同忻煤矿水害防治技术

鲍永生

(同煤国电同忻煤矿有限公司，山西大同037001)

同忻煤矿设计产量10Mt/a，是同煤集团年产千万吨级的大型矿井。井田位于大同煤田北东部，属大同向斜的东翼，口泉断裂带北部，天山—阴山纬向构造带南侧。基本构造形态为一走向N10～50°E，倾向北西，东高西低的单斜构造。地层倾角一般为3～10°，东南及南部靠煤层露头处地层陡峭，倾角30～80°，局部直立、倒转，向西北方向变为平缓。

1 水文地质

同忻井田位于干旱、半干旱气候区，属于低山丘陵地带，地形东南边缘口泉山脉较高，最高标高约1550m，最低在口泉沟口河床处，约1100m，相对高差450m，一般标高约1300m。井田内基岩出露较广，岩石风化强烈，风化壳厚度在河谷低洼处埋藏浅，一般为30～40m，在河谷两岸埋藏较深，一般为50～110m，其含水性变化较大，一般靠近河床地区含水性较强。区内灰岩岩溶发育不均，具有南强北弱特征，但由于井田内断裂少，地表植被稀疏，降雨量少且强度集中，不利于大气降水的入渗补给，灰岩埋深大，岩溶水交替运动缓慢，含水性弱。第四系冲击层，岩性主要为砂砾石，砂质黏土及亚黏土，地层厚度各地不一，一般为10m左右，主要分布于井田东南口泉河一带，含水较丰富。受煤矿开采“三带”影响，冲击层潜水水位下降明显，含水性减弱，河水流量减小。大同组以上含水层，由于煤层开采遭破坏，地下水通过地表塌陷裂隙等潜入井下形成采空区积水，对下组煤层开采造成影响。

2 井田充水水源及充水通道

2.1 矿井充水水源

同忻煤矿主要充水因素有大气降水、岩溶陷落柱、断层破裂带、侏罗系煤层采空区积水及石炭二叠系山西组、太原组砂岩含水层。

(1)井田东南部煤系地层露头一带，风化裂隙发育，可接受少量大气降水补给。

(2)井田有岩溶陷落柱和断层破碎带，若陷落柱及破碎带岩石胶结不好，岩溶水在水头压力作用下将通过陷落柱及破碎带上溢，补给煤系地层。此外，井田内有许多以往施工及现已施工完的揭露灰岩钻孔，如果钻孔封孔质量不佳，也会形成岩溶地下水进入煤系地层通道。

(3)在石炭二叠系地层之上，赋存有侏罗系煤层采空区积水，随着煤层开采“三带”的形成影响，将沿导水裂缝带、断层及导水陷落柱下渗，补给下煤组地层。

(4)山西组底部砂岩为3～5号煤层直接充水含水层，太原组8号煤层顶部砂岩为8号煤层直接充水含水层，随着煤层的开采而直接流入矿井。

2.2 矿井充水通道分析

矿井主采3～5号煤层，厚度0～35.31m，平均15m左右，倾角3～10°，属缓倾斜煤层。在其之上有侏罗系煤层采空区积水。侏罗系底部可采煤层至3～5号煤层间距56.85～251.14m，从南到北逐渐变薄，最薄处主要分布在井田东北部，岩性主要为砂砾岩，砂岩及砂质泥岩，局部间夹山4号煤层。岩石抗压强度20～40MPa，属中硬覆岩类型。

2.2.1 煤层采动导水裂缝带

由钻孔资料可知，3～5号煤层与大同组14号煤层间距为56.85(2504号孔)～235.14(502号孔)m，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中硬覆岩煤层导水裂缝带高度计算公式可得各钻孔3～5煤层的导水裂缝带发育高度，并与其上覆顶板间距对比可知，在井田东北部大范围及井田中西部和南部小范围3～5号煤层与大同组14号煤层的间距小于3～5号煤层导水裂缝带高度。因此，3～5号煤层导水裂缝带会成为上部所有水 (包括永定庄组、山西组砂岩裂隙水、大同组煤层开采后形成的采空区积水)的导水通道。虽然永定庄组、山西组砂岩裂隙水富水性弱，充水强度低，对矿井生产影响小，但大同组采空区积水充水强度大，是煤矿安全生产最大的隐患。

根据钻孔资料，8号煤层与3～5号煤层的间距为8.17～59.05m，8号煤层厚度为0～13.70m。根据导水裂缝带公式计算，东南部和西北部8号煤层开采时，导水裂缝带将达到3～5号煤层底板。因此，在井田的东部3～5号煤层顶板会形成顶板漏水区，即使开采3～5号煤时大同组采空区积水全部排放，地表水和大气降水也会向永定庄向斜汇集，影响8号煤层的安全生产。

2.2.2 突水系数

根据井田及周边揭露奥灰钻孔分析，奥灰含水层岩溶裂隙发育不均，富水性弱－中等，根据2009年12月1日由国家安全生产监督管理总局颁发的《煤矿防治水规定》附录四中的突水系数计算公式:

