福建煤矿矿井充水因素分析

福建煤矿矿井充水因素分析

目前，福建煤矿主要采用两种探测方法，即探测和胡同检测。按照“有疑必探,先探后掘”的原则,采用钻探和巷探方法进行水文地质探测,在保证矿井安全生产方面发挥了重要作用。但单纯采用钻探和巷探方法，有时尚难以取得满意的效果。因为钻探和巷探工程量大,进度较慢；探放工程布置往往具有盲目性，造成浪费；无论是钻孔和巷道，其控制和覆盖范围小，探测盲区大。因此，在探测方法与手段上，除了钻探和巷探方法外，应逐步推广和采用物探方法，进行综合探测。课题组利用福建煤电公司购置的一台YDX(A）直流电法仪，于2008年11月在坑柄矿+330水平进行三极超前探测试验；2009年9月、11月又分别在翠屏山矿东山采区回风下山、田螺形矿隘头+400大巷进行三极超前探测试验。1福建煤矿水灾特点1.1晚三段沉积型上伏福建省地处我国东南沿海，全省面积12.3万平方公里，其中含煤地层分布面积达七千多平方公里。主要含煤层位为下二叠统童子岩组（俗称童子岩煤系），出露面积1746平方公里，位于东经116°10′-118°25′，北纬24°25′-27°，上伏上二叠统翠屏山组与煤系为假整合接触；下伏下二叠统文笔山组和栖霞组与煤系整合接触，童子岩组由泥岩、粉砂岩、砂岩和煤组成，总厚度约为800m。童子岩组地层分为三段：第一段（P1t1）、第二段（P1t2）、第三段（P1t3）。沉积类型有三种：即西部条带的连城类型，仅第三段含煤；中部条带的龙岩类型，第一段、第三段都含煤；东部条带的天湖山类型，仅第一段含煤。分为永安煤田（矿区）、大田上京煤田（矿区）、龙永煤田（矿区）和天湖山煤田（矿区）等煤田（矿区），也是福建省主要煤炭生产基地。各矿区内划分为若干井田（或块段），各井田（或块段）煤层赋存状况变化比较大，倾角随构造变化而异，一般为15～70°，煤层顶板多为细粉砂岩和泥岩，煤质均为中高变质无烟煤，含煤岩系中含中富水性岩层，矿井水的主要补给源为大气降水。1.2危害，发生重大伤亡事故煤矿水害事故，往往具有突发性和极大的危害性，不仅影响生产，造成经济损失，而且易发生重大伤亡事故。根据福建省煤矿水害发生的特点,福建煤矿水害事故主要有：1.2.1非法超层边界福建小窑采煤历史悠久，多数矿区老窑密布且无据可查。20世纪80年代中期以来，出现了许多小煤窑，掠夺式的非法超层越界下山开采，也留下了许多采空区。这些新、老小窑不仅可能积水成为“地下水库”，而且造成与地表水体有水力联系或成为大气降水的入渗通道，留下了许多水害隐患。1.2.2上分层开采影响采空区采空区积水有两种情况：一种是本煤层上部采空区积水，造成水害事故的原因主要是前期下山开采，且没有进行地质填图，下水平或区段沿煤上山掘进或采煤时，掘（采）通道上部积水的采空区。另一种是不同层位，煤层间距小，地质构造发生变化，采下层时，由于两层间的岩石冒落而沟通上煤层积水的采空区或巷道，造成透水事故。1.2.3涌水量大而导致的事故童子岩煤系地层本身属弱含水岩系，文笔山组泥岩起着隔离栖霞灰岩的作用，但该煤系地层受地壳运动的影响强烈，断裂构造在发育，特别是导水断层可能与地表水，大气降水、栖霞灰岩接口或沟通，就可能导致矿井涌水量大而无法生产或突水事故。如龙永煤田王庄基建井涌水量大、井温高；上京矿区后洋+500运输大巷突水，就是导水断层沟通栖霞灰岩的岩溶水，至今煤炭资源尚未解放。1.2.4下着井施工期间可能造成内容事故井口标高较低且布置于河流附近的矿井，雨季期间可能造成淹井事故。如1998年闽北地区发生洪灾，致使福建省邵武煤矿被淹，造成几千万元的损失。2福建煤矿的矿坑充水因素2.1充水水源2.1.1关注弱富水矿坑涌水量急增的水文动态观测该区大气降水丰富，为地下水提供了充足的补给来源。降水主要通过第四系残、坡积层、风化带、地表坍陷区裂隙及导水构造带等向煤系充水。从井下水文动态观测资料中发现，雨后矿坑涌水量急增。由大气降水直接补给的沟谷水，也是矿井充水水源之一。2.1.2各采空区的水突水事件如上京矿区后洋+500运输大巷首次突水涌出的水放在桶里可见少量气泡,伴有较浓的铁腥味和臭鸡蛋味,味涩,化验结果显示SO4、Fe2+含量高,说明该水是采空区水。仙亭矿1990年三采区39号煤在+660水平以上开采时曾发生过老窑采空区突水事件;1995年后畲矿也出现过采空区水突水现象;这些都说明老窑及采空区水是矿井充水的一个重要来源。2.1.3地层水联系机理在褶皱的核部特别是由节理发育的刚性砂岩组成的透镜状承压构造裂隙水与面上脉状裂隙水之间有时有一定的水力联系。井下揭露的构造转折端常有一定的淋水、滴水现象，说明其具有一定的富水性，对矿井充水有一定的影响。构造裂隙带若与灰岩水发生水力联系，则在局部会造成突水危害，后洋井田+500运输大巷F8-1即是例证。（据研究F8-1断层为后洋井田+500运输大巷1990年8月突水事故的主要通道。）