周對對

(陜西彬長大佛寺礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500)

0 引言

礦井水害是僅次于瓦斯爆炸的煤礦第二大災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦井安全并制約生產(chǎn)效率。彬長礦區(qū)是我國水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜的礦區(qū)，其水害類型眾多，影響范圍大，是區(qū)域內(nèi)煤礦開發(fā)的主要災(zāi)害。尤其是位于礦區(qū)中南部的大佛寺煤礦，其建設(shè)開發(fā)相對較早，揭露的水害類型較為齊全，是彬長礦區(qū)水害影響的典型礦井。根據(jù)礦井水文地質(zhì)類型劃分，該礦井水文地質(zhì)條件為復(fù)雜型，多種水害相互疊加，嚴(yán)重影響礦井的生產(chǎn)效率并威脅礦井安全。因此，系統(tǒng)總結(jié)分析大佛寺煤礦水文地質(zhì)特征，概括面臨的主要水害類型及水害特征，并通過實際案例總結(jié)防治水主要措施，對大佛寺煤礦水害防治工作有極為重要的意義。

1 礦井概況

大佛寺礦井位于咸陽市彬縣境內(nèi)，隸屬陜西彬長礦業(yè)集團(tuán)有限公司，礦井于2004年5月開工建設(shè)，生產(chǎn)能力8.0 Mt/a。主采煤層4號煤層平均厚11.65 m，采用走向長壁后退式采煤法；局部開采4上煤，平均厚約2.88 m，采用一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板。井田共劃分為6個采區(qū)，沿4號煤層西翼大巷兩側(cè)由東向西依次是401(411)采區(qū)、402(412)采區(qū)、403(413)采區(qū)和404(414)采區(qū)，井田北部斜井兩側(cè)由東向西依次是406(416)采區(qū)和405(415)采區(qū)，如圖1所示。

圖1 大佛寺井田采區(qū)分布Fig.1 Distribution of mining area in Dafosi mine field

2 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)條件

大佛寺煤礦地層屬于華北地層區(qū)鄂爾多斯分區(qū)的焦坪—華亭小區(qū)，地層由老到新依次為：三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)，中統(tǒng)延安組(J1-2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)、華池組(K1h)，新近系小章溝組(N)，第四系(Q)。

大佛寺井田位于太峪背斜北翼，地層由南東向北西傾斜，傾角平緩，一般1°～3°，其上發(fā)育以北東東向展布為主的寬緩褶曲，從北往南有七里鋪—西坡背斜、孟村向斜、董家莊背斜、南玉子向斜、路家小靈臺背斜、安化向斜、祁家背斜、師家店向、彬縣背斜等，斷層少見，構(gòu)造簡單。

2.2 水文地質(zhì)

井田主要發(fā)育有第四系松散層孔隙潛水含水層、第三系上中新統(tǒng)小章溝組孔隙含水層，白堊系下統(tǒng)華池環(huán)河組相對隔水層，白堊系洛河組、宜君組承壓含水層，侏羅系安定組隔水層，侏羅紀(jì)直羅組、延安組裂隙承壓含水層，侏羅系富縣組隔水層，三疊系胡家村組相對隔水層，見表1。

表1 大佛寺煤礦含水層參數(shù)一覽Table 1 List of aquifer parameters in Dafosi Coal Mine

3 礦井主要水害特征及防治

根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件及多年開采實踐發(fā)現(xiàn)，大佛寺煤礦主要面臨洛河組含水層水害、老空區(qū)水害、離層水害3種水害相互疊加影響，分別對各種水害的形成機(jī)理、表現(xiàn)特征進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的防治措施，以典型案例進(jìn)行論述。

3.1 洛河組水害特征及防治技術(shù)

3.1.1 洛河組含水層透水機(jī)理

礦井4號煤層和4上煤上覆延安組地層相對完整且具有一定的隔水性能夠起到阻隔頂板水涌出的作用。當(dāng)煤層開采后隔水層的隔水性能會受到影響，在多因素影響下頂板導(dǎo)水裂隙帶逐漸發(fā)育并導(dǎo)通洛河組含水層，含水層水進(jìn)入礦井造成洛河組水害，如圖2所示。

圖2 洛河宜君組含水層透水機(jī)理示意Fig.2 Schematic diagram of water permeation mechanism of the Luohe Yijun formation aquifer

影響頂板水涌出的因素是多方面的，不僅與含水體本身的特征、賦存條件有關(guān)，而且還與煤層頂板侏羅系隔水巖層的水文地質(zhì)條件、地層結(jié)構(gòu)及采礦地質(zhì)條件有關(guān)。主要有以下幾個方面的影響因素：

