河南千秋煤矿水害特征与防治技术.docx

河南千秋煤矿水害特征与防治技术杜东见 1，马献超 2（1.义 马 煤 业 集 团 河 南 大 有 能 源 股 份 有 限 公 司 机 电 设 备 租 赁 站 ，河 南 义 马 472300；2.义 马 煤 业 集 团 义 马 煤 炭 技 工 学 校 ，河 南 义 马 472300）摘 要 ：千 秋 煤 矿 多 种 水 害 并 存 ：在 井 田 浅 部 ，矿 井 主 要 水 害 为 地 表 水 、小 窑 水 ；随 着 采 掘 活 动 向 深 部 转 移 ，矿 井 主 要水 害 亦 转 为 顶 板 砂 砾 岩 水 。 在 总 结 该 矿 水 文 地 质 条 规 件 及 水 害 特 征 的 基 础 上 ，分 析 了 矿 井 的 充 水 因 素 ，近 而 提 出 了 不 同 水 害 的 防 治 措 施 ：小 窑 水 和 地 表 水 ，应 采 用 充 填 小 煤 矿 河 床 采 场 与 地 表 塌 坑 和 裂 缝 ，封 填 小 煤 窑 井 筒 ，建 筑 防 水 闸 墙 ，地 面 瞬 变 电 磁 勘 探 圈 出 疑 似 积 水 区 域 ，并 进 行 钻 孔 验 证 ，然 后 再 进 行 疏 放 等 措 施 ；顶 板 砂 砾 岩 水 ，可 采 用 井 上 、 下 物 探 圈 出 富 水 和 构 造 区 域 ，进 行 采 前 钻 孔 预 疏 放 ，完 善 排 水 系 统 等 措 施 。 关 键 词 ：矿 井 突 水 ；顶 板 水 ；防 治 措 施 ；千 秋 煤 矿中 图 分 类 号 ： TD745.2文 献 标 识 码 ： AWater Hazard Features and Controlling Techniques in Qianqiu Coalmine, HenanDu Dongjian1, Ma Xianchao2(1. Electromechanical Equipment Rental Station, Henan Dayou Energy Co. Ltd., Yima Coal Group, Yima, Henan 472300;2. Yima Coal Industry Vestibule School, Yima Coal Group, Yima, Henan 472300)Abstr act: The Qianqiu coalmine has multiple water hazards: in the shallow part of the minefield, water hazards are mainly fromsurface water and small coalmine water; along with mining deepening, mainly roof sandstone and conglomerate water. Based on sum- up of the coalmine hydrogeological condition and water hazard features, analyzed coalmine water filling factors, and then provided controlling measures for different water hazards. To small coalmine water, should fill up channel mining sites and surface subsided hollows and fissures, close up small coalmine shafts, construct water proof dam, using surface transient electromagnetic prospecting and circle out suspected ponding areas, then drilling verifying, carry out dewatering and other measures. To roof