沟底煤矿充水条件分析及防治水对策

赵方亮

（山西高平源野煤业有限公司 山西晋城048000）

1 引言

沁水煤田沟底煤矿为晋城矿区规划新建矿井之一，矿井建设规模为5.0 Mt/a，井田面积71.07 km2，批准开采3号煤层。针对3号煤层受顶板多层砂岩裂隙水、底板灰岩岩溶裂隙承压水威胁的实际情况，在分析水文地质条件的基础上,运用地理学、水文地质学理论和定性、定量相结合的方法，对矿井充水条件进行系统分析，对矿井涌水量进行了估算。同时，针对主要水害因素，提出了相应的安全技术措施。

2 井田地质及水文地质概况

沟底煤矿井田位于沁水煤田南部晋城矿区东北部，所在区域地层自下而上为：古生界（奥陶系、石炭系、二叠系）、中生界（三叠系）、新生界（第四系）。岩溶水文地质单元属高平－晋城盆地三姑泉域水文地质单元。首采盘区3 km2三维地震勘探解释断层14条，陷落柱23个。

图1 井田构造纲要图

3 3号煤层充水条件分析

3.1 充水水源

3.1.1 大气降水及地表水

经调查区域井田年均降水量为458.33 mm，雨量集中于5～9月份。一般大气降水不会直接造成矿井灾难性水害。沟底煤矿3号煤层埋深在300 m以上，开采形成的最大导水裂隙带高度为83.49 m，小于煤层埋深。井田内无大的地表水体，沟谷中均存在季节性河流。一般情况地表水对3号煤层不存在充水威胁。

3.1.2 3号煤层顶板充水水源

开采3号煤层形成的导水裂隙可延伸到上石盒子组K9砂岩裂隙含水层、二叠系下统下石盒子组、山西组砂岩裂隙承压水含水层。K9砂岩平均厚度5.39 m，属弱富水性－中等富水性含水层。K8砂岩平均厚度5.55 m，属弱富水性含水层。井田内3号煤层大部分顶板含水层富水性弱，补给主要靠上部风化带和松散层补给，补给条件一般。

3.1.3 上石炭统太原组岩溶裂隙含水层

该含水层由K2、K3、K4、K5、K6五层石灰岩组成，全井田发育。其中K6石灰岩平均厚度0.30 m，。K5石灰岩平均厚度2.62 m，K4石灰岩平均厚度0.56 m，K3石灰岩平均厚度3.13 m，K2石灰岩平均厚度10.60 m，局部发育岩溶裂隙。该含水层属富水性弱的岩溶裂隙含水层。

3.1.4 奥灰水

带压开采是指在经济技术允许的情况下，充分利用3号煤层底板至奥陶系峰峰组顶面之间隔水层的抗（阻）水性能，在带压开采范围采取某些技术措施之后，能够安全、顺利的进行煤层采掘过程。井田内奥灰水水位标高625 m～607 m，3号煤层底板标高280 m～680 m，3号煤层大部块段处于奥灰水水位之下存在带压开采。对底板的稳定性分析评价采用完整隔水层突水系数法。

（1）底板突水系数计算公式选取：本次突水系数采用《煤矿防治水规定》中突水系数计算公式（1）计算：

式中：T－突水系数，MPa/m；

P－3号煤层底板至奥灰顶之间隔水层所承受的水头压力，MPa；

M－3号煤层底板至奥灰顶之间隔水层厚度,m。

（2）计算突水系数相关参数的选取

底板隔水层厚度（M）：本次底板隔水层厚度是指3号煤层底板至奥陶系顶面之间的隔水岩层总厚度，即：

式中：H煤－3号煤层底板赋存标高，m；

h－奥陶系顶面标高，m。

底板隔水层承受的水头压力（P）：沟底煤矿3号煤层底板所承受的承压水主要为奥陶系岩溶含水层水。因此，在确定水头压力时，采用奥灰水的水位标高减去相应的奥陶系顶面标高值，作为3号煤层底板所承受的水压力。

式中：H－奥灰水水位标高值，m；h－奥灰顶面标高值，m。

（3）突水系数的计算

根据矿井水文地质钻孔资料，确定各钻孔隔水层的厚度与底板隔水层承受的水头压力，并代入突水系数计算公式中计算突水系数，计算结果详见表1。

由表1可知，井田内3号煤层最大突水系数为0.042 MPa/m，小于底板受构造破坏块段临界突水系数0.06 MPa/m，井田大部属于带压开采安全区（见图2）。虽然井田可以进行带压开采，但在隐伏断裂构造附近有发生突水可能。

表1 3号煤层突水系数计算成果表

图2 3号煤层带压分区图

3.2 矿井充水通道

可能成为充水通道包括断层、陷落柱、封闭不良的钻孔及瓦斯抽采井、导水裂隙带、采空塌陷等。

3.2.1 断层

经首采区三维地震勘探，发育14条断层，其中落差大于等于5 m的断层7条，落差大于3 m的断层7条。除DF1为逆断层，其余均为正断层。首采区内绝大多数断层均为张性正断层，其中较大断层具有一定破碎带，存在一定导水性，开采临近这些断层时加强其导水性探测和防范。

