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        晉圣誠南煤業(yè)充水條件分析及防治水對策

        2022-04-08 05:53:28張雷杰
        煤炭與化工 2022年3期
        關(guān)鍵詞:井田積水含水層

        張雷杰

        (山西正誠礦山安全技術(shù)研究所(有限公司),山西 晉城 048006)

        1 概 況

        晉圣誠南煤業(yè)有限公司為晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部晉圣公司下屬整合礦井,該礦井中部存在大面積的無煤區(qū),礦井采用分期建設(shè)進(jìn)行開拓部署,以澗河為界分一、二期建設(shè),一期開采井田東南部,二期開采井田西北部誠南煤業(yè)主要開采15號煤層,區(qū)內(nèi)15號煤層埋深較淺,北部、中部、中南部都有露頭,煤層大面積被剝蝕。該區(qū)內(nèi)原整合礦井,基本都為以往硫鐵礦整合而成,以往硫鐵礦開采方法都為房柱式,開采硫鐵礦兼采15號煤層,前采后填,生產(chǎn)能力也不穩(wěn)定,對區(qū)內(nèi)15號煤層破壞較大。井田內(nèi)15號煤層賦存區(qū)層位穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡單,為賦存區(qū)穩(wěn)定的可采煤層。

        地表及開采過程中未發(fā)現(xiàn)陷落柱、井田內(nèi)地層總體構(gòu)造形態(tài)為背、向斜相間的構(gòu)造,產(chǎn)狀平緩。采掘過程中所揭露的斷層多為小型斷層;三維地震解釋的斷層大部為落差較小的斷層;井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入現(xiàn)象,本井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度為簡單型。井田構(gòu)造如圖1所示。

        圖1 構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structure outline

        2 水文情況

        2.1 充水水源

        誠南煤業(yè)充水水源主要為15號煤層頂板K2灰?guī)r巖溶裂隙含水層、老空水,其次為大氣降水及地表水。

        2.1.1 大氣降水和地表水

        (1)大氣降水。根據(jù)礦井涌水量與降水量的動態(tài)變化分析,礦井涌水量與降雨量關(guān)系不明顯。正常情況下,大氣降水對礦井直接充水影響小,但井田內(nèi)煤層風(fēng)氧化帶及淺埋地段,在風(fēng)化裂隙及導(dǎo)水裂隙帶的影響下,大氣降水可通過裂縫補(bǔ)給入滲到巷道及采空區(qū)。因此,大氣降水為15號煤層的間接充水水源。

        (2)地表水。井田內(nèi)發(fā)育的河流為澗河,位于井田內(nèi)中南部無煤區(qū),距工業(yè)廣場距離較遠(yuǎn);河床地勢低,主斜井井口、副斜井井口、回風(fēng)斜井井口標(biāo)高比澗河最高水位高,且距離河流較遠(yuǎn),工業(yè)廣場及各井口不受其洪水影響。且一期開采區(qū)內(nèi)15號煤層標(biāo)高高于澗河。另外,井田內(nèi)地表徑流條件較好,地表水接受大氣降水補(bǔ)給條件有限,正常情況下地表水不會對礦井產(chǎn)生直接影響。但是,井田內(nèi)煤層風(fēng)氧化帶及淺埋地段,風(fēng)化裂隙及導(dǎo)水裂隙帶會成為大氣降水及地表水補(bǔ)給地下水的充水通道,地表水為15號煤層的間接充水水源。

        總的來說,地表水及大氣降水對采掘工程影響程度小。

        2.1.2 地下水(煤層頂板水)

        (1)第四系松散巖類孔隙含水層及基巖風(fēng)化帶裂隙含水層。

        主要分布于河谷,由砂、卵礫石等組成。結(jié)構(gòu)松散、厚度不一,一般在10.00 m左右。該含水層主要接受大氣降水的補(bǔ)給,局部可得到地表水或砂巖裂隙水的補(bǔ)給。該含水層富水性不一,富水性受大氣降水季節(jié)影響明顯,局部富水性較好;為富水性弱的孔隙含水層。

