酸刺沟矿井初步设计安全专篇之矿井防治水

第六章 矿井防治水
第一节 矿井水文安全条件分析
一、矿井水文地质条件
（一）含水层及隔水层
1、第四系松散层潜水含水层
全区分布广泛，多为透水不含水层，只有沟谷中的冲洪积（Q4al+pl）砂砾石层构成松散层潜水的主要含水层。根据水文地质填图水井调查资料：含水层厚度为1.80~6.00m。地下水位埋深h=2.00~5.20m，涌水量Q=0.231~0.810L/s，含水层富水性弱，所以补给条件差，潜水含水层与下部承压水含水层的水力联系较小，而与地表短暂的洪水水力联系密切。
2、第三系（N2）半胶结岩层隔水层
岩性为红色、棕红色粘土，即红土层，出露于井田东南部沟掌一带，仅4个钻孔揭露厚度19.72~65.50m，平均46.50m，该隔水层的透水性微弱，但在井田内分布不太连续，只能起局部隔水的作用，隔水性能相对较差。
3、石炭系～二叠系碎屑岩类承压水含水层
（1）二叠系上统石千峰组（P2sh）：椐邻区资料，泉流量Q=0.1~1L/s，含裂隙～孔隙承压水，在井田仅零星分布。
（2）二叠系上统上石盒子组（P2s）：据邻区资料，泉流量Q=0.01~3.5L/s，单位涌水量q<0.01L/s·m，井田内大部分被剥蚀。
（3）二叠系下统下石盒子组（P1x）：出露在井田东南部沟谷两侧，泉流量Q=0.01~1.18L/s，钻孔涌水量Q=0.794L/s，单位涌水量q=0.303L/s·m，水位标高993.50m，含水层的富水性弱~中等，含裂隙～孔隙承压水。P1x下部的泥岩全区发育，连续性好，隔水层好，是良好的隔水层。
（4）二叠系下统山西组（P1s）：分布广泛，全区赋存。根据Y11、Y12号钻孔抽水试验成果：含水层厚度30.40~31.31m，平均30.86m，地下水位标高埋深53.50~58.35m，水位标高1068.00~1078.35m，涌水量Q=0.0417~0.0715L/s，单位涌水量q=0.00105~0.00256L/s·m，渗透系数K=0.00328~0.00631m/d，含水层的富水性微弱，透水性与导水性能较差，地下水的补给条件与径流条件差。由于受P1x下部隔水层的阻隔，该含水层与上部含水层的水力联系较小。该含水层为井田的直接与主要充水含水层。
（5）石炭系上统太原组（C2t）：分布广泛，全区赋存。根据Y11、Y12号钻孔抽水试验成果：含水层厚度53.23~62.51m，平均57.87m，地下水位埋深115.18~127.80m，水位标高998.55~1016.67m，涌水量Q=0.0784~0.125L/s，单位涌水量q=0.00477~0.00602L/s·m，渗透系数k=0.00738~0.00845m/d，含水层的富水性微弱，透水性较差，水质良好，地下水的补给与径流条件均较差，下部隔水层的隔水性能较好，该含水层为井田的直接与主要充水含水层。
（6）石炭系上统本溪组（C2b）：分布广泛，平均厚度15.97m。据邻区资料，泉水流量Q=0.01~0.05L/s。因此岩层的富水性非常微弱，可视为相对隔水层，该地质厚度稳定，分布连续，因此隔水性能良好。
4、奥陶系中统马家沟组（O2m）石灰岩岩溶承压水含水层
地下水位标高872.7~868.8m，单位涌水量q=2.826~34.321L/s·m。该含水层富水性不均，岩溶发育地段的富水性强。由于上部C2b的隔水性能良好，所以含水层与上部C2t煤系含水层的水力联系较小。但井田内煤层底板最低标高为642.64m，低于水位标高，因此，灰岩水会通过隔水层的薄弱地段向煤层充水。
（二）断层的导水性及其对矿床充水的影响
井田内没有断层，在井田东南边界外发育有石圪咀正断层，走向N40°E，倾向南东，倾角70°，落差15~50m，延伸约10km。该正断层虽然有一定的导水性能，但发育在井田外部，因此断层对矿床充水的影响不大。
（三）地表水、老窑水对矿床充水的影响
井田内没有水库、湖泊等地表水体，在雨季大雨过后会形成短暂的洪水，对矿床的影响较大。
井田内没有老窑分布，但邻近地区分布有不少生产矿井及废弃小窑，未来煤矿开采过程中要随时注意矿井涌水量的变化情况，不能越界开采，以防老窑水对矿井充水。
（四）矿井涌水量预计
据地质资料，先期开采地段的矿坑涌水量为1251m3/d，全井田开采时形成的坑道系统矿坑涌水量为2670m3/d。设计考虑井下消防洒水后，确定矿井正常涌水量为276m3/h，最大涌水量为400m3/h。
