矿井开采后水文地质特征及水害防治技术研究.pdf

第４２卷第１０期能源与环保Ｖｏｌ  ４２Ｎｏ  １０２０２０年１０月ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＯｃｔ．２０２０收稿日期２０２０－０６－０９；责任编辑陈朋磊ＤＯＩ１０．１９３８９／ｊ．ｃｎｋｉ．１００３－０５０６．２０２０．１０．００９作者简介丁爱红（１９８５），女，河南商丘人，工程师，现从事地质工作。引用格式丁爱红，韩辉．矿井开采后水文地质特征及水害防治技术研究［Ｊ］．能源与环保，２０２０，４２（１０）３８  ４２．ＤｉｎｇＡｉｈｏｎｇ，ＨａｎＨｕｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｆｔｅｒｍｉｎｅｍｉｎｉｎｇ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，２０２０，４２（１０）３８  ４２．矿井开采后水文地质特征及水害防治技术研究丁爱红，韩辉（河南省资源环境调查一院，河南郑州４５０００１）摘要水害是影响矿井安全生产的主要因素，以区域水文地质概况为基础，分析了矿井开采后水文地质特征，主要是地形地貌、水文，含水层、隔水层，地下水补给径流排泄及涌水量的变化，对矿井充水因素及矿井防治水措施进行了研究。研究为矿井水害治理提供了技术支持。关键词水文地质；含水层；隔水层；充水因素；防治水措施中图分类号ＴＤ７４５文献标志码Ａ文章编号１００３－０５０６（２０２０）１０－００３８－０５ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｆｔｅｒｍｉｎｅｍｉｎｉｎｇＤｉｎｇＡｉｈｏｎｇ，ＨａｎＨｕｉ（ＴｈｅＦｉｒｓｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆＨｅｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＷａｔｅｒｈａｚａｒｄｉｓｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒａｆｆｅｃｔｉｎｇｍｉｎｅｓａｆｅｔｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｉｔｗａｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｇｉｏｎａｌｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｆｉｌｅ，ｔｈｅｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍｉｎｅａｆｔｅｒｍｉｎｉｎｇｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ，ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ，ａｑｕｉｆｅｒｓ，ａｑｕｉｃｌｕｄｅｓ，ｇｒｏｕｎｄｗａ  ｔｅｒｒｅｃｈａｒｇｅ，ｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｗａｔｅｒｉｎｆｌｏｗ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｏｆｍｉｎｅｗａｔｅｒｆｉｌｌｉｎｇａｎｄｍｉｎｅｗａｔｅｒｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓ．