大佛寺煤矿主要水害类型及防治工程实践

周对对

(陕西彬长大佛寺矿业有限公司，陕西 咸阳 713500)

0 引言

矿井水害是仅次于瓦斯爆炸的煤矿第二大灾害，严重威胁矿井安全并制约生产效率。彬长矿区是我国水文地质条件极为复杂的矿区，其水害类型众多，影响范围大，是区域内煤矿开发的主要灾害。尤其是位于矿区中南部的大佛寺煤矿，其建设开发相对较早，揭露的水害类型较为齐全，是彬长矿区水害影响的典型矿井。根据矿井水文地质类型划分，该矿井水文地质条件为复杂型，多种水害相互叠加，严重影响矿井的生产效率并威胁矿井安全。因此，系统总结分析大佛寺煤矿水文地质特征，概括面临的主要水害类型及水害特征，并通过实际案例总结防治水主要措施，对大佛寺煤矿水害防治工作有极为重要的意义。

1 矿井概况

大佛寺矿井位于咸阳市彬县境内，隶属陕西彬长矿业集团有限公司，矿井于2004年5月开工建设，生产能力8.0 Mt/a。主采煤层4号煤层平均厚11.65 m，采用走向长壁后退式采煤法；局部开采4上煤，平均厚约2.88 m，采用一次采全高采煤工艺，全部垮落法管理顶板。井田共划分为6个采区，沿4号煤层西翼大巷两侧由东向西依次是401(411)采区、402(412)采区、403(413)采区和404(414)采区，井田北部斜井两侧由东向西依次是406(416)采区和405(415)采区，如图1所示。

图1 大佛寺井田采区分布Fig.1 Distribution of mining area in Dafosi mine field

2 地质及水文地质条件

2.1 地质条件

大佛寺煤矿地层属于华北地层区鄂尔多斯分区的焦坪—华亭小区，地层由老到新依次为：三叠系上统胡家村组(T3h)，侏罗系下统富县组(J1f)，中统延安组(J1-2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，白垩系下统宜君组(K1y)、洛河组(K1l)、华池组(K1h)，新近系小章沟组(N)，第四系(Q)。

大佛寺井田位于太峪背斜北翼，地层由南东向北西倾斜，倾角平缓，一般1°～3°，其上发育以北东东向展布为主的宽缓褶曲，从北往南有七里铺—西坡背斜、孟村向斜、董家庄背斜、南玉子向斜、路家小灵台背斜、安化向斜、祁家背斜、师家店向、彬县背斜等，断层少见，构造简单。

2.2 水文地质

井田主要发育有第四系松散层孔隙潜水含水层、第三系上中新统小章沟组孔隙含水层，白垩系下统华池环河组相对隔水层，白垩系洛河组、宜君组承压含水层，侏罗系安定组隔水层，侏罗纪直罗组、延安组裂隙承压含水层，侏罗系富县组隔水层，三叠系胡家村组相对隔水层，见表1。

表1 大佛寺煤矿含水层参数一览Table 1 List of aquifer parameters in Dafosi Coal Mine

3 矿井主要水害特征及防治

根据矿井水文地质条件及多年开采实践发现，大佛寺煤矿主要面临洛河组含水层水害、老空区水害、离层水害3种水害相互叠加影响，分别对各种水害的形成机理、表现特征进行分析，并提出相应的防治措施，以典型案例进行论述。

3.1 洛河组水害特征及防治技术

3.1.1 洛河组含水层透水机理

矿井4号煤层和4上煤上覆延安组地层相对完整且具有一定的隔水性能够起到阻隔顶板水涌出的作用。当煤层开采后隔水层的隔水性能会受到影响，在多因素影响下顶板导水裂隙带逐渐发育并导通洛河组含水层，含水层水进入矿井造成洛河组水害，如图2所示。

图2 洛河宜君组含水层透水机理示意Fig.2 Schematic diagram of water permeation mechanism of the Luohe Yijun formation aquifer

