综合防治水技术在镇城底矿的研究和应用

徐兵奎

(西山煤电股份有限公司 镇城底矿，山西　古交　030203)



·专题综述·

综合防治水技术在镇城底矿的研究和应用

徐兵奎

(西山煤电股份有限公司 镇城底矿，山西古交030203)

摘要镇城底矿地质构造复杂，断层、陷落柱发育，水文地质条件复杂，属带压开采，各种水害严重影响矿井安全生产，特别是奥陶系灰岩裂隙水。近年来，该矿在生产中根据矿井各种水害特征及其危害程度，通过分析和研究，总结防治水工作中取得的成功经验，提出了对各种水害针对性的防治技术方案和办法，有效防止了水灾事故的发生，确保矿井安全生产。

关键词镇城底矿；矿井水害；奥灰水；防治水

西山煤电股份有限公司镇城底矿1986年11月投产，矿井设计生产能力1 500 kt/a，2008年生产能力核定为1 900 kt/a，井田面积23.839 6 km2，含煤层地层为二迭系山西组及石炭系太原组，现采煤层为2.3#和8#煤层，煤层煤质以肥煤、焦煤为主。矿井地质构造和水文地质条件均属于复杂，为带压开采，影响矿井安全生产的主要水害有：奥灰水、小窑水、采空积水、上覆基岩裂隙水和地表水,其中奥灰水为最主要的水害，特别是随着近年来开采深度的加大，奥灰水压逐渐增大，对矿井安全威胁越来越大。近年来，根据矿井各种水害特征及其危害程度，通过分析和研究，并与防治水科研单位、大专院校合作,开展了综合防治水技术工作,总结防治水工作中取得的成功经验，通过不断研究和实践,现已初步形成了一套适合镇城底矿水文地质条件的综合防治水程序和方法。

1矿井水害特征及危害程度

1.1地表水

镇城底矿区内河流属黄河流域的汾河水系，汾河是井田内最大的河流，其流经镇城底矿东北部边界外侧，从北部经雁门、成家曲由西向东流过，流量受上游汾河水库的控制。井田内较大河谷有阴家沟、歇马沟、官长沟等，皆流向北东汇入汾河，河谷流水均呈季节性变化，通常流量很小或干涸，雨季流量增大，在河谷地段的浅部，孔隙水接受地表水补给，补给源充沛，孔隙水间接补给煤系地层含水层，但其补给强度低，补给量有限。矿井地处西山煤田西北边缘，西北露头为小煤矿开采区域，私开井口多，地表水可能通过周边小煤矿灌入矿井，对矿井安全生产影响较大。

1.2上覆基岩裂隙水

2.3#煤顶板水主要来自山西组和上、下石盒子组砂岩，主要是上、下石盒子组的K4、K5、K6砂岩含水层，水质类型为HCO3·Cl-Na，矿化度390 mg/L，富水性弱。8#煤顶板水主要来自山西组砂岩和太原组薄层灰岩，山西组砂岩主要为K3砂岩，太原组薄层灰岩主要为L1、K2、L4灰岩，水质类型为HCO3-Na型水，矿化度343～375 mg/L，富水性弱。在该矿多年的生产实践中，这些顶板水多呈滴、淋水状态，其水量小，大部分涌水点能够自流疏干，对矿井安全生产影响较小。

1.3采空积水

该矿采空积水区主要分布在西一采区和南一、南二、东二采区，矿井采空积水水量不大，但积水范围广，2.3号煤层积水面积为298 107 m2，积水量为198 801 m3；8号煤层采空区积水面积为164 150 m2，积水量为162 994 m3，始终威胁着采区、工作面的安全，对矿井安全生产影响较大，是矿井主要的防治水对象。

1.4小窑水

镇城底矿井田西北部为煤层露头区，煤层埋藏浅，特殊的地理位置及地质环境，成为小煤矿开采的有利区域，小煤窑开采时间长，开采范围广，采空区内存在大量小窑水。井田周围整合和已经关闭的小煤矿有12座，在井田的东二、南一、南二、南三、西一采区，经巷道探查及调查收集资料分析，预计2.3号煤层积水面积为203 468 m2，积水量为133 908 m3；8号煤层采空区积水面积为175 644 m2，积水量为149 280 m3，这些积水是镇城底矿充水的重要因素，对矿井的安全生产威胁较大。

1.5奥灰水

镇城底矿奥灰水主要为奥陶系中统峰峰组灰岩含水层水，水质类型为HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg和SO4·HCO3-Ca·Mg型，矿化度300～1 098 mg/L，水温13～14 ℃，富水性弱至中等，弱富水区分布于井田南部元家山向斜附近；中等富水区占井田大部分面积。奥灰水位标高为+900 m，现采2、3号煤层底板标高最低为+720 m，8号煤层底板标高最低为+640 m，属于带压开采，奥灰最大水头压力为2.6 MPa，煤层底板最大突水系数分别为0.047 MPa/m，实际隔水层厚度远远大于安全隔水层厚度，带压开采是可行的，但矿井地质构造复杂，断层、陷落柱发育，采掘过程中共揭露>3 m的断层199条，147个陷落柱，构造导水不能排除，根据山西省煤炭地质水文勘查研究院编制的《镇城底矿带压开采可行性研究及奥灰水防治措施》，预计矿井奥灰极限涌水量1 168.09 m3/h，严重影响矿井的安全生产，是矿井的主要隐患和防治对象。

