浅谈新阳煤业防治水工作

刘赴前

(汾西矿业集团新阳煤业公司，山西孝义032300)

0 引言

煤矿防治水工作是一项系统工程，需要建立高素质的防治水队伍，多方面综合治理，需要多部门相互配合，不断总结研究防治水经验教训，建立健全规章制度，构建煤矿防治水长效机制，更需要因地制宜，针对本矿实际矿井水文地质条件、突水水源、突水通道、突水危险性大小，制定防治水规划，编制针对性的防治水工程设计并严格实施。新阳煤业目前开采9 －10 －11#煤，主要充水水源为顶板太原组灰岩岩溶裂隙地下水，底板奥陶系峰峰组岩溶裂隙地下水，上组煤采空积水及井田内和周边老窑、小窑积水，主要涌突水通道为断层、陷落柱、采动导水裂隙、封闭不良的钻孔以及老窑、小煤窑越界巷道和不清楚的采空区。据水文地质补充勘探报告及多年来实际生产资料，9 －10 －11#煤顶板充水水源太灰水一般富水性弱，仅局部断裂带及其附近富水性较强，总体突水危险性小，防治水工作的重点是断裂构造涌突水;9 －10 －11#煤底板突水水源奥陶系峰峰组岩溶裂隙水在中西部断裂构造破碎带及东南部向斜核部断层交汇部位水位高，富水性较强，煤层底板承受的水压大(＞1.0 MPa，最大可达2.19 MPa)，突水危险性大，其他区段突水危险性小，防治水工作的重点是中西部奥陶系峰峰组岩溶裂隙水高水位区和东南部向斜核部断层交汇部位;此外，新阳煤矿历史上井田内及周边老窑、小窑众多，目前单纯靠地面工作难以查清越界或不清楚的采空积水区，也是防治水工作的重点;此外，由于9 －10 －11#煤采后大，采动导水裂隙带可沟通上组煤采空区，应做好采空积水疏排水工作。

1 新阳煤业防治水工作现状及应采取的对策

1)由于历史原因新阳煤业水文地质专业技术力量薄弱，需要培养专业水平较高、防治水经验较丰富专业技术人才，加强防治水技术力量。

2)新阳煤业存在河流渗漏情况，虽进行了河流防渗处理，但仍要定期进行河流上下游流量巡查、观测，雨季加密观测，特别雨季要加强巡查排除工作，河流渗漏点，发现裂隙、裂缝和塌陷坑，要及时回填封堵，防止大气降水、河水渗入井下。

3)井田内及周边老窑、小窑和相邻矿井开采时间久远，存在大量采空区及采空积水区，由于小煤窑乱采乱挖，开采范围小，采空积水随补给的动态变化特点，很难全部查清并掌握积水范围、积水量。一是要加强老窑、小窑采空积水地面探查及本矿关闭采区的可能积水区研究;二是留设足够的防隔水煤岩柱;三是在规定正常的超前探基础上，加强对可能的老窑、小窑积水区进行井下物探、钻探探查，以及本矿上部煤层采空区可能的采空积水区探查;四是发现积水区提前进行疏排或采取其他安全可靠防治措施。

4)针对9 －10 －11#煤顶板突水水源。据开采厚煤层导水裂隙带高度是煤层厚度20 倍的统计经验(现开采厚煤层导水裂隙带高度计算一般都采用此计算方法)，开采9 －10 －11#煤层导水裂隙带高度可达180 m 左右，因此开采层包括石炭、二叠系砂岩裂隙含水层和石炭系太灰含水层。据本次勘探及以往水文地质资料，矿井实际生产情况，石炭二叠系砂岩裂隙含水层除个别较大的断裂带富水性较强，一般富水性微弱;太灰含水层岩溶裂隙发育程度及其富水性具有明显的不均一性，井田内大部分区段富水性一般弱，在埋藏较浅部位或断层带附近裂隙溶洞发育，富水性中等—强，巷道揭露或遇导水通道沟通时，其涌突水具有突发性，初始水量较大，但时间较短的特点，对生产有一定的影响。

