山西马道头煤矿水患类型及治水措施.pdf

ＳｅｒｉａｌＮｏ．５８９Ｍａｙ．２０１８现代矿业ＭＯＤＥＲＮＭＩＮＩＮＧ总第５８９期２０１８年５月第５期姜士鹏（１９９０），男，助理工程师，０３７１００山西省大同市左云县马道头乡。山西马道头煤矿水患类型及治水措施姜士鹏（山西大同煤矿集团马道头煤业有限责任公司）摘要以山西马道头煤矿５＃煤层为例，分析了矿井开采条件、水患来源，根据井田水文地质特征，开展了５＃煤层防治水分区划分研究。研究表明 ①现阶段矿井水患主要为地表水及大气降水、采空区积水、地下水，导水通道主要有断层、陷落柱、导水裂缝带和封闭不良钻孔； ②５＃煤层防治水分区可划分为可采区和缓采区，其中可采区１处，面积约１１０．４９０９ｋｍ２，缓采区２处（ Ⅱ １＃、 Ⅱ ２＃），面积约７５．５２４８ｋｍ２。在上述分析的基础上，针对可采区内的采空区积水、地表水及大气降水、煤层顶板水、奥灰水、断层水以及陷落柱水的防治措施进行了阐述；针对缓采区水文地质特征及水患类型不明确的问题，建议进一步开展物探工作，探明区内构造分布及水文地质情况。关键词煤矿深部开采水患类型防治水分区采空区ＤＯＩ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４  ６０８２．２０１８．０５．０５３ＷａｔｅｒＨａｚａｒｄｓＴｙｐｅｓａｎｄＣｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓｏｆＭａｄａｏｔｏｕＣｏａｌＭｉｎｅｉｎＳｈａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅＪｉａｎｇＳｈｉｐｅｎｇ（ＭａｄａｏｔｏｕＣｏａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＳｈａｎｘｉＤａｔｏｎｇＣｏａｌＭｉｎｉｎｇＧｒｏｕｐ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏ５＃ｃｏａｌｓｅａｍｏｆＭａｄａｏｔｏｕＣｏａｌＭｉｎｅａｓｔｈｅｓｔｕｄｙｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｍｉｎｉｎｇｃｏｎ  ｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｓｓｏｕｒｃｅｏｆｔｈｅｃｏａｌｓｅａｍａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｍｉｎｅｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｇｅ  ｏｌｏｇｉｃａｌ，ｐａｒｔｉｔｉｏｎｄｉｖｉｓｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｓｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｏｆ５＃ｃｏａｌｓｅａｍｉｓｄｏｎｅ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ ①ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｍｉｎｅｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｓｔｙｐｅｓａｒｅｍａｉｎｌｙｆｏｒｓｕｒｆａｃｅｗａｔｅｒａｎｄａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ，ｇｏａｆｗａｔｅｒ，ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ，ｔｈｅｗａｔｅｒ  ｇｕｉｄｉｎｇｃｈａｎｎｅｌｓａｒｅｍａｉｎｌｙｆｏｒｆａｕｌｔ，ｃｏｌｌａｐｓｅｃｏｌ  ｕｍｎ，ｗａｔｅｒ  ｇｕｉｄｉｎｇｆｉｓｓｕｒｅｂｅｌｔａｎｄｔｈｅｈｏｌｅｓｗｉｔｈｐｏｏｒｓｅａｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔｓ； ②ｐａｒｔｉｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｓｐｒｅ  ｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｏｆ５＃ｃｏａｌｓｅａｍｃａｎｂｅｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｍｉｎａｂｌｅａｒｅａａｎｄｄｅｌａｙｉｎｇｍｉｎｉｎｇａｒｅａ，ａｍｏｎｇｔｈｅｍ，ｎｕｍｂｅｒｏｆｍｉｎａｂｌｅｍｉｎｉｎｇａｒｅａｉｓｏｎｅ，ｉｔｓａｒｅａｉｓａｂｏｕｔ１１０．