2水害防治技术

2.1地表水防治

1) 为防止地表洪水灌井，镇城底矿进行专门设计并采取措施对矿井周边所有私开井口、报废井口进行彻底封闭，共修筑了45道高强度防洪、防灌井工程，可抵御百年不遇的洪水。

2) 在井下各封闭采区以地表沟内最高洪水水位标高的抗压强度为标准修筑了13道防水密闭，并留有泄水阀和水压观测装置，及时掌握采空区积水情况，根据具体水压情况疏排采空积水，确保水闸墙安全有效。

3) 每月定期对地表防洪、防灌井工程和井下水闸墙进行检查，雨季增加检查和观测次数，发现问题及时处理，确保工程处于完好状态。

2.2上覆基岩裂隙水防治

采掘中，工作面顶板砂岩、灰岩等基岩裂隙水，可能沿裂缝或塌陷裂隙流入工作面，对工作面的影响较小，工作面应以排水为主，配备排水能力不小于工作面最大涌水量两倍的排水设施及管路，并有备用水泵及软管、开关、接头等配套设备，备用水泵要进行热备用，保证工作面有足够的排水能力。掘进中注意观测巷道顶板出水和构造情况，发现异常情况，要及时进行探放水，确保工作面正常安全生产。

2.3采空积水防治

1) 同层采空积水的防治。

镇城底矿地质构造复杂，煤层倾角较小，属缓倾斜煤层，工作面衔接相对紧张。针对这一现状，工作面掘进时，采取预探放逐步减压的方式，即自警戒线开始探放，在确保工作面水头压力≤0.05 MPa的前提下，每20～30 m探放1次(视煤层倾角而定)，工作面形成时，相邻采空积水的探放工作也随之而完成，避免了集中探放因水压过大造成安全隐患或水量大而影响工作面衔接。

相邻采区采空积水的水量大，但在水头压力≤0.1 MPa的情况下可集中探放。>0.1 MPa时，在保证放水点水头压力≤0.1 MPa的前提下分段探放，采用多孔探放减少放水时间，尽快减小工作面水害威胁程度，以保证安全生产及正常衔接。

2) 异层(上组煤)采空积水的防治。

为查清上组煤(2.3#)采空积水对下组煤(8#)开采的威胁，镇城底矿与华北科技学院合作，开展了镇城底矿带压开采工作面顶、底板“三带”测试技术研究，确定顶板导水裂隙带高度57.58 m，而镇城底矿上组煤与下组煤层间距为56～75 m，证实了上组煤采空积水对下组煤开采影响较大。因此，下组煤开采前按采煤沉陷角推测位置为最低积水线编制专门探放水设计，根据生产衔接计划排出时间提前对上组煤采空积水进行探放。

18306工作面为矿井东二采区首采工作面，回采前对工作面上部上组煤12412采空积水进行了探放，由于是大倾角的钻孔，采空积水易将小矸石冲落入孔内，为此在阀门下部安装1个排水的四通，上部接阀门，两侧直对排水管路排水，下部安装阀门专门用来排矸，每班不定期打开下部阀门进行排矸，确保矸石不进入排水管路，节省了排水时间，保证了排水的稳定性，共施工了4个放水孔，放水10万余m3，放水时间、放水量及放水孔数与预计的基本一致，保证了矿井的正常衔接和安全生产。

2.4小窑水防治

1) 加强日常资料的搜集，对于生产煤矿应对其采掘情况进行监控，查清其采空积水情况，计算积水量；对于关闭小窑应采取物探手段进行探测查明其老窑积水情况，计算积水量，及时给矿井采掘布置提供依据。

2) 在与小窑破坏区相邻的采区严格按照《煤矿防治水规定》和《煤矿安全规程》关于井下探放水的有关规定布置探放水钻孔，并严格执行。

3) 积极配合地方政府对可能与大矿贯通的小煤矿留设安全煤柱，避免小煤矿与大矿贯通。对地面可能对矿井造成威胁的私开井口进行高强度封堵，防止地表水通过私开井口溃入大矿。

4) 对接近小窑区的报废采区以地面最高洪水位的抗压强度为标准进行设计，构筑高强度防水密闭，防止小窑水通过报废采区进入矿井，造成事故。现有小窑水防治措施，涵盖了地面防灌井工程及井下高强度防水密闭的设置，满足防治水工作及矿井安全需求。

2.5奥灰水防治

奥灰水防治工作中，镇城底矿借助山西煤炭水文地质勘查设计院的技术力量共同对矿井带压开采进行了可行性研究，收集完善了矿井水文地质资料，并制定了奥灰水防治措施，给矿井奥灰水防治提供了依据。为了及时了解地下水动态，建立了奥灰水水位(水压)动态监测系统。为及时查明井下不明水源，购置了水质快速识别仪进行水质化验，查明水源情况。在此基础上，根据矿井受奥灰水威胁程度及生产布局对矿井带压开采区域进行分区，即用4道防水闸门对现有生产上组煤的南一、南二、南六等南部采区与生产下组煤的东二采区隔离，然后分区采取防治措施，以确保不同区域防治问题时，不波及其它区域，达到分区治理的目的。为提高矿井抗水灾能力，在井底中央水仓附近建立了大功率强排水系统，强排设施是2台功率1 400 kW，流量725 m3/h，扬程477 m的水泵，管路是1趟426 mm×18 mm无缝钢管，强排立眼深度376.6 m.