（五）水文地质类型
酸刺沟井田的直接充水含水层为煤系地层承压水含水层，以孔隙含水层为主，裂隙含水层次之。煤层虽位于地下水位以下，但以贫乏的大气降水为主要充水水源，补给条件差，直接充水含水层的单位涌水量q<0.1L/s·m（q=0.00105~0.00602L/s·m），富水性微弱，导水性与透水性能差，井田内无地表水体，水文地质边界简单，构造简单。因此，井田水文地质勘查类型为第二～一类第一型，裂隙～孔隙充水的水文地质条件简单的矿床。
二、水患类型及威胁程度
1、顶板淋水
本井田首采的4号煤层位于二叠系下统山西组（P1S），该组地层系承压水含水层，该含水层为井田的直接与主要充水含水层。含水层平均厚度30.86m，水位标高1068.00~1078.35m，单位涌水量q=0.00105~0.00256L/s·m，该含水层的富水性微弱，透水性与导水性能较差，地下水的补给条件与径流条件差。由于受P1x下部隔水层的阻隔，该含水层与上部含水层的水力联系较小。因此，开采4号煤顶板淋水威胁程度较小。
本井田后期开采的6上号煤层位于石炭系上统太原组（C2t）的上部，6上煤层的顶板为井田的直接与主要充水含水层。含水层平均厚度57.87m，水位标高998.55~1016.67m，单位涌水量q=0.00477~0.00602L/s·m，含水层的富水性微弱，透水性较差，地下水的补给与径流条件均较差，因P1s下部隔水层的隔水性能较好，所以C2t与上部P1s含水层水力联系较小。因此，开采6号煤顶板淋水威胁程度也比较小。
2、底板突水分析
本井田奥灰水位标高为+872.7～+868.8m，6煤底板标高为+960～+600m，6上煤底板标高为+980～+640m，5煤底板标高为+1020～+680m，4煤底板标高为+1040～+680m。井田西南角各煤层底板标高低于奥灰水位标高，呈带压开采。按煤层最低底板等高线计算，6上煤层奥灰水水压为2.28MPa，6号煤层奥灰水水压为2.67MPa。
1）底板防水岩柱的计算
用突水系数计算底板安全防水岩柱厚度，公式如下：

式中：Ha——底板安全防水岩柱厚度，m；
P ——煤层底板承受的奥灰水压力，MPa；
Ts——临界突水系数，取0.06MPa/m；
M0——开采对底板的破坏深度，一般为6~14m，设计取10m。
经计算，6煤安全防水岩柱厚度为55m，6上煤安全防水岩柱厚度为48m。
2）底板突水可能性分析
根据计算，6煤安全防水岩柱厚度为55m，即不引起底板突水的底板至奥灰顶界面间距应大于55m。而从Y03、Y12、H54、217四个钻孔统计，6煤底板至奥灰顶界面的距离为44~75m之间，因此，6煤深部西南角附近必须采取对底板薄弱带进行注浆加固措施才能开采；其它煤层在无断裂等构造沟通时，一般不致造成底板突水危险，可实现安全回采。首采区所处位置煤层底板等高线均高于奥灰水位标高，不受奥灰水威胁。
3、断层导水
根据内蒙古自治区煤田地质局117勘探队提供的《内蒙古自治区准格尔煤田酸刺沟井田勘探报告》，井田内没有断层，但生产中应加强对断层的勘探预防预报。
4、其他形式的进水
井田内部分老钻孔封孔质量较差，将成为把各含水层的水导入到井下的通道，从而容易引发钻孔突水事故。
三、矿井水文安全条件评价
１、对水文地质基础资料来源及可靠性评价
本井田水文地质资料来自《内蒙古自治区准格尔煤田酸刺沟井田煤炭勘探报告》，报告基本查明了本区的水文地质条件，直接充水岩层主要为裂隙砂岩，本区应属于以裂隙岩层为主的水文地质条件简单类型，即二类一型。
２、水文地质勘探程度及存在问题
从整个酸刺沟井田来看，井田西部钻孔稀少，煤层底板等高线控制不够准确，各钻孔揭露奥灰的较少，煤层底板至奥灰含水层的距离无法准确确定。井田西部勘探程度较低，应适当增加钻探工作量，同时在首采区应进行三维地震勘探，详细查明井田范围内的构造及各含水层情况。
第二节 矿井防治水措施
结合本矿井的水文地质条件，确定采用“以防为主”的防治水措施。
一、矿井开拓、开采采取的安全保证措施
矿井首采区不受奥灰水威胁，各井筒井底标高均高于奥灰水标高。后期向深部延伸时，6煤大巷及联络巷不要穿6煤底板。
二、防水安全煤柱留设
井田内无断层，设计只留设了井田境界煤柱。井田境界煤柱宽度按40m留设，境界线两侧各为20m。
三、带压开采防范突水预案
井田内各煤层深部为带压开采，但带压开采应采取相应的安全措施。