2 9 －10 －11#煤层开采过程中的防治水措施

2.1 开采9 －10 －11#煤层时采取的防治水措施

1)由于上组煤已基本开采完，井田内断裂构造、陷落柱等已基本清楚，鉴于此，在上组煤未开采区段进行地面物探初步查明断裂断裂构造、陷落柱的分布位置、规模产状等。开采9 －10 －11#煤层经过已知或可能的断裂构造、陷落柱等时，首先应用物探探查相对富水性，然后钻探验证查明断裂构造、陷落柱的含导水性。

2)在上述工作基础上根据矿井实际生产情况、开采条件、断裂带陷落柱等的规模、富水性强弱，采取针对性的防治水措施。

(1)对断裂带、陷落柱规模小，富水性相对弱的，采取超前探放水措施。

(2)对断裂带、陷落柱规模较大，富水性强，要留设足够的隔水煤岩柱，严重的进行注浆封堵，并酌情设立防水闸门实现分区隔离开采。

3)对于那些生产中已揭露并未突水的断层，要加强观测，严防滞后突水的发生。

2.2 开采 9 －10 －11#煤层底板水防治措施

本井田开采9 －10 －11#煤层底板充水含水层主要为奥陶系峰峰组岩溶裂隙水。据以往钻孔揭露和本次勘探研究，9 －10 －11#煤层底板隔水层包括9 －10 －11#煤层底板至奥灰顶界面和奥陶系峰峰组顶部隔水层，隔水层较厚而稳定，底板承受的水压中西部较大，其他地段承受的水压小或无压，奥陶系峰峰组岩溶裂隙水中西部补给条件相对较好，富水性中等，其他区段补给弱，径流条件差，富水性弱，突水危险性评价，中西部断裂构造带及其附近有突水危险，其他区段除导水断裂或导水陷落柱外，奥陶系峰峰组岩溶裂隙水富水性弱，水压小或无压，可安全开采。此外在南部向斜核部的断裂带，为奥陶系马家沟组岩溶裂隙水带压区，虽然压力不大，但奥陶系马家沟组岩溶裂隙水富水性强，如果在开采9 －10 －11#煤层时揭露导水断裂带或导水陷落柱，有突水危险。为此，建议采取如下防治水措施。

1)详细分析研究上组煤开采时揭露的断层带、陷落柱的充填物及其胶结情况，将其标注在9 －10 －11#煤采掘平面图上，在9 －10 －11#煤开采前，应用物探、钻探进行超前探，查明断裂断裂构造、陷落柱的富导水性。

2)对中西部奥陶系峰峰组岩溶裂隙水富水性中等、奥灰水压较大的断裂带或陷落柱，在酌情设立防水闸门实现分区隔离开采的基础上，可采取如下防治水措施:

(1)在地面施工疏排水钻孔进行疏排降压，将奥陶系峰峰组岩溶裂隙水水压降至隔煤层底板以下，保障煤矿安全生产。此方法，初期投人相对较小，简单易行，但疏排水时间贯穿中西部采区开采全过程，运行成本高，且奥陶系峰峰组岩溶裂隙水矿化度高，特别是SO2离子含量高，需要处理才能安全排放或综合利用。

(2)掘进巷道过断裂带或陷落柱时注浆封堵。采掘工作面在断层、陷落柱的破坏附近裂隙发育，导致煤层松软或发育导水裂隙，需在探放水的基础上，留设足够的防隔水煤岩柱。此方法，投入小，但浪费煤炭资源，且不能完全消除安全隐患。

(3)在井田西部应用地面物探查明西部来水通道，并在边界断层裂隙发育带进行地面打孔注浆，封堵补给通道，采前进行超前探放水。由于其补给通道主要为东西向发育的断层裂隙带，封堵补给通道，可将大部分补给隔绝，井下探放水可很快疏排至开采安全水压，且初期放水量大，往后很快减小。此方法虽然一次投入较大，但运行成本低，可消除安全开采隐患。