Ｔｈｅｒｅ  ｓｅａｒｃｈｐｒｏｖｉｄｅｄａｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｍｉｎｅｗａｔｅｒｄｉｓａｓｔｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｙ；ａｑｕｉｆｅｒｓ；ａｑｕｉｃｌｕｄｅｓ；ｗａｔｅｒｆｉｌｌｉｎｇｆａｃｔｏｒ；ｗａｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｍｅａｓｕｒｅｓ０引言我国作为世界产煤大国和消煤大国，对煤矿的安全开采尤为重要。我国煤矿水文地质条件非常复杂，严重影响着煤矿安全，水害影响着人力、物力、财力损失。早在２０世纪６０年代，我国已经开始了煤矿水害防治的研究，取得了有效的成果。文献［１］结合大量地质水文资料，得出矿区的水文地质特征、矿井水灾的主要预防措施和主要充水因素，指导了水害的防治和煤矿安全生产；文献［２］通过水化学试验、水文勘查及钻探等方法，提出了特殊开采等水害综合防治技术体系。近年来，某煤矿逐渐向深部开采，受到水害的严重影响，本文研究了矿井开采后水文地质特征及水害防治技术，为矿井的合理开采提供一定的技术帮助，也提高了煤矿的开采效率。１区域水文地质概况某煤田水文地质单元上属颍阳登封水文地质区，南部以箕山背斜轴为界，北部以嵩山背斜轴为界，西部以襄郏断层为界，东部以五指岭断层为界。煤田北部的嵩山背斜轴部、南部的箕山背斜轴部和东部的马鸣寺山形成的地表水分水岭位置基本为该区地下水分水岭所在。由水力性质和断层特征可知，天然状态下，颍阳卢店向斜、贾沟断层、龙泉寺断层、马鸣寺山又将颍阳登封水文地质区划为３个水文地质分区、８个水文地质亚区。矿井属于颍阳卢店向斜岩溶水水文地质区（图１）。８３２０２０年第１０期丁爱红，等矿井开采后水文地质特征及水害防治技术研究第４２卷图１区域水文分区Ｆｉｇ  １Ｒｅｇｉｏｎａｌｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌｚｏｎｉｎｇ２矿井开采后水文地质特征２．１矿区所处区域水文地质单元的位置某煤矿位于颍阳卢店向斜岩溶水文地质区的东部。２．２地形地貌、水文（１）地形地貌。某煤矿区为丘陵地区，位于嵩、箕山区中段，箕山南侧。区内地势总体呈南高北低、东高西低的倾斜山坡，最高标高为＋４４５ｍ，最低标高为＋３４２ｍ，相对高差１０３ｍ。冲沟发育。（２）水文。某煤矿属淮河流域颍河水系，颍河从矿区北侧自西向东流过。区内无常年性地表水流，矿区浅部发育的沟溪为一季节性溪流，几乎常年干枯，唯雨季有短暂水流，雨后即干。矿区北部有券门水库，总库容为１７１３１０４ｍ３，最高洪水位标高为＋３４９．２５ｍ，洪峰流量２０６０ｍ３／ｓ。最大泄洪量９０８ｍ３／ｓ。主要用于拦蓄洪水、农田灌溉、水产养殖、观光旅游等方面，常年有水，为附近主要地表水体。２．３含水层、隔水层（１）含水层。该矿井主要含水层由新到老如下二１煤层顶板砂岩裂隙含水层、二１煤层底板灰岩岩溶裂隙含水层、一３煤层顶底板灰岩岩溶裂隙含水层、寒武系灰岩岩溶裂隙含水层。根据某煤矿最新寒武系观测孔资料，现寒武系灰岩岩溶水水位标高在＋１６３．００ｍ。（２）隔水层。该矿主要隔水岩层由新到老如下二叠系石盒子组碎屑岩段隔水层、二１煤层底板碎屑岩段隔水层、太原组中部碎屑岩段隔水层、本溪组泥岩铝土岩隔水层。２．４地下水补给径流排泄及其变化矿井南部为二１煤层露头，矿井北部以二１煤层底板标高－１００ｍ等高线与某煤矿为界，矿井西部与郑煤集团腾升煤矿为人为边界，矿井东部与郑煤集团缸沟煤矿为人为边界。矿井南部二１煤层露头为自然补给边界，矿井东部、西部及北部为无限补给边界。２．５涌水量预算及可靠性评价（１）矿井涌水量的构成分析及变化规律。根据某煤矿矿井涌水量台账可知（表１），２０１４２０１８年最大矿井涌水量为２０１４年１月的８５．２ｍ３／ｈ，最小矿井涌水量为２０１８年１１月的６１．１ｍ３／ｈ。２０１５２０１７年矿井平均涌水量为７４．８０ｍ３／ｈ。