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平煤股份朝川矿底板灰岩承压水防治策略研究与实施 摘要：华北地区二1煤开采过程中，其底板太原组、奥陶系（寒武系）灰岩承压水一直是困扰煤矿安全生产的一个重大隐患，制约着煤矿企业的发展。该文对平煤股份朝川矿水文地质进行了具体的介绍，同时对底板灰岩承压水防治策略和实施方案进行阐述，具有一定借鉴意义。 下载 关键词：水文 地质 承压水 实施 1 平煤股份朝川矿水文地质概况 朝川矿区出露有古生界寒武系、石炭系、二叠系、新生界第三系、第四系。朝川矿主要含水层、隔水层、水文地质类型如下： 1.1 主要含水层 根据含水层富水性以及与可采煤层的关系共划分为九个含水层(组)，自下而上依次为：寒武系中上统灰岩白云岩岩溶裂隙含水层(组)，石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙含水层（庚煤组含水层），己16-17煤顶板砂岩裂隙含水层(组)、戊煤组顶部砂岩裂隙含水层(组)，丁煤组顶部砂岩裂隙含水层(组)，二叠系上统平顶山砂岩裂隙含水层(组)，石千峰段砂岩裂隙含水层(组)，第三系砂砾岩含水层(组)，第四系松散沉积物孔隙含水层(组)。对朝川一井矿井充水起主导作用是煤层底板的太原组灰岩岩溶水和构成煤层基底的寒武系白云岩岩溶水。 1.2 主要隔水层 一是太原组底部铝土岩隔水层，二是太原组顶部隔水层，三是第三系泥岩隔水层。 1.3 水文地质类型 朝川矿下属三对生产矿井，一井开采二1煤层，产量0.45Mt/a；二井开采四3、五2煤层，产量0.6Mt/a；三井开采二1、四3煤层，产量0.3Mt/a。根据平煤股份公司2010年批复的水文地质类型，朝川矿一井为极复杂，二、三井为中等。 矿区岩溶水是一个相对独立的水文地质单元，有独立的补给、迳流和排泄条件（图1）。矿区为一弧形单斜构造，弧顶向南，由总厚300m的中寒武统毛庄组、下寒武统馒头组泥岩、泥灰岩、钙质砂岩组成，构成相对隔水边界。北侧的刘洼弧形正断层，落差超过1000m，南升北降，下盘寒武系灰岩与上盘三叠系地层对接，形成阻水边界。石炭、寒武系岩溶裂隙含水层呈条带状裸露于两翼南侧，出露面积15km2，是岩溶水补给区。刘洼弧形正断层是岩溶水阻水边界，且断层北岩溶裂隙含水层深埋于第三和第四系地层之下，深部岩溶不发育，形成岩溶水的滞流带。地下水总体上由西向东、由南向北迳流，在张村井田、牛庄井田以及三里寨井田以矿井排水的形式被排出地表。 2 底板承压水水害综合防治技术 2.1 防治水工作现状 2.1.1 朝川矿区岩溶水系统四周边界基本清楚，北部为岩溶含水层深埋边界，岩溶不发育，属于不导水边界；东南部为寒武系灰岩条带状露头区边界，接受大气降水入渗补给，属于开放性边界；南部为石炭系灰岩和寒武系灰岩隐伏露头边界，接受第四系孔隙水的越流补给；东部为F1断层，属于导水边界。 2.1.2 朝川矿区岩溶水是一个相对独立的水文地质单元，有独立的补给、迳流和排泄条件，张村井田、牛庄井田以及三里寨井田同属一个水文地质单元。张村井田靠近西南部的补给区，在区域岩溶水补给迳流带上，三里寨井田（主要是朝川一井、二井、三井）远离西部的补给区，属于矿井排水的排泄区，牛庄井田处于岩溶水深部迳流的滞缓区。 2.1.3 岩溶水主要赋存于寒武系厚层白云岩和石炭系薄层灰岩岩溶裂隙含水层中，厚度700m，岩溶裂隙发育，有利于岩溶水的赋存。寒武系出露于矿区东南部，出露面积仅15km2，接受大气降水补给但补给量有限。张村矿-朝川矿为岩溶水迳流排泄区，天然条件下，岩溶水在灰岩隐伏露头区以顶托越流形式补给第四系孔隙水，目前以矿井排水形式向外排泄，朝川一井是岩溶水排泄中心。 2.1.4 岩溶水主要补给来源为大气降水入渗、朝川水库渗漏和朝川河水渗漏，以矿井排水形式排泄。根据均衡计算，20世纪80-90年代，岩溶水平均补给量为850 m3/h，目前由于河道迳流量不足100m3/h，岩溶水补给量在625m3/h左右。目前，朝川一井岩溶水排水量在1000m3/h左右，超过岩溶水补给量，岩溶水位持续下降。 2.1.5 岩溶水位主要受朝川一井排水的影响，整个矿区岩溶水连通性好，水位呈平盘式下降，水位标高已经由30年前的+160+185m降至目前的-160-240m。 2.1.6 朝川一井煤层底板石炭系薄层灰岩岩溶裂隙发育，富含岩溶水，水压高，石炭薄层灰岩和寒武系灰岩水力联系密切。矿井直接充水源为石炭系L2岩溶水，间接充水水源为寒武系岩溶水。充水通道主要是岩溶裂隙及采动造成的裂隙。由于煤层底板隔水层厚度平均只有9m，底板采动破坏深度超过隔水层厚度，导致底板岩溶水水害严重。综合张村和朝川矿水文地质特征，参照煤矿防治水规定中的矿井水文地质类型划分标准，朝川矿属于水文地质条件复杂的矿井。 