        (2)二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層。

        二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層主要由K7砂巖組成,井田內(nèi)山西組地層殘留厚度不等,多分布于山梁或山脊頂部,殘留平均厚約8.40 m,3號煤層缺失,該含水層屬弱富水性含水層。

        (3)石炭系上統(tǒng)太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。

        含水層主要由太原組K2、K3、K4、K5等灰?guī)r層組成?;?guī)r層局部段裂隙發(fā)育、巖溶不發(fā)育,其中15號煤層頂板K2灰?guī)r垂直裂隙發(fā)育,裂隙面具水蝕痕跡,該含水層屬弱富水性含水層。

        經(jīng)計(jì)算15號煤層開采產(chǎn)生的最大導(dǎo)水裂隙帶高度為86.76 m,可溝通上述各含水層,成為礦井開采15號煤層的充水水源。其中15號煤層頂板灰?guī)r溶裂隙含水層是礦井15號煤層的直接充水水源,是礦井充水的主要來源之一,對未來15號煤層的開采影響較大。

        根據(jù)礦井以往井下頂板富水異常區(qū)探測、驗(yàn)證及涌水量臺賬資料,15號煤層頂板水生產(chǎn)中常以頂板淋水的形式進(jìn)入礦井,涌水量較小,易于疏干,對采掘活動有一定的影響。

        2.1.3 采空區(qū)積水

        根據(jù)現(xiàn)有資料,井田范圍內(nèi)15號煤層存在16處采空積水區(qū),估算采空積水區(qū)面積877 866 m2,總積水量約204 438 m3。其中,一期開采區(qū)內(nèi)共存在4處采空積水區(qū),總積水面積約267 554 m2,總積水量約77 711 m3。

        據(jù)調(diào)查,井田周邊現(xiàn)無相鄰礦井。井田西北部原分布有一個相鄰礦井,批準(zhǔn)開采15號煤層,2006年資源整合時已關(guān)閉。該公司內(nèi)原有9個礦廠,開采15號煤層下部黃鐵礦,巷道內(nèi)存有一定量的積水,積水量約11 534 m3。

        結(jié)合未來采掘計(jì)劃,一期開采生產(chǎn)系統(tǒng)位于井田東南部,因此原采空積水區(qū)對一期15號煤層的開采無影響,一期開采區(qū)內(nèi)共存在的4處采空積水區(qū)對未來采掘活動有影響。15號煤層采空區(qū)及積水如圖2所示。

        圖2 1 5號煤層采空區(qū)及積水分示意圖Fig.2 Goaf and water accumulated area of No.15 coal seam

        2.2 礦井水患分析

        根據(jù)采掘規(guī)劃、礦井生產(chǎn)資料、水文地質(zhì)條件、礦井水患調(diào)查資料等進(jìn)行綜合分析,未來采掘范圍內(nèi)15號煤層主要水患為采空區(qū)積水、煤層頂板水、大氣降水及地表水、廢棄井筒及封閉不良鉆孔水、構(gòu)造水。其中采空區(qū)積水、煤層頂板水、大氣降水及地表水上文已提及,不再贅述。

        根據(jù)以往水文地質(zhì)資料,結(jié)合此次調(diào)查,井田南部一期開采區(qū)內(nèi)存在15個廢棄井筒和2個封閉不良鉆孔,其中嶺南ZK1鉆孔已揭露,未發(fā)現(xiàn)封閉不良情況??刹蓞^(qū)內(nèi)廢棄井筒和封閉不良鉆孔位置清楚,未來采掘活動范圍距廢棄井筒及封閉不良鉆孔均較遠(yuǎn),對礦井未來幾年采掘活動無影響。

