矿井充水因素及防治方法研究

李 波

（大同煤矿集团地质勘测处,山西 大同 037003）

我国煤炭资源储量丰富,在全世界范围内名列前茅,年原煤生产量已经达到世界第一。而煤矿的瓦斯、水、火、粉尘、顶板等灾害现象严重影响着矿井的生产,其中,煤矿突水是这五大灾害中威胁仅次于瓦斯爆炸事故的因素,其危险性显著,必须高度重视［1－2］。作为我国重要的产煤基地,华北地区尤其是山西地区,煤炭资源的开发与发展,具有久远的历史,矿井水害也一直是山西等产煤基地一个非常棘手的问题。分析其原因,排除人为事故,客观性的因素也影响着矿井的安全,主要表现在华北地区水文地质条件复杂,矿井涌水量不可预测,煤矿开采深度加深,距奥灰岩溶地层距离减小等问题［3－4］,因此,水害问题已经成为山西地区每一个矿井必须认真面对的实际问题。

为了防止矿井水害的威胁,实现煤炭资源安全高效的开采,煤炭工作者必须加强对于水文地质条件的探测,同时积极总结防治水工作。目前来说,矿井水害防治措施主要包括对矿井的充水通道进行分析,其中主要包括采动形成的裂隙裂缝、断层裂隙、老旧钻孔等；同时,应该对于水源进行分析,对矿井地质发育情况进行分析,确定水害危险程度；最后,对以往矿井防治水工作和周边矿井防治水工作进行研究,总结针对本矿井合适的防治水方法。而对于复杂的水文地质条件,新的水害因素与对矿井的影响方法被不断发现,并且重新认识,督促煤炭工作者对于水害工作方面进行更细致入微的研究。为此,本文对矿井涌水因素进行宏观分析,进而提出相应的防治方法,这对各大矿井防治水技术的实施具有一定的意义。

1 矿井充水因素的整体分析

对矿井充水因素的整体分析可以从矿井充水水源和充水通道两方面考虑。

1.1 矿井充水水源

1）大气降水和地表水对矿井充水的影响

随着煤矿的开采,顶部岩层将遭到破坏,会使基岩裂隙加大、增多,若井田西部为煤层隐伏露头区,煤层埋深较浅,大气降水可通过导水裂隙带进入采空区及煤层顶板砂岩裂隙含水层来间接增加矿井涌水量,因此,大气降水在一定程度上对矿井安全生产有影响。矿井在开采过程中应严加防范,在雨季来临时积极做好应对准备。

2）各含水岩组对矿井充水的影响

含水岩埋藏于矿区深部,距地表深浅不一,其岩性主要为深灰、灰黑色厚层石灰岩为主,中夹灰白色泥质灰岩。如果煤层底板最低标高处于本井田奥灰水位之下,则奥灰岩溶地下水对井田煤层开采有影响。突水系数可通过公式（1）计算：

式中：Ts为突水系数,MPa/m；P为底板隔水层承受的水压,MPa/m；M为底板隔水层厚度,m。

按公式计算的突水系数,在底板受构造破坏块段,一般不大于0.06MPa/m其突水危险性小,正常块段,不大于0.10MPa/m其突水危险性小。

据矿井奥灰水文孔资料,可计算得到井田内开采煤层隔水层的厚度。根据公式（1）可计算出煤层底板奥灰的最大突水系数,从而和受构造破坏块段突水系数的临界值进行比对分析,由此判定奥灰水的突水危险性。

3）井田内及相邻矿井采空区积水的影响

部分矿井在兼并重组整合前,原相邻矿井对本矿井煤层已进行了大面积开采,煤层已大部采空,还有部分煤柱只能进行回收,故,采空区积水是对本矿井安全生产的最大威胁之一。通过估算可得到本井田开采煤层的积水采空区位置和范围。

积存在本井田及邻近矿井煤层采空区和废弃的井巷工程之中的水,尤其是年代久远、缺乏足够资料的老空积水,是矿井今后生产过程中最重要的充水因素之一。因此,建议煤矿在今后的开采中应随时调查探测本矿和邻矿采空区的积水情况,以便针对性地采取各种防范措施。

1.2 矿井充水通道

矿井的充水通道可通过矿井充水情况与井田水文地质条件进行分析,一般矿井煤层充水通道主要为煤层开采后形成的导水裂隙带,其次为采空区对应地表形成的地裂缝、地表塌陷,另外,封闭不良的钻孔、废弃井筒和陷落柱、断层也可能成为导水通道。

1）煤层开采后形成的导水裂隙带

煤层开采后,矿山压力对采空区上部岩层的破坏较大。所形成的冒落带和导水裂缝带高度,波及到煤层上部含水层时,就成为含水层对矿井充水的通道。当工作面顶板管理方式为全部垮落法时,可通过公式（2）或者公式（3）来计算煤层导水裂隙带高度,通过公式（4）计算煤层垮落带高度。