2.1.4富水岩溶裂隙发育特点栖霞灰岩大都隐伏在文笔山组～童子岩组之下，其裂隙～岩溶不均匀发育，富水性不均匀，通常浅强深弱。局部地段岩溶裂隙较发育，特别是在断裂构造带附近，裂隙～岩溶发育较深，具有一定的富水性。虽然煤系与灰岩之间大都分布有相对隔水的文笔山组岩层，灰岩水通常不是矿井水的补给来源，但大部分矿井构造发育，造成煤系地层与栖霞灰岩对口或构造带与灰岩水有水力联系，使灰岩裂隙～岩溶水有可能成为矿井充水的直接来源。2.2充电路2.2.1水层段沟通以张性破裂为主,连续性、延伸性的构造破裂面,是个良好的通道；能将各裂隙承压含水层段沟通,并可接受地表沟谷水或大气降水的补给,也可将采区及老窑的水导通,进入构造枢纽。它不仅是导水通道，而且是良好的储水空间。特别是导水断层，有利于地下水的储存和运动，使井下所见断裂构造带出现涌水或淋水、滴水现象，增大了矿坑涌水量。2.2.2成导水通道煤层与底板细砂岩之间是较软弱的结构面,易形成导水通道。特别是在砂岩及粉砂岩发育的顺层张性破裂面，可将老窑水及采空区水导入，还可使透镜状的承压裂隙水通过它而发生水力联系。2.2.3煤系基础地下水管道有些封闭不好的钻孔能将各水源贯通,特别是揭露到栖霞灰岩的钻孔,可能成为人为的突水通道造成灰岩水与煤系水的密切水力联系。上京矿区后洋+500运输大巷突水点附近揭露到灰岩的ZK3（旧孔）等钻孔，其导水很可能是造成局部突水的直接原因。2.2.4密切岩水联系灰岩大都隐伏在文笔山组～煤系之下,不均匀地发育岩溶～裂隙,各块段灰岩水之间有着较密切的水力联系。如后洋+500运输大巷突水时，其在柯坑+610水仓的涌水明显锐减，实施堵水工程后，其水量又恢复正常；水质化验结果表明，突水点的水质与ZK10号水源孔水质相近，证明了这一点。2.2.5大气降水与井下矿坑水的联系由于开采造成上覆岩层垮落，形成“三带”，波及地表后，切断了大气降水的地面径流，导致大气降水与井下矿坑水发生直接联系；随着采区范围的扩大，冒落增大，导致原较干燥的巷道出现较大的滴水、淋水区及局部段的涌水现象，都说明了这一点。3推广和采用异物方法进行综合探测福建煤矿发生透水事故的主要是老空区透水和断层突水。做好探测工作的关键是探测手段。试验研究认为：在探测方法与手段上,除了钻探和巷探外，应推广和采用物探方法,进行综合探测。即先物探，再配合钻探或巷探,效果将会更好。物探方法很多,在老空区、断层带探测方面,可选用矿井高分辨直流电法、矿井音频电穿透技术、矿井瑞雷波探测技术、矿井地质雷达等。以下介绍直流电法在部分矿井的试验情况。3.1巷道内供电电极布置矿井直流电法属全空间电法勘探。它以岩石的电性差异为基础，电流通过布置在巷道内的供电电极在巷道周围岩层中建立起全空间稳定电场。利用探测目标电性参数的差异来分辨目标体，前提是目标体有明显的电性差异（见图1）。3.2电流法的测量实例3.2.1周边围岩调查、分析翠屏山矿东山采区回风下山掘进至斜长143米（约+304米标高）处时，其左邦出现异常涌水，其流量为10米3/小时，矿井担心周边有小煤开采留下积水区，按《煤矿防治水规定》有关要求立即停止了掘进，同时进行了周边小窑调查及水患分析，采用直流电法仪到现场进行三极超前探测，探测长度为72米。该探测显示：在探测区段内存在2处视电阻率低阻异常。低阻异常区段分别位于掘进迎头前方0-8米处命名为1号异常，27-32米处命名为2号异常。1号低阻异常中存在最低阻值点，最小值为0.5欧姆/米，2号低阻异常中存在最低阻值点，最小值为55欧姆/米。经对其探测成果所反映的岩性，结合周边小窑开采调查情况，综合分析研究后认为该通风副下山涌水点附近无积水区，不存在水害隐患，涌水为层间带状裂隙承压水，无补给水源。往前（下）施工验证，涌水量逐渐变小，揭露的地层岩性，与探测解析大致相同。3.2.2巷道周边低阻异常探测田螺形矿隘头+400大巷按照预定方位（240度）往前掘进施工至152米时，迎头出现了规模大的裂隙破碎带，并有异常涌水，巷道围岩不断出现垮邦冒顶，造成掘进施工异常艰难，为了探测前方破碎带的长度,对+400大巷做了三极超前探，探测长度为76米。该探测显示：在掘进头前方探测区段内存在1处视电阻率低阻异常，低阻异常区段位于掘进迎头，命名为1号异常。1号低阻异常中存在最低阻点，最小值为40欧姆/米。经对其所测结果进行对应岩性分析研究，结合周边煤系地层情况进行综合分析，认为迎头岩层主要是受断层作用，破碎，并有裂隙承压水，含水破碎带长度约为15米，但无大的积水等水害隐患。经施工验证，破碎带逐渐消失，围岩岩层慢慢变完整，岩层涌水的现象逐渐消失。4矿井水患预测的技术对策4.1通过YDX(A）直流电法仪在翠屏山矿东山采区回风下山和田螺形矿隘头+400大巷的超前探测试验成果分析，经生产施工验证，认为直流电法能够帮助探查矿井的岩层岩性、老空区积水，构造含、导水等问题，为矿