        3 防治水對策

        3.1 采空區(qū)積水的防治措施

        礦井采掘過程中應(yīng)堅(jiān)持“預(yù)測預(yù)報、有掘必探、有采必探、先探后掘、先探后采”的原則,加強(qiáng)對老空水的探放工作。

        (1)生產(chǎn)過程中嚴(yán)格執(zhí)行老空積水的“三線”管理制度,綜合分析采空區(qū)分布范圍,劃出積水線、探水線和警戒線。首先根據(jù)井下探放水資料,結(jié)合實(shí)際調(diào)查情況核實(shí)老空積水區(qū)的范圍,確定積水線。探水線應(yīng)根據(jù)積水區(qū)的位置、范圍、水文地質(zhì)條件及其資料的可靠程度,以及采空區(qū)、巷道受礦山壓力的破壞情況等因素確定,對有圖紙資料可查的老窯,探水線至老窯邊界的最小距離不得小于60 m,當(dāng)采掘工作面接近探水線時就要采取探放水措施;有一定圖紙資料參考的由探水線外推不少于50 m作為警戒線,當(dāng)采掘工作面接近警戒線時,應(yīng)警惕積水威脅,注意采掘工作面水情變化,如發(fā)現(xiàn)有透水征兆,立即停止鉆井,但不得拔出鉆桿,立即撤出所有受水威脅區(qū)域的人員。根據(jù)誠南煤業(yè)實(shí)際情況,確定井田內(nèi)采空積水區(qū)的積水線外推60 m為探水線、探水線外推50 m為警戒線。

        (2)未來采掘活動接近采空積水區(qū)時,需進(jìn)行井下物探超前探測工作,并依據(jù)探測結(jié)果進(jìn)行鉆探驗(yàn)證,對老空水進(jìn)行探查疏放,必要時留設(shè)足夠的安全保護(hù)煤柱。采掘工作面探水前,應(yīng)先編制專項(xiàng)的探放水設(shè)計(jì),確定允許掘進(jìn)距離和超前距,并采取防止瓦斯和其他有害氣體危害等安全措施。探放水鉆孔的布置和超前距離,應(yīng)當(dāng)根據(jù)水頭高低、煤(巖)層厚度和硬度等確定,探放水鉆孔布置時應(yīng)遵循《煤礦防治水細(xì)則》第四十三條規(guī)定。探放水鉆機(jī)的選擇和安裝前應(yīng)注意的事項(xiàng)嚴(yán)格按照《煤礦防治水細(xì)則》第四十五條至四十六規(guī)定執(zhí)行。探水鉆孔超前距離和止水套管長度選取應(yīng)遵循《煤礦防治水細(xì)則》第四十八條規(guī)定。

        (3)按照規(guī)定對采空區(qū)及廢巷進(jìn)行密閉,留設(shè)導(dǎo)水孔,加強(qiáng)觀測,及時將采空區(qū)積水排出;留設(shè)觀察孔,觀測采空區(qū)內(nèi)的溫度和有害氣體情況。

        (4)生產(chǎn)過程中應(yīng)指定專人對采空區(qū)進(jìn)行經(jīng)常性巡視,對采空區(qū)地表產(chǎn)生的裂縫和塌陷區(qū)進(jìn)行回填或開挖溢洪道,疏通水道,防止大氣降水及地表水沿塌陷裂縫灌入井下造成災(zāi)害事故。

        3.2 頂板水的防治措施

        煤層頂板水為礦井井下涌水量的主要來源,主要以頂板淋水的形式進(jìn)入礦井,但該含水層一般富水性弱,生產(chǎn)中容易疏干。

        (1)首先對頂板水富水性探測。采用瞬變電磁勘探探查頂板含水層的分布及其富導(dǎo)水條件,對物探未覆蓋區(qū)適時補(bǔ)充勘探,查清含水層的局部富水地段。

        (2)對于地面瞬變電磁勘探解釋的煤層頂板含水層的富水異常區(qū),應(yīng)通過井下瞬變電磁勘探進(jìn)一步核實(shí),然后通過井下鉆探驗(yàn)證。

        (3)在現(xiàn)有排水設(shè)備能夠滿足排水要求時,需定期檢修礦井排水設(shè)備,及時清理排水溝道和水倉,保證排水通暢。

        3.3 大氣降水及地表水的防治措施

        (1)與氣象、水利、防汛等部門進(jìn)行聯(lián)系,建立災(zāi)害性天氣預(yù)警和預(yù)防機(jī)制。及時掌握可能危及煤礦安全生產(chǎn)的暴雨洪水災(zāi)害信息,密切關(guān)注災(zāi)害性天氣的預(yù)報預(yù)警信息;及時掌握汛情水情,采取安全防范措施;加強(qiáng)與周邊相鄰礦井信息溝通,發(fā)現(xiàn)礦井出現(xiàn)異常情況時,立即向周邊相鄰礦井進(jìn)行預(yù)警。