（２）矿井涌水量预算。根据本区构造发育情况９３２０２０年第１０期能源与环保第４２卷表１某煤矿矿井涌水量Ｔａｂ  １Ｗａｔｅｒｉｎｆｌｏｗｉｎａｃｏａｌｍｉｎｅ年度矿井涌水量／（ｍ３ｈ－１）测点１测点２测点３测点４测点５测点６测点７测点８测点９测点１０测点１１测点１２平均２０１４８５．２８３．０８１．９８２．５７８．３８０．５８１．３７４．５７４．９７４．６７４．８７４．１７８．８２０１５７４．７７４．７７４．５７４．４７４．９７４．５７４．８７４．５７４．５７４．６７４．２７４．６７４．６２０１６７４．１７３．９７４．３７４．４７４．２７４．９７５．０７４．５７３．９７５．２７３．３７４．５７４．５２０１７７３．８７３．２７４．１７４．３７４．７７５．７７５．２７９．０７４．２７９．５７８．０７２．０７５．３２０１８７０．４７１．３６８．３６７．８７３．３７４．６７５．０７８．７７２．３７０．５６８．３６１．１７１．０和煤层开采情况，此次预算为全矿井开采范围。由于某煤矿矿井涌水主要为顶板水及老空水，次为底板Ｌ７  ８灰岩水，随着深部白坪煤矿开采及周边矿井开采对顶板及底板水的疏排，其水位标高呈逐年下降趋势。某煤矿开采标高最低为－１００ｍ，现某煤矿已经开采至－９０ｍ。因此，未来矿井涌水量与开采面积有关，采用比拟法估算全矿井涌水量较为准确，故对矿井涌水量预算采用比拟法，选择公式［３  ５］Ｑ＝Ｑ０４Ｆ／Ｆ槡０Ｓ／Ｓ槡０（１）式中，Ｑ为预计矿井涌水量；Ｑ０为生产矿井正常涌水量；Ｆ为预计开采面积（除去风氧化带、薄煤带及高速压覆后的面积）；Ｆ０为现生产矿井开采面积；Ｓ为设计矿井水位降深；Ｓ０为现生产矿井水位降深。将参数代入公式计算得Ｑ＝９４．９８ｍ３／ｈ。代入式（１）求得某煤矿开采至标高－１００ｍ全矿井正常涌水量为９４．９８ｍ３／ｈ，最大涌水量取正常涌水量的１．５倍，矿井最大涌水量为１４２．４７ｍ３／ｈ。此次矿井涌水量预算是在正常情况下的结果，不包括断层水和老空水。３水害防治技术３．１矿井充水因素分析（１）矿井充水的基本条件有２个矿井存在充水水源、连接充水水源与矿井之间的导水通道。只有这２个条件同时存在，才能形成矿井充水，矿井充水水源主要包括大气降水、地表水、地下水和老空水。积水情况见表２。表２积水情况Ｔａｂ  ２Ｗａｔｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ编号积水面积／ｍ２积水量／ｍ３积１１６７４５６００４积２２１５５９６４积３２３９０９５７（２）充水通道。①二１煤顶板、底板采动裂缝带。受区域地质构造影响，二１煤底板Ｌ７、Ｌ８灰岩岩溶裂隙发育，导、富水性极不均一。②一３煤顶板、底板采动裂缝带。一３煤直接顶板、底板为太原组下段灰岩，岩溶裂隙发育不均，导、富水性差异较大。一３煤采动后，Ｌ１  ４灰岩水以导水裂缝带、裂隙渗水和局部淋水的方式向矿井充水，若与下部强含水层产生水力联系时，富水性则会相应增强。③封闭不良的钻孔及报废井筒。区内１０００８、１０１０２、１０１０３、１０１０５、１０１０６、１０２０５等钻孔封孔资料不详，１０２０３和１０２０７钻孔未进行封孔。１０１０４及１０２１０钻孔位置已经回采完毕，对采掘没有影响；１０２０７孔位于矿井北部边界外，对开采影响不大。由于钻孔揭露了各个含水层，在生产时必须引起重视，采取必要的措施，防止钻孔透水事故的发生。３．２主要突水点位置、突水量及处理措施据某煤矿二１煤井下涌水点台账统计，二１煤共涌水２次（表３），最大涌水量３２ｍ３／ｈ，由于涌水及时排出，对矿井安全生产构不成威胁。该矿自建井至今未曾发生突水事故。表３某煤矿井下涌水点台账Ｔａｂ  ３Ｌｅｄｇｅｒｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｇｕｓｈｉｎｇｐｏｉｎｔｉｎａｃｏａｌｍｉｎｅ突水地点坐标ＸＹＺ突水类型突水水源突水通道水温／ ℃ 水压／ＭＰａ突水前突水后涌水量／（ｍ３ｈ－１）最大最小稳定突水描述及危害程度突水时间十一平巷３８００６４９３８４１４８１３６０涌出采空区顶板１９．