3)对其他奥陶系峰峰组岩溶裂隙水富水性弱、奥灰水压较小的断裂带或陷落柱，采前进行超前探放水，按规程规范留设防隔水煤岩柱。

4)对于那些生产中已揭露并未突水的断层，要加强观测，严防滞后突水的发生。

5)在生产中时刻关注回采工作面情况、涌水量变化和奥灰水位变化，发现异常及时上报。

6)按照规定留设防隔水煤柱后，采掘工作面接近断层煤柱前，要复查煤柱的可靠性。

7)开采掘进中揭露出水点，要采集水样进行测试化验，查明充水水源，排除隐患后方可继续开采掘进。

8)加强地下水的动态监测，在底板含水层中布置一定密度的动态观测点，系统观测地下水水位、水温的动态变化。

9)由于奥陶系灰岩岩溶裂隙发育具有不均一的特点，开采9 －10 －11#煤时巷道掘进应严格执行“有疑必探，先探后掘，先治后采”的原则，利用物探、钻探等综合手段查明前方岩层及底板灰岩的富水性特征，确保安全后方可施工。同时应遵循先治后采的原则，确保无水害威胁后再进行回采。

3 开采工作面宽度及防隔水煤柱留设

3.1 九采区煤岩柱的留设

根据《煤矿防治水规定》中第二断层防水煤柱留设的计算方法，叙述如下:

L—煤柱留设的宽度，m;

K—安全系数，一般取2 ～5，取5;

M—煤层厚度或采高，取1.81 m;

p—水头压力，Mpa;

Kp—煤的抗拉强度，取 1.0 Mpa。

计算结果为L=8.44 m，所以L 取20 m。

3.2 下组煤带压开采工作面宽度及防隔水煤柱留设

3.2.1 下组煤带压开采工作面宽度

煤矿在开采过程中，由于受采动影响，从工作面煤壁到采空区一定距离和一定深度范围内的底板中出现水平拉应力;在压缩区和膨胀区分界处的底板中出现剪应力。拉应力和剪应力使底板形成底板破坏带。在采空区下方的膨胀区内，断裂呈松弛或张开状态，成为底板突水的诱发因素。在开采过程中利用底板的阻水能力，阻止底板突水。根据“下三带”理论底板隔水层厚度h 大于破坏带h1、阻水带h2、地下水导升带h3之和即可安全开采。

根据本次勘探，新阳井田9 －10 －11#煤底板隔水层厚度h最薄为XS2 号孔的46.52 m(断裂破碎带除外)。地下水导升带h3因奥灰顶板存在充填带隔水层，隔水层厚度统计时已将导升带排除在外。破坏带h1、阻水带h2计算经验公式如下:

式中:H—开采深度500 m，α—煤层倾角5°，L—工作面斜长(工作面宽度)。

式中:p 为作用在底板上的水压力，z 为阻水系数，按经验值取0.4 MPa/m。

据本次勘探新阳井田中西部奥灰峰峰组地下水位高区，作用在 9 －10 －11#煤隔水底板上的水压最大为 2.19 MPa(FS4 号孔)，计算阻水带厚度为5.5m;其他区段9 －10 －11#煤隔水底板上的水压小于1.0 MPa，计算阻水带厚度为2.5 m。按“下三带”理论中西部奥灰峰峰组地下水位高区底板破坏带深度在小于41.02 m，其他区段底板破坏带深度在小于44.02 m 的情况下可安全开采。据公式①计算，新阳井田中西部奥灰峰峰组地下水位高区9 －10 －11#煤带压开采工作面最大宽度为373 m，其他区段工作面最大宽度为401 m。

