超化煤礦突水災害地質條件分析及防治措施

—超化煤礦突水災害地質條件分析及防治措施于輝光1，郭德勇1，胡德進2（1.中國礦業(yè)高校北京校區(qū)，北京XXX083；2.鄭州煤業(yè)集團公司，河南鄭州450000）依據超化煤礦礦井地質條件，結合2次突水大事，利用綜合水文地質分析方法研討了礦井水文地質，分析了礦井含水層的含水性、補給條件，以及各含水層間的水力關系，提出了礦井突水原因及防治方法，為該礦深部開采突水防治提供了依據。礦井突水；突水防治；水文地質中圖：TD745+.2文獻標識碼：B：XXX3-496X（20XX）02-0055-03基金工程：國家自然科學基金資助工程（40472084）1概況礦井突水是煤礦安全生產的重要災害之一，突水災害地質條件研討是解決突水防治問題的基礎〔1-3〕，突水機理研討則是關鍵〔4-6〕。鄭州煤業(yè)集團超化煤礦位于新密市城南10km處，1983年建井，20XX年投產，原設計生產力量為90萬t/a，現實際生產力量為240萬t/a。礦井采納偽俯斜長壁采煤法，單水平上、下山開采工藝，全部垮落法管理頂板，對角式通風，年均涌水量為1000m3/h，正常排水力量為2318m3/h，在-200~-450m等高線間中型構造發(fā)育。目前該礦上山采區(qū)11、12回采結束，下山采區(qū)21、22、23正在生產，主要開采二疊系山西組二1煤層，以1個綜采工作面和1個炮采工作面保證礦井生產力量。2礦井地質和水文地質條件2.1地層煤層及地質構造超化煤礦井田屬石炭系、二疊系煤系地層，共含煤8組，31個煤層。井田主采煤層為二疊系山西組二1煤層，厚度為0.19~24.03m，可采指數為95%，屬極不穩(wěn)定煤層。頂、底板起伏大，為砂質泥巖及泥巖，受區(qū)域性滑動影響，煤層及其頂、底板滑面發(fā)育，易冒落（表1）。井田除超化、陽臺、崔莊等大的邊界斷層外，還揭露了多條落差5m以上的斷層，傾向多為北偏東，傾角多在15°~20°，受區(qū)域構造的影響，發(fā)育北西向或近東西向兩組斷裂（圖1）。2.2區(qū)域井田水文地質條件超化煤礦區(qū)域屬低山丘陵地形，各地層出露，水文地質條件冗雜，地質構造線近東西向，皺褶、斷裂發(fā)育，對地下水起著掌握作用，地下水類型為碳酸鹽巖溶水，整體流向為自西向東。超化煤礦地表河有麻河自南向北穿過礦區(qū)，井田主要有二疊系、奧陶系和寒武系地層出露，地勢南高北低。井田北至超化斷層，為隔水邊界；南至龜山斷層，為弱補給邊界；東至崔莊斷層，為補給邊界；西至二1煤層露頭，奧灰出露，為礦井主要補給邊界，受邊界構造影響，井田內小構造發(fā)育。區(qū)域邊緣為變質巖系組成的裂隙補給區(qū)，由于斷層南升北降，東南部大量地下水補給了奧陶系含水層后又通過龜山斷層的東段補給井田內各含水層（圖1）。3超化煤礦工作面突水原因及防治措施超化煤礦下山區(qū)域地質條件和水文地質條件冗雜，上山區(qū)域則簡潔，但整個礦井工程地質條件冗雜。主要突水工作面21071、21051、22121含水性均較差，其補給水源一是賦存于煤系地層以上的頂板裂隙水和老空水，特點是裂隙水水量較小，老空水水量較大；二是賦存于煤系地層下的石炭系含水層和奧陶系含水層，其水量、水壓均較大。研討說明，超化煤礦頂板含水層主要是第四系含水層，其富水程度受大氣降水和地表水影響，屬弱含水層；底板直接承壓含水層為二1煤底板石炭系太原組7~9灰?guī)r含水層（L7~9），距煤層最近，富水性受裂隙掌握，是底板主要突水水源；底板間接承壓含水層為石炭系太原組5~6灰?guī)r含水層（L5~6）1~4灰?guī)r含水層（L1~4）和奧陶系灰?guī)r含水層（奧灰），富水性均較強，其中奧灰與L1~4有較強的水力聯系，L5~6和L1~4之間也有部分水力聯系（表1），三者均可通過小司溝斷層等導水斷層互相導通并補給太原組L7~9（圖1）。圖1超化煤礦井田地質構造綱要圖3.121051工作面突水原因及防治措施超化煤礦21051工作面走向長1700m，傾斜寬140m，上副巷與井田北部邊界平均距離為255m，U型鋼支架加塑料網支護，沿煤層底板掘進。