超化煤矿突水灾害地质条件分析及防治措施

于辉光1,郭德勇1,胡德进2

(1.中国矿业大学北京校区,北京100083;2.郑州煤业集团公司,河南郑州450000)

摘　要:根据超化煤矿矿井地质条件,结合2次突水事件,利用综合水文地质分析方法研究了矿井水文地质,分析了矿井含水层的含水性、补给条件,以及各含水层间的水力关系,提出了矿井突水原因及防治方法,为该矿深部开采突水防治提供了依据。

关键词:矿井突水;突水防治;水文地质

中图分类号:TD745+.2　　　文献标识码:B　　　文章编号:1003-496X(2006)02-0055-03基金项目:国家自然科学基金资助项目(40472084)

1　概　况

矿井突水是煤矿安全生产的重要灾害之一,突水灾害地质条件研究是解决突水防治问题的基础〔1-3〕,突水机理研究则是关键〔4-6〕。郑州煤业集团超化煤矿位于新密市城南10 km处,1983年建井,1993年投产,原设计生产能力为90万t/a,现实际生产能力为240万t/a。矿井采用伪俯斜长壁采煤法,单水平上、下山开采工艺,全部垮落法管理顶板,对角式通风,年均涌水量为1 000 m3/h,正常排水能力为2 318 m3/h,在-200~-450 m等高线间中型构造发育。目前该矿上山采区11、12回采结束,下山采区21、22、23正在生产,主要开采二叠系山西组二1煤层,以1个综采工作面和1个炮采工作面保证矿井生产能力。

2　矿井地质和水文地质条件

2.1　地层煤层及地质构造超化煤矿井田属石炭系、二叠系煤系地层,共含煤8组,31个煤层。井田主采煤层为二叠系山西组二1煤层,厚度为0.19~24.03 m,可采指数为95%,属极不稳定煤层。顶、底板起伏大,为砂质泥岩及泥岩,受区域性滑动影响,煤层及其顶、底板滑面发育,易冒落(表1)。井田除超化、阳台、崔庄等大的边界断层外,还揭露了多条落差5 m以上的断层,倾向多为北偏东,倾角多在15°~20°,受区域构造的影响,发育北西向或近东西向两组断裂(图1)。

2.2　区域井田水文地质条件超化煤矿区域属低山丘陵地形,各地层出露,水文地质条件复杂,地质构造线近东西向,皱褶、断裂发育,对地下水起着控制作用,地下水类型为碳酸盐岩溶水,整体流向为自西向东。超化煤矿地表河有麻河自南向北穿过矿区,井田主要有二叠系、奥陶系和寒武系地层出露,地势南高北低。井田北至超化断层,为隔水边界;南至龟山断层,为弱补给边界;东至崔庄断层,为补给边界;西至二1煤层露头,奥灰出露,为矿井主要补给边界,受边界构造影响,井田内小构造发育。区域边缘为变质岩系组成的裂隙补给区,由于断层南升北降,东南部大量地下水补给了奥陶系含水层后又通过龟山断层的东段补给井田内各含水层(图1)。

3　超化煤矿工作面突水原因及防治措施超化煤矿下山区域地质条件和水文地质条件复杂,上山区域则简单,但整个矿井工程地质条件复杂。主要突水工作面21071、21051、22121含水性均较差,其补给水源一是赋存于煤系地层以上的顶板裂隙水和老空水,特点是裂隙水水量较小,老空水水量较大;二是赋存于煤系地层下的石炭系含水层和奥陶系含水层,其水量、水压均较大。研究表明,超化煤矿顶板含水层主要是第四系含水层,其富水程度受大气降水和地表水影响,属弱含水层;底板直接承压含水层为二1煤底板石炭系太原组7~9灰岩含水层(L7~9),距煤层最近,富水性受裂隙控制,是底板主要突水水源;底板间接承压含水层为石炭系太原组5~6灰岩含水层(L5~6)、1~4灰岩含水层(L1~4)和奥陶系灰岩含水层(奥灰),富水性均较强,其中奥灰与L1~4有较强的水力联系,L5~6和L1~4之间也有部分水力联系(表1),三者均可通过小司沟断层等导水断层相互导通并补给太原组L7~9(图1)。

图1　超化煤矿井田地质构造纲要图

3.1　21051工作面突水原因及防治措施

超化煤矿21051工作面走向长1 700 m,倾斜宽140 m,上副巷与井田北部边界平均距离为255 m,U型钢支架加塑料网支护,沿煤层底板掘进。2004年4月11日16:00,21051上副巷迎头上帮出现淋水,随后水量剧增,导致局部巷道冲垮、运输设备被毁。19:20,水量猛增至5 000 m3/h,21:00,水量剧减至500 m3/h,4月15日8:00,水量已衰减到110m3/h(图2)。

