煤层顶板水及奥灰承压水防治技术研究

王晓亮

（晋能控股煤业集团地煤大同公司鑫泰建井，山西 大同 037000）

1 矿井水害研究的背景及意义

我国大多数煤矿开采的水文地质条件相对较为复杂，井下采掘活动受到各种水害影响，矿井水害事故频繁发生，水灾事故在我国煤矿总事故中排名第二，所造成的伤亡人数及破坏性仅次于瓦斯，且水灾所造成的经济损失也很大。煤矿水害大多数是煤层顶板水害和底板水害[1]。

煤矿顶板水害由煤层顶板砂岩含水层水、上覆采空区积水、地表河流湖泊水、第四纪松散层水等在采掘过程中沿断裂带、岩层裂隙及回采后所形成的顶板导水裂缝带以淋、突水等形式涌入工作面而形成水害。在煤矿生产过程中顶板水普遍存在。一般情况下顶板水水量小，比较易疏干，但是如果有稳定水源的补给，则能保持长期稳定涌水，恶化工作环境，严重影响矿井安全生产。 煤矿底板水害主要由煤层下伏承压含水层中的水突然涌入采掘工作面而造成，严重的可淹没工作面、采区，甚至淹至整个矿井。我国很大一部分的煤田都受到底板承压含水层水的威胁，导致很多煤矿突水事故频繁的发生[2]。因此，查清矿井水文地质条件，研究矿井突水措施，进行顶、底板突水预测预报，采取有效方法，确保矿井安全生产，意义重大。

2 矿井简况

永财坡煤业地处山西省大同市左云县境内，隶属于晋能控股集团，为2009年兼并重组整合矿井，矿区面积6.153 2 km2，批准开采19#、22#、25#煤层，开采方式为地下开采，生产规模0.90 Mt/a，开采标高由+1 080 m至+740 m。

3 矿井水文地质条件

3.1 含水层的分布及特征

（1）第四系冲、洪积层含水层

分布于较大的沟谷之中，岩性为砂、砾石层等，厚度25 m。2006年在夏家河村南井儿沟的水井（S11），井深18 m，静止水位埋深2.7 m，1.2时泵抽水；井儿沟泉（S10），泉水流量1 L/s。由于多年受周边侏罗系煤矿地下采煤形成“三带”的影响，使其地下水的补给、排泄发生了改变，大部分含水层的水沿煤层采空形成的裂缝带渗入井下，形成采空积水或被矿井排出地表补给河谷冲积层。经调查，目前井儿沟水井、泉已干枯，干枯时间为2012年。

（2）二叠系可采煤层以上层段砂岩裂隙含水层

该含水层段包括二叠系19号煤层以上不同时代砂岩含水层。19号煤层以上山西组和侏罗系永定庄组、白垩系左云组普遍含砂岩裂隙水。节理裂隙不发育，钻进过程中泥浆消耗量不大，未发现漏失现象。

（3）石炭二叠系可采煤层段砂岩裂隙含水层

该含水层段包括石炭系太原组含水层和二叠系山西组含水层。下部由太原组可采煤层和砂质泥岩，灰白色粗砂岩组成，在22号煤层上下均发育有一层厚层砂砾岩，厚度35 m，岩层一般完整致密，裂隙不发育，沿裂隙见白色钙质物充填；上部山西组含水层为中粗砂岩和砂质泥岩互层组成，底部有一层灰白色中粗粒石英砂岩，厚度20 m，岩石较致密，裂隙不发育。

（4）寒武－奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层

奥陶系石灰岩构成了石炭二叠系煤系的基底，为岩溶裂隙承压水。

井田内岩溶发育不均，结合周边寒武－奥陶系抽水孔资料分析，寒武－奥陶系含水层富水性弱－中等，单位涌水量0.050 54～0.435 3 L/s·m，水位标高+960～+1 010 m，奥灰水由北向南径流。

3.2 隔水层特征

（1）各含水层间泥岩层间隔水层

井田地层以砂岩、泥岩及煤相间沉积为特点，分布于不同时代地层中的泥岩和砂质泥岩为主要隔水层。岩石完整，结构致密，层数多，水平分布及垂直方向上的厚度变化大，为隔水和半隔水岩层。

（2）石炭系本溪组铁铝质泥岩隔水层

上部由致密完整粉砂岩组成，中下部为泥岩夹一层石灰岩，底部主要是铁铝质泥岩，厚24.04～38.94 m，平均29.45 m。该隔水层空间分布稳定，为煤系地层与岩溶含水层之间良好的隔水层。

3.3 矿井充水条件

（1）充水水源

矿井充水水源指的是能够进入矿床或井巷的水。通过对永财坡煤业矿井各含水层的赋存条件、补给条件分析，结合井下生产实际涌水特征，矿井充水水源为大气降水及地表水、各种类型地下水和采空区积水。