sandstone and conglomerate water can use surface and underground geophysical prospecting and circle out water rich and structure developed areas, carry out measures including pre-mining borehole preliminary dewatering, perfecting water drainage system etc.Keywords: mine water bursting; roof water; controlling measures; Qianqiu coalmine0概况千秋煤矿位于河南省义马市南部，于 1955 年建节性河流涧河、石河从矿区浅部穿过。矿区主要开 采侏 罗 系 中 统 义 马 组 2-1 煤 层 和 2-3 煤 层 ，两 层 煤 在 井 田 深 部 合 并 ，称 为 2 煤 ，合 并 区 最 大 煤 厚 37.48m， 平均 14m 以上。目 前 ，矿 井 一 水 平 已 回 采 结 束 ，生 产 集 中 在 21 采区，最大采深近 900m。 煤层直接顶是泥岩，一般厚 度 20 余 m，为隔水层；基本顶主要 由巨 厚 砾 岩 组 成 ， 厚度数百 m；煤层底板为砂质泥岩、砂岩 、底 砾 岩 等 。井 ，1958 年 投 产 ，设 计 能 力 为 60 万 t/a，后 经 多 次 技术 改 造 和 扩 建 ，现 生 产 能 力 达 到 210 万 t/a，是 义 马 煤业集团河南大有 能源股份有限公司大型骨干矿井 之一。该矿位于义马煤田中东部，东、西分别与北露天 矿 、 耿 村 矿 相 连 ， 南 部 与 跃 进 矿 相 邻 ， 西 南 部 以 F16 逆断层为界（图 1），面积约 18km2。 矿内岩 层 整 体 上 向 南 偏 东 方 向 倾 斜 ，倾 角 914；受 F16 逆 断 层 推 覆 作用影响，南部边界处岩层弯曲倒转。该区地表为低 山 丘 陵 ，高 程 437671m，沟 壑 纵 横 ，冲 沟 发 育 ，季多年平均矿井涌水量 260m /h。矿井水文地质 类型为中等。31 矿井水害20 世 纪 90 年 代 之 前 ， 矿 井 生 产 主 要 集 中 在 一 水平，受小窑水、地表水和大气降水威胁严重。 近 10 多 年 来 ，矿 井 生 产 转 入 二 水 平 ，顶 板 水 灾 多 次 出 现 ， 成为影响工作面正常生产的最主要水害因素， 甚 至 威胁到采区安全。 其中，2004 年 5 月，21181 工 作 面作 者 简 介 ：杜 东 见 （1965）， 河 南 伊 川 人 ， 工 程 师 ， 从 事 煤 矿 技 术 工作 。 收 稿 日 期 ：2012-06-01 责 任 编 辑 ：樊 小 舟图 1 千 秋 煤 矿 平 面 位 置 图Figure 1 Qianqiu coalmine location map3910 期杜 东 见 ，等 ：河 南 千 秋 煤 矿 水 害 特 征 与 防 治 技 术Na 型 ， 上 部 为 HCO3 Ca 型 。 K 0.2 1.757m/d，q =0.06260.178L/（sm）。 该含水层连通性差，在井田南 部局部 出露，可接受大气降水直接补给，矿井疏水是其主要排泄方式。2.2.3 新近系泥灰岩岩溶承压 含水层厚 度 023m，平 均 5.5m。 水 质 类 型 为 HCO3Ca 型。K1.227m/d，q=0.069 5L/（sm）。 该含水层接受大 气降水和第四系潜水补给，季节性变化大，目前人工 取水是其主要排泄方式。2.2.4 第四系底部卵石 潜水含水层Ca 型。 接受大厚度小于 2m，水质类型为 HCO3回 采 180m 后 发 生 顶 板 突 水 ， 最 大 涌 水 量 160m3/h，淹没巷道 200m，工作面停产 5d；2011 年 8 月 ，21172 综采工作面发生顶板涌水，最大涌水量达 到 300m3/h 以 上 ，涌 水 量 长 期 保 持 在 200m3/h 以 上 ，累 计 涌 水 量 已 近 200 万 m3，严 重 影 响 着 工 作 面 正 常 生 产 。 