影响顶板水涌出的因素是多方面的，不仅与含水体本身的特征、赋存条件有关，而且还与煤层顶板侏罗系隔水岩层的水文地质条件、地层结构及采矿地质条件有关。主要有以下几个方面的影响因素：

导水裂隙带发育高度：导水裂隙带高度是否波及顶板含水层、上覆隔水层破坏情况决定了含水层出水情况。

顶板隔水层强度：顶板隔水层强度取决于隔水层的厚度、岩石力学性质、交界面性质及其组合关系等，它是防止矿井涌水的重要指标，进行顶板隔水层强度研究对于有效地预防矿井顶板水至关重要。

洛河宜君组含水层的富水性：上覆含水层所含水量是矿井顶板涌水的物质基础。

水压：水压是矿井涌水的动力，水压对顶板涌水的作用主要表现在沿顶板裂隙对围岩进行软化、冲蚀、延扩通道。水压对构造薄弱带的突破、对突破口的形成和刷大起着重要的作用。

地质构造情况：由于断裂部位及褶曲轴部本身就是富水地段，若与含水层连通，则可使矿井涌水量大大增加。

3.1.2 采动过程中涌水量变化特征

洛河组砂岩裂隙含水层水害的主要是通过煤层顶板导水裂隙带直接沟通含水层和矿井，从而导致砂岩水近入矿井。砂岩裂隙型突水一般不同于岩溶水的突发性和溃入性，而往往呈现出小—大—小的突水过程，突水前期一般有先兆，突水后期水量会逐渐衰减。

3.1.3 水害防治技术措施

对于矿井面临的顶板洛河宜君组水害问题，矿井主要采取以下防治水措施：①水文地质条件探查；②顶板导水裂隙带高度探查；③运用“三图法”思路进行水害危险性评价；④地面及井下地球物理勘探；⑤富水异常区进行疏放；⑥矿井、采区、工作面排水系统建立。这一套完整的防治水措施使得矿井基本解决了单一洛河组水害影响，为矿井安全生产奠定了基础。

3.2 老空水害特征及防治技术

3.2.1 老空水害形成机理

大佛寺煤矿目前老空区水害主要集中在401采区，通过工作面联合布置，在4号煤层工作面回采过程中面临着较为严重的顶板4上煤老空区水害问题。由于4上煤开采过程中导通顶板含水层造成采空区充水并长期封闭。4号煤层采掘过程中一旦导通上部老空区，将会造成老空透水事故，如图3所示。

图3 老空区透水机理示意Fig.3 Schematic diagram of water permeation mechanism in old goaf

3.2.2 老空透水水害特征

该类型水害总水量小，一般不致造成淹井的事故，但水量集中，来势凶猛，一旦揭露，就会以“有压管道流”的形式突然溃出，迅猛异常，具有很大的冲击力和破坏力，对人身安全的危害极大。

3.2.3 空水害防治技术措施

老空区水害是矿井401采区近年来面临的较为严重的水害问题，由于4上煤采空区积水较为严重且与4号煤层距离较近，一旦处理不当将造成严重后果。大佛寺煤矿对于老空水害问题，主要采取以下防治水措施：①井下直流电法勘探查明积水范围；②钻探验证确定积水区域并预计积水量；③高角度、大孔径钻孔进行老空积水疏放；④矿井、采区、工作面排水系统建立作为水害防治的保障。

3.2.4 典型案例

40107工作面开采过程中，受上部41104采空区积水影响。经探查，41104工作面638～1 040 m，积水长度402 m，积水标高628～637 m，积水量达19 809 m3。工作面范围内4号煤层与4上煤41104工作面采空区自西向东间距8～32 m之间，回采垮落过程中会导通41104采空区积水。