①大气降水及地表水

本井田位于干旱、半干旱气候区，无常年地表径流水体，降水量少。大气降水主要集中在每年7、8、9月份，年平均降水量406 mm左右，年蒸发量1 777.3 mm，年蒸发量是降水量的4倍多。

井田地表水体不发育，井田内较大的河流有井儿沟河，属季节性河流，据1980～2003年观测，流量为1.21～4.54 L/s。井田内其他冲沟均属季节性排洪冲沟，平时干涸无水，雨季排泄洪水。

大气降水是永财坡煤业矿井充水的最终来源，因为无论是地表水或地下水，均直接或间接来自大气降水的补给。从19号煤层采空区形状看，以往采用刀柱式开采，煤层开采后导水裂缝带没有与地表沟通，地表没有出现塌陷和地裂缝，大气降水及地表水目前还没有成为矿井充水水源。

②地下水

a.第四系孔隙水

第四系孔隙水主要赋存于永财坡煤业井田东南部的井儿沟，从井儿沟水井、泉水干枯分析，井田南部相邻矿井侏罗系煤层开采形成的导水裂缝带影响到了井儿沟第四系孔隙水，并成为侏罗系矿井充水水源，但未成为本矿开采石炭系二叠系、煤层充水水源。

b.二叠系可采煤层以上段砂岩裂隙水

二叠系19号煤层以上山西组、侏罗系永定庄组和白垩系左云组矿岩含水层普遍分布于井田内，二叠系、石炭系煤层开采后，导水裂隙带与上覆含水层沟通，砂岩裂水成为本矿开采二叠系、石炭系煤层开采的直接充水水源。

c.二叠－石炭系可采煤层段砂岩裂隙水

二叠系19号煤层以下山西组及石炭系太原组含水层普遍分布于井田内。石炭系煤层开采后，导水裂缝带与上覆含水层沟通，砂岩裂隙水成为本矿开采石炭系煤层开采的直接充水水源。

d.寒武－奥陶系岩溶水

奥陶－寒武系碳酸盐岩裂隙岩溶含水层在井田广泛分布，是二叠系、石炭系煤层下伏的岩溶裂隙含水层，岩溶发育不均一性，富水性弱－中等。

井田寒武－奥陶系岩溶水水位标高在+960～+1 010 m之间，永财坡煤业矿井主要可采煤层是19、22、25号煤层。19号煤层底板标高为+920～+1 050 m，22号煤层底板标高为+880～+1 020 m，25号煤层底板标高+840～+990 m。19号煤层局部带压开采，22号煤层大部带压开采，25号煤层全部带压开采。

e.采空区积水

现在301盘区东北部有原矿方采空区，预计积水1.0万m3。后期随采掘活动的进行将产生大量的采空积水。

4 矿井防治水方案

根据矿井地质、水文地质条件和煤层采掘现状分析，永财坡煤业矿井目前存在的主要水害是采空区积水及奥陶系岩溶承压水对矿井安全生产的危害。针对上述问题提出矿井防治水工作方案如下：

4.1 顶板及采空区积水防治方案

（1）矿井生产需加强采空区范围及积水情况的探测，做好探放水工作。对采掘工作面有威胁的采空区积水，必须坚持“有掘必探，先探后掘”的原则，采用“物探先行、化探跟进、钻探验证”综合探测手段，严格执行“探掘分离”“探放水作业优先”的探放水制度[3]。

19号煤层30101工作面回采结束后，采空区低洼处会形成采空区积水。30102回风顺槽与30101工作面相邻，由于30102回风顺槽位于30101工作面下山方向，30102回风顺槽掘进时30101工作面采空区积水对巷道掘进有影响。因此，30102回风顺槽掘进时采用井下瞬变电磁物探方法探查30101工作面采空区积水情况，并施工井下探放水孔对积水进行排放。

22号煤层502盘区回风巷上覆预计有19号煤层采空区积水1.0万m3，502盘区皮带巷、502盘区轨道巷上覆为19号煤层采空区。为了确保22号煤层顺利开采，502盘区回风巷、502盘区皮带巷、502盘区轨道巷掘进时采用井下瞬变电磁物探方法探查19号煤层采空区积水情况，并施工井下探放水孔对积水进行排放。