４９０９ｋｍ２，ｎｕｍｂｅｒｏｆｄｅｌａｙｉｎｇｍｉｎｉｎｇａｒｅａｉｓｔｗｏ（ｎａｍｅｄⅡ １＃ａｎｄⅡ ２＃），ｓｕｍａｒｅａｏｆｔｈｅｍｉｓａｂｏｕｔ７５．５２４８ｋｍ２．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｂｏｖｅｄｉｓ  ｃｕｓｓｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ，ｓｏｍｅｒｅｌａｔｅｄｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｓｔｒｅａｔｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｓｏｆｇｏａｆｗａｔｅｒ，ｓｕｒｆａｃｅｗａｔｅｒａｎｄａｔｍｏｓｐｈｅｒ  ｉｃｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ，ｗａｔｅｒｏｆｃｏａｌｓｅａｍｒｏｏｆ，Ｏｒｄｏｖｉｃｉａｎｌｉｍｅｓｔｏｎｅｗａｔｅｒ，ｆａｕｌｔｗａｔｅｒａｎｄｃｏｌｌａｐｓｅｃｏｌｕｍｎｗａｔｅｒｏｆｔｈｅｍｉｎａｂｌｅｍｉｎｉｎｇａｒｅａｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ；ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｕｎｃｌｅａｒｏｆｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｓｔｙｐｅｓ，ｉｔｉｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｈａｔｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｗｏｒｋｓｈｏｕｌｄｂｅｆｕｔｈｅｒｃｏｎｄｕｃｔｅｄｉｎｔｈｅａｒｅａ，ｓｏａｓｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｒｅｌｉａｂｌｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｅｃｔｏｎｉｃｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＣｏａｌｍｉｎｅ，Ｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇ，Ｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｓｔｙｐｅｓ，Ｐａｒｔｉｔｉｏｎｄｉｖｉｓｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｓｐｒｅ  ｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ，Ｇｏａｆ随着我国煤炭地下开采深度不断增加，矿井安全开采受到突水灾害的威胁日趋严重。为确保矿井安全生产，有必要按照井田内水文地质查明程度及防治措施实施情况，将井田分为可采区（水文地质条件清楚、水害防治措施实施效果较好）、缓采区（存在老空积水、承压水等隐患的煤矿，因经费、技术等因素的制约，水文地质条件不清楚且水患治理３３２效果欠佳）［１  ２］，针对各类区域特殊情况采取不同的水文地质灾害防治措施，势必能够取得理想效果。本研究以山西马道头煤矿５＃煤层为例，进行防治水分区研究，将区内划分为可采区和缓采区，并针对各区的水害类型，对相应的治水措施进行阐述。