上部煤层采空区积水对下组煤层开采的影响

刘德旺

(山西焦煤集团公司，山西 太原 030024)

1 防治水工作概况

1.1 目的与意义

古窑、老窑的积水、矿井回采后采空区的积水(特别是顶板裂隙发育，充水较好的矿井)采空区下山巷道封闭积水(遇构造或坡度增大停掘退出回采)，通常这些积水为静储量积水，但其溃入瞬间水量较大，极易造成恶性人身伤害事故或透水停产事故。为了加强矿井防治水工作，防止和减少水害事故的发生，特别是上部煤层采空积水在没有查清情况下盲目开采下组煤层，使上部采空积水溃入井下造成突发性水害。所以，上部采空积水是今后下组煤开采主要研究的对象。只有加强预测预报、实现有效防范，全面落实山西焦煤集团公司“有掘必探、有疑必钻”的规定，从整体上提高集团公司防治水工作的专业技术水平和基础工作水平，是做好矿井防治水工作的重要保证。

1.2 国内外现状

水害是煤矿五大灾害之一，我国煤田水文地质条件非常复杂，因煤矿水害造成的经济损失和人员伤害均居世界之首。据不完全统计，1996年—2010年6月末，有300多个矿井被水淹没，死亡人数2 300多人，造成巨大的经济损失。特别是近年来，由于煤矿生产的扩大和开采深度的加大，煤矿各种水害事故呈反弹和上升趋势。

1.3 研究的内容

主要研究清交煤田(中兴)矿井构造水、裂隙带水、地表裂缝水、生产用水在采空区低洼地段积聚，如何进行钻探、疏干。

2 矿区的基本概况与水文地质条件

2.1 矿区的基本概况

中兴煤矿是山西焦煤集团公司汾西矿业下属主要生产矿井之一，为地方小型煤矿(聚鑫煤矿)改扩建的矿井，原设计生产能力为30万t/年，通过多次技术改造，产能不断增加，目前，矿井生产能力基本达到300万t/年。

2.1.1 矿井位置、范围、交通

中兴煤矿位于山西省交城县境内，行政区划隶属交城县岭底乡管辖，距交城县约10 km。矿区属西山煤田清交矿区清徐详查区的一部分。

2.1.2 矿区地形、地貌

中兴煤矿位于西山煤田东南部，地处吕梁山脉东侧，地貌区划属吕梁山南段侵蚀、构造中山区。地势总体西北高、东南低，向太原盆地倾斜。

2.2 矿区的水文地质条件

井田内河流属黄河流域汾河水系。磁窑河为矿区较大的季节性河流，在井田中部流过，磁窑河地处汾河中游的西部，属汾河一级支流，它发源于狐偃山东南侧解板沟、塔棱一带，流向东南，于交城县城北部转成南北向汇入白石南河，然后流入汾河。矿区内的含水岩组可分为奥陶系石灰岩、太原组石灰岩、二叠系碎屑岩及第四系砂砾石层。其中奥陶系石灰岩为主要含水岩组，其富水性强，是构成西山煤田东侧兰村泉、晋祠泉的含水层。奥灰岩溶水在西山煤田外围西、北部裸露接受大气降水补给，由西、北向东、南径流，于兰村泉、晋祠泉排泄。

根据煤炭科学研究院总院西安研究院，矿井防治水安全技术“会诊”报告，本矿井充水的含水层富水性弱，矿区大部分地区水文地质条件简单。

根据近几年井下采掘过程中矿井涌水量较小为353～630 m3/d(2005年1月—2010年8月)，工作面顶板无涌水现象或者水量极小，说明现开采标高开采2#煤层，对顶板上覆砂岩裂隙含水层扰动破坏较小。

3 矿区主要水源

3.1 矿区主要地表水的渗入

井田处于煤层深埋区，地表出露基岩自东向西为上石盒子组，石千峰组及刘家沟组地层。根据目前开采现状，采空区上部地表出现不同程度的裂缝(马庄村东南地表裂缝见图1)，增加了第四系地表水的补给，在不同程度上使井下裂隙带涌水和采空积水有所增加。

图1 塌陷裂缝示意图

对于上述情况，对井田采空区上部地表裂缝进行了排查，针对地表裂缝所涉及的范围进行了充填。

3.2 矿井的充水水源

3.2.1 顶板充水水源

中兴煤矿的顶板含水层，作为充水水源的直接式和间接式类型都存在。2#煤层顶板以泥岩为主，顶板含水层包括山西组和上、下石盒子组等碎屑岩类裂隙含水层。受补给条件及径流通道不畅限制，其充水的强度较弱。当在浅部开采2#煤层时，其顶板水一般补给途径短、循环浅，与浅层地下水发生联系，因此，水量季节性变化较明显。特别是地表裂缝水的渗入。