20XX年4月11日16：00，21051上副巷迎頭上幫顯現淋水，隨后水量劇增，導致局部巷道沖垮、運輸裝備被毀。19：20，水量猛增至5000m3/h，21：00，水量劇減至500m3/h，4月15日8：00，水量已衰減到110m3/h（圖2）。圖2超化煤礦21051工作面突水情況表示圖本次突水特征是水量大、來勢猛、衰退快，具有老空水突水特征；突水水樣的主要指標鐵離子、NH4+、耗氧量、溶解性固形物的濃度也具有老空水的濃度特征，且與頂、底板水差異較大（表2）；該巷道地質構造簡潔，附近區(qū)域煤層賦存穩(wěn)定，無落差較大的斷層和其它地質構造存在，且屬不帶壓掘進；該巷道頂板水已被大面積疏放，含水層富水性弱，且透水前后奧灰水水位無改變，可排解頂板砂巖和奧灰突水；突水位置前方有富含水的小煤窯采空區(qū)，該采空區(qū)與出水點位置相吻合。因此，21051工作面突水是小煤窯老空水潰入礦井所致，突水通道是因老空水水壓大于隔水層強度而導致隔水層變形、斷裂而形成的裂隙。超化煤礦在嚴格堅持“有疑必探，先探后掘”的同時，采納巷道接近老空、被淹的井巷、防水煤柱時超前探水，提前疏干降壓或預先封堵導水通道，加設檔水墻，未探清地質情況的工作面不采掘等措施，可防治突。3.222121工作面突水原因及防治措施超化煤礦22121工作面位于22采區(qū)最南部，主采的二1煤層賦存根本穩(wěn)定，平均厚度約11m，煤層直接底為深灰色泥巖，厚度為3.98m，老底為石炭系灰?guī)r。該面地質構造冗雜，上副巷南部有1個落差為6m的滑動構造帶，工作面中部也有多條落差約5m的走向正斷層，逆斷層F1（0.8m，∠52°）和正斷層F2（2.3m，∠80°）為主要含水斷層。20XX年11月11日16時工作面上副巷尾部發(fā)生L7~9水突水，突水量最大達68m3/h，后穩(wěn)定在60m3/h，40d后采納跳采方案恢復生產。本次底板突水原因在于該巷底板傾角大，裂隙發(fā)育，采煤引起的礦壓使底板又產生新裂隙，L7~9水進一步活化原采動裂隙，并使之與新生裂隙導通，導致底板斷裂造成突水，突水通道是煤層底板采動裂隙與巖溶破裂帶。因此該礦采掘接近底板承壓含水層、充水斷層時，肯定要查明底板水文地質構造情況，假如探水時底板大量涌水，要按時封閉鉆孔、打隔水墻密閉，必要時實行留設防水煤柱、巷道預注漿切斷L7~9補給通道、疏水降壓等措施，以防突水。巷道穿越斷層時要強化支護，對井田東南部斷層交叉點等構造發(fā)育地段需重點加固，以防滯后突水。當遇到裂隙密集帶、兩組或兩組以上斷裂和裂隙交叉部位，最好回避開采，如開采則需實行巷道注漿加固措施，巷道可每前進10m注漿加固1次，在巷道頂、底板上各打3排注漿孔，孔深為1.5m（圖3），兩幫各打1排注漿孔，注漿孔間距2m，巷幫注漿孔布置在巷道腰線上，以防治突水。圖3超化煤礦注漿加固巷道俯視平面表示圖4結論（1）超化煤礦地表水及大氣降水入滲補給基巖地下水，進而補給奧陶系和石炭系各含水層，為礦井突水主要水源。石炭系底板水和老空水是主要突水隱患。礦井底板突水主要水源是L7~9水，補給水源是L5~6水、L1~4水和奧灰水，突水通道是采動裂隙。（2）威逼超化煤礦深部開采的水源是底板含水層水和地表水體入滲補給水，在留防水煤柱削減地表入滲補給的基礎上，頂板砂巖水應以疏排為主，地表水、底板灰?guī)r水應以防為主。超化煤礦需強化各工作面的水文地質預測預報，在采掘中遇斷層和老空區(qū)時‘有疑必探，先探后掘，疏堵結合，分類防治’，可防治突水。：〔1〕易順民，譚澤斌，駱榮，等.深圳鵬茜大理石礦礦坑突水地質災害及防治對策.水文地質工程地質，20XX.〔2〕王長文，慕松利，李侖，等.焦作礦區(qū)突水特點及礦井綜合防治〔J〕.焦作工學院學報，20XX，18（4）.〔3〕尹萬才，尹增德，施龍青.礦井突水原因及其防治〔J〕.焦作工學院學報，20XX，18（1）.〔4〕張文泉，劉偉韜，王振安.煤礦底板突水災害地下三維空間分布特征〔J〕.中國地質災害與防治學報，20XX，8（1）.〔5〕靳德武.煤礦水害防治中的綜合水文地質分析方法〔J