        (2)安排專人對井田范圍內(nèi)可能波及的周邊廢棄老窯、地面塌陷坑、采動裂隙以及可能影響礦井安全生產(chǎn)的河流、堤防工程等重點(diǎn)部位進(jìn)行巡視檢查。當(dāng)接到暴雨災(zāi)害預(yù)警信息和警報后,應(yīng)當(dāng)實(shí)施24 h不間斷巡查。在礦區(qū)每次降大到暴雨的前后,及時觀測礦井涌水量變化情況。

        (3)雨季加強(qiáng)地面塌陷及地裂縫的填充工作,防止雨季地表洪水潰入礦井造成水害。

        (4)地面廣場要定期檢查疏通各排水系統(tǒng),確保地面無積水,遇有外水時不能流向井口方向。在礦井井筒附近儲備防洪(雨)水粘土袋,在礦區(qū)內(nèi)應(yīng)采取填坑、補(bǔ)凹、整平地表等措施,定期清理礦井工業(yè)廣場以及周邊地點(diǎn)的水溝。

        3.4 封閉不良鉆孔、廢棄井筒防治措施

        (1)井田內(nèi)所有鉆孔必須全部標(biāo)注在采掘工程平面圖上,建立臺賬。煤礦根據(jù)鉆孔臺賬的記錄,逐孔檢查,特別是打穿多層含水層、煤層的鉆孔處理,要查清歷史資料;無資料的,必須在一定區(qū)域內(nèi)采用相應(yīng)的預(yù)防措施。

        (2)收集井田范圍內(nèi)廢棄立井坐標(biāo)、填埋方式等信息,標(biāo)繪在充水性圖和采掘工程平面圖上,采掘活動接近此類井巷工程時,編制專項(xiàng)探測設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證探測。

        (3)及時對廢棄井口進(jìn)行填埋、封堵,雨季之前,礦井工作人員應(yīng)檢查井口的封閉情況,若出現(xiàn)裂縫等情況,及時進(jìn)行再填埋、封堵,以免造成突水事故。

        (4)對其他資料不清或封孔質(zhì)量不好的鉆孔,要現(xiàn)場檢查落實(shí),防止此類鉆孔導(dǎo)水誘發(fā)礦井水害。當(dāng)巷道及工作面接近廢棄老窯(井筒)及鉆孔時,應(yīng)先采用物探方法檢測,再采用鉆探方法驗(yàn)證,以超前探測其導(dǎo)水性為主。嚴(yán)格執(zhí)行探放水作業(yè),在必要時按規(guī)定留設(shè)保安煤柱,以確保安全生產(chǎn)。

        3.5 斷層、陷落柱防治措施

        根據(jù)以往采掘揭露情況,可采區(qū)采掘范圍內(nèi)揭露的斷層均不導(dǎo)水,但不排除存在隱伏導(dǎo)水?dāng)鄬?、陷落柱存在的可能?/p>

        在巷道掘進(jìn)過程中,巷道前方如揭露構(gòu)造,采用井下超前探進(jìn)行探查工作,如探明斷層富水,需進(jìn)行鉆探驗(yàn)證,必要時編制探放水設(shè)計(jì),由專業(yè)探放水隊(duì)伍依據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范進(jìn)行探放工作。

        4 結(jié) 語

        以誠南煤業(yè)為研究對象,全面分析了該礦地質(zhì)、水文情況,對礦井充水水源進(jìn)行分類調(diào)查分析,總結(jié)了該礦15號煤層開采主要水患,即采空區(qū)積水、煤層頂板水、大氣降水及地表水、廢棄井筒及封閉不良鉆孔水、構(gòu)造水,并針對每種水患給出了專門的防治措施。采取這些防治措施后,誠南煤業(yè)未發(fā)生水害事故,保障了礦井安全高效生產(chǎn)。

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