开采引起的顶板出水点的裂隙张开性好，无泥质充填，一般通过放顶后形成的裂隙带向采面充水，在大面积开采的条件下，顶板水多呈滴水、淋水状态。由于回采对顶板砂岩含水层疏放强度较大，且补给不足，浅部顶板含水层处于疏干状态，其顶板已基本无水。

3.2.2 底板间接充水水源

山西组2#煤层煤层底板为泥岩、细粒砂岩，局部为粉砂岩。而2#煤层下3 m左右的4#煤层，该煤层同属山西组并位于其下部，煤厚1.09～5.39 m，平均2.98 m。属中厚～厚煤层，中西部与5#煤合并，合并区煤厚1.65 ～5.39 m，平均 3.54 m，东薄西厚，规律明显。不含或含1～2层夹石，结构简单－中等。顶板岩性为炭质泥岩，底板岩性为砂质泥岩。由于2#煤层和4#(4+5)煤层相距较近，4#(4+5)煤层为稳定可采煤层，具有隔水层作用，其直接底板为山西组底部的K3砂岩，富水性较弱。

2#煤层底板间接充水水源除山西组底部的K3砂岩(水位标高 +800 m)外，还有太原统(水位标高+789.4 m)薄层L5～L1灰岩和K2灰岩含水层以及本溪组隔水地层之下的巨厚奥灰含水层(水位标高+787.2 m)，由于太灰和奥灰含水层水压均高于开采高程，2#煤层底板承受奥灰含水层水压0～2.6 MPa，属带压开采，开采中遇到大的断裂构造和导水陷落柱时，将导致底板下奥灰含水层地下水向上导通发生工作面突水，一旦灰岩岩溶水进入工作面，由于出水量大并且稳定，不易疏干，会给矿井带来巨大灾害。在正常地层情况下，不会发生对开采造成威胁的突水。

目前，矿井已揭露断层42条，陷落柱31个，在二采区皮带巷掘进中发现有陷落柱充填差涌水现象。

实例1:2011年，在二采区皮带巷揭露的两个陷落柱中，其中一个陷落柱在测点P36前13.5 m打钻出水，出水量达到10 m3/h，后4 h出水量逐渐减弱。巷道掘进为下山－6°坡，出水淹没巷道长达20 m，最深地段达1.5 m，排水后，向顶底板布置3个孔钻探50 m均无水，钻探示意图见图2。通过向前掘进，揭露长轴约15 m，短轴12 m陷落柱，且局部充填较差，有空洞现象，以上原因是掘进正前出水的主要原因。在后来揭露的陷落柱均无水，且充填较好。

图2 实例1钻探示意图

3.3 采空积水

采空积水一般为封存的“死水”，属静贮量，但具有一定的静水压力，所以，其充水特点为突发性强，瞬时水量大，持续时间短，破坏性强，有害气体含量高，对人身和设备的伤害较大。

采空积水由于形成时间较长，积存的水量较大，水源的补给层位复杂，多为混合补给(构造水、裂隙带水、地表裂缝水、生产用水)，突水时不易控制，是生产矿井的一大隐患。

4 矿井水害隐患威胁程度评价

根据煤炭科学研究院总院西安研究院，矿井防治水安全技术“会诊”报告，结合多年来对中兴煤矿可能形成的水害隐患分析如下:

4.1 采空区积水

中兴煤矿2#煤采空区主要为一采区、二采区，位于西雷庄背斜和东雷庄向斜构造中，随采空区面积逐步扩大，特别是在开采2#煤之下的煤层时，采空区积水将严重威胁矿井的安全生产。在同层开采时注意留设隔离煤柱，而在开采2#煤之下的煤层时，采空区积水将严重威胁矿井的安全，必须采取提前疏放措施确保安全。

4.2 导水构造及导水陷落柱

矿井现开采上组煤2#煤层，煤层底板标高为+520～760 m，由于矿区太原统薄层灰岩(+792.22 m)和奥陶系厚层灰岩(+787.21 m)水位标高均高于开采高程，属带压开采，但由于太灰和奥灰与2#煤层之间有稳定隔水层，能起到一定的隔水作用，在正常地层层序不会发生该含水层水直接涌入2#煤开采工作面，开采中遇到大的断裂构造和导水陷落柱时，将导致底板下奥灰含水层地下水向上导通发生工作面突水。中兴煤矿截至目前井下共揭露陷落柱31个，从矿井揭露的陷落柱情况看，多数陷落柱都不导水，个别陷落柱渗水、淋水。因此，工作面导水构造探查尤为重要，在矿区补充勘探中开展构造探查，在掘进巷道、工作面实施水文地质条件精细探查，采用物探方法重点探查导水构造。

4.3 矿井范围内封闭不良钻孔

由于封闭不良钻孔在垂向上串通了多个含水层，所以一旦发生该类导水通道的突水事故，不仅突水初期水量大，而且还会有比较稳定的补给量。所以在设计和生产时，必须查清井巷揭露区或其附近地区各种钻孔的技术参数及其封孔技术资料，以确保不会因封孔不良而引起突水事故。