由 于 之 前 21 采 区 设 计 排 水 能 力 不 足 300m3/h，21172 工作面顶板突水还威胁到采区安全。因此，进行煤矿的水害分析和防治水研究意义巨大。气降水、河水补给，富水性较强，但季节性变化大。2.3 主要隔水层为中侏罗统义马组 2 煤顶板泥岩隔水层。厚度4.442.2m，平均 27.0m，为 2 煤直接顶板。 掘 进 巷 道对围岩的破坏有限， 该隔水层能阻止上覆含水层 水 涌 入 ，起 到 良 好 隔 水 作 用 ；工 作 面 回 采 后 ，上 部 导 水 裂隙可穿过该层延伸至上覆含水层， 其阻隔水作 用 有限。2矿井水文地质条件3矿井充水因素分析2.1 大气降水和地表水矿 区 多 年 平 均 降 水 量 670mm，55%的 降 水 集 中 在 79 月份。 石河常年干涸，雨季最大流量 100L/s； 涧河枯水季节有时干涸，常年流量 不 足 5L/s，最 大 流 量曾达1 446.5L/s。 大气降水和地表水主要透过矿区 浅部小煤矿采后所形成的地 表裂隙、塌坑、采场以及 滥采乱挖所形成的人工导水通道而向千秋矿起充水 作用。 随着小煤矿关停，地表裂隙、塌坑和采场的连 年治理以及千秋矿生产向深部转移， 大气降水和 地表水对矿井的充水作用明 显减弱。2.2 主要含水层2.2.1 中侏罗统砂（砾）岩裂隙承压含水层距 煤 层 顶 板 2030m，岩 性 为 细 砂 岩 、砂 质 泥 岩与砾岩，砾石以石 英岩、石英砂岩和石灰岩为主。 含水层厚度小于 60m， 采后可通过导水裂 隙 直 接 进 入3.1 大气降水矿井在一水平生产时， 采深一 般 不 足 300m，采 后 顶 板 导 水 裂 隙 向 上 延 伸 可 沟 通 上 覆 新 近 系 泥 灰 岩 、第四系松散层甚至地表，大气降水可透过导水裂隙形成的导水通道或以新近系、 第四系潜水渗漏 的 方式向矿井充水， 使得矿井涌水量在 20 世纪 90 年 代之前表现为明显的季节性特征。 随着矿井生产向 深部转移和井田浅部地表塌坑、 裂缝的连年充填 治 理，大气降水对矿井的充水作用趋于减弱；加之矿井生 产 转 入 二 水 平 后 ，采 深 普 遍 在 500m 以 上 ，采 后 顶 板 导 水 裂 隙 远 离 新 近 系 、 第 四 系 含 水 层 和 地 表 ，所 以 ，目前矿井涌水量和大 气降水间关系已不明显。3.2 地表河水涧河、石河为季节性河流，是井田内的主要地表水体。 由于矿井留设有足够的防水煤柱，涧河、石河本 来 不 对 矿 井 起 直 接 充 水 作 用 ； 但 由 于 20 世 纪 80 年代部分小煤矿在河道露天开采、 在河床建矿或 在 河下滥采乱挖，破坏了防水煤柱的防隔水功能，造成工作面，是矿井直接充水含水层。 水质类型为 HCO3NaCa 型 。 渗 透 系 数 K0.01730.032 2m/d，单 位 涌水量 q=0.005 90.006 22L/（sm），富水性弱。 该含水层以静储量为主，连通性差，主要在浅部露头区接受 大气降水和河水补给，与上部含水层联系较弱，目前 矿井疏水是其排泄的主要方式。2.2.2 上侏罗 统巨厚砾 岩裂隙承压含水层厚 度 96600 余 m，砾 石 以 石 英 砂 岩 、石 灰 岩 为主，分选性差。大部分区 域胶结性好，富水性弱；局部当 期 地 表 水 对 矿 井 充 水 作 用 明 显 。1996 年 7 月 11日，因小煤矿在石河河 床露天开采，浅部小煤窑沟通了露天采场和千秋矿采空区， 洪水漫入小露天矿 坑后 ， 沿 小 煤 窑 之 间 相 互 连 通 的 导 水 通 道 ， 最 后 从+320m 运 输 大 巷 三 风 眼 突 出 ，最 大 涌 水 量 1 656m3/h，导致矿井停产 24h，险些造成淹井事故。 随着小煤窑地段裂隙发育，富水性较好。 水质类型下部为 HCO3中 国 煤炭 地 质第 24 卷40报 废 停 产 和 河 床 塌 坑 、裂 缝 的 连 年 充 填 治 理 ，当 前 ，地表水对矿井的充水作用有限 。