１矿井开采条件马道头煤矿５＃煤层底板标高为７６０～１２３０ｍ。采用斜、立井混合开拓，一个水平开采，布置有主斜井、副斜井、进风立井、回风立井４个井筒，主、副井采用斜井开拓，回风井采用立井开拓［３］。采煤工作面采用单一走向长壁综合机械化低位放顶煤开采工艺，后退式开采方式。掘进巷道支护方式为锚杆（索）金属网联合支护。井田内钻孔揭露的地层由老至新有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系以及第四系［４］。地层走向大致为ＥＷ向，倾向Ｎ，为一南高北低的单斜构造，地层倾角一般为２～３。含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，共含煤１８层。井田东北部虽然赋存侏罗系大同组地层，但仅赋存其底部地层，一般不含煤。其中，５＃煤层位于太原组中部，距山西组底界Ｋ３砂岩一般约２０ｍ。该煤层总厚０．３４～２６．２４ｍ，平均厚１１．８５ｍ，煤层层位稳定，厚度大，井田内皆赋存且可采，煤层赋存范围内厚度变化较大，结构复杂，有０～１５层夹矸，一般为３～７层。井田内煤层具有西部厚（３＃、５＃煤层合并）、东部薄的特征［５］。井田内断层较发育，三维地震勘探及补充勘探解译出落差大于１０ｍ的断层有１８２条，二维地震勘探解译出落差大于１５ｍ的断层有４１条，其中落差大于或等于２０ｍ的可靠及较可靠断层有２０条；井田内已确定了１３个褶皱构造，其中７个背斜，６个向斜；井田内地表地球物理勘探解译出１９个陷落柱，另勘探钻孔揭露的陷落柱编号分别为ＺＴＸＬＺ１、ＴＸＬ１、ＴＸＬ２，针对二、三维地震解译出的断裂构造、陷落柱、异常体，布设了机动孔进行验证，发现煤层底板与相邻钻孔底板高差不明显，说明陷落柱陷落煤层较小；井田岩浆岩沿断裂构造上升侵入煤层，井田西部７１５、７１１、７１３钻孔内的５＃煤层有煌斑岩侵入，对太原组上段的５＃煤层有破坏作用，但影响范围较小［６  ８］。总体上，井田地质构造复杂程度中等。２矿井水患类型现阶段，马道头煤矿水患类型主要有地表水及大气降水、采空区积水、地下水，导水通道主要有断层、陷落柱、导水裂缝带和封闭不良钻孔。２．１大气降水及地表水井田内５＃煤层开采形成的导水裂缝带高度平均为１９３．４８ｍ，最大导水裂缝带高度为３７４．６８ｍ，大部分地区能够沟通地表，使得大气降水及其形成的沟谷洪水对矿井充水有一定的影响。井田及周边分布有较大的河流，由北至南、由西至东分别为十里河、元子河、大峪河、小峪河，多为季节性河流，即大气降水及地表水对矿井采掘有一定的影响。２．２采空区积水２．２．１井田内采空区积水情况马道头矿已回采了４个工作面，其中１个工作面为下山回采，工作面采空区积水沿工作面排水系统已排净，其余３个工作面总体为上山回采，该类工作面南部由于受到褶皱影响，存在一定量的采空区积水（表１）。表１井田内５＃煤层采空积水情况调查区编号煤层厚度／ｍ煤层倾角／（）积水面积／ｍ２积水量／ｍ３Ｑ１１５．８３３３０００１５６４２０Ｑ２１９．５３２５１００１４７０３７Ｑ３２１．５３２９０００１８７３０７２．２．２周边矿井采空区积水情况马道头井田周边矿井煤层特征参数及采空区积水情况见表２。２．３地下水井田内第四系松散层厚度小，含水层富水性差，分布区域有限，由砂砾石层、粉土组成。地下水主要接受大气降水补给，随地形由高至低运移，同时向下伏基岩渗漏，主要排泄方式为人工开采，矿井涌水量可能增大。石炭二叠系含水层为煤层开采的直接充水含水层，井田内５＃煤层开采时，砂岩裂隙水易进入矿井，故砂岩裂隙水为该煤层的主要直接充水因素。该地段含水层富水性中等弱，充水量有限，一般情况下不影响矿井生产，但由于其富水性具有不均一性，不排除局部地段富水性增强，故对５＃煤层开采将构成一定威胁。赋存于岩溶裂隙中的承压含水层为太原组５＃煤层底板突水的间接性充水含水层，井田内开采煤层属于带压开采煤层。依据井田内揭露的寒武奥陶系灰岩钻孔数据，灰岩含水层岩溶裂隙发育极不均一，涌水量为０．０９１５～０．１３１７Ｌ／（ｓｍ），为富４３２总第５８９期现代矿业２０１８年５月第５期表２马道头矿井周边矿井煤层参数及采空积水情况煤矿编号采空区所处煤层编号煤层厚度／ｍ煤层倾角／（）积水面积／ｍ２积水量／ｍ３备注ＡＢ１１  １＃１０７０９２０５８９１１  １＃６１２６１１３８０２６１１  １＃３２９１１６９２０８１１  ２＃１３０５３３８０７１９１１  ２＃２９２０６１８４１１１１  ２＃９３４９４５４７２７１１  ２＃２９６１７１７０４８１４＃１７０６２１９２０６１４＃２３４２４２８０８０侏罗系矿井采空积水ＣＤＥＦＧＨＩＪＫ２＃５．