4煤、6及6上煤层浅部开采时主要是防止导水构造（断层、陷落柱）突水和旧钻孔突水，因此重点工作是加强探测，接近或通过构造时必须“先探后掘”，需要注浆时进行注浆封堵。同时对不良钻孔摸底调查，特别是对打到奥灰层位的钻孔必须采取注浆封孔措施，以确保不发生钻孔透水事故。
6及6上煤层深部开采时，除防止导水构造和旧钻孔突水外，重点是防止底板突水，应对底板薄弱带进行注浆加固。峰峰矿区和邯郸矿区在底板注浆加固方面积累了丰富的经验可以借鉴。
四、井下探放水措施
1、一般要求
本矿井防治水工作的重点首先是防止奥灰突水，即预防底板隐伏陷落柱突水、未发现的断层突水和不良钻孔突水。探放水工作在防止突水方面起着至关重要的作用，必须坚持“有疑必探、先探后掘”的原则。
遇下列情况之一，必须制定和采取探放水措施：
⑴ 接近断层、陷落柱时；
⑵ 接近强含水层时；
⑶ 接近未封闭或封闭不良的导水钻孔时；
⑷ 接近各类防水煤柱或打开隔离煤柱放水时；
⑸ 接近水文地质条件复杂或水文地质条件不清的区域，或有出水征兆时。
2、探放水方法
探放水方法按《矿井水文地质规程》和《煤矿井下探放水技术规范》执行。
3、探放水设备
主要设备为TXU-150型探水钻、WKT型坑透仪等。
五、注浆堵水措施
注浆堵水主要是封堵导水通道（导水断层、导水陷落柱、导水裂隙、导水钻孔）和对采煤工作面底板薄弱带进行注浆堵水加固。
针对本矿井的具体条件，设计确定一般情况下应采用工作面注浆，注浆主材料为无机类水泥浆。
注浆钻机型号与探水钻机型号一致，即采用MYZ-200型。
本矿井防探水工作由掘进队承担。
本矿井注浆堵水的主要目标为杜绝爆发型突水事故和大水量突水事故的发生。
六、地表水的防治
工业场地位于井田中部西坪沟东侧，场区竖向设计采用台阶式布置，行政福利区位于一个台阶，标高在1182.0～1199.0m之间，辅助生产区位于一个台阶，标高在1176.0～1177.5m之间，主、副斜井井口区域位于一个台阶，标高在1164.5～1168.5m之间，主斜井井口标高确定为1165.00m，副斜井井口标高确定为1168.00m。
工业场地位于自然冲沟较发育的微丘地带，该场地高于其南侧南坪沟约20～40m，且场区西北侧设有截水沟，场地内雨水集中汇集后亦排入该沟，因此场地不受洪水和内涝威胁。
第三节 井下防治水安全设施
一、排水设施
1、设计依据
矿井正常涌水量 276m3/h
矿井最大涌水量 400m3/h
井口标高 +1165m
井底标高 +895m
高位水池与井口的高差 5m
排水管路沿主斜井敷设，主斜井倾角16°，斜长910m。
2. 设备选择
工作泵的排水能力应满足：
Q≥1.2×Q正=1.2×276=331.2m3/h
Qmax≥1.2×Q最大=1.2×400=480m3/h
选用MD500-57×6型矿用耐磨多级离心泵3台，配YB630S2-4型防爆电动机，710kW、10kV、1480r/min。正常涌水时，一台工作，一台备用，一台检修。最大涌水时，两台工作，一台检修。
水泵主要技术参数如下：
水泵型号 MD500-57×6
额定流量 500m3/h
额定扬程 342m
额定效率 81%
额定转速 1480r/min
电动机其主要技术参数如下：
电动机型号 YB630S2-4
额定功率 710kW
额定电压 10kV
额定转速 1480r/min
排水管路选用D273×8无缝钢管两趟，正常涌水时，一趟工作，一趟备用；最大涌水时，两趟工作。排水管路沿主斜井敷设。
水泵采用无底阀排水方式，引水装置选用ZPBG型喷射泵，以排水管路中的压力水为能源，以消防洒水为备用能源。
主排水系统按水泵自动化设计，便于实现泵房无人值守。
为便于设备的安装和检修，在泵房内每台设备上方设有固定起重梁。
水泵运行特性曲线见图6-3-1。
水泵运行工况见表6-3-1。

3、井底水仓布置及容量
在井底6上煤辅运大巷的西侧布置水仓，矿井正常涌水量为276m3/h，水仓容量按容纳8h正常涌水量计算，设计布置两条水仓，其有效容量为2210m3。水仓入口处设置了沉淀池，水仓清理采用高压水冲搅沉泥，主排水泵排泥的清理方式。
二、安全出口设施
矿井主、副斜井和立风井，均作为矿井的安全出口。
井下主排水泵房的管子道上口标高约为+908.0m，泵房地面标高约为+900.0m，管子道上口高出泵房地面8.0m，主排水泵房与辅助运输大巷的通道内设置有密闭门。