2.1.7 朝川矿进入二1水平开采以来，矿井水文地质条件出现了新的特点，表现在：岩溶发育程度变弱，不均匀性更强；朝川河水因迳流量减少，河水渗漏补给地下水量大幅度减少；岩溶裂隙富水性变弱，可疏放性增强，但由于岩溶裂隙发育变弱和极不均匀，泄水孔的布置更加困难。 2.1.8 朝川一井主付斜井两翼水文地质条件的差异依旧存在，目前西翼水位-240m，而东翼水位-20-40m，水位相差200m。根据现有地质资料分析，东翼和西翼岩溶水迳流方向不同，东翼岩溶水来水方向是东部，并很可能与F1断层导水有关，而西翼岩溶水来水方向主要是西南，补给区在张村井田西南部。 2.1.9 在朝川矿区岩溶水水文地质单元中，张村矿处在系统补给迳流区，并靠近补给区，朝川矿处在系统的排泄区，各矿水害和防治水对策不尽相同。张村井田水文地质条件复杂，但受朝川一井多年排水的影响，水位最低已经降至-160m。疏水难度大，如能实施截流可以切断岩溶水向张村、朝川一井、牛庄迳流量，降低排水费用，降低水害对开采的不利影响。朝川矿在排泄区，疏水降压是其重要的防治水措施，可以起到为整个矿区泄水降压的作用。 2.1.10 朝川一井多年的防治水实践表明，以疏水降压为核心的综合防治水技术措施，对于实现复杂水文地质背景下安全生产起到了重要作用。矿区岩溶水补给量（动储量）有限，可疏放性好，且随着开采深度的加大，岩溶裂隙含水层富水性变差，更易于疏放。因此，以疏水降压为主，疏堵结合应作为朝川矿防治岩溶水水害重要措施。 2.2 疏水降压技术及其应用 2.2.1 -150水平泄水工程。2000年5月开始，在主副斜井西侧施工完成了-150m泄水巷，总长250m，布置6个钻窝，29个泄水孔总泄水量900m3/h，在其中只有7个泄水孔水量较大，其它孔水量很小或属于干孔。为增大泄水量，2001年3月8月再次施工9个泄水孔，终孔层位为太原组灰岩，用以疏放煤层底板的太原组灰岩岩溶水。 2.2.2 -250水平泄水工程。2003年7月，一井250水平主排水系统形成后，东西两翼水闸门及泄水巷施工进度缓慢，位于180m水平以上的己161721080工作面无法开工。为缓解接替紧张的局面，在250水平布置了提前泄水降压工程。在东西两个水闸门之间的井底车场巷道内，从己组煤顶板向石炭系打钻，通过钻孔控制提前泄水降压，把岩溶水水位降至160m标高，保证工作面的安全掘进。 2.2.3 泄水降压效果。自2000年5月-150临时泄水巷开始泄水，至2003年底-250工程尚未开始泄水前，岩溶水水位由泄水前的0m降至-120m，该水平以上的工作面实现了安全开采。2003年-250水平开始泄水以来，至2008年底水位降至-230m。疏水降压效果非常显著，基本实现了不带压或安全带压开采，保障了安全生产。 2.3 工作面底板含水层注浆加固技术 工作面煤层底板注浆加固和含水层改造技术，就是沿工作面巷道大面积布置注浆钻孔，通过注浆钻孔注浆来充填底板灰岩含水层的岩溶裂隙和导水裂隙，从而大大减弱含水层的富水性并切断水源补给通道，使受注含水层被改造为不含水或弱含水层，同时亦增强了煤层底板隔水层的强度，实现工作面不突水开采。底板含水层改造注浆工程都具有面状注浆性质，工程量较大。为减少钻探工程量，多采用井下施工方法。有时可采用井上下联合注浆系统，即在地面建立造浆系统，在井下施工注浆孔。根据水文地质条件选择合理的注浆加固层位，可以对薄含水层注浆加固，也可以对隔水层导水带进行注浆加固。底板加固和含水层改造是目前预防工作底板突水和减少排水量的重要防治水措施，技术上也已经成熟，在全国许多煤矿已经普遍使用，均取得显著效果。 己16-17-21070工作面位于朝川矿一井二水平暗主、副斜井以东，己16-17-21050工作面以北，第五勘探线以西，以北为未采动区,采面后段位于二水平东翼泄水巷的上部，间距10m。工作面走向长752m，倾斜宽95m，煤层厚度平均3.5m，倾向337-359，煤层倾角平均18。根据风巷和二水平东翼泄水巷探水揭露资料分析，该工作面中部有三条落差015m左右的正断层，另外切眼东部有一条落差28m左右正断层。水文地质条件比较复杂，主要充水水源是底板灰岩岩溶水。在工作面西部200m范围内，依据二水平井底车场测压孔推测，最低处承受水压为0.2Mpa；工作面中部依据东翼泄水巷2号孔水位推测，承受水压为0.33Mpa；工作面东部依据东翼泄水巷迎头3号孔水位推测，承受水压为0.39Mpa。根据距工作面200m的4-99孔和水1孔，钻孔资料显示该工作面区域内煤层底板隔水层厚度分别为11m、9m，推测该区域内平均隔水层厚度为9.52m。为了保证带压条件下安全开采，2008年初对工作面含水层进行了注浆加固改造。 2.4 水文地质勘探与试验 我国许多煤矿区受煤层上部含水层和下部岩溶水的威胁严重，突水和淹井事故时有