矿井按正常涌水量200 m3/h，最大涌水量400 m3/h进行设计。

1.3大气降水及顶板和井筒渗水

大气降水沿基岩裂隙入渗，或沿采空冒落带、导水裂隙带入渗，为本井田充水来源之一。

井田内现有煤矿开采15号煤层，矿坑充水主要来源是各煤层顶底板裂隙及井筒裂隙渗水所致。涌水量受产量、采空区扩大等因素影响不大，主要受降水量的影响。

1.4冒落带和导水裂隙带高度计算

14，15号煤层开采所产生的冒落带、导水裂隙带高度按式(1)和式(2)进行计算：

(1)

(2)

式中：H冒——煤层采空最大冒落带高度，m；

M——煤层厚度，m；

H导——煤层采空最大导水裂隙带高度，m；

n——煤层分层开采次数；

K——冒落岩石碎胀系数，取1.3。

14号煤层厚度0.85～1.3 m，平均1.07 m，一次采全高，计算得冒落带高度3.0～4.3 m，导水裂隙带高度为41.5 m。14号和15号煤层间距7 m左右，距离很小，15号煤层开采时完全进入14号层范围内，则综合开采累计厚度M12=M1+M2，两层煤厚7.27 m。一次采全高，计算得冒落带高度24.5 m，导水裂隙带高度为77.0 m。通过计算可知，14，15号煤层联合开采时，可影响14号煤层顶板以上约100 m的层位。

从以上计算可知，14号煤层导水裂隙带高度小于其煤层埋藏深度，因此季节性地表水对井下开采14号煤层无大的影响，14号煤层顶板K2灰岩水可通过导水裂隙带进入井下，对14号煤层产生一定的影响。15号煤层导水裂隙带高度大于14号煤层间距(平均7.23 m)，因此若14号煤层采空区内有积水，该积水会通过导水裂隙带进入15号煤层井下，对15号煤层开采产生一定的影响。总之，未来矿井开采14，15号煤层时应引起足够的重视。

1.5最大突水系数

据矿井井田范围内新施工的水源井资料，推测井田内奥陶系石灰岩含水层，水位标高为810 m，而井田内14号煤层底板标高在820～1280 m，15号煤层底板标高在800～1280 m，15号煤承压水头高约10 m，15号煤层最大突水系数按式(3)计算。

(3)

式中：T——突水系数，MPa/m；

P——作用于隔水层的水压，MPa，15号煤层隔水层的水压分为0.1 MPa；

M——底板隔水层厚度，m，15号煤层底板隔水层厚度27.0 m。

受构造破坏地段的临界突水系数为0.06 MPa/m，正常地段的临界突水系数为0.10 MPa/m。经估算，15号煤层最低开采标高时，最大突水系数T为0.004 MPa/m。奥灰承压水头下的突水系数小于临界突水系数。且峰峰组灰岩隔水性能良好，正常情况下，不存在奥灰突水危险性，但也应注意构造裂隙沟通引发奥灰突水的可能性。

2　矿井防治水技术研究

2.1地表水防治技术

(1) 根据本矿的实际情况，井口及工业场地位于地势较高的平缓地带，因此地面防治工程相对比较简单。在选择井筒时，该矿井已避开可能发生的山洪冲刷、泥石流、滑坡的地段。在井口和工业场地建立必要的疏水、防水和排水系统，防止雨季来临时，地面流水从井口进入井下坑道。

(2) 西沟自北向南从主场地与行政生活区之间穿流而过。根据《矿井地质报告》提供的资料，西沟在此处的最高洪水位为+1295.00 m。为此，将位于最低台阶的行政生活区场地标高定为+1295.50 m水平，行人斜井的井口标高定为+1299.00 m，不会受到西沟的洪水威胁。主场地的标高在+1316.00 m水平，主斜井、副斜井及回风立井的井口标高分别为+1316.388，+1316.366，+1328.00 m，西沟的洪水更构不成威胁。

(3) 为防止地表水对场区造成危害，特在场区靠山坡一侧设置截水沟截走地表水。进入风井场地的道路的边沟作为主排水沟将地表水引入西沟，主排水沟断面为0.8 m×0.8 m。

2.2老窑的安全防治水措施

(1) 本矿井已经采取物探(瞬变电磁探测技术)、钻探等手段完成了投产区的水情探查工作，完成了整合前采空区的水情探查工作，划定了大于40 m的采空区防水保护煤柱和50 m的采空区水位警戒线。

(2) 接近探水线的掘进工作，编制探放水设计，超前探放水，采煤工作面受老空区积水威胁时，已编

制专门的探放水设计，严格按批准的措施执行。

2.3奥灰水防治

(1) 本井田15号煤层底板标高在西北深部矿界，仅小部分范围内低于奥灰水位(+810 m)，矿井开采区域大部分在奥灰水位标高以上，正常情况下，本矿不存在奥灰突水危险性，但应注意隐伏构造裂隙沟通引发奥灰突水的可能性。本矿井设计有潜水泵强排系统，可一定程度上预防深部可能的奥灰水灾害。

(2) 今后矿井开采至西北深部，接近+810 m标高时，考虑到煤层底板可能存在隔水层变薄带、构造破碎带、导水裂隙带，应加强警戒，探明底板富水情况，必须编制探放水设计和安全措施，待查明条件后，再确定是否开采。

3　结　论

通过以上的分析得知，某矿井主采14，15号煤层部分区域由于多年开采存在一定范围的采空区，并形成了大量积水，为矿井井筒的安全施工和煤层开采带来了困难。影响矿井安全生产的充水因素主要为大气降水、煤层开采所产生的导水裂隙带、采空区积水、奥灰岩溶水，防治的方法就是要详细查明矿井的水文地质条件，合理确定防水煤岩柱和开采厚度,以超前探水、疏水降压、合理留设防水煤岩柱等防治水措施来防治。对于浅埋深、近距离煤层采空区积水使用地面钻孔排放、井口排放、井下探放的排水方法，井下疏导排水法，来指导企业进行水害安全防治，达到既保水又采煤的和谐局面，保持矿井可持续发展。矿井投产实践证明，通过多种防治水措施的综合运用，杜绝矿井重大水害和人身伤亡事故，为矿井带来了较大的经济和社会效益。

[1]中国煤炭地质总局一一九勘探队.山西汾西瑞泰井矿正行煤业有限公司兼并重组整合矿井地质报告[R].邯郸：中国煤炭地质总局一一九勘探队，2010.

[2]中国煤炭地质总局一一九勘探队.山西汾西瑞泰井矿正行煤业有限公司采空区积水、积气及火区调查报告[R].邯郸：中国煤炭地质总局一一九勘探队，2010.

[3]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[S].

[4]俞启香.矿井灾害防治理论与技术[M].北京：中国矿业大学出版社，2008.

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[6]隋旺华,孙亚军.矿井水害防治关键技术及防治水专业人才培养方案探讨[J].中国地质教育，2009(1).

[7]邓奇根,王燕,刘明举,等.2001～2013年全国煤矿事故统计分析及启示[J].煤炭技术，2014,3(09).

2016￣04￣26)

金鑫(1983-)，男，吉林四平人，工程师，主要从事矿井设计咨询工作，Email：43854431@qq.com。