００３３７８６４５６７９６２＃５．００３１６３５７８２４５３６７２＃５．３０４１４２６２２７３２＃５．３０４１０７５１１７１３６２＃５．３０４１０４０４１６５８３２＃５．３０４８７２３１３９０３５＃９．００４３９２８４６３００８５＃５．００４４６１２５６９３５６５＃５．００４４５８８１６８９９０山４５．３０３６１０３０９７１７１５＃４．１０３１９０００２３４０２５＃３．４０３５３４００５４５４３５＃６．７０３１２０１９２４１９１５＃６．７０３１３２３６２６６４０５＃６．７０３１９０１５３８２７３５＃６．６６３２４５００４９０００５＃６．６６３７０００１４００５５＃６．６６３４０５００８１０３０５＃６．６６３３９０００７８０２９５＃６．６６３４２０００８４０３１山４１．８１５８３３００４５４０３山４１．４４５２７５００１１９０７３＃１．６５５３００００１４９０７５＃１４．４３５８９４３９０８石炭系矿井采空积水水性中等强含水层，尤其在构造破碎带或封闭不良的钻孔地带，灰岩水很可能沿导水裂隙带间接成为５＃煤层的矿井充水水源，对煤层开采构成威胁。通过综合考虑煤层突水系数、充水含水层富水性、底板隔水层和有效隔水层、地质构造等因素，本研究采用多因素叠加法对５＃煤层底板突水危险性进行了评价［９  １０］，结果如表３、图１所示。由表３知５＃煤层底板的突水系数均小于０．０６ＭＰａ／ｍ，属于底板突水安全区［１１］，总体上看，Ｆ９８、Ｆ９９断层构成的地堑区域的太原组地层可能导通奥陶系灰岩地层，两者在部分块段会产生水力联系，因此在表３５＃煤层突水系数钻孔编号奥陶系顶板埋深／ｍ底板隔水层承受水压／ＭＰａ隔水层厚度／ｍ突水系数／（ＭＰａ／ｍ）ＺＫ１４０６６３１．３２３．３９９９．３２０．０３４ＺＫ１６２２４３５．６０１．０６８０．１２０．０１３ＺＫ１７１５５６９．７５２．００９６．０２０．０２１ＺＫ２７１１６６０．０１３．００５９．２７０．０５１ＺＫ２７０９６３５．６３３．０５６４．８３０．０４７ＺＫ１４２２５４１．４５１．９７８５．７７０．０２３ＺＫ１６１８４２４．５６１．１０９７．６４０．０１１ＺＫ１４２０３８１．８９０．６３９０．２５０．００７ＪＳ  １３６８．３１０．９９８１．７１０．０１２ＪＳ  ２４３９．８６０．７９４２．５４０．０１９ＪＳ  ３５３８．１２２．４６７２．４７０．０３４ＪＳ  ４６３８．４５２．９７６９．８５０．０４３Ｋ１４４６１．５０１．２４８２．１００．０１５Ｆ９８、Ｆ９９断层影响区域内的５＃煤层区属于底板突水危险区。３煤矿防治水分区划分及治水措施３．１防治水分区划分防治水分区划分的原则为 ①井田内５＃煤层为带压开采，经计算，属于带压开采安全区，根据以往地质、水文地质勘探成果以及物探、钻探资料，可将井田内地质构造情况及水文地质条件明确的区域划为可采区，将井田内水文地质条件暂不清晰的区域划为缓采区； ②将大巷及已掘巷道划为可采区； ③井田边界保安煤柱范围及采空区不参与划分。根据上述原则，井田内５＃煤层防治水分区划分结果见表４及图２。表４５＃煤层防治水分区划分结果分区编号分布范围面积／ｋｍ２面积比例／％可采区Ⅰ＃北一盘区、北二盘区、北三盘区、北四盘区、北七盘区、南一盘区和南三采区的北部１１０．４９０９５５．８６缓采区 Ⅱ＃ Ⅱ １＃北五盘区、北六盘区１４．６９５３ Ⅱ ２＃北八盘区、北九盘区、南二盘区６０．８２９５３８．１８不参与划分区８２０１工作面、８２０２工作面、８２０３工作面、８２１０工作面１１．７９７５５．９６３．２分区防治水措施３．２．１可采区（１）采空区积水。