崔少北 李曉斌
(河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,河南 焦作 454000)
我國煤礦礦床分布范圍廣泛,儲量豐富,煤田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,煤礦含煤巖系水文地質(zhì)環(huán)境多變,地表水、老空水、沖積層水和底板水等各種類型的水害俱全,無論是受水威脅的面積、類型,還是水害威脅的嚴(yán)重程度,都為世界罕見[1]。這些條件決定了礦井在開采該煤系煤層時礦井充水強弱、水害類型以及水害防治的方法和技術(shù)等問題[1,2]。
礦井發(fā)生水害的因素眾多,礦井水害類型也較為復(fù)雜,不同的突水、涌水機理及綜合因素有不同的礦井水害類型劃分[3]。為了防止煤礦水害事故的發(fā)生,保障礦井安全生產(chǎn),國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局頒發(fā)了《煤礦防治水規(guī)定》(2009年12月1日起施行,以下簡稱《規(guī)定》)。依據(jù)《規(guī)定》全面分析了山西生輝礦井的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,查清礦井地質(zhì)構(gòu)造特征等水文地質(zhì)影響因素,對水文地質(zhì)類型進(jìn)行了劃分,為制定切實可行的防治水規(guī)劃和治理方案提供依據(jù)。
《規(guī)定》第十一條規(guī)定,根據(jù)礦井受采掘破壞或者影響的含水層及水體、礦井及周邊老空水分布狀況、礦井涌水量或者突水量分布規(guī)律、礦井開采受水害影響以及防治水工作難易程度,礦井水文地質(zhì)類型劃分為簡單、中等、復(fù)雜和極復(fù)雜等4種[2,3]。依據(jù)《規(guī)定》,通過對山西生輝煤礦水文地質(zhì)特征、充水因素及充水機理的分析,確定了該井田水文地質(zhì)條件類型,為礦井安全生產(chǎn)奠定水文地質(zhì)安全保障基礎(chǔ)。
礦區(qū)范圍內(nèi)有向斜、背斜等構(gòu)造穿越礦區(qū),溝底有2號煤層露頭。礦區(qū)地表受雨水沖刷形成較大沖溝,走向由南向北,具有季節(jié)性流水。礦區(qū)內(nèi)NE向傾寬緩褶曲的單斜構(gòu)造是地下水主要的補給途徑,特別是二疊系下石盒子組地層在地表大面積出露,是地下水補給的主要通道。礦區(qū)地下水的排泄受構(gòu)造控制,在適宜地區(qū)以地面明泉的方式排出地表。地下水儲水巖層砂巖體的分布特點是:含水砂巖分布不穩(wěn)定,經(jīng)常出現(xiàn)相變、尖滅;地形切割破碎嚴(yán)重,地下水補給量有限,易于排泄。地貌屬侵蝕強烈的中低山地貌,煤層露頭較為發(fā)育,沿露頭開采的小窯形成的采空區(qū),致使淺部的2號和3號煤層與地表水力聯(lián)系較大。礦井周邊小窯等可能會通過斷層、陷落柱等不良地質(zhì)構(gòu)造與10(含9,11)號煤層產(chǎn)生著水力聯(lián)系。
據(jù)《規(guī)定》,礦井水文地質(zhì)分類及水害影響程度按5類主要影響分析和評價,即受采掘破壞或影響的含水層及水體、礦井及周邊老空水分布狀況、礦井涌水量、突水量Q3(m3/h)、開采受水害影響程度、防治水工作難易程度,其中受采掘破壞或影響的含水層及水體再分為含水層性質(zhì)及補給條件和單位涌水量q(L/(s·m)),礦井涌水量(m3/h)細(xì)分為正常涌水量Q1和最大Q2等。
該礦受采掘影響的直接含水層主要為太原組K4,K3,K2石灰?guī)r溶隙含水層,顏色為深灰色、灰色,層狀構(gòu)造,總厚可達(dá)40.09 m,K2石灰?guī)r為10號煤層直接充水含水層,也是太原組的主要含水層,深灰色,巖性為致密、堅硬性脆石灰?guī)r,石灰?guī)r裂隙較發(fā)育,溶蝕破壞嚴(yán)重,屬巖溶弱富水性溶隙含水層。
該礦歷史曾開采2號和3號煤,有老空區(qū)積水存在,目前開采的10(含9,11)號煤層,采高6.5 m,離2號煤距離約85 m,必須計算10(含9,11)號煤的導(dǎo)水裂縫帶高度,其目的是判斷煤層開采后覆巖破壞所產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶是否波及到采空區(qū)積水的底界面。按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(簡稱“三下”采煤規(guī)程)計算:
