煤礦礦井水害防治及治理對(duì)策

煤礦礦井水害防治及治理對(duì)策

張雙樓煤礦設(shè)計(jì)能力為120萬(wàn)噸a，于1986年12月竣工，1996年交付。目前，生產(chǎn)能力為150萬(wàn)噸噸/a。礦井采用立井主石門開拓方式，設(shè)計(jì)7個(gè)采區(qū)、3個(gè)水平。有4層可采煤層，山西組7、9煤和太原組17、21煤，工業(yè)儲(chǔ)量1.5億t，可采儲(chǔ)量1.3億t。由于投產(chǎn)之前的水文地質(zhì)工作較少，條件不清，造成投產(chǎn)之后水害事故頻繁，產(chǎn)量較低，主要可采煤層山西組9煤因受底板高壓4灰水的影響不敢開采，綜采接續(xù)緊張。針對(duì)這種情況，該礦分年度、分階段開展了大規(guī)模的水害防治技術(shù)研究和治理措施，并收到了明顯的效果。1井田地質(zhì)及地下水根據(jù)地質(zhì)勘探、深部補(bǔ)充勘探和礦區(qū)三維地震勘探，發(fā)現(xiàn)井田內(nèi)落差大于30m的斷層共有18條，以NE向壓扭性斷裂最早，近NE向張性斷裂次之。探測(cè)陷落柱9個(gè)，井下已揭露3個(gè)。井下采掘揭露許多小型地質(zhì)構(gòu)造，如小斷層、小褶曲、頂壓、底鼓、煤層變薄、缺失等，以NE向小斷層為主，NW向次之，井田是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的地質(zhì)單元。地層發(fā)育較完整，從上到下有：第四系沖積層、第三系、侏羅白堊系、石炭-二疊系及奧陶系地層。井田東、北、西邊界受斷層切割的影響為隔水邊界，南部為基巖隱伏露頭區(qū)，奧陶系灰?guī)r在隱伏露頭區(qū)分布面積14km2，水位高，含水豐富，是井田的南部補(bǔ)給邊界。井田全被第四系巨厚沖積層覆蓋，沖積層厚248m，其底部有一層礫石層同煤系砂巖、太原組灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r直接接觸，同這些含水層之間相互聯(lián)系、相互補(bǔ)給。主要含水層有：第四系底部礫石層，石盒子組分界砂巖，山西組7、9煤頂?shù)装迳皫r，太原組4灰、8～9灰、12灰和奧陶系灰?guī)r。2關(guān)于井水管理的技術(shù)研究2.1井田水文地質(zhì)單元該礦開展了地面水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探，建立了完善的礦區(qū)含水層水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。開展了井田深部地質(zhì)補(bǔ)充勘探和11km2三維地震勘探，新發(fā)現(xiàn)落差大于30m的斷層5條，發(fā)現(xiàn)陷落柱9個(gè)，重新劃分了井田水文地質(zhì)單元，以近EW向F9和NE向F11斷層為界把井田劃分為3個(gè)水文地質(zhì)單元，F(xiàn)9斷層以南、F11斷層以東為一單元，F(xiàn)9斷層以南、F11斷層以西為二單元，F(xiàn)9斷層以北深部地區(qū)為三單元。確定井田構(gòu)造復(fù)雜程度屬二類中等，井田水文地質(zhì)類型為復(fù)雜型。2.2砂巖裂縫發(fā)育及永水法的研究總結(jié)分析勘探鉆孔在砂巖段的沖洗液消耗及漏水情況，結(jié)合采掘生產(chǎn)實(shí)際，發(fā)現(xiàn)有以下規(guī)律：2.2.1砂巖裂隙及含水性含水層埋藏越淺，裂隙發(fā)育越好，水循環(huán)越快，含水越豐富；埋藏越深，裂隙發(fā)育及含水性越差。在一般情況下，-320m水平以上，裂隙發(fā)育及含水性較好，掘進(jìn)及回采出水普遍，涌水量也較大；-320～-400m之間，砂巖裂隙及含水性一般至中等；-450m以下裂隙相對(duì)較弱，含水性也較差。