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度：導(dǎo)水裂隙帶高度是否波及頂板含水層、上覆隔水層破壞情況決定了含水層出水情況。

頂板隔水層強(qiáng)度：頂板隔水層強(qiáng)度取決于隔水層的厚度、巖石力學(xué)性質(zhì)、交界面性質(zhì)及其組合關(guān)系等，它是防止礦井涌水的重要指標(biāo)，進(jìn)行頂板隔水層強(qiáng)度研究對于有效地預(yù)防礦井頂板水至關(guān)重要。

洛河宜君組含水層的富水性：上覆含水層所含水量是礦井頂板涌水的物質(zhì)基礎(chǔ)。

水壓：水壓是礦井涌水的動力，水壓對頂板涌水的作用主要表現(xiàn)在沿頂板裂隙對圍巖進(jìn)行軟化、沖蝕、延擴(kuò)通道。水壓對構(gòu)造薄弱帶的突破、對突破口的形成和刷大起著重要的作用。

地質(zhì)構(gòu)造情況：由于斷裂部位及褶曲軸部本身就是富水地段，若與含水層連通，則可使礦井涌水量大大增加。

3.1.2 采動過程中涌水量變化特征

洛河組砂巖裂隙含水層水害的主要是通過煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶直接溝通含水層和礦井，從而導(dǎo)致砂巖水近入礦井。砂巖裂隙型突水一般不同于巖溶水的突發(fā)性和潰入性，而往往呈現(xiàn)出小—大—小的突水過程，突水前期一般有先兆，突水后期水量會逐漸衰減。

3.1.3 水害防治技術(shù)措施

對于礦井面臨的頂板洛河宜君組水害問題，礦井主要采取以下防治水措施：①水文地質(zhì)條件探查；②頂板導(dǎo)水裂隙帶高度探查；③運用“三圖法”思路進(jìn)行水害危險性評價；④地面及井下地球物理勘探；⑤富水異常區(qū)進(jìn)行疏放；⑥礦井、采區(qū)、工作面排水系統(tǒng)建立。這一套完整的防治水措施使得礦井基本解決了單一洛河組水害影響，為礦井安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

3.2 老空水害特征及防治技術(shù)

3.2.1 老空水害形成機(jī)理

大佛寺煤礦目前老空區(qū)水害主要集中在401采區(qū)，通過工作面聯(lián)合布置，在4號煤層工作面回采過程中面臨著較為嚴(yán)重的頂板4上煤老空區(qū)水害問題。由于4上煤開采過程中導(dǎo)通頂板含水層造成采空區(qū)充水并長期封閉。4號煤層采掘過程中一旦導(dǎo)通上部老空區(qū)，將會造成老空透水事故，如圖3所示。

圖3 老空區(qū)透水機(jī)理示意Fig.3 Schematic diagram of water permeation mechanism in old goaf

3.2.2 老空透水水害特征

該類型水害總水量小，一般不致造成淹井的事故，但水量集中，來勢兇猛，一旦揭露，就會以“有壓管道流”的形式突然潰出，迅猛異常，具有很大的沖擊力和破壞力，對人身安全的危害極大。

3.2.3 空水害防治技術(shù)措施

老空區(qū)水害是礦井401采區(qū)近年來面臨的較為嚴(yán)重的水害問題，由于4上煤采空區(qū)積水較為嚴(yán)重且與4號煤層距離較近，一旦處理不當(dāng)將造成嚴(yán)重后果。大佛寺煤礦對于老空水害問題，主要采取以下防治水措施：①井下直流電法勘探查明積水范圍；②鉆探驗證確定積水區(qū)域并預(yù)計積水量；③高角度、大孔徑鉆孔進(jìn)行老空積水疏放；④礦井、采區(qū)、工作面排水系統(tǒng)建立作為水害防治的保障。

3.2.4 典型案例

40107工作面開采過程中，受上部41104采空區(qū)積水影響。經(jīng)探查，41104工作面638～1 040 m，積水長度402 m，積水標(biāo)高628～637 m，積水量達(dá)19 809 m3。工作面范圍內(nèi)4號煤層與4上煤41104工作面采空區(qū)自西向東間距8～32 m之間，回采垮落過程中會導(dǎo)通41104采空區(qū)積水。

鑒于41104工作面老空積水現(xiàn)狀，運用礦井總結(jié)得出的防治水措施，提出了如下治理方案：①通過井下直流電法勘探初步探查積水范圍；②40107工作面施工超前探放水鉆孔39個，進(jìn)一步驗證積水范圍并進(jìn)行疏放；③加強(qiáng)工作面排水系統(tǒng)，運順和回順排水能力均達(dá)到1 000 m3/h，保證排水。

