阳泉矿区矿井防治水技术保障体系浅析

王慧明, 王 一

(阳泉煤业(集团)有限责任公司,山西 阳泉 045000)

阳泉矿区矿井防治水技术保障体系浅析

王慧明, 王 一

(阳泉煤业(集团)有限责任公司,山西 阳泉 045000)

根据目前国内水害凸显的现状及防治水技术手段,对阳泉矿区地质及水文地质条件、充水水源、导水通道及水量分析研究,总结阳泉矿区的主要水害类型,并在此基础上提出了阳泉矿区矿井防治水技术保障体系,为阳泉矿区防治水工作的进一步加强提供保障。

阳泉矿区;矿井防治水;技术保障体系

矿井水害是煤矿安全生产的重大隐患之一。随着近年来煤矿开采的进一步深入和煤矿兼并重组的逐步完成,矿井水害事故成为继瓦斯事故之后最为主要的一种灾害。阳泉矿区开采华北石炭二叠系煤系地层,是全国最大的无烟煤产地。阳煤集团作为矿区最主要的煤炭企业随着开采水平向深部和西部延伸,主采的15#煤层多位于含水丰富的奥灰含水层或太原组灰岩含水层之上,在采掘活动区域易受承压水威胁。为了确保矿井安全高效开采,防治水害事故发生,所以,通过系统总结分析,寻求安全开采技术保障体系具有重要的现实必要性[1]。

1 阳泉矿区概况

阳泉矿区走向长156 km,倾向宽16 km,面积约2 525 km2。矿区地质储量约217亿t,是我国最大的无烟煤生产基地。

1.1开采煤层

阳泉矿区主要的含煤地层为太原组和山西组,含煤地层总厚为176 m,含煤17层。其中可采煤层有山西组的3#、6#煤层,太原组的8#、9#、12#、13#和15#煤层,而主要可采煤层为3#、12#和15#煤层,3#煤层局部有冲涮现象,造成煤层变薄或缺失,15#煤层是矿区埋藏最深,厚度最大全区稳定可采煤层。经过多年开采,阳泉矿区东部埋藏浅区的煤炭资源已逐渐枯竭,现在开采已逐步向西部埋藏深的区域延伸。

1.2阳泉矿区构造体系特征及地质现象

阳泉矿区位于新华夏体系沁水凹陷的东北边缘,其东部是新华夏太行山隆起带,西部及西北部是新华夏系多字型构造,北部是38度东西向构造亚带[2-3]。矿区地质构造见图1。

图1 矿区地质构造Fig.1 Geological structure in mining area

1)褶曲。矿区内煤层波状起伏,褶曲较多,走向大多为NE向,轴部呈舒缓波状延伸,褶曲幅度一般为30 m～40 m,最大可达140 m。褶曲轴间距一般为1 000 m左右,褶曲延伸长度最大达5 000 m。

2)断层。总体上阳泉矿区大型断层较少,中小型断层较多。由于受新华夏系构造运动的影响,矿区11 km左右发育一条走向NE向的断层挠曲带,平面上呈“S”型左列,并且这些断层挠曲带从东往西,断层挠曲带的幅度越来越小。

3)陷落柱。阳泉矿区岩溶陷落柱总体上呈带出现,带里呈群分布,群里个体之间具有方向性,等距性特征。剖面上,通天陷落柱较少,但长轴较大;隐伏陷落柱较多,长轴相对较小。陷落柱陷落角大多为82°～84°左右,陷落柱顶部多为60°～70°之间。从矿区陷落柱统计资料看,大多是不含水或少水的,但是区域内新构造运动强烈,有可能发育较近时代塌陷的陷落柱,从而使得柱体内岩块没有胶结或胶结性较差,甚至存在大量的空隙或空洞,极易富水并发育成为导水陷落柱,对煤矿安全生产构成了严重威胁。