以上计算的工作面宽度仅考虑了底板水问题，实际开采时应综合考虑设备、支护等因素确定工作面最大宽度，但中西部奥灰峰峰组地下水位高区工作面最大宽度不应超过373 m，其他区段工作面最大宽度不应超过401 m，特别断层、裂隙发育带应采取针对性的防治水措施。

3.2.2 防隔水煤(岩)柱的留设

新阳井田下组煤的防隔水煤柱依据《煤矿防治水规定》留设。根据突水危险性评价结果，主要考虑因素为:断层落差、断层倾角、破碎带力学强度、水压、含水性、上下盘开采点距断层面距离。根据《煤矿防治水规定》中第二、四类断层防水煤柱留设的计算方法，叙述如下:

在煤层位于含水层上方且断层导水的情况下，防隔水煤(岩)柱的留设应当考虑2 个方向上的压力:一是煤层底部隔水层能否承受下部含水层水的压力;二是断层水在顺煤层方向上的压力。

当考虑底部压力时，应当使煤层底板到断层面之间的最小距离(垂距)，大于安全煤柱的高度(Ha)。

p—防隔水煤(岩)柱所承受的静水压力，Mpa;

Ts—临界突水系数，Mpa/m;取 0.06 Mpa/m;

10—保护带厚度，一般取10 m。

式中:α—断层倾角(°);

L—煤柱留设宽度。

考虑断层水在顺煤层方向上的压力时，含水或导水断层煤(岩)柱的留设可参照下列经验公式:

L—煤柱留设的宽度;

K—安全系数，一般取2 ～5，取5;

M—煤层厚度或采高，取7.92 m;

p—水头压力，Mpa;

Kp—煤的抗拉强度，取 1.0 Mpa。

根据以上两种方法计算的结果，取用较大的数字，但不得＜20 m。

如果断层不导水，防隔水煤(岩)柱的留设尺寸，应当保证含水层顶面与断面交点至煤层底板间的最小距离，在垂直于断层走向的剖面上 ＞安全煤柱的高度(Ha)时即可，但不得＜20 m。

符合上述情况的断层有 F17、F19、F21、F24、F25、F26、F27、F28、F49，计算结果见表1，无标注断层倾角的按平均值55°计算。

表1 煤(岩)柱留设计算汇总表

4 其他防治水措施

4.1 矿井防治水机构的建立和完善

建立完善的矿井防治水机构是确保矿井安全生产的基本保障。据矿井实际情况，建立分管领导一手抓，各个部门参与的切实可行的防治水机构;建立周密的管理制度，责任到人，措施到位，实施有监管，事后有总结，确保矿井防治水工作有效、有序、顺利进行。

4.2 矿井防治水制度及措施的建立和完善

建立切实有效的防治水制度是确保矿井防治水工作顺利开展的依据。根据矿井实际情况，分门别类地制定出切实可行、有针对性的防治水制度及技术措施，建立强有力的排水系统，从地面到井下，从巷道掘进到工作面回采，从预测预报到日常探放等，工作程序化、措施标准化、管理制度化，为做好矿井防治水工作提供有力保障。

4.3 水害应急预案的制定

水害应急预案是提高矿井水害事故应急能力、降低矿井水害事故财产损失和人员伤亡的重要保障。应根据矿井实际制定出一套行之有效的水害应急预案，及时、有效地控制和处理煤矿水害事故。

4.4 矿井水文地质保障系统的建立和完善

煤矿防治水是一项经常性、综合性的系统工程，需要对多种信息进行及时准确的分析、计算，绘制所需图、表，仅靠人力通过传统的数据管理方法，不能满足矿井防治水快速、及时、准确的要求。建立和完善矿井防突水信息保障系统，包括煤矿突水预警系统、地测信息系统、水化学快速判别系统等，为确保矿井安全生产提供有力保障。

［1］王玉芳. 浅谈如何做好煤矿防治水工作［J］. 中州煤炭，2007(6).

［2］刘光涛.浅议如何做好煤矿防治水工作［J］.中国科技博览，2013(21).