通過采取相關(guān)措施，41104工作面采空區(qū)積水疏放單孔出水最大出水80 m3/h，目前累計放水量約19 320 m3，基本保證40107回采過程中不受采空區(qū)積水影響。

3.3 離層水害特征及防治技術(shù)

3.3.1 離層水害透水機(jī)理

煤層采動后形成的采空區(qū)，其上覆巖層在自身重力及圍巖壓力等作用下發(fā)生斷裂、冒落、彎曲和下沉，由下向上逐步發(fā)展，上覆巖層中由于巖性、厚度、距離采空區(qū)位置等不同，導(dǎo)致巖層的運動并不是完全同步一致。由于煤層頂板侏羅系地層和白堊系地層分別屬于軟巖和硬巖，巖層在垂直方向存在位移差，形成離層空間。離層空間內(nèi)由洛河宜君組含水層滲流補(bǔ)給形成離層水，離層水蓄積到一定程度突破下部侏羅系隔水層，沿導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入礦井，造成工作面瞬時水量突然增大，是礦井目前最嚴(yán)重的水害問題，如圖4所示。

圖4 老空區(qū)透水機(jī)理示意Fig.4 Schematic diagram of water permeation mechanism in old goaf

3.3.2 離層水害特征

該類水害類型在工作面頂板突水之前，其預(yù)兆不明顯，而在突水過程中瞬時流量大(為正常涌水量幾十倍)、持續(xù)時間較短衰減快(多持續(xù)數(shù)小時，個別持續(xù)數(shù)天)、總出水量有限，且與工作面周期來壓關(guān)聯(lián)密切，存在一定的周期性，如圖5所示。在離層水體迅速涌入工作面，其消耗完畢后，離層空間需要新的平衡穩(wěn)定下來，上部巖層變形移動，離層空間逐漸閉合消失，而工作面繼續(xù)推進(jìn)，新的離層空間有可能向前繼續(xù)產(chǎn)生發(fā)展。

圖5 40107工作面涌水與進(jìn)尺、時間及周期來壓關(guān)系Fig.5 Relationship between water inrush and footage， time and period of pressure in 40107 working face

3.3.3 離層水害防治措施

離層水害是大佛寺煤礦防治難度最大的水害類型。由于該類水害出水時間、涌水量均不可預(yù)測，瞬時流量大，加之洛河組含水層作為其充水水源，發(fā)生次數(shù)極為頻繁。

通過結(jié)合相關(guān)科研單位的研究成果與實際探索，大佛寺煤礦對于離層水害問題，主要采取以下防治水措施：①井下直流電法勘探查明頂板富水異常區(qū)；②加強(qiáng)工作面排水能力；③加強(qiáng)礦壓監(jiān)測與工作面涌水量預(yù)測；④地面水文長觀系統(tǒng)做好洛河組水位動態(tài)監(jiān)測；⑤分析預(yù)測出水時間與水量變化，及時做好工作面排水工作。

3.3.4 典型案例

40107工作面回采過程中受到嚴(yán)重的離層水害影響。從工作面開始回采到118 m時開始出水，面上涌水量逐漸增大。截至2015年9月29日，工作面回采至1 044 m，發(fā)生明顯出水12次，最大瞬時涌水量約1 000 m3/h，嚴(yán)重影響了工作面正常生產(chǎn)。

鑒于40107工作面嚴(yán)重的離層水害現(xiàn)狀，運用礦井總結(jié)得出的防治水措施，提出如下治理方案：①通過井下直流電法勘探初步探查頂板富水異常區(qū)；②結(jié)合礦壓資料分析工作面出水規(guī)律并預(yù)測后續(xù)出水時間；③加強(qiáng)工作面排水系統(tǒng)，通過增加管路和水泵，運順和回順排水能力均達(dá)到1 000 m3/h，保證排水；④工作面波浪式推進(jìn)，人工調(diào)整工作面層位干預(yù)采空區(qū)進(jìn)入運順?biāo)俊?/p>

通過采取相關(guān)措施，40107工作面在2015年10月11日再次出水，水量達(dá)到600 m3/h且持續(xù)了6 d，40107工作面實現(xiàn)了順利排水并且完全未受到出水影響。

4 結(jié)論

(1)通過系統(tǒng)分析大佛寺礦井水文地質(zhì)條件并結(jié)合開采實踐，得出影響礦井開采的主要水害類型包括洛河組含水層水害、老空區(qū)水害、離層水害3種水害。

(2)分析總結(jié)各種水害的形成機(jī)理、表現(xiàn)特征，結(jié)合現(xiàn)場防治水經(jīng)驗，提出各類型水害相應(yīng)的防治措施，并對典型案例進(jìn)行論述。