图2　超化煤矿21051工作面突水情况示意图

　　本次突水特征是水量大、来势猛、衰退快,具有老空水突水特征;突水水样的主要指标铁离子、NH4+、耗氧量、溶解性固形物的浓度也具有老空水的浓度特征,且与顶、底板水差异较大(表2);该巷道地质构造简单,附近区域煤层赋存稳定,无落差较大的断层和其它地质构造存在,且属不带压掘进;该巷道顶板水已被大面积疏放,含水层富水性弱,且透水前后奥灰水水位无变化,可排除顶板砂岩和奥灰突水;突水位置前方有富含水的小煤窑采空区,该采空区与出水点位置相吻合。因此,21051工作面突水是小煤窑老空水溃入矿井所致,突水通道是因老空水水压大于隔水层强度而导致隔水层变形、断裂而形成的裂隙。

超化煤矿在严格坚持“有疑必探,先探后掘”的同时,采用巷道接近老空、被淹的井巷、防水煤柱时超前探水,提前疏干降压或预先封堵导水通道,加设档水墙,未探清地质情况的工作面不采掘等措施,可防治突。

3.2　22121工作面突水原因及防治措施超化煤矿22121工作面位于22采区最南部,主采的二1煤层赋存基本稳定,平均厚度约11 m,煤层直接底为深灰色泥岩,厚度为3.98 m,老底为石炭系灰岩。该面地质构造复杂,上副巷南部有1个落差为6 m的滑动构造带,工作面中部也有多条落差约5m的走向正断层,逆断层F1(0.8 m,∠52°)和正断层F2(2.3 m,∠80°)为主要含水断层。2002年11月11日16时工作面上副巷尾部发生L7~9水突水,突水量最大达68 m3/h,后稳定在60 m3/h,40 d后采用跳采方案恢复生产。

　　本次底板突水原因在于该巷底板倾角大,裂隙发育,采煤引起的矿压使底板又产生新裂隙,L7~9水进一步活化原采动裂隙,并使之与新生裂隙导通,导致底板断裂造成突水,突水通道是煤层底板采动裂隙与岩溶破碎带。因此该矿采掘接近底板承压含水层、充水断层时,一定要查明底板水文地质构造情况,如果探水时底板大量涌水,要及时封闭钻孔、打隔水墙密闭,必要时采取留设防水煤柱、巷道预注浆切断L7~9补给通道、疏水降压等措施,以防突水。

巷道穿越断层时要加强支护,对井田东南部断层交叉点等构造发育地段需重点加固,以防滞后突水。当遇到裂隙密集带、两组或两组以上断裂和裂隙交叉部位,最好回避开采,如开采则需采取巷道注浆加固措施,巷道可每前进10 m注浆加固1次,在巷道顶、底板上各打3排注浆孔,孔深为1.5 m(图3),两帮各打1排注浆孔,注浆孔间距2 m,巷帮注浆孔布置在巷道腰线上,以防治突水。

图3　超化煤矿注浆加固巷道俯视平面示意图

4　结　论

(1)超化煤矿地表水及大气降水入渗补给基岩地下水,进而补给奥陶系和石炭系各含水层,为矿井突水主要水源。石炭系底板水和老空水是主要突水隐患。矿井底板突水主要水源是L7~9水,补给水源是L5~6水、L1~4水和奥灰水,突水通道是采动裂隙。

(2)威胁超化煤矿深部开采的水源是底板含水层水和地表水体入渗补给水,在留防水煤柱减少地表入渗补给的基础上,顶板砂岩水应以疏排为主,地表水、底板灰岩水应以防为主。超化煤矿需加强各工作面的水文地质预测预报,在采掘中遇断层和老空区时‘有疑必探,先探后掘,疏堵结合,分类防治’,可防治突水。

参考文献:

〔1〕　易顺民,谭泽斌,骆　荣,等.深圳鹏茜大理石矿矿坑突水地质灾害及防治对策.水文地质工程地质,2001.〔2〕　王长文,慕松利,李　仑,等.焦作矿区突水特点及矿井综合防治〔J〕.焦作工学院学报,1999,18(4).〔3〕　尹万才,尹增德,施龙青.矿井突水原因及其防治〔J〕.焦作工学院学报,1999,18(1).〔4〕　张文泉,刘伟韬,王振安.煤矿底板突水灾害地下三维空间分布特征〔J〕.中国地质灾害与防治学报,1997,8(1).

〔5〕　靳德武.煤矿水害防治中的综合水文地质分析方法〔J〕.煤田地质与勘探,1998,26(2).

〔6〕　汤连生,王思敬.水-岩土化学作用与地质灾害防治〔J〕.中国地质灾害与防治学报,1999,10(3).

　　作者简介:于辉光(1971-),男,黑龙江七台河人,工程师,1994年本科毕业于东北大学,现为中国矿业大学(北京校区)防灾减灾工程及防护工程硕士研究生。

(收稿日期:2005-05-23;责任编辑:梁绍权)