5 矿井防治水

5.1 矿井防治水工作

1)中兴煤矿水文地质补充勘探基本完成，井上下水动态观测系统正在试验中，对威胁矿井安全生产的充水含水层进行动态监测，根据ZX3孔水位观测，测定某区域奥灰水的最大压力为0.75 MPa，并制定有针对性的防治水措施。

2)根据矿井开采接续情况，对将开采区段进行地面三维地震勘探，查明构造规模与分布。在井下对地面物探探测出的构造异常地段进行井下物探和钻探验证，采用直流电法超前探测构造异常部位的富水性，对有含水异常的部位按照探放水规程规范进行探放水。

3)开展井下物探工作，对掘进巷道、工作面实施水文地质条件精细探查。采用物探(瑞利波、坑透仪)与钻探相结合的方法，即“物探先行，钻探验证”，对掘进巷道、工作面前方构造进行超前探测，对物探探测有疑部位进行钻探验证。放水钻孔必须设置孔口安全装置。

4)配备专业的探放水队伍和设备。完成新排水系统建设，使矿井拥有一定的抗灾能力。

5.2 探放水

中兴煤矿多年来根据《煤矿防治水规定》和《煤矿安全规程》在防治水方面坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原则，在井下各采掘工作面编制各种预防水情、水害措施，并对有疑地方进行探放水。

5.2.1 同一煤层采空区、巷道的钻探

实例2:一采区1208工作面切眼与1206尾巷贯通剩30 m处，下发停掘通知单。根据一采区1206工作面处在西雷庄背斜构造一翼，有裂隙水和回采中生产用水顺背斜流入采空区低洼地段，且探放水设计措施预测有7 000 m3水存在(根据原1206工作面回采期间涌水量、生产用水估算)。在2008年9月19日4点班根据措施进行探放水，钻探31 m与1206尾巷钻通，积水顺预埋管流出，后启动型号为IS80－50－320Z，流量为50 m3/h的离心泵排水，截止2008年10月11日，累计22天，排水238 h，共排水约9 330 m3。后经打钻核实无水后，下发允许掘进通知单，向前掘进与1206尾巷顺利贯通。贯通后发现1206尾巷190 m巷道及4个横贯有被采空积水所淹的痕迹，确认采空积水90%为原生产用水，见图3。

图3 实例2积水示意图

5.2.2 上组煤层采空区、巷道的钻探

实例3:一采区1202下工作面材、尾巷布置在已回采的1202、1204工作面下3 m的2#下煤层中。在2009年9月10日，1202下材巷开钻场对1204中部构造地段(h=5 m的逆断层)局部低洼地段进行钻探，放水量为130 m3，出水有异味，判断为巷道积水，见图4。

图4 实例3钻探示意图

实例4:一采区1202下工作面切眼附近在2010年8月16日、17日、18日对已采的1202、1204工作面巷道低洼地段根据措施进行钻探，打钻7个孔，共计580 m。共计放水440 m3，出水有异味，判断为巷道积水。确认积水基本放尽后，下放允许掘进通知单，向前掘进，见图5。

图5 实例4钻探示意图

以上4个案例充分说明了井下构造导水、采空区、上部采空区、旧巷低洼地段积水还是存在的。如何更准确的掌握构造导水和矿井采空积水是目前和今后研究的课题。地测防治水工作要从基础抓起，顶板裂隙含水层在矿井生产期间淋水大小的记录，低洼处巷道采空区积水的预计，生产期间生产用水流入采空区的统计等，更能有效地为下组煤层开采和探放水工作提供准确的数据，从而为安全生产提供保障。

6 结论

根据《煤矿防治水规定》和以上探放水实践，对今后开采下组煤层上部煤层采空区积水情况做到以下几点:

1)夯实防治水工作基础，完善水害防治工作机制，从机构人员的设置，岗位责任制的制定落实，基础资料、图纸、台账的建立，排水系统的建立与完善，应急救援预案的编制演练等方面着手，严格落实有关措施，配齐机构和人员，建立健全各级水害防治技术管理责任、部门业务保安、措施审批、隐患排查治理、安全设施管理和探放水等制度。

2)开展对矿井范围内老窑、采空区、含水层和地表裂缝调查等普查工作，通过收集资料、现场调查，落实防治水安全的技术措施、管理措施、探放水措施，提高矿井防范重特大水害的综合能力。

3)成立专业探放水队伍，严格执行“有掘必探、有疑必钻”规定，坚持“物探先行，钻探验证”，对掘进巷道、工作面前方构造进行超前探测，对物探探测有疑部位进行钻探验证。

4)根据实际情况，建立健全水害事故应急救援预案，做到机构、人员、设备、设施、资金“五到位”。

5)加强科技攻关，提高水害防治技术水平，不断加大防治水科技投入，按照标准提取安全生产费用，保证煤矿水害防治的必要投入。