斷層帶及褶曲部位存在著特殊情況，如東一邊界上山附近有一寬緩的向斜，從淺部一直到-500m以下砂巖的含水性都較好，該區(qū)從淺部到深部的幾個(gè)工作面回采時(shí)都發(fā)生涌水現(xiàn)象，-500m以下的7107工作面受多種水源的影響，涌水量多次超過(guò)200m3/h。2.2.2ew向、ne向裂隙從井下揭露的情況看，NE向裂隙多數(shù)呈閉合性，一般不含水或含水性較弱，EW向裂隙開啟性好，切割深度及延展長(zhǎng)度較大，含水較豐富，巷道揭露時(shí)多數(shù)有涌水、淋水現(xiàn)象，EW向及NE向裂隙相互切割成網(wǎng)絡(luò)狀裂隙，含水及導(dǎo)水性最強(qiáng)。井下揭露網(wǎng)絡(luò)狀裂隙時(shí)，巷道普遍淋水，最大水量達(dá)75m3/h。2.34灰?guī)r溶發(fā)育的垂直分帶性根據(jù)鉆孔揭露4灰時(shí)的漏水及井下放水孔見(jiàn)4灰?guī)r溶裂隙情況，發(fā)現(xiàn)4灰?guī)r溶發(fā)育存在著明顯的垂直分帶性：-350m以上為巖溶強(qiáng)發(fā)育帶，該帶內(nèi)巖溶裂隙發(fā)育，徑流條件好；-350～-550m為中等巖溶發(fā)育帶；-550m以下為巖溶弱發(fā)育帶。2.4該礦區(qū)地下水的化學(xué)特征2.4.1煤系砂巖水的so42-及mg2-含量礦井基巖含水層的礦化度普遍大于3.0g/L，一般在3.3～3.5g/L之間，最大超過(guò)4.0g/L，高礦化度是礦區(qū)地下水的主要特征之一。6種常規(guī)離子中，SO42-及Cl-比較穩(wěn)定，SO42-含量一般在1500～2000mg/L,Cl-含量為300～400mg/L,Mg2-含量對(duì)區(qū)分煤系砂巖和灰?guī)r水有一定幫助，灰?guī)r水的鎂離子含量一般在140～180mg/L，煤系砂巖水的鎂離子含量為100～140mg/L。利用采集的100多個(gè)水樣的常規(guī)化驗(yàn)結(jié)果，作礦化度M和6種離子含量R的關(guān)系圖，發(fā)現(xiàn)礦區(qū)地下水的礦化度M和離子含量R之間存在著線性相關(guān)，與SO42-和Cl-的相關(guān)性最明顯，經(jīng)分析處理得出，礦化度與SO42-的關(guān)系為M=1.6R/1000+0.4，礦化度與Cl-的關(guān)系為M=10.9R/1000-0.33。2.4.2土壤水源年齡研究過(guò)程中采集了45個(gè)水樣，進(jìn)行了氧-18、氘和氚（Tu）值的測(cè)試，根據(jù)測(cè)試的結(jié)果繪制δ18O和δD關(guān)系圖，發(fā)現(xiàn)所有水樣點(diǎn)基本落在全球降水線（δD=8δ18O+10）的附近，說(shuō)明礦井各含水層有統(tǒng)一的補(bǔ)給水源，都來(lái)自于大氣降水；井下各水樣點(diǎn)的同位素值與奧灰水樣同在一個(gè)區(qū)間，說(shuō)明井下水源主要來(lái)自于奧灰水的補(bǔ)給。另?yè)?jù)氚的放射性衰減公式T=1/λLn(N0/N），計(jì)算了各含水層的相對(duì)年齡，計(jì)算結(jié)果為：二疊系砂巖水相對(duì)年齡平均為19а，為20世紀(jì)60年代末70年代初大氣降水入滲補(bǔ)給的；4灰和奧灰水的相對(duì)年齡分別為13.3a及16.5а，約為1976～1979年間大氣降水補(bǔ)給的結(jié)果。由此來(lái)看，由于248m厚的沖積層覆蓋作用，地表水和大氣降水補(bǔ)給基巖含水層的時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，短期內(nèi)對(duì)井下生產(chǎn)影響甚微。3洪水災(zāi)害綜合處理3.1大巷排水能力增加針對(duì)井下中央泵房排水能力不足，水倉(cāng)容積不夠和大巷排水溝斷面過(guò)小的情況，該礦分階段對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行了改造。