鉴于41104工作面老空积水现状，运用矿井总结得出的防治水措施，提出了如下治理方案：①通过井下直流电法勘探初步探查积水范围；②40107工作面施工超前探放水钻孔39个，进一步验证积水范围并进行疏放；③加强工作面排水系统，运顺和回顺排水能力均达到1 000 m3/h，保证排水。

通过采取相关措施，41104工作面采空区积水疏放单孔出水最大出水80 m3/h，目前累计放水量约19 320 m3，基本保证40107回采过程中不受采空区积水影响。

3.3 离层水害特征及防治技术

3.3.1 离层水害透水机理

煤层采动后形成的采空区，其上覆岩层在自身重力及围岩压力等作用下发生断裂、冒落、弯曲和下沉，由下向上逐步发展，上覆岩层中由于岩性、厚度、距离采空区位置等不同，导致岩层的运动并不是完全同步一致。由于煤层顶板侏罗系地层和白垩系地层分别属于软岩和硬岩，岩层在垂直方向存在位移差，形成离层空间。离层空间内由洛河宜君组含水层渗流补给形成离层水，离层水蓄积到一定程度突破下部侏罗系隔水层，沿导水裂隙带进入矿井，造成工作面瞬时水量突然增大，是矿井目前最严重的水害问题，如图4所示。

图4 老空区透水机理示意Fig.4 Schematic diagram of water permeation mechanism in old goaf

3.3.2 离层水害特征

该类水害类型在工作面顶板突水之前，其预兆不明显，而在突水过程中瞬时流量大(为正常涌水量几十倍)、持续时间较短衰减快(多持续数小时，个别持续数天)、总出水量有限，且与工作面周期来压关联密切，存在一定的周期性，如图5所示。在离层水体迅速涌入工作面，其消耗完毕后，离层空间需要新的平衡稳定下来，上部岩层变形移动，离层空间逐渐闭合消失，而工作面继续推进，新的离层空间有可能向前继续产生发展。

图5 40107工作面涌水与进尺、时间及周期来压关系Fig.5 Relationship between water inrush and footage， time and period of pressure in 40107 working face

3.3.3 离层水害防治措施

离层水害是大佛寺煤矿防治难度最大的水害类型。由于该类水害出水时间、涌水量均不可预测，瞬时流量大，加之洛河组含水层作为其充水水源，发生次数极为频繁。

通过结合相关科研单位的研究成果与实际探索，大佛寺煤矿对于离层水害问题，主要采取以下防治水措施：①井下直流电法勘探查明顶板富水异常区；②加强工作面排水能力；③加强矿压监测与工作面涌水量预测；④地面水文长观系统做好洛河组水位动态监测；⑤分析预测出水时间与水量变化，及时做好工作面排水工作。

3.3.4 典型案例

40107工作面回采过程中受到严重的离层水害影响。从工作面开始回采到118 m时开始出水，面上涌水量逐渐增大。截至2015年9月29日，工作面回采至1 044 m，发生明显出水12次，最大瞬时涌水量约1 000 m3/h，严重影响了工作面正常生产。

鉴于40107工作面严重的离层水害现状，运用矿井总结得出的防治水措施，提出如下治理方案：①通过井下直流电法勘探初步探查顶板富水异常区；②结合矿压资料分析工作面出水规律并预测后续出水时间；③加强工作面排水系统，通过增加管路和水泵，运顺和回顺排水能力均达到1 000 m3/h，保证排水；④工作面波浪式推进，人工调整工作面层位干预采空区进入运顺水量。

通过采取相关措施，40107工作面在2015年10月11日再次出水，水量达到600 m3/h且持续了6 d，40107工作面实现了顺利排水并且完全未受到出水影响。

4 结论

(1)通过系统分析大佛寺矿井水文地质条件并结合开采实践，得出影响矿井开采的主要水害类型包括洛河组含水层水害、老空区水害、离层水害3种水害。

(2)分析总结各种水害的形成机理、表现特征，结合现场防治水经验，提出各类型水害相应的防治措施，并对典型案例进行论述。