3.2.2 陷落柱

三维地震勘探在首采区内共解释陷落柱23个，众多的陷落柱在首采区内形成大量无煤柱，并对陷落柱边缘煤层也造成一定程度的破坏。在这些陷落柱附近开采时，必须留设保安煤柱并加强加防范，及时了解陷落柱的导水集水情况，确保安全生产。

3.2.3 封闭不良的钻孔及瓦斯抽采井

根据勘探资料，井田内施工的钻孔均按设计要求进行了封孔，虽然钻孔均已密闭，达到封孔要求，但是在采矿活动接近或者揭露钻孔时，仍应加强探测。

煤层气公司施工的瓦斯抽放井，均不封孔。因此以后在采掘过程中需提前与煤层气公司沟通协调，提前处置钻孔，采取相应的措施，以防作为导水通道，形成水害。

3.2.4 导水裂隙带

3号煤层厚度为4.35 m～7.45 m，平均5.88 m，顶板为泥岩、粉砂质泥岩，局部为中粒、细粒砂岩，底板为泥岩、粉砂质泥岩，局部为炭质泥岩、泥质粉砂岩或泥质细砂岩。由表2可知，3号煤层顶板岩石强度属于软弱－坚硬。根据设计，井田内3煤层采用大采高综采一次采全高采煤法开采，平均采高高度6.0 m。

表2 3号煤层顶板力学测试结果表

依据《三下采煤规程》3号煤层垮落带、导水裂隙带高度：

垮落带高度计算公式（坚硬）为：

式中：Hm－垮落带高度；

∑M－累计采厚。

导水裂隙带高度计算公式（坚硬）为：

式中：Hli－导水裂隙带高度；

∑M－累计采厚。

3号煤层采高为6.0 m，经公式计算3号煤层垮落带高度为18.48 m～23.48 m，导水裂隙带高度为56.32 m～83.49 m。开采3号煤层形成的最大导水裂隙带高度为83.49 m，小于煤层埋深，不会延伸到地表，可沟通下K9砂岩裂隙含水层、二叠系下统下石盒子组、山西组砂岩裂隙承压水含水层。

3.2.5 采空塌陷

沟底煤矿井田内煤层未进行开采，地表不存在塌陷，但随着井田内3号煤层大面积开采后，塌陷裂隙带与地表基岩分化裂隙带沟通，导通采掘工作面与地表，这些裂隙将成为大气降水及地表水与矿坑之间的导水带。

3.3 充水强度

沟底煤矿处于基建阶段，井下矿井涌水量每天约10 m3。

4 涌水量估算

矿坑系统涌水量采用水文地质比拟法与解析法进行计算对比。

表3 3号煤矿坑涌水量预算结果表

据井田水文地质条件分析，采用富水系数比拟法预算的结果在偏大，采用单位涌水量比拟法的预算结果偏小，采用解析法的预算结果相对较为适合本井田的水文地质情况。解析法所得矿坑涌水量的平均值Q=5 597 m3/d（233 m3/h)作为首采区矿坑系统的正常涌水量。矿山生产初期的矿坑涌水量一般达不到正常涌水量，随着开采时间的延长，巷道采空区范围的逐步扩大及矿坑顶板冒落导水裂隙带的形成与发展，矿坑涌水量会相应不断增大。

5 矿井主要水害分析

（1）煤层上覆上石盒子组K9砂岩裂隙含水层、二叠系下统下石盒子组、山西组砂岩裂隙承压水含水层局部富集区，通过构造裂隙和顶板采动裂隙渗入采区巷道导致局部地段矿井涌水量增大，存在发生水害的可能。

（2）上石炭统太原组岩溶裂隙含水层水对3号煤底板一般都具有承压性。该含水层以弱富为主，但由于局部存在富水区，在高水压的影响下，瞬时水量会较大，对矿井安全生产有一定的威胁。

（3）在奥灰带压区开采时，存在深部奥灰水沿导水构造突入巷道的可能。

（4）随着时间的推移，邻矿开采范围不断扩大，当在本井田边界邻近形成采空区和废弃巷道后，其积水将对本矿开采生产造成充水威胁。

（5）沟底井田断层及陷落柱较发育，部分构造存在一定的导水性，尤其是陷落柱如具有导水性可直接沟通奥灰水与生产掘进工作面，易形成特大的水害事故。

6 防治水技术措施

（1）需采取合理布置巷道、疏水降压、利用先掘巷道和工作面提前疏放水、加强井下排水能力，完善排水系统等措施。

（2）通过专门的工程和技术措施在人工受控的条件下进行超前预疏水，根据矿井的水文地质情况，可以采用突水点、疏水钻孔疏水等。将水压降至底板隔水层阻水所能承受的范围。

（3）对采区内的隐伏断层及陷落柱提前进行钻探和物探勘查；对灰岩水合理受控疏水，对奥灰水采取疏水降压与堵水加固相结合；加强地质与水文地质补充性勘查；建立完善的水害监测系统；提高排水能力；治水工程要按照疏放和堵水相结合的原则；采取“防、堵、疏、排、截”综合治理措施。

（4）及时收集掌握相邻矿井采掘情况，并标示在充水性图上。

（5）对已查明的断层及陷落柱进行导水可行性评价，对于隐伏断层及陷落柱提前进行井上下物探勘查和钻探验证；对有可能沟通强含水层的断层及陷落柱留设防水煤柱进行保护。