因此,根據(jù)以上類比關(guān)系,在綜放條件下,煤業(yè)的10(含9,11)煤覆巖中硬類型導(dǎo)水裂縫帶高度為71.3 m,覆巖堅硬類型條件下導(dǎo)水裂縫帶高度可達(dá)到103.4 m,已經(jīng)波及到了2,3煤采空區(qū),采空區(qū)的積水對10煤層的采掘造成水災(zāi)威脅,見圖1。
按照礦井單位涌水量方面評定標(biāo)準(zhǔn),礦井水文地質(zhì)類型為簡單型。但由于礦井范圍內(nèi)2煤層已采空,10(含9,11)號煤層離2煤距離約85 m,開采形成的裂隙帶已經(jīng)波及2煤采空區(qū),故采空區(qū)的積水已經(jīng)威脅了10(含9,11)號煤層的生產(chǎn)安全。由此,該礦水文地質(zhì)條件劃分應(yīng)為復(fù)雜型。
該礦井由原7個小礦井整合而成,原礦井主要采掘2號,3號煤層。雖然礦方就井田范圍內(nèi)的小窯進(jìn)行過專項調(diào)查和勘查,已經(jīng)基本掌握大部分小窯的位置及其老空區(qū)的分布狀況、范圍和積水量等,但是尚有少量小窯不能確定其開采的范圍及采空區(qū)積水情況。2號、3號煤層采空積水通過采掘引起的導(dǎo)水裂隙帶對10(含9,11)號煤層工作巷道以及工作面產(chǎn)生影響。根據(jù)《規(guī)定》,該礦的10(含9,11)號煤層老空區(qū)影響的水文地質(zhì)條件為復(fù)雜型。
通過分析水文地質(zhì)觀測資料,礦井正常涌水量為220 m3/d,實際最大涌水量達(dá)到800 m3/h。另外,該礦在整合以前曾發(fā)生過一次突水事故,最大突水量達(dá)到1 500 m3/d,持續(xù)10 d,淹了掘進(jìn)工作面,無人員傷亡。整合后煤礦至今已抽排水量44萬m3左右(共500 d)。由此,根據(jù)《規(guī)定》,礦井水文地質(zhì)類型應(yīng)劃分為簡單型,但由于考慮到曾發(fā)生過突水事故,且突水量較大,故將其劃分為中等型。
根據(jù)該礦資料分析,該礦工作面、采掘面、巷道等曾受過一次水害影響,淹沒了部分設(shè)施。煤層有輕緩起伏,一旦發(fā)生水害,必然造成工作面淹沒等安全事故,影響面廣、損失較大。因此,盡管礦井建立了相對完善的防水設(shè)施,根據(jù)《規(guī)定》開采受水害影響程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)和劃分標(biāo)準(zhǔn)就高不就低的原則,開采受水害影響程度應(yīng)為復(fù)雜型。
礦方曾對周邊小煤窯、老窯、積水區(qū)、采掘情況、地表裂縫、塌陷情況進(jìn)行了調(diào)查,對開采工作面上方2號煤采空區(qū)積水狀況以及含水層的狀況進(jìn)行了探測。由于年代久遠(yuǎn),資料不詳?,F(xiàn)采掘的10(含9,11)號煤層易受到采空區(qū)積水的影響,礦井涌水量較大。根據(jù)水文地質(zhì)類型劃分方法,對于偶發(fā)的水害事故(如老空突水)防治水工程量較大,難度較高,礦井水文地質(zhì)類型屬于復(fù)雜型。
綜合考慮礦井水文地質(zhì)類型劃分的依據(jù),按《規(guī)定》要求的就高不就低的原則,山西生輝煤礦的水文地質(zhì)類型劃分應(yīng)為復(fù)雜類型。礦井水害防治以“預(yù)測預(yù)報,有疑必探,先探后掘,先治后采”為原則,落實適合本礦井的綜合水害治理措施。對該礦來說,采掘工作面受老空積水的威脅。對該礦在防治水方面需開展的工作提出如下建議:
1)井田范圍存在原老窯井口,需加強對地面老窯井口的封堵工作,以防雨季溝谷積水通過老窯井口灌入井下導(dǎo)致水害。
2)綜合使用各種地面物探方法對礦區(qū)內(nèi)未查明賦水情況的地區(qū)進(jìn)行探測,查明老空區(qū)積水情況,為礦井探放水和防治水工作提供指導(dǎo)。
3)礦方在采掘10(含9,11)號煤層時,受到老空水的影響,在井下采取超前和頂板富水物探和鉆探手段,防治水害發(fā)生,并根據(jù)探測結(jié)果鉆孔疏放老空水。
4)礦井已有水文地質(zhì)鉆孔較少,未能反映該地區(qū)的整體水文狀況。建議補充水文鉆孔,詳盡掌握礦區(qū)水文條件,提高礦井防治水效果。
5)加強各個崗位人員防治水培訓(xùn),提高礦井管理人員及井下作業(yè)人員防治水意識、防治水技術(shù)水平。