3.3 小窑水据 统 计 ，千 秋 井 田 内 共 有 小 煤 矿 （窑 ）200 多 个 ， 有 记 录 的 60 多 个 。 20 世 纪 90 年 代 之 前 ，矿 井 在 浅 部 生 产 ，与 小 煤 矿 采 空 区 相 邻 ，受 到 小 窑 水 威 胁 ；小煤矿与千秋矿采掘场所连通点多达几十处， 小窑 水曾是千秋矿的重要充水因素。现在，矿井生产已转向深部 21 采区，并随着小煤窑报废、关停和封填，小窑 水的威胁趋于减弱。但井田浅部采掘边界不清、积水 情况不明的庞大的小煤窑采空区， 仍对千秋矿构 成 潜在的水灾隐患。3.4 顶板水矿井在一水平生产时，顶板水充水作用较弱，没 有发生过顶板突水灾害， 顶板水不曾对工作面正 常 生产造成影响。矿井转入二水平生产时，多个工作面 发生过顶板突水，严重影响工作面正常生产，甚至威胁工作面和采区安全。 其中 21181 和 21172 工作面分 别 于 2004 年 和 2011 年 发 生 过 顶 板 突 水 事 故 ，造 成了较大的经济损失。分析认为，深部顶板水害增加 的主要原因是：深 部 采 区 靠 近 F16 逆 断 层 并 处 于 义 马 向 斜 核部，顶板砂（砾）岩裂隙较浅部发育，富水性较浅部 强。 深 部 煤 层 顶 板 砾 岩 厚 度 增 加 ， 普 遍 超 过400m，裂隙相对发育的巨厚砾岩储水能力较强。深 部 采 区 中 、小 型 断 裂 构 造 既 为 砂 （砾 ）岩 层赋 水 创 造 了 条 件 也 沟 通 了 上 下 含 水 层 （组 ），并 成 为导水通道。采后导水裂隙成为上覆砾岩含水层承压水涌入工作面的导水通道。采用放顶煤开采工艺，最大采煤厚度超过 20m，对顶板破坏较大。 分别利用坚硬岩 石 （公 式 1）和 中 硬 岩 石 （公 式 2）计 算 采 后 顶 板 导 水 裂隙发育最大高度如下：砾岩含水层进入工作面的导水通道。顶板突水初期 ，水 质 类 型 一 般 为 HCO3 NaCa 型 ， 随 着 涌 水 量 大 量增 加 ，其 水 质 则 往 往 转 化 为 HCO3 Ca 型 。从 而 说 明突水初期水源主要来自中侏罗统砂（砾）岩裂隙含水层，后期则以上侏罗统巨厚砾岩含水层为主。这也是 工作面发生顶板突水后， 涌水量长期保持稳定的 主 要原因。4 主要防治技术4.1 大气降水和地表河水重 点 对 涧 河 和 石 河 的 河 床 、+320m 大 巷 以 浅 对应地表进行定期巡查，发现塌坑、裂缝等应及时充填 治理并夯实；汛期，应加密进行。对流经矿区的涧河 、 石河河 段应进行疏导整治。 石河内小露天矿坑应充 填。4.2 小窑水井 田 内 的 200 多 个 小 煤 矿 已 全 部 停 产 或 关闭 ，其井筒应全部彻底充填封闭，避免汛 期洪水从小煤矿井筒导入千秋矿。采用地面瞬变电磁勘探等方法探查小煤窑积 水 区 域 ，并 进 行 钻 探 验 证 ；若 有 突 水 危 险 ，应 采 用 钻 探等手段进行疏放。4.3 顶板水采用地面和井下瞬变电磁勘探等方法对生产采区顶板富水性进行探测 ，圈出疑似富水区域。工作面回采之前， 对疑似顶板富水区可采 用 超前钻孔预疏放， 以减轻回采过程中顶 板水对生 产 的影响。工作面防排水应立足运输巷（下巷）。运输巷尽可能实现正坡度掘进，始终保持里高外低，避免顶板涌水后淹巷或淹工作面。工作面采前应构成 完善的排水系统， 并有 足够的排水能力。根据经验，放顶煤工作 面配备的排水能力应不低于 500m3/h；采区和矿井排水能力也 需 要相应提高 。Hf= 100M 2.4n+2.1 +11.2 ，（1）5 结语千秋煤矿多种水害并存， 曾因小煤矿在河道 露 天采煤、在河床下滥采乱挖导致汛期河水溃入停产； 但 随 着 生 产 向 深 部 转 移 ，顶 板 砂 （砾 ）岩 水 成 为 矿 井 防治水工作的 重点和难点。 防治大气降水和地表水 危害，可采取封填地表塌坑、裂缝等措施。 防治小窑 水， 应通过调查、 物探等手段探查小窑水的分布 区 域 ，采取“疏”或“堵”的办法，即通过钻探手段验证积 水并疏放，也可在合适地段施工防水闸墙。