０１．７１．５２５２０２０无大影响及时排出２００２０４１２轨道下山３８００７０４３８４１５２８４７４涌出采空区顶板１９．５２．０１．６３２２６２８无大影响及时排出２００８０７２３０４２０２０年第１０期丁爱红，等矿井开采后水文地质特征及水害防治技术研究第４２卷３．３煤矿水害防治技术３．３．１二１煤层矿井水害影响程度据某煤矿矿井充水条件及水文观测台账分析，对二１煤层开采有影响的充水水源主要有大气降水、二１煤层顶底板含水层及老空水。其中，二１煤层直接顶底板含水层及老空水涌水给矿井的正常生产带来了一定的影响，由于突水量较小且及时疏排，未造成安全威胁。（１）大气降水及地表水［６  １０］。区内二１煤层埋深为１７  ００～４５０  ００ｍ，煤层厚度０～１２  １０ｍ，平均厚度为４  １５ｍ。Ｈｃ＝（３～４）Ｍ（２）Ｈｆ＝１００Ｍ３  ３ｎ＋３  ８＋５  １（３）式中，Ｈｃ为冒落带最大高度；Ｈｆ为导水裂隙带（包括冒落带）最大高度；Ｍ为采厚；ｎ为分层层数。根据二１煤层厚度与分层层数（ｎ取１），代入式（２）、式（３）计算得出，二１煤层回采冒落导水裂隙带发育高度的最大与平均值分别为１６１  ７２、６３  ５５ｍ。依据计算结果，在地层正常情况下，二１煤层埋藏深度小于１６１  ７２ｍ的部分地段，煤层回采冒落后，大气降水及地表水对矿井充水将有一定影响。（２）据邻近钻孔抽水试验资料，单位涌水量为０  ０１８７Ｌ／（ｓｍ），含水层富水性弱，水量小易被疏干，矿区深部已经开采，顶板水已经得到疏放，一般情况下对矿井构不成水害威胁。（３）Ｃ２ｔＬ７  ８灰岩水是矿井直接充水水源。回采使煤层底板受扰动，隔水层被破坏。据以往钻孔抽水资料，单位涌水量０  ００４８７～０  ２３５００Ｌ／（ｓｍ），水位标高＋１８０  ０ｍ。该矿北部白坪煤矿位于深部，已经开采，底板Ｌ７  ８灰岩水得到了疏排，对矿井危害较小。（４）Ｌ１  ４灰岩水与寒灰水。矿区内缺失奥陶系地层，寒武系和石炭系Ｌ１  ４灰岩含水层为二１煤直接含水层和矿井充水的主要补给水源。Ｌ４灰顶距二１煤底板之间的隔水层总厚约为４５ｍ。根据白坪煤矿寒武系观测孔最新资料，寒灰平均水位＋１６３  ００ｍ，二１煤层底板标高为＋３３８～－１００ｍ。二１煤层开采最低标高为－９０ｍ，寒灰水位为＋１６３  ００ｍ，底板隔水层厚度为４５ｍ；代入公式计算得Ｔ＝Ｐ／Ｍ＝０  ０６６ＭＰａ／ｍ＜０  １ＭＰａ／ｍ，开采二１煤层不存在寒灰突水威胁。３  ３  ２矿井防治水措施（１）地表水防治措施。①某煤矿南部为二１煤层露头，北部地表水体有券门水库，券门水库最高洪水位标高为＋３４９  ２５ｍ，该矿井口标高最低＋３６０ｍ。因此，该矿井口标高均高于最高洪水位标高，不受洪水威胁。对工业场地排水，防止暴雨积水流到井下。②重点加强雨季三防工作，定期检查地表塌陷裂隙并及时充填压实，防止地表积水渗入到井下发生事故；对矿井内地面废弃井筒进行密闭或充填处理，防止或减少大气降水对矿坑的补给。若出现暴雨或洪水时，及时巡查，必要时撤出井下作业人员，以确保安全。（２）老空水防治措施。该矿及周边矿井采空区较多，雨季时地表水将有一定的补给，可能会造成老空水量增加，采掘活动在接近该矿及相邻矿井老空区时要及时做好老空水积水范围、积水标高、积水量调查工作，确定探水警戒线进行探放水，确保安全生产不受老空水的威胁。矿井在生产过程中，严格执行煤矿防治水细则，做好老空水害的防治，避免或减少事故的发生。采用“ 教育引导” 与“ 严格管理” 双重措施，具体措施 ①教育职工熟悉突水征兆，即牢记煤层发潮、发暗、疏松变软，工作面气温降低或出现雾气，或有硫化氢气味，出水发涩、发黏，有臭味等，这些都可能是老空出水的征兆。