通过计算结果可对比分析井田内各可采煤层导水裂隙带最大高度与各可采煤层之间的层间距,如果前者大于后者,则在开采下部煤层时,其顶板导水裂隙在部分地段将会延伸到上部煤层采空区,上部煤层采空区积水如不及时探放,会沿裂隙导入下部煤层,形成水害。在煤层埋藏浅的井田西部地带,各煤层开采后,产生的裂隙波及到地表,使大气降水、地表水沿裂隙导入井下,造成灾害。所以,将来开采其下部煤层时应对上部煤层采空区积水进行探放,防范上部煤层采空区积水突入巷道造成水害事故。

2）采空区对应地表形成的地裂缝、地表塌陷

在煤层埋藏较浅部位容易形成地表塌陷及地裂缝,随着煤层开采面积的增大、采掘系统的延伸,更能加剧地表塌陷及地裂缝的发生,大气降水及地表水会沿其渗入井下,补给下部含水层或煤层,增大矿井涌水量,严重时可能造成水害,矿方应高度重视。

3）断层及陷落柱

由于采动影响,地应力重新分布,可能使断层面由压扭性结构面变为张性结构面,变不导水为导水,从而发生采空区滞后突水,在地应力明显异常区开采,应力沿断层面释放,断层面附近煤岩层变形更大,断层导水的可能性增大。因此,一定要重视对隐伏断裂及其他构造形迹的探查和研究,防止断层突水造成的水害。

4）不良的钻孔及井筒

当矿井掘进和工作面煤层回采时,仍要做好探测预报工作,以确保不会因封闭不良钻孔而引发突水事故。

2 矿井防治水方法分析

本文在分析井田地质及水文地质条件的基础上对矿井充水的各个因素进行系统分析,由此得到的防治水工作方法如下：

1）当上组煤层开采强度大时,井田范围内及周边煤矿采空区积水情况复杂。因此,在今后的生产中必须严格按照《煤矿安全规程》和《煤矿防治水规定》的“预测预报、有掘必探、有采必探、先探后掘、先探后采”的原则和“探掘分离”的管理规定,做好采掘工作面探放水设计,并确保按设计探水施工,防止水害事故发生。

2）每年汛期前必须及时编制“三防”计划,并贯彻实施；制定防汛工作实施方案,备足抢险物资；做好水害应急抢险预案,并进行水害应急救援演练,做到防患于未然。

3）加强对断层、陷落柱导水性的研究,查明带压区内断层、陷落柱的发育情况和导水、富水性,防止由于采动影响,地应力重新分布,可能使断层面由不导水变为导水,以及防止奥灰岩溶水对煤层底板带来的突水威胁。

4）井田采空区范围内虽然未见明显的地面裂缝、地面塌陷,但由于地表水可通过导水裂缝带渗入井下采空区,增大采空积水量,因此,对此地段的开采应引起足够重视,加强对地表进行调查,及时发现是否存在地裂缝及地表塌陷并及时进行填埋治理,全面防范洪水灌井的危险。

5）井田范围内无水文地质勘探工程,故建议矿方在井田范围内进行水文补勘工作,以便对本井田的水文地质条件进行进一步的探究。同时,在矿井建设和生产过程中,应加强地质及水文地质资料的收集整理工作,总结矿区内构造发育、矿井涌水等规律及经验,以便有效指导煤矿防治水工作。

3 结束语

为防止矿井水害的威胁,实现煤炭资源安全高效的开采,煤炭工作者必须加强对于水文地质条件的探测,同时积极总结防治水工作。本文对矿井涌水因素进行宏观分析,进而提出相应的防治方法。

1）积存在本井田及邻近矿井煤层采空区和废弃的井巷工程之中的水,尤其是年代久远、缺乏足够资料的老空积水,是矿井今后生产过程中最重要的充水因素之一。

2）矿井煤层充水通道主要为煤层开采后形成的导水裂隙带,其次为采空区对应地表形成的地裂缝、地表塌陷,另外,封闭不良的钻孔、废弃井筒和陷落柱、断层也可能成为导水通道。

3）在对矿井充水的各个因素进行系统分析的基础上得到了相应的矿井防治水方法。

参考文献：

［1］ 田应平.矿井充水因素分析及水害防治方法［J］.科学技术创新,2017（25）：26－27.

［2］ 王生全,吴佩,樊敏,孙建峰,武忠山.象山矿井主采3＃煤层涌水规律及充水因素分析［J］.西安科技大学学报,2016（6）：831－836.

［3］ 李松营.新安煤田小浪底水库下采煤地表水防治技术研究［D］.焦作：中国地质大学,2010.

［4］ 乐志军.新朝川矿矿井水分布规律研究与防治对策［D］.焦作：河南理工大学,2010.