式中，T为突水系数，MPa/m;P为底板隔水层承受的水头压力，MPa;M为采厚，m。

由公式 (1)计算可得，3～5号煤层突水系数0.029～0.058MPa/m，8号煤层突水系数0.039～0.108 MPa/m。按照突水危险性分区标准，即正常区突水系数大于等于0.1MPa/m的区域为危险区;底板受构造破坏段突水系数大于等于0.06MPa/m区域为危险区进行评价。3～5号煤层正常块段突水系数均小于0.1MPa/m，因此，视为安全区;而由于断层、陷落柱附近岩体破碎，岩石强度低，易成为导水通道，其两侧可视为危险区。8号煤层在井田的北部1902，2504号孔附近，正常块段突水系数大于0.1MPa/m，视为危险区，其他地段为安全区;由于断层、陷落柱附近岩体破碎，岩石强度低，易成为导水通道，其两侧可视为危险区。

3 防治技术实践

3.1 物探先行

掘进巷道施工前，采用电阻率法对巷道前方、顶底板及巷帮侧的导水构造进行探测。采用YTD400(A)矿井全方位探测仪在井下巷道周围岩层中建立起全空间稳定人工电场，测量电场的变化规律，求取岩层的视电阻率。结合全空间电场理论以及解译处理系统，掌握巷道周围岩石中的水文地质构造情况，如图1所示。

图1 一盘区2107巷1576m超前探测

工作面回采前，先采用瞬变电磁及可控源音频大地电磁法探测工作面上覆侏罗系大同组煤层采空区积水及上覆砂岩层含水情况，分析突水危险性，查明积水面积及积水量，见图2、图3。然后进行井下坑透，查明工作面内的导水构造 (如断层、陷落柱等隐伏地质构造)，如图4所示。

3.2 钻探验证

对可掘进巷道，以一盘区回风巷为例。一盘区回风巷掘进至634m，巷道全断面为粗砂岩，且顶板有淋水，采用YTD400(A)全方位探测仪对巷道前方进行了探测 (如图5)，探测深80m，揭露两处低阻区，分别位于巷道前方0～3m，40～45m，根据物探结果，采用长、短探结合的探放水技术方案进行验证。长探使用ZYJ－400/270架柱式液压回转钻机，单循环施工钻孔3个，单孔孔深钻孔呈半扇形布置，如图6所示。短探探水钻机为ZYJ－750型矿用液压坑道钻机，单孔孔深可达80m，每组布置钻孔3个，超前距30m，帮距8m，孔口距顶板1.5m，钻孔呈扇形布置，如图7。钻孔施工至43m，孔内出水，单位涌水量8.3m3/h，累计排放积水640m3。达270m，超前距30m，允许掘进距离240m，帮距 8.5m，孔口高为距巷道底板1.5m，孔间距0.4m，

图2 8107工作面上覆11号层TEM法等视电阻率平面

图3 8107工作面上覆14号层TEM法等视电阻率平面

图4 8107工作面坑透成果

图5 一盘区回风巷634m超前探测成果

图6 长探施工示意

图7 短探施工示意

对于回采工作面，以8100工作面为例，根据物探成果，8100工作面5100巷900～1020m段上覆J11号层采空区有积水1.5×104m3，为此，于地面施工2个探放水孔，孔径开孔φ133mm，终孔φ89mm，钻孔施工至J15号层底板，先进行电测，后用地质摄录仪进行观测，发现采空区存有积水，继续施工钻孔至3～5号层8100工作面5100巷，并进行疏放，共计疏放采空区积水1.2×104m3。目前，井田范围共探明采空区积水1.51×106m3，累计排放侏罗系煤层采空区积水1.10×106m3。

3.3 化探跟进

收集侏罗系各组煤层采空区积水水样、口泉河水样、上覆砂岩含水层水样、灰岩岩溶水等水样，进行化验、分析对比，掌握井田范围内各类水患的水质类型、矿化度、硬度、酸度、PH值、离子成分及天然物质的化学指标，提高化学分析手段。

4 结论

(1)通过分析矿井充水条件及突水因素，山西组砂岩含水性弱，奥灰岩溶水含水层富水性弱－中等，且3～5号煤层突水系数小于0.1MPa/m，开采“三带”影响，冲击层及风化壳潜水水位下降明显，富水性弱，井田内主要水患为上覆侏罗系煤层采空区积水。

(2)针对这一特殊水文地质条件，研究制定了物探、钻探、化探相结合的水害防治方法。

(3)经长期验证，取得了较好的成效，探明采空区积水1.51×106m3，截至目前，累计排放上覆侏罗系煤层采空区积水1.10×106m3，遏制了矿井水害事故的发生，提高了煤炭资源利用率。

［1］国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定［M］.北京:煤炭工业出版社，2009.

［2］国家煤炭局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］.北京:煤炭工业出版社，2000.

［3］吴玉华，张文泉，赵开全.矿井水害综合防治技术研究［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2009.

［4］山西省大同煤田同忻井田石炭二迭系煤炭勘探 (精查)地质报告［R］.2002.

［5］大同煤矿集团有限责任公司同煤国电同忻煤矿有限公司.矿井水文地质类型划分报告［R］.2002.

［6］狄效斌.同忻井田采空区积水贮存分布特征及突水预测［J］.水文地质工程地质，2007，34(3).