①生产过程中须严格执行老空积水的“ 三线” 管理制度，综合分析采空区分布范围，划出积水线、探水线和警戒线，并结合矿井实际５３２姜士鹏山西马道头煤矿水患类型及治水措施２０１８年５月第５期图１５＃煤层底板突水系数分区图２５＃煤层分区划分示意情况，最终确定的探水线为积水线外推４０ｍ，警戒线为探水线外推５０ｍ； ②采掘工作面进行探水前，应预先编制专项的探放水方案，确定允许掘进的距离和超前距离，并制定有害气体安全防范措施； ③按照相关规定对采空区及废巷进行密闭，留设导水孔，加强观测，及时将采空区积水排出，同时留设观察孔，观测采空区内的温度和有害气体分布情况； ④须定期收集、调查和核对相邻煤矿和废弃老窑积水情况，并在井上下对照图件上标出相关井田位置、开采范围、开采年限及积水情况，在采掘工程平面图及充水性图件上标绘出积水井巷及采空区积水范围、底板标高和积水量等信息，此外，还应建立井田及相邻矿井采空区动态管理机制，以有效掌握采空区范围、涌（积）水情况等信息。６３２总第５８９期现代矿业２０１８年５月第５期（２）大气降水及地表水。①地面广场应定期检查疏通各排水系统，确保地面无积水，遇有外水时确保不流向井口方向，在矿井井筒附近储备防洪（雨）水黏土袋，在矿区内应采取填坑、补凹、整平地表等措施，定期清理矿井工业广场以及周边水沟； ②封堵塌陷坑及地裂缝； ③加强雨季前防汛工作，严格执行矿井雨季“ 三防” 管理制度，每年根据本年度采掘工程布置情况制定详细的水灾应急处理预案。（３）煤层顶板水。对于物探解译的煤层顶板含水层的富水异常区，应采用井下瞬变电磁勘探方式进一步核实，而后对富水异常区进行井下钻探验证，经证实本含水层与强含水层或其他水体未发生水力联系，且采区有足够排水能力时，可在采区最底部首先回采，实行采动放水，也可以结合生产开拓需要，直接在含水层内掘进巷道放水。（４）奥灰水。矿井５＃煤层为带压开采，需做好奥灰水防治工作，即加强对带压区内断层和陷落柱富导水性的探测与研究工作，可通过注浆封堵方式切断其与奥陶系灰岩含水层的水力联系，也可通过留设防隔水煤柱进行隔离［１２  １５］。（５）断层水。①在巷道掘进过程中，巷道前方若揭露到断层，应采用直流电法超前探方式进行探查工作，若探测为导水断层，应进行钻探验证工作，必要时编制探放水方案，由专业探放水技术人员依据相关规范进行探放工作； ②采取各种钻探及物探手段探明隐伏构造，尤其应查明导水构造和隔水层的薄弱带［１６］，对落差大且富水性较强的断层，按照相关规范合理留设煤柱。（６）陷落柱水。巷道掘进前应采用井下物探技术对掘进头前方陷落柱进行探测，初步确定陷落柱位置，而后采用钻探方式进行验证，精确探查陷落柱的发育形态、岩性、周边裂隙发育程度、导水性等［１７］。依据相关规程留设合理的防水煤（岩）柱或采用注浆封堵方式进行治理。对于浅部巷道已经揭露出的不含水也不导水的陷落柱，按照煤矿防治水规定，在深部掘进时应对其进行探测，对于巷道已经揭露的不含（导）水陷落柱，应对巷道底板进行探查，防止出现滞后突水现象。３．２．２缓采区 ①在水文地质条件不明确的情况下，切勿在缓采区内进行任何采掘作业； ②在进入缓采区内开采前，须进行地面物探及其他技术探查工作，查明以往井田内及周边老窑破坏情况及老窑积水情况，查清缓采区内地质构造及水文地质条件，确保矿井生产安全； ③在充分开展物探工作，且物探成果经过严格评审通过后，缓采区方可转化为可采区进行开采。４结语分析了山西马道头煤矿的开采条件，并将该矿５＃煤层的防治水分区划分为可采区及缓采区。针对可采区及缓采区的水文地质特征，制定了详细的水患防治措施，对于确保该煤层安全开采有一定的借鉴价值。参考文献［１］王西泉．小保当二号井田上部可采煤层赋存特征［Ｊ］．硅谷，２０１４（２０）２００  ２０１．［２］陈少帅，白峰青，刘猛，等．邢东矿隐蔽致灾因素研究［Ｊ］．河北工程大学学报（自然科学版），２０１５，３２（２）９７  １００．［３］吴玉国，邬剑明，张东坡，等．综放工作面连续注氮下采空区气体分布及“ 三带” 变化规律［Ｊ］．煤炭学报，２０１１，３６（６）９６４  ９６７．［４］施龙青． “ 下四带” 理论及其在底板突水评价中的应用［Ｃ］ ∥ 中国煤炭学会矿井地质专业委员会２００８年学术论坛文集．北京中国煤炭学会矿井地质专业委员会，２００８．［５］李篧，朱文，程海燕．潘一煤矿井田１１  ２煤层小构造分布规律研究［Ｊ］．煤田地质与勘探，２００３（５）１７  ２０．［６］盛守福．马道头煤矿水处理工程设计［Ｊ］．露天采矿技术，２０１６，３１（８）７５  ７８．［７］王紫艳．大同煤田马道头井田５号煤层特征浅析［Ｊ］．科学之友，２０１３（７）１３４  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