超化煤礦突水災害地質條件分析及防治措施

於輝光1,郭德勇1,胡德進2

(1.中國礦業大學北京校區,北京100083;2.鄭州煤業集團公司,河南鄭州450000)

摘　要:根據超化煤礦礦井地質條件,結合2次突水事件,利用綜合水文地質03manbetx 方法研究了礦井水文地質,03manbetx 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係,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。

關鍵詞:礦井突水;突水防治;水文地質

中圖分類號:TD745+.2　　　文獻標識碼:B　　　文章編號:1003-496X(2006)02-0055-03基金項目:國家自然科學基金資助項目(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究是解決突水防治問題的基礎〔1-3〕,突水機理研究則是關鍵〔4-6〕。鄭州煤業集團超化煤礦位於新密市城南 10 km 處,1983年建井,1993年投產,原設計生產能力為90萬t/a,現實際生產能力為240萬t/a。礦井采用偽俯斜長壁采煤法,單水平上、下山開采工藝,全部垮落法管理頂板,對角式通風,年均湧水量為1 000 m3 /h,正常排水能力為2 318 m3 /h,在-200~ -450 m 等高線間中型構造發育。目前該礦上山采區11、12回采結束,下山采區21、22、23正在生產,主要開采二疊係山西組二1煤層,以1個綜采工作麵和1個炮采工作麵保證礦井生產能力。

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係、二疊係煤係地層,共含煤8組,31個煤層。井田主采煤層為二疊係山西組二1煤層,厚度為0.19~ 24.03 m ,可采指數為95%,屬極不穩定煤層。頂、底板起伏大,為砂質泥岩及泥岩,受區域性滑動影響,煤層及其頂、底板滑麵發育,易冒落(表1)。井田除超化、陽台、崔莊等大的邊界斷層外,還揭露了多條落差 5 m 以上的斷層,傾向多為北偏東,傾角多在15°~20°,受區域構造的影響,發育北西向或近東西向兩組斷裂(圖1)。

2.2　區域井田水文地質條件超化煤礦區域屬低山丘陵地形,各地層出露,水文地質條件複雜,地質構造線近東西向,皺褶、斷裂發育,對地下水起著控製作用,地下水類型為碳酸鹽岩溶水,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,井田主要有二疊係、奧陶係和寒武係地層出露,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,井田內小構造發育。區域邊緣為變質岩係組成的裂隙補給區,由於斷層南升北降,東南部大量地下水補給了奧陶係含水層後又通過龜山斷層的東段補給井田內各含水層(圖1)。

3　超化煤礦工作麵突水原因及防治措施超化煤礦下山區域地質條件和水文地質條件複雜,上山區域則簡單,但整個礦井工程地質條件複雜。主要突水工作麵21071、21051、22121含水性均較差,其補給水源一是賦存於煤係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;二是賦存於煤係地層下的石炭係含水層和奧陶係含水層,其水量、水壓均較大。研究表明,超化煤礦頂板含水層主要是第四係含水層,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煤底板石炭係太原組7~9灰岩含水層(L7~9),距煤層最近,富水性受裂隙控製,是底板主要突水水源;底板間接承壓含水層為石炭係太原組5~6灰岩含水層(L5~6)、1~4灰岩含水層(L1~4)和奧陶係灰岩含水層(奧灰),富水性均較強,其中奧灰與L1~4有較強的水力聯係,L5~6和L1~4之間也有部分水力聯係(表1),三者均可通過小司溝斷層等導水斷層相互導通並補給太原組L7~9(圖1)。

圖1　超化煤礦井田地質構造綱要圖

3.1　21051工作麵突水原因及防治措施

超化煤礦21051工作麵走向長1 700 m ,傾斜寬 140 m ,上副巷與井田北部邊界平均距離為 255 m ,U型鋼支架加塑料網支護,沿煤層底板掘進。 2004年 4月11日 16:00,21051上副巷迎頭上幫出現淋水,隨後水量劇增,導致局部巷道衝垮、運輸設備被毀。19:20,水量猛增至5 000 m3 /h,21:00,水量劇減至 500 m3 /h, 4月15日 8:00,水量已衰減到 110m3 /h(圖2)。

圖2　超化煤礦21051工作麵突水情況示意圖

　　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);該巷道地質構造簡單,附近區域煤層賦存穩定,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麵積疏放,含水層富水性弱,且透水前後奧灰水水位無變化,可排除頂板砂岩和奧灰突水;突水位置前方有富含水的小煤窯采空區,該采空區與出水點位置相吻合。因此,21051工作麵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於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,先探後掘”的同時,采用巷道接近老空、被淹的井巷、防水煤柱時超前探水,提前疏幹降壓或預先封堵導水通道,加設檔水牆,未探清地質情況的工作麵不采掘等措施,可防治突。

3.2　22121工作麵突水原因及防治措施超化煤礦22121工作麵位於22采區最南部,主采的二1煤層賦存基本穩定,平均厚度約 11 m ,煤層直接底為深灰色泥岩,厚度為 3.98 m ,老底為石炭係灰岩。該麵地質構造複雜,上副巷南部有1個落差為 6 m 的滑動構造帶,工作麵中部也有多條落差約 5m 的走向正斷層,逆斷層F1( 0.8 m ,∠52°)和正斷層F2( 2.3 m ,∠80°)為主要含水斷層。 2002年11月11日 16時工作麵上副巷尾部發生L7~9水突水,突水量最大達 68 m3 /h,後穩定在 60 m3 /h,40 d後采用跳采方案恢複生產。

　　本次底板突水原因在於該巷底板傾角大,裂隙發育,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,並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岩溶破碎帶。因此該礦采掘接近底板承壓含水層、充水斷層時,一定要查明底板水文地質構造情況,如果探水時底板大量湧水,要及時封閉鑽孔、打隔水牆密閉,必要時采取留設防水煤柱、巷道預注漿切斷L7~9補給通道、疏水降壓等措施,以防突水。

巷道穿越斷層時要加強支護,對井田東南部斷層交叉點等構造發育地段需重點加固,以防滯後突水。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,如開采則需采取巷道注漿加固措施,巷道可每前進 10 m 注漿加固1次,在巷道頂、底板上各打3排注漿孔,孔深為 1.5 m (圖3),兩幫各打1排注漿孔,注漿孔間距 2 m ,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麵示意圖

4　結　論

(1)超化煤礦地表水及大氣降水入滲補給基岩地下水,進而補給奧陶係和石炭係各含水層,為礦井突水主要水源。石炭係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)威脅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,在留防水煤柱減少地表入滲補給的基礎上,頂板砂岩水應以疏排為主,地表水、底板灰岩水應以防為主。超化煤礦需加強各工作麵的水文地質預測預報,在采掘中遇斷層和老空區時‘有疑必探,先探後掘,疏堵結合,分類防治’,可防治突水。

參考文獻:

〔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,2001.〔2〕　王長文,慕鬆利,李　侖,等.焦作礦區突水特點及礦井綜合防治〔J〕.焦作工學院學報,1999,18(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,1999,18(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,1997,8(1).

〔5〕　靳德武.煤礦水害防治中的綜合水文地質03manbetx 方法〔J〕.煤田地質與勘探,1998,26(2).

〔6〕　湯連生,王思敬.水-岩土化學作用與地質災害防治〔J〕.中國地質災害與防治學報,1999,10(3).

　　作者簡介:於輝光(1971-),男,黑龍江七台河人,工程師,1994年本科畢業於東北大學,現為中國礦業大學(北京校區)防災減災工程及防護工程碩士研究生。

(收稿日期: 2005-05-23 ;責任編輯:梁紹權)