1.3阳泉矿区主要含水层及隔水层情况

1)含水层。矿区含水层主要为三种类型:a.孔隙水含水层,主要分布于桃河及其支流的河床以及其它低洼河谷中的冲积、洪积及坡积层中,厚度10 m～20 m左右,由砂、砾石、卵石、滚石等组成；b.基岩裂隙含水层,分布于二叠系山西组、石盒子组地层中,含水层岩性主要由砂岩组成,为砂岩裂隙水；c.岩溶裂隙含水层,中奥陶统马家沟组灰岩为本区主要强含水层之一,大面积出露于阳泉矿区东北部外围,为煤系地层基底。石炭系太原组石灰岩主要有K2、K3、K4三层石灰岩,总厚度15.95 m。其中以15#煤层顶板四节石(K2灰岩)厚度较大,为5 m～12 m左右,在浅部地区岩溶裂隙较为发育,含水较丰富。

2)隔水层。新生界底部的粘土层组是良好的隔水层组。石盒子组K8砂岩以上各含水层之间,均有沉积稳定的泥岩、砂质泥岩、并夹有粒度不同的各类砂岩,其岩层呈互层结构,除矿区东北部的局部地段因剥蚀缺失外,一般地方沉积稳定。15#煤层至奥灰间隔水层,在矿区内的正常间距为 40 m～60 m,平均厚度55 m,岩性主要为泥岩、砂质泥岩与粘土泥岩,夹1-2层薄层灰岩,底部有一层铝土质泥岩沉积稳定。

含水层和隔水层关系示意图，见图2。

图2 含水层和隔水层关系示意图Fig.2 Relationship between aquifer and aquiclude

2 防治水工作现状

目前阳煤集团下辖在产的22座煤矿中有4座矿井水文类型为复杂型，阳泉地方煤矿在产或在建的21座矿井中有1座矿井水文类型为复杂型。阳泉矿区各主要矿井主采3#、6#、8#、9#和15#煤层,其中15#煤层为全区稳定可采煤层；3#煤层主要防止顶板砂岩和二叠系砂岩含水层水,以疏放为主;6#煤层主要是一探放上部采空积水和同层采空积水为主;8#、9#煤层要通过对采高、导水裂隙带高度和隔水层厚度等因素确定上部采空区积水的处理;15#煤层西部区域存在带压开采,是防治水工作的重点和难点。目前矿井运用2种物探勘察加钻探确定其采掘区域的安全性,并通过安全评价后才进行采掘,对上部和同层采空积水以及小煤窑古空水在采掘期间也会加以疏放。

3 面临的主要问题

矿区内很多矿井的奥陶系灰岩含水层的富水性、水位等资料参照井田周边水井资料,井田内没有揭露奥灰含水层专门水文孔,划分带压开采区精度不够;井田陷落柱极发育,而三维地震工作尚未全井田开展。一些老矿井由于开采年限的增长和开采范围的不断扩大,采动裂隙越来越多,在雨季的降水量增大时,煤层上覆的第四系含水层和地表水体可能成为充水水源,通过导水通道进入矿井,从而对矿井生产造成影响。井田及周边四邻煤矿存在采空区积水,虽然开展了积气、积水的调查和访问工作,但工作手段精度不够,导致井田周边矿井废弃巷道和采空区分布不易查明。小煤矿关闭后,井下不排水,其采空和巷道积水通过连通巷道涌入生产矿井,造成矿井涌水量增加,给矿井防排水工作带来困难。个别小窑的历史悠久,缺乏相应的开采资料和图纸,导致与其矿界相邻区域的防治水工作开展的难度大大增加,无法科学合理的去判断其地质水文情况。矿区西部的15#煤层底板含水层主要为奥陶系中统灰岩岩溶裂隙含水层,部分处在带压开采区内,需开展奥灰水动态监测,加强对陷落柱、断层等构造的探测力度,加强对其导水性、富水性的研究。

4 阳泉矿区矿井防治水技术保障体系分析

4.1物探技术保障

矿井物探工作需要在地面和井下逐步开展,常用的物探方法有直流电法、高密度电法、瞬变电磁法、音频电透视、坑透等多种物探技术手段,但每种方法均有其局限性和不足。目前采用的最多的是直流电法和瞬变电磁法探测,但直流电法的全球体探测致使周边的异常的解释也通常反映在前方,瞬变电磁法存在一定的盲区,并对距离的控制性较差。有鉴于此,矿井在开展物探勘查时,应采用多种物探手段对异常区进行探测,以相互佐证各自的物探成果,进一步提高物探的准确率[4-5]。