一是中央泵房更換6臺(tái)大泵，把原200D65×9型水泵換成250D56型高效泵，單臺(tái)實(shí)際排水能力由原來(lái)的240m3/h增加到320～330m3/h，總排水量達(dá)2200m3/h。大巷水溝由原來(lái)的0.3m×0.4m改為0.6m×0.8m，增加了大巷疏水能力。新掘一個(gè)4號(hào)水倉(cāng)，容積1680m3，水倉(cāng)總?cè)莘e達(dá)7148m3，滿足了《煤礦安全規(guī)程》對(duì)于排水的要求。清理斜巷增加一條通往主井的聯(lián)絡(luò)巷，把底部平硐從另一頭同清理斜巷溝通，保證從下往上有2個(gè)安全出口。3.2灰水位現(xiàn)狀礦井主要可采煤層山西組9煤因受底板高壓4灰水的威脅而不敢開采，造成綜采接續(xù)緊張，礦井產(chǎn)量增長(zhǎng)緩慢。為解決9煤的開采問(wèn)題，該礦從1992年3月5日至3月19日，利用地面直通式放水鉆孔進(jìn)行了第一次大型4灰放水試驗(yàn)，4灰水位降幅達(dá)25.42m。1992年10月13日至22日，利用井下-500m4灰放水孔進(jìn)行了第二次大型4灰放水試驗(yàn)，最大放水量155m3/h,4灰水位降幅21.86m．。為加快4灰放水進(jìn)度，相繼又在井下-500m西一、西二、東一、東二采區(qū)施工了4組10個(gè)4灰放水孔，最大放水量達(dá)300m3/h。通過(guò)4灰聯(lián)合疏水降壓工程，查清了4灰的富水性及其與其他含水層之間的水力聯(lián)系，證明了4灰的可疏干性，F(xiàn)11斷層以東的4灰水位普遍降至-350m以下。從1995年元月起，9煤第一個(gè)工作面9108實(shí)施帶壓開采試驗(yàn)，底板帶4灰水壓16.5kgf/cm2，取得開采成功，從此9煤進(jìn)入1.65MPa大規(guī)模的開采時(shí)期。3.3工作面頂水開采方案-500m以上9煤開采時(shí)，為了滿足疏水的需要，調(diào)整了布局及開采方式，采用由淺至深、自上而下的下行開采方式，實(shí)施跨上山開采，延長(zhǎng)采區(qū)及工作面走向，發(fā)揮綜采機(jī)械化的能力，每一個(gè)采區(qū)沿煤層傾向布置一條集中放水上山，每一個(gè)工作面掘放水巷與之溝通。工作面兩巷布置時(shí)，從切眼沿回采推進(jìn)方向布置成偽上山，5～6°上山，這樣工作面回采時(shí)，兩巷淋水及工作面出水都能順勢(shì)通過(guò)放水巷及放水上山進(jìn)入-500m大巷水溝。3.4-500m以下實(shí)施頂水開采方案-500m向下延深剃頭開采時(shí)臨時(shí)在采區(qū)建立中部階段排水基地，工作面回采前在運(yùn)輸巷掘環(huán)形水倉(cāng)并配備足夠能力的排水管路及水泵，實(shí)施頂水開采強(qiáng)排水的方案。如東一下山采區(qū)7107工作面回采時(shí)有3個(gè)多月涌水量都在100～240m3/h之間，最多時(shí)配備6臺(tái)D85水泵，工作面仍保持了月產(chǎn)5～6萬(wàn)t的水平。西二下山采區(qū)7413工作面最大水量175m3/h，涌水量在100m3/h以上有半個(gè)多月時(shí)間，生產(chǎn)只受到2d的影響。4地下水的補(bǔ)給作用(1）張雙樓煤礦地下水是一個(gè)東、北、西三面隔水，南部進(jìn)水的半封閉水文地質(zhì)單元，由于南部14km2奧灰及第四系底礫層的補(bǔ)給作用，礦井涌水量大，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，防治水工作難度大。(2）由于奧灰水的強(qiáng)力補(bǔ)給作用，礦區(qū)地下水的礦化度較高，基巖含水層之間相互聯(lián)系，水質(zhì)也比較接近，說(shuō)明礦井水有統(tǒng)一的補(bǔ)給源。(3）實(shí)施4灰疏水降壓工程，解放了9煤，綜采有了戰(zhàn)場(chǎng)，礦井從1996年達(dá)產(chǎn)后，產(chǎn)量年年大幅度增加