为了防治奥灰水，严格按“程序”操作，保证各个环节环环相扣，详述如下：

1) 防治奥灰水工作程序化。

由于矿井现采采区均在奥灰水位以下，虽然实际隔水层厚度均大于安全隔水层厚度，但不能保证每个所揭露的构造点均不导水，因此，严格执行“有掘必探、有采必探”，所有新开掘进工作面编制专门超前探测设计，全部进行钻探和物探，物探采用瞬变电磁仪超前探测，判定工作面周围60～100 m煤(岩)体的含水情况，如果发现物探异常区，则进行钻探验证，对不明水源采取水样进行水质化验，查明其与奥灰水的水力联系，如果有联系则根据具体情况制定相应措施。

形成回采工作面后，每个工作面在安装前必须采用无线电波坑透仪和瞬变电磁仪圈定工作面内的构造情况和工作面内的含水情况，根据探测结果制定相应措施。

工作面和采区开采完后，以奥灰水最大水头压力的抗压强度为标准设计构筑高强度防水密闭，杜绝奥灰水在采动破坏影响后构造滞后导水造成淹井事故发生。

2) 防治奥灰水工作局部问题具体化。

矿井东二煤层最低底标高710 m，突水系数最大为0.37 MPa/m，隔水层厚度70 m，而且断层、陷落柱发育，是矿井防治水重中之重，根据其基本水文地质情况，制定了防治措施。

a) 加强超前探测，降低事故风险。

b) 为防止断层、陷落柱等构造导通奥灰水，工作面接近前方预计的断层、陷落柱时编制专门的探放水设计对其进行导水性探测，制定相应措施，确保安全后，方可施工。

c) 加强对已揭露断层、陷落柱等构造的观测和分析，防止受采动影响滞后导水，发现异常情况及时汇报。

d) 增加临时水闸墙，避免殃及全矿。

东二采区为820水平的最后一个下组衔接采区，采区轨道和皮带巷由于断层影响巷道标高抬高到882.6 m，按该矿奥灰水位+900 m计算，巷道低于水位线17.4 m，在采区两巷中，采取速建水闸墙的方式，可防止淹井。

3) 防治奥灰水工作重点问题特殊化。

矿井760水平大巷在井底布置在10号煤层底板岩石中，随着大巷的延伸，到南六采区760水平大巷与2.3#煤层层位相一致，现正在施工南六下组煤采区巷道，南六下组煤采区为矿井开采最低处，8#煤层最低底板标高为+640 m，低于760水平120 m，奥灰最大水头压力为2.6 MPa，最大突水系数为0.047 MPa/m，采区断层和陷落柱发育，构造导水不能排除，奥灰水严重威胁矿井的安全生产，因此，根据采区最大涌水量在南六下组煤采区建立了容积2 200 m3的采区水仓及相应排水设施，采区水仓附近建立了直排水系统，如发生水灾能及时将水排至760水平，防止南六下组煤采区水淹事故发生。

近年来，镇城底矿在防治水工作中，根据矿井各种水害特征及其危害程度，不断分析和研究矿井防治水工作程序，利用综合防治水技术和方法开展各项工作，对各种水害制定防治技术方案，能有效防止水灾事故的发生，确保矿井安全生产。

参考文献

[1]刘建庄.综合防治水技术在开滦矿区的研究和应用[J].陕西煤炭,2008(3):62-63.

[2]王宏斌,刘伯.矿井水害防治技术[M].北京：煤炭工业出版社,2010:90-107.

Research and Application of Comprehensive Water Prevention and Control Technology in Zhenchengdi Coal Mine

XU Bingkui

AbstractThe geological structure is complex in Zhenchengdi coal mine, the fault and collapse column develop, complicated hydrogeological conditions, belongs to mining with pressure. All kinds of water disasters seriously affect the mine safety production, especially the ordovician limestone fissure water. In recent years, according to all kinds of water disaster characteristics and damage degree in production of the mine, through analysis and research, summarizes the successful experience achieved in the activities of prevention and control of water, put forward the scheme and method of various corresponding prevention and control of water disasters technology, can effectively prevent flooding accidents, ensure mine safety production.

Key wordsZhenchengdi coal mine; Mine water disaster; Ordovician limestone water; Water prevention and control

中图分类号：TD745+.2

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2016)02-0050-04

作者简介：徐兵奎(1976—)，男，山西永济人，2011年毕业于山西大同大学，工程师，主要从事煤矿地质工作(E-mail)994368515@qq.com

收稿日期：2016-01-11