4.2钻探技术保障

矿井配备专用的探放水钻机,专用探放水钻机具有钻探距离远,易于固定且有防喷射装置,但钻探由于岩层力学性质和重力作用影响,其轨迹不能按照设计的理想状态去钻进,因此,需要配备相应的随钻或轨迹测量仪等设备确定煤层钻孔在煤岩层中的轨迹。

4.3防治水技术体系建设

阳泉矿区防治水技术工作,重点在于探查奥灰水富水性、水位、隐伏导水陷落柱,以及小煤矿采空区积水。但是陷落柱直径大小仅仅是十几米或几十米的孤立的点,很难用钻探控制。小煤矿的开采多为巷采,采掘活动分散且无规则。物探方面,虽然能从面上加以寻找,但很难取得直接可靠的效果。因此要在以往经验的基础上,根据矿区的水文地质特征,进行地质分析,寻找短板,查明水源,涌水通道和危害类型,结合井上下资料,利用物、化、钻探等多种技术手段和方法,进行综合探查,对其进行危险性评价和论证后制定针对性的探放水措施,其流程见图3。

图3 综合探查技术流程图Fig.3 Flowchart of Comprehensive Survey Technology

5 结束语

阳泉矿区经过多年开采,其东部煤炭资源已逐渐枯竭,向西部深埋区延伸势在必行。矿区西部的15#煤已经处于带压区,需逐步完善带压开采研究。矿区内陷落柱发育,新构造运动强烈,有可能发育较近时代塌陷的陷落柱,胶结性较差,易发育成为导水陷落柱。另外,突水情况有时是复杂的,除决定于地质条件,还受采掘条件(如工作面尺寸大小、采煤方法、采动对底板的破坏影响,以及矿压与水压的不平衡等)的影响,因此矿井在进行突水预测预报的同时,还需建立和完善具有一定排水能力的泄水巷和防排水系统以及建立安全出口和避灾路线。

[1] 彭苏萍,孟召平.矿井工程地质理论与实践[M].北京:地质出版社,2002.

[2] 李俊杰,郭英海,车灿辉,等.西山煤田古交矿区陷落柱特征及其导水性分析[J].中国煤炭地质,2010,22(1):40-44.

LI Junjie,GUO Yinghai,CHE Canhui,etal.Subsided Column Features and Water Conductivity Analysis in Gujiao Mine Area,Xishan Coalfield[J].Coal Geology of China,2010,22(1):40-44.

[3] 王一,秦怀珠.阳泉矿区地质构造特征及形成机制浅析[J].山西煤炭,1998，(3):27-30.

WANG Yi,QIN Huaizhu.Characteristics and Formation Mechanism of Geological Structures in Yangquan Mining Area[J].SHANXI Coal,1998,(3):27-30.

[4] 彭苏萍,王金安.承压水体上安全采煤[M].北京:煤炭工业出版社,2001.

[5] 钟亚军.开滦煤矿防治水综合技术研究[M].北京:煤炭工业出版社,2001.

TechnicalSupportSystemforWaterControlinYangquanMiningArea

WANGHuiming,WANGYi

(YangquanCoalIndustry(Group)Co.,Ltd.,Yangquan045000,China)

According to water disaster and water control technology,major water disasters were summarized on the analysis of geological and hydraulic geological conditions,water filling sources,water conducting and water quantity.Therefore,the study proposed a technical support system,which could provide further guarantee for the water control in Yangquan mining area.

Yangquan mining area; water control in mines; technical support system

1672-5050(2017)04-0069-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.020

2017-06-16

王慧明(1984-),男,山西盂县人,硕士研究生,工程师,从事煤田地质勘查与矿井防治水研究及管理工作。

TD745

A

(编辑:樊 敏)