防治顶板 水 ，可 立 足 于 “排 ”，完 善 工 作 面 、采 区 以 及 矿 井 排 水Hf= 100M 3.3n+3.8 +5.1 ，（2）式 中 Hf 为 导 水 裂 隙 带 发 育 最 大 高 度 ，m；M 为 开 采厚 度 ，取 20m；n 为 开 采 层 数 ，由 于 采 用 一 次 采 全 高 工艺，取 1。经计算， 采后顶板导水裂隙发育最大高度分 别为 374.8m、286.8m， 而 直 接 顶 板 泥 岩 隔 水 层 最 大 厚 度仅 42m，平均 27m。 因而，导 水 裂 隙 不 仅 通 过 上 覆 中侏罗统砂（砾）岩裂隙含水层（平 均 厚 度 210m），而 且向上延伸可进入上侏罗统巨厚脆性砾岩层， 成 为图 2 岱 河 矿 煤 层 涌 水 水 源 判 别 模 式 Figure 2 Daihe coalmine water inrush source discrimination model4110 期杜 东 见 ，等 ：河 南 千 秋 煤 矿 水 害 特 征 与 防 治 技 术5 翟 二 安 ，李 松 营 ，樊 文 润 ， 等 .跃 进 煤 矿 25030 工 作 面 突 水 原 因 分析J.中 州 煤 炭 ，2004，129（3）：65-66.6 李 松 营 ，侯 相 云 ，翟 大 兴.巨 厚 煤 层 综 放 工 作 面 高 回 采 率 实 践J.能源 技 术 与 管 理 ，2007，118（6）：78-79.7 李 松 营 .义 煤 集 团 西 部 四 矿 奥 灰 水 防 治 技 术 研 究 J. 中 国 煤 炭 地 质 ，2008，20（2）：29-31.8 张 光 辉 ，吴 鹏 飞 ，王 飞.大 平 矿 超 前 疏 放 钻 孔 治 理 顶 板 水 实 践J.中 州 煤 炭 ，2010，169（1）：90-91.9 李 松 营.矿 井 综 合 物 探 技 术 在 封 填 特 大 型 突 水 中 的 应 用J.煤 炭 科 学 技 术 ，2011，39（11）：23-26.10 刘 运 启 ，李 小 明 ，李 永 军 .顶 板 砂 岩 富 水 性 矿 井 瞬 变 电 磁 法 探 测J.华 北 科 技 学 院 学 报 ，2009，6（4）：39-41.11 罗 绍 河 ，宋 延 斌.王 河 煤 矿 矿 井 突 水 特 征 与 防 治 水 对 策J.河 南 理工 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ），2007，26（6）：618-623.系 统 ，提 高 矿 井 抗 水 灾 能 力 ；同 时 采 取 井 上 下 物 探 、顶板富水区钻孔预疏放等手段， 减轻顶板水对工 作面生产的影响，避免形成水灾事故。参考文献：1 李 松 营 ，杜 毅 敏 ，孙 晓 震 ，等 .矿 井 小 煤 窑 水 害 及 其 防 治 J.焦 作 工 学 院 学 报 ，2003，22（5）：184-186.2 李 建 新 ，李 松 营 ，曹 焕 举.矿 井 水 文 地 质 条 件 复 杂 化 原 因 分 析J.能源 技 术 与 管 理 ，2006，107（1）：37-39.3 翟 二 安 ，李 松 营 .铁 生 沟 煤 矿 采 煤 工 作 面 顶 板 出 水 特 征 与 防 治 J.煤 炭 技 术 ，2005,24（10）：65-66.4 王 心 义 ，王 世 东 ，贾 宏 昭 ，等 .跃 进 煤 矿 顶 板 裂 隙 水 赋 水 规 律 研 究J.中 国 矿 业 ，2006，15（2）：51-53.!（上 接 第 37 页 ）断涌水水源为 5 煤砂岩水。5 结论对岱河矿区地下水子系统进行 水化学分析可 知， 三个子系统所含离子的毫克当量百分比彼此 存 在明显差别。因此，通过矿井水的离子含量可以判断 矿井涌出水的来源 。建立岱河矿矿井水源判别模式， 了解矿井 涌 水来源，以便预测矿井涌水量，为防治矿井突水提供 理论依据 。参考文献：1 申 涛 ,马 雄 德 .浅 埋 煤 层 开 采 的 矿 井 水 来 源 判 别 J.中 国