②对已经探明的积水区，要事先划定探水警戒线，采掘工程接近时，提前安排好应急水仓、排水设备等，制定好安全措施后，再按规定进行探放水，待彻底排净积水后，才允许掘进或回采。③对矿井范围内进行瞬变电磁勘探，圈定老空区积水范围，在采空区及附近掘进时，执行先探后掘、先疏后掘的原则。对可疑的积水区，用钻探进行验证，并保证超前距不小于３０ｍ、帮距不少于２０ｍ，确保安全。④严格保护各类煤柱，尤其是边界防水煤柱、断层和采空区防水煤柱。（３）顶、底板水的防治措施。二１煤层工作面掘进中存在顶板淋水现象，对掘进影响较小，回采时顶板淋水量将逐渐增大，有必要对煤层顶板含水层提前打疏放钻孔，疏放局部顶板水，做好临时排水阵地排水管理。对于底板Ｌ７  ８灰岩含水层，除采掘中尽可能不破坏底板隔水层外，对底板隔水层薄弱区应采取物探、钻探手段和方法查清富水性，进行疏水降压；局部构造复杂有突水危险的地段，根据实际可采取疏水降压或底板注浆加固防治底板突水。矿区深部已经回采，为采空区，Ｌ７  ８灰水已基本得到疏放，上部存在原煤区，Ｌ７  ８灰岩水也不会构成威胁，但是出露地表的含水层会得到地表水的补给，还需要加强１４２０２０年第１０期能源与环保第４２卷防范。（４）断层水防治措施。箕Ｆ３１断层和箕Ｆ１９断层为某煤矿东部边界断层，当井巷工程掘进时，应先通过物探确定前方是否存在地质异常，然后打超前钻孔进行验证、控制，保证超前距不小于３０ｍ。断层探明后，可根据其落差、水压决定是注浆加固通过或是留设防水煤柱。（５）封闭不良钻孔导水防治措施。在开采到封闭不良钻孔附近时，应进行超前探测，及时预防，有必要时可以对钻孔进行透孔重新封孔。４结语通过对矿井开采后水文地质特征及水害防治技术的研究，在分析矿井水文地质特征的基础上，研究了煤矿水害防治技术，主要有地表水防治措施、老空水防治措施、顶底板水的防治措施、断层水防治措施以及封闭不良钻孔导水防治措施。研究为煤矿水害治理决策制定提供了支持。参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］黄飞，贺建波，杨凯，等．盐井煤矿水文地质特征与水灾防治措施研究［Ｊ］．矿山工程，２０１８，６（１）１１  １５．ＨｕａｎｇＦｅｉ，ＨｅＪｉａｎｂｏ，ＹａｎｇＫａｉ，ｅｔａｌ．ＳｔｕｄｙｏｎｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｆｌｏｏｄｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓｏｆＹａｎｊｉｎｇＣｏａｌＭｉｎｅ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＭｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１８，６（１）１１  １５．［２］李宏杰，马君，姜鹏，等．准格尔煤田岩溶水文地质特征及水害防治技术［Ｊ］．煤矿安全，２０１８，４９（９）２４６  ２５１．ＬｉＨｏｎｇｊｉｅ，ＭａＪｕｎ，ＪｉａｎｇＰｅｎｇ，ｅｔａｌ．Ｋａｒｓｔｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃ  ｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＪｕｎｇａｒｃｏａｌｆｉｅｌｄａｎｄｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＳａｆｅｔｙｉｎＣｏａｌＭｉｎｅｓ，２０１８，４９（９）２４６  ２５１．［３］关永强．峰峰矿区深部矿井水文地质特征及水害防治技术［Ｊ］．河北化工，２０１８，４１（１０）５９  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