22号煤层50104胶带顺槽巷西侧有同发东周窑矿22号煤层采空区积水30 282 m3，巷道掘进时做好周边矿井采空区积水的探查工作及排放。

矿井采空区积水探查资料时间相对较久远，采空区积水情况可能已经发生变化，因此，应重新对老空水积水进行探查和探放工作，确保矿井安全生产。

（2）采空区积水防治管理工作：①对于已查明的老空水的位置、范围、积水量实行“三线”管理，采用物探、钻探等手段开展防治水工作。②对于有影响的煤层采空区积水，根据探测分析结果，编制探放水设计，按探放水设计要求布置探水孔，对煤层采空区积水进行探放。③按照规定对采空区进行密闭，留设导水孔，加强观测，及时将采空水排出。建立井田及相邻矿井采空区动态管理机制，掌握其采空范围、涌（积）水情况。

（3）19号 煤 层30101、30102及22号 煤 层50101、50102工作面回采后，由于采空区顶板逐步垮落，地面会形成地裂缝和塌陷，大气降水和地表水通过地裂缝进入矿井，对矿井生产有影响。因此在雨季汛期来临前防治水管理机构要按照雨季“三防”管理制度，组织抢险队伍，储备足够的抢险救灾物资，在人力、物力、资金等方面给予保证；派专人定期对井田范围内地表裂隙、塌陷及废弃井口情况进行摸底排查，对地面裂缝和塌陷地点在制定安全技术措施后进行填堵，并根据防治水规划投入专用经费。

（4）永财坡煤业矿井为新建矿井，在断层、向斜和背斜轴部、裂隙密集带等构造发育区，煤层顶底板水相对富水，矿井在采掘过程中应加强探放水工作。需定期检修矿井排水设备，及时清理排水沟和水仓，保证排水通畅。

（5）30102工作面回采将遇到4号钻孔，50101工作面回采将遇到Y4号钻孔，502盘区轨道巷掘进将遇见Y5号钻孔，50104回风顺槽巷掘进将遇见2号钻孔。这些钻孔封孔质量合格，但未做钻孔启封检查。采掘时应根据各钻孔的空间位置采用井下钻探的方法进一步查清其导水情况，并提前做好井下注浆封堵或井下排水等相应措施预案。

4.2 奥灰承压水的防治方案

（1）加强导水构造的探查。采掘区内22号煤层为奥灰含水层带压开采，虽然突水系数处于相对安全区，但存在发生构造、陷落柱突水的可能，因此在煤层采掘过程中应加强对直通式导水构造、裂隙密集带等的探查工作，重点预防构造突水。

采掘的22号煤层带压开采，突水系数小于0.06 MPa/m，正常块段为带压开采相对安全区，构造块段具有突水危险性。带压区防治水工作的重点是对导水断层、导水陷落柱的探查。50101回风顺槽和50101胶带顺槽掘进将遇见XL1陷落柱，50102回风顺槽巷掘进时将遇见XL1陷落柱，50104胶带顺槽巷掘进时将遇见XL3陷落柱，50105回风顺槽巷进时将遇见XL2陷落柱。巷道掘进时必须先通过物探探查陷落柱的水文地质特征，然后通过钻探确定陷落柱的导水性和富水性，并采取相应的防治水措施，如注浆封堵、留设煤柱。

（2）寒武-奥陶系岩溶水对矿井安全生产存在一定的危害，应尽快施工奥灰长观孔，逐步建立和完善矿井动态监测系统。

（3）井田构造中等，22号煤层大部分带压开采，25号煤层全井田带压开采，22、25号煤层正常块段属于带压开采相对安全区，但在构造块段仍有突水危险性。因此掌握井田构造分布尤为重要，应开展全井田三维地震工作，以准确探查本井田的构造情况。

（4）鉴于井田内陷落柱、褶曲构造和小断层发育，且矿井未来深部为带压开采，应进一步做好矿井水文地质条件补充勘探工作，制定适合矿井实际的防治水技术路线，以便有计划、按步骤、系统性地开展矿井超前探查与治理等防治水工作，保证采掘安全。

4.3 其他方案

（1）加强矿井地质及水文地质工作。严格按《煤矿地质工作规定》、《煤矿防治水细则》的要求编制地质、水文地质图纸、台帐，并做好资料归档工作。

（2）在以后的生产建设中，要与附近矿井经常相互沟通，留设好各自的煤柱，严禁非法越界、越层开采。

（3）防治水工作要严格按照《煤矿防治水细则》进行，坚持“预测预报、探掘分离、有掘必探、先探后掘、有采必探，先治后采”的原则，采取“探、防、堵、疏、排、截、监”等综合治理措施，建立健全防治水专业机构，配备足够的专业设备和专业技术人员，建立健全防治水专业基础地质、水文地质资料，定期开展水害隐患排查和治理，严格执行井下探放水的各项规定，加强应急救援工作。

5 结语

综上所述，在永财坡煤业煤矿生产过程中为保证矿井安全，加强矿井防治水工作意义重大。需加大人力、物